[PBR] 2. 금속과 비금속 (Metalic)

 

PBR에서 물체의 재질이 금속이냐, 비금속이냐에 따라

빛의 표면 반응이 다르기 때문에

이 속성(Metallic)은 매우 중요하다.

 

 

금속/ 비금속 빛 에너지 표면 반응

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금속(Metals)에서 빛과 전자의 상호작용

 

 금속 재질은 자유전자가 많아 광자 대부분이 표면에서 즉시 반사되며, 일부 파장은 흡수되어 열로 변환된다. 이렇게 살아남은 파장이 형성하는 반사파의 스펙트럼이 금속 고유 색상을 결정한다.

최초의 빛 100%
   │
   ├─ 반사 → 대부분 반사되어 눈으로 들어옴
   └─ 일부 파장 흡수 → 사라짐(눈에는 안 보임)

 

 

 금속의 자유전자는 전도대가 연속적이기 때문에, 비금속처럼 특정한 에너지 준위(밴드갭)에만 반응하는 것이 아니라 넓은 파장 범위의 전자기파와 상호작용할 수 있다. 금속은 모든 파장에 대해 전자가 반응할 수 있지만, 전도전자 집단의 플라즈몬 특성 때문에 파장별 반응 강도(흡수·반사)가 달라지며, 이로 인해 특정 파장은 더 강하게 흡수되고, 나머지 파장은 강하게 반사된다. 금속에서도 빛의 일부는 흡수되지만, 대부분의 자유전자는 빛의 전기장 변화에 즉각적으로 반응하여 집단적으로 진동하고, 이 전자 진동이 곧바로 새로운 전자기파를 방출하여 거의 즉각적인 재방출(정반사)을 만든다.
 따라서 금속에서의 반사는 흡수 후 지연된 재방출(diffuse)이 아니라, 표면에서 즉각적으로 일어나는 전자 집단 진동의 재방출(specular)이다.

 

 

비 금속(Non-Metals)에서 빛과 전자의 상호작용

 

 금속은 전자 밀도가 높고 자유전자가 존재하여 광자 대부분이 반사되지만, 비금속은 자유전자가 거의 없어 금속처럼 광자를 바로 반사하지 못한다. 비금속에서는 약 0.04%만 즉각적인 반사가 일어나며, 나머지는 광자 에너지의 일부가 흡수되어 열이나 전자 들뜸으로 전환되고, 나머지 광자는 내부에서 산란되어 표면 밖으로 방출된다. 이렇게 방출된 빛이 눈으로 들어오는 Albedo 색을 결정한다.

최초의 빛 100%
   │
   ├─ 흡수 (열/전자 들뜸) → 사라짐(눈에는 안 보임)
   └─ 방출 (반사 + 내부 산란) → 눈으로 들어온 빛 = Albedo

 

조금더 자세히 말하면 아래와 같다.

비금속의 전자는 광자와 상호작용할 때 에너지 준위가 변화한다(안정 → 들뜸 → 안정).

각 원자의 전자는 들뜸 상태가 되기 위해 필요한 특정 파장의 에너지만 흡수하며, 들뜬 전자가 다시 안정 상태로 돌아올 때 일부 에너지를 방출한다. 이렇게 흡수되지 않은 나머지 광자가 표면 밖으로 방출되며, 이것이 우리가 보는 Albedo 색을 결정한다.

광자 입사
   │
   ▼
[전자 흡수 → 들뜸 상태]
   │
   ├─ 일부 에너지는 흡수하여 열로 변환
   └─ 흡수하지 못한 에너지는 여러 방향으로 산란 → 방출
        ↓
     눈에 들어오는 빛 = Albedo

 

 

 

 

금속/ 비금속 반사율

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 매질의 경계에서 물리적 특성에 따라 일부는 굴절(내부 진입)하고 일부는 반사한다. 금속은 자유전자가 많아 거의 모든 광자가 표면에서 반사되며, 내부로는 거의 들어가지 않는다. 반면 비금속은 자유전자가 적어 빛이 내부로 진입하며, 일부 에너지는 흡수되고 나머지는 내부 산란 후 방출되어 Albedo 색을 결정한다.

 

비금속의 평균 반사율은 0.04%

 

 

 

 

 

PBR에서 금속/비금속과 specular/diffuse(albedo)의 관계

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금속 (Metal)

• Specular
  • 빛의 대부분을 반사 → specular
  • 자유전자가 모든 파장에 대응하여 강한 반사파를 만들기 때문에 specular의 색상은 RGB (우리가 보는 물체 고유의 색)
  • 금속의 색상은 specular 색상과 같다. 즉 specualr는 RGB가 된다. ex) 금은 파랑 파장을 흡수하고, 노랑/빨강 계열만 반사하여 우리는 gold색상을 보게됨
• Diffuse
  • 금속은 빛이 내부로 침투하는 일이 거의 없기 때문에 diffuse는 0으로 봄

비금속 (Non-Metals)

• Specular
  • 빛을 0.04%(평균 F0)만 반사 → specular
  • 비금속의 전자는 특정 파장 범위만 흡수할 수 있기 때문에 specular의 색상은 단순 밝기값(float)이다.
• Diffuse(albedo)
  • 빛의 대부분을 표면 산란(흡수 후 방출) → diffuse(albedo)
  • 물질의 결합 전자 구조에 따라 파장별로 흡수하는 정도가 다르고, 흡수하지 못한 파장들이 방출된다. 이 방출된 파장의 빛이 diffuse가 되는것이므로, diffuse의 색상은 RGB(우리가 보는 물체 고유의 색)이 된다.

 

 

요약

금속의 specular   =  specular RGB
금속 diffuse          =  0
비금속 specular  =  거의 무채색, 약 0.04
비금속 diffuse      =  RGB 색상

⇒ 이 내용은 PBR의 BRDF에서 모두 포함되어있으며, 게임엔진의 PBR은 BRDF를 의미한다.

 

 

 

 

 

 

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[PBR] 3. 프레넬 효과(Fresnel)와 미세면 모델(Microfacet model)