[강좌] GeForce3의 신기술 - 3. HSAA와 DirectX 8

(2) 멀티샘플링과 오점형(Quincunx) 안티알리아싱

고해상도 안티알리아싱(HRAA : High Resolution Antialiasing)을 위한 멀티샘플링

멀티샘플링의 기본이 되는 아이디어는 하드웨어적으로 GPU의 코어에 내장된 안티알리어싱 기법에 적용되어 있다. 이로 인해서 GPU는 더 복잡해졌지만 대신 사용자는 더 높은 화질과 더 높은 성능을 얻을 수 있게 되었다.

멀티샘플링은 GPU 스스로가 하나의 픽셀의 최종 색상을 만들어내기 위해서 다수의 샘플이 사용될 것을 인식하고 있음으로써 동작한다. 여기서 사용되는 여분의 샘플은, 일종의 ‘가상의 픽셀’로 생각할 수 있다. GeForce3은 내부적으로 보다 넓은 데이터 패스를 가지고 있기 때문에 이러한 가상의 픽셀들을 다루면서도 표준 렌더링 모드에서의속도에 비해서 느려지거나 하지 않는다. 사실, GeForce3 GPU는 이러한 가상의 픽셀들, 또는 추가적인 샘플들을 엔진 성능의 저하 없이 완전한 속도로 연산해낸다. 이러한 넓은 데이터 패스는 GeForce3가 픽셀에 사용되는 모든 샘플들에 대해서 같은 텍스쳐 데이터를 사용할 수 있도록 함으로써, 모든 안티알리아싱 샘플에 사용되는 텍스쳐에 필요한 메모리 대역폭을 상당부분 감소시킨다. 메모리 대역폭은 고해상도 디스플레이 모드에서는 성능의 병목현상을 일으키며, 안티알리아싱이 사용될 경우는 그 정도가 더욱 심해진다. (메모리 대역폭에서의 압박에 대해서는 GeForce3의 광속 메모리 아키텍쳐에 대한 글 << Link 을 참조)

GeForce3는 그래픽 하드웨어의 안티알리아싱을 위한 새로운 기법을 사용한다. 이 기법은 새로운 샘플링 패턴을 사용하는 '멀티샘플링의' 형태를 취한다. 멀티샘플링을 위한 샘플 포인트의 위치는 최종적인 픽셀 색상을 연산하기 위해서 이웃한 픽셀들의 데이터를 사용하는 “재구축 필터”의 사용을 가능하게 한다. 이것은 전체 작업량을 증가시키기 때문에 프레임 레이트가 약간 줄어든다. 하지만 그 보상으로 훨씬 뛰어난 화질을 얻을 수 있다. 새로운 샘플링 패턴은 오점형(五占形 : Quincunx)이라고 불리는데 이것은 주사위의 ‘5’ 눈의 모습처럼 다섯개의 점이 나 있는 모양을 말한다. 하드웨어적으로 구현된 오점형 패턴은 4X 수퍼샘플링 모드와 유사한 화질을 가지면서도 2X 수퍼샘플링 모드에서와 유사한 성능을 보인다. 오점형 재구축 필터의 사용으로 만들어진 높은 화질은 큰 진보이며, 안티알리아싱의 화질 대 성능의 맞교환이라는 등식에서 대단히 중요한 개선을 가져온다.

오점형(Quincunx) 패턴

오점형 안티알리아싱 모드는 초기 렌더링 단계에서 픽셀들의 추가적인 샘플을 GPU가 모두 새로이 만들어내는 것이 아니라, 이웃한 픽셀로부터 데이터 샘플을 사용한다. 아래의 그림은 오점형 안티알리아싱이 어떻게 이웃한 픽셀들로부터 샘플을 끌어와서 사용하는가를 보여준다.

 Quincunx 샘플링이 어떻게 이웃 픽셀을 끌어와서 샘플링하는가를 보여준다.

오점형 안티알리아싱 모드가 이웃한 픽셀로부터 샘플링을 하여 사용한다. 따라서, 하나의 픽셀을 렌더링하기 위해서 프레임 버퍼에 기록해야 하는 잉여정보로 인한 성능의 저하에 비하여 최종 픽셀을 재구축하기 위해 입력되는 정보가 더 많으며, 이것은 화질의 향상을 이루어낸다. 또한 이전의 4X 수퍼샘플링 기법에 비하여 오점형 안티알리아싱 기법은 2배의 효율성을 가지므로, 이것은 단지 2X 수퍼샘플링 기법에서 요구되었던 만큼의 메모리만큼을 필요로 한다. 이로 인해서 그래픽 카드 메모리의 제약이 줄어들어서 더 높은 해상도를 구현할 수 있다. 아래의 표는 각 안티알리아싱 모드에서 필요한 메모리가 얼마만큼인가를 보여준다.

위의 표는 일반적인 4X 수퍼샘플링 안티알리아싱 모드와 오점형 안티알리아싱 모드가 각각의 픽셀을 재구축하는데에 사용하는 데이터 샘플이 어떠한 것인가를 비교하고 있다. 이들 샘플 포인트의 위치는 GeForce3 GPU에 해당하는 것이며, 다른 GPU들은 픽셀의 범위 안에서의 다른 위치에서 픽셀들의 샘플을 얻어낼 수도 있다.

4x 수퍼샘플링 안티알리아싱과 오점형(Quincunx) 안티알리아싱의 샘플링 위치 비교

결과

안티알리아싱 솔루션의 진정한 테스트는 성능과 이미지 품질과의 조화가 얼마나 이루어졌는가를 보는 것이다. NVIDIA의 오점형 안티알리아싱은 이 두가지 면에서 최고의 조화를 이루고 있다. 다음에 보이는 그림은 실제 Quake3의 스크린샷을 GeForce3의 안티알리아싱 모드들이 잘 보일 수 있도록 확대해 놓은 것이다. 여기서, 오점형 안티알리아싱 기법에 의해서 만들어진 이미지가 4X 수퍼샘플링에 의해서 만들어진 이미지의 품질과 유사한 품질을 가지는 것을 주목해 보아야 한다. 2X 안티알리아싱 모드에서보다 4X 안티알리아싱 모드나 오점형 안티알리아싱 모드에서의 중간색이 더 많은데, 이것은 이들이 더 많은 수의 샘플을 사용하기 때문이다.

네가지 안티알리아싱 기법의 비교
오점형 안티알리아싱 기법이 4X 안티알리아싱과 거의 결과를 보이는 것을 유의하자.

아래의 화면은 앞서 보았던 안티알리아싱 화면들 중 세가지 모드에서의 전체 화면이 어떻게 나타나는가를 보여준다. 왼쪽에서부터 차례로, 안티알리아싱을 사용하지 않은 것, 오점형 안티알리아싱, 4X 수퍼샘플링 안티알리아싱이다.

안티알리아싱 결과물의 비교
가장 왼쪽은 안티알리아싱을 적용하지 않은 경우이며, 가운데가 오점형 안티알리아싱,
그리고 가장 오른쪽이 4X 안티알리아싱.

GeForce3은 이들 안티알리아싱 모드들을 매우 높은 성능으로 구현해낸다. 이것은 고해상도 모드에서 60 fps 이상의 높은 프레임 레이트를 구현해내는 첫번째 GPU이며, 즉 HRAA(고해상도 안티알리아싱)을 일반 사용자 수준에서 사용할 수 있도록 하는 최초의 제품이다. 이전의 GPU 들도 기술적으로는 안티알리아싱을 지원할 수 있었지만, 그러할 경우 게임 플레이 등에서의 프레임 레이트가 대단히 저하되기 때문에 사용자들은 대개 안티알리아싱 모드를 꺼 놓고 사용하였다. HRAA을 구현한다고 하기 위해서는 최소한 1024x768의 해상도와 32bit의 색 심도를 가지는 화면에서 60fps이상의 높은 성능을 필요로 한다. 아래의 표는 몇가지 안티알리아싱 모드에서의 상대적인 성능을 비교하고 있다.

안티알리아싱을 사용했을 때의 프레임 차이

결론

GeForce3 GPU는 HRAA를 일반 소비자를 대상으로 하는 가격대에서 제공할 수 있는 최초의 GPU이다. GeForce3 GPU가 가지는 하드웨어 멀티샘플링의 능력은 이전보다 월등히 높은 수준의 성능과 유연성을 제공하며, 최종 사용자들에게 안티알리아싱을 위한 보다 나은 모드를 선택할 수 있게 함으로써, 새로운 그래픽 프로세서의 모든 잠재적 능력을 사용할 수 있게 한다.