Light Radius vs. Light Angle as attribute of ray-tracing soft shadow

Maya 혹은 Mental ray에서 Distribution Ray tracing Soft Shadow를 만들때 shadow의 softness를 조절하는 옵션으로 쓰이는 것을 자세히 보면 약간의 함점(?)이 있다고 할 수 있겠다.

Point Light와 Spot Light에서는 'Light Radius' 라는 말로 쓰이지만 Directional Light에서는 'Light Angle' 이란 말로 쓰인다는 것이 어감이 비슷해 대강 넘어 갈수도 있지만 그 어원적인 차이를 이해하면 방식의 차이를 알게 될 것이라 생각 된다.

모든 ray-tracing shadow 계산 방식의 시작은 제일 먼저 camera view에 들어온 objects을 골라 illuminated된 surface의 각 point P로 부터 Light Emitter쪽을 향해 역방향으로 shadow rays를 travel 시켜 그 rays가 출발지점이였던 light emitter까지 거침 없이 도달하느냐 아님 any geometry에 blocking 당하느냐에 따라 shadow 생성 여부를 판단하게 되는데 soft shadow를 위해서는 그 illuminated P점에서 역방향으로 travel 시킬때 그 P점을 중심으로 한 solid angle안에서 random하게 multi rays를 쏴 hit test 하여 최종 그 light emitter까지 도달한 ray의 개수를 총 ray 개수로 나눈 퍼센트 value가 shadow가 되는데 그 solid angle의 radius size가 shadow의 softness를 결정하게 되겠다.

이  illuminated P점에서 solid angle radius를 결정하는 방법적인 차이가 light Radius와 light Angle가 나오게 된 배경이 되겠다.

 먼저 간단히 Parallel ray를 가진 distance light 보면 말 그대로 light Angle의 의미는 light 위치와 상관없이 어느 illuminated P점에서나 동일한 solid angle radius와 같다고 보면 된다.

반면 spot light와 point light에 있는 Light Radius는 distance light와 달리 light emitter origin을 중심으로한 가상의 정원을 만들어 그 illuminated P점에서 solid angle의 중심은 light origin을 향하는 콘을 형성하는데 그 solid angle radius는 그 가상의 원을 radius 크기만큼 열리게 되어 soft shadow를 만들게 된다. 따라서 그 light emitter origin을 중심으로 한 가상의 원의 radius가 solid angle의 radius를 지배하게 된다. 그래서 여기서는 light radius라는 이름으로 쓰이게 된 것이다.

여기서 간혹 문제가 생기는 것이 spot light cone에 들어 있지 않지만 그 Light emitter에 가까이 object가 있어 soft shadow 계산시 생성되는 가상의 원 radius 범위 안에 들어 왔다면 모든 shadow rays는 그 object를 shadow 영향 범위 안에 넣어 계산이 되어 전체적으로 noise를 형성되는 shadow가 생성될 것이다.

shadow의 softness의 조절은 결국 shadow ray의 solid angle radius를 넓혀 주어야 하는데 distance light는 위치와 크기에 상관 없이 light angle로 고정된 solid angle radius를 주기에 무조건 light angle을 따르게 되어 있지만, spot light와 point light는 상대적으로 light emitter를 중심으로 한 가상의 원의 radius가 shadow ray의 direction and solid angle radius를 결정하기에 light emitter 위치 즉, 거리와 light radius가 light scale과 연결되어 있다면 light의 크기 값까지 영향을 받게 되어 상당히 상대적으로 조절하게 되는 것이다.