[강좌] GeForce3의 신기술 - 3. HSAA와 DirectX 8

(4) DirectX 8 - 프로그래밍이 가능한 지오메트리

DirectX 8 : 그래픽에 있어서의 보다 높은 현실감을 위하여

PC의 일반 사용자 수준의 그래픽은 지속적으로 발전하고 있다. NVIDIA로부터 라이센싱된 기술을 사용하여서 마이크로소프트는 DirectX 8을 개발하였다. 이것은 앞으로 나올 새로운 세대의, 프로그래밍이 가능한 그래픽 하드웨어를 이용할 수 있도록 만들어졌다. DirectX 8의 3D 그래픽 어플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)의 주요한 부분이 이번 장을 통해서, 앞으로 나올 3D 그래픽 기술들의 이해와 함께 다루어질 것이다.

프로그래밍의 용이성

DirectX 8은 많은 새로운 기능을 자랑하고 있지만 그 중에서도 프로그래밍의 용이성이 가장 중요한 신기술이라고 할 수 있다. 프로그램을 짜 넣을 수 있다는 것은 고정된 기능을 가지는 하드웨어가 없이, 3D 그래픽 개발자들이 특수효과를 만들어내고 이를 GPU에 적용시키는 작업을 할 수 있도록 한다. 이전 버전의 DirectX에서는 고정된 파이프라인만을 가지고 있었기 때문에 개발자들은 그들의 하드웨어를 프로그래밍할 자유를 가지지 못했고, API에 정의되어 있는 고정된 기능에 의존해야만 했다.

이제, DirectX 8은 일반 소비자를 대상으로 하는 수준에서, 프로그래밍이 가능한 그래픽 하드웨어의 영역을 개척했다. 과거의 노력들은 매우 독점적이었으며, 하드웨어에 의존해야만 했다. 이제 DirectX 8은 하드웨어를 프로그래밍하는 API를 정의해 넣음으로써, 표준화된 프로그래밍 방법을 제공한다. NVIDIA GeForce3 GPU는 사용자에게나 개발자에게나, 가장 완벽하게 DirectX 8을 지원하는 GPU이며, PC 소비자 수준의 그래픽에서 영화와 같은 효과를 보여줄 것이다.

그래픽 하드웨어를 프로그래밍할 수 있다는 것은 범용으로 사용되는 CPU를 대체하는 것을 의미하는 것이 아니다. 대신, 프로그래머는 픽셀이나 버텍스 데이터에 관련된, 특별한 목적을 가지는 연산을 수행하는 코드를 만들어낼 수 있다. DirectX 8에 집적되어 있는 명령어셋은 3D 그래픽 기능을 위한 특별한 구조로 만들어진 저수준 언어이다.

DirectX 8의 프로그래밍 범위는 두가지 부분으로 나뉜다. 첫번째는 버텍스(지오메트리) 데이터와 관련된 부분이며, 이것은 버텍스 쉐이더를 프로그래밍한다. 다른 하나는 프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더에 관련된 부분이다. 이것은 픽셀 수준의 효과를 만들어내서 보다 섬세하고 커스터마이징 된 특수효과를 개별적인 픽셀에 적용한다. 다음 페이지에서 이들 각각의 중요성에대해서 이야기하고, 각 특수효과들을 살펴볼 것이다.

프로그래밍이 가능한 지오메트리

버텍스는 두개의 선이 만나는 점을 의미한다. 예를 들어서 삼각형의 꼭지점이 여기에 해당한다. 하나의 삼각형은 세개의 버텍스를 가지고 있다. 3D 그래픽의 대다수의 지오메트리는 때때로 현실적으로 보이는 모습을 만들어내기 위하여 엄청난 양의 상호 연결된 삼각형의 집합을 구성한다. 하지만 이들 오브젝트나 형태들은 서로 독립되어 있는 삼각형으로 구성될 필요는 없다. 그 대신에 이들은 삼각형의 띠나 부채꼴 같은 그룹을 형성한다. 삼각형의 띠나 부채꼴 형태를 구성함으로써, 많은 삼각형들은 버텍스를 공유할 수 있으며, 이것은 3D 그래픽 엔진이 걱정해 마지않는 많은 양의 데이터를 감소시켜준다.

버텍스의 프로그램은 대개 128라인 이하의 짤막한 코드들의 조각이다. 이것은 개별적인 버텍스에 대해서, 혹은 버텍스의 그룹에 대해서 적용된다. 다음 페이지에 열거될 다양한 특수효과가 버텍스의 프로그램을 동작시킴으로써 가능해진다.

행렬 팔레트 스키닝

이 기술을 사용함으로써 프로그래머는 보다 현실적인 캐릭터 애니메이션을 만들어낼 수 있다. 이전의 게임에서 관절이 움직이는 캐릭터를 본 적이 있는 사용자라면 그들 캐릭터의 관절이 부드럽게 움직이지 않고, 로봇처럼 딱딱하게 움직이고 있음을 느꼈을 것이다. 또한 골격을 가지는 애니메이션을 만들어내는 수학적 계산에서는 골격을 굽히는 과정에서 골격 사이에 보기 좋지 않은 틈을 생성하곤 한다. 버텍스 쉐이더를 사용함으로써, 3D 프로그래머는 하나의 관절에 8개에서 10개의 골격을 가지는 캐릭터 애니메이션을 만들 수 있다. 이것으로 인해서 관절이 보다 부드럽고 자연스럽게 움직일 수 있다.

현실적인 캐릭터를 만들어내는 능력은 3D 컨텐츠 개발자들에게 있어서는 일종의 성스러운 작업이다. GeForce3의 행렬 팔레트 스키닝을 사용함으로써, 캐릭터는 마치 살아있는 것처럼 움직이고 구부릴 수 있다.

표면의 변형

실제 세계에서는 모든 표면이 완전히 부드럽거나 평평하지는 않다. 예를 들어서 수면은 언제나 평평하고 잔잔하지는 않다. 옆의 화면을 보자. 여기에는, 이전에는 일반 사용자 수준의 그래픽 하드웨어에서는 실시간으로 구현하기 어려웠던 수면상의 잔물결이나 파도같은 변형효과가 있다.

DirectX 9의 버텍스 쉐이더를 사용하여 개발자들은 그들의 모델에 동적인 변화를 줌으로써 수면의 잔물결이나 파도 같은 모습을 만들어낸다. 이러한 기법은 GeForce3과 DirectX 8이 이들 기능을 사용하기 전까지는 구현할 수 없었던 것이다.

버텍스 모핑

버텍스의 프로그램은 삼각형의 망을 하나의 모습에서 다른 모습으로 모핑시키는 데에 사용된다. 수영하고 있는 돌고래를 예로 들어 본다면, 돌고래는 수중에서 앞으로 나아가기 위해서 몸을 굽히고 뒤튼다. 돌고래의 골격에 작용하고 있는 버텍스 쉐이더는 부드러운 애니메이션을 만들어주고 있다.

어안렌즈 효과

버텍스 쉐이더의 또다른 용법은 장면 자체에 특별한 효과를 주는 것이다. 예를 들어서 버텍스 쉐이더는 어안렌즈같은 효과를 만들어낼 수 있다. 아래의 그림에 사용된 버텍스 쉐이더는 특화된 행렬변환을 통해서 특수효과를 만들어내고 있다. 이러한 특화된 변형효과는 고정된 지오메트리 파이프라인을 가지고 있는 이전 버전의 DirectX에서는 만들어낼 수 없었다. 이 예제가 어안렌즈 효과만을 보여주고 있지만, 사실상 사용가능한 특수효과의 다양성을 제한하는 것은 오로지 개발자의 상상력 뿐이다.

다수의 버텍스 광원의 사용

이전세대의 NVIDIA GPU들은 하나의 버텍스에 대해서 단지 8개의 광원만을 사용할 수 있었다. DirectX 지오메트리 파이프라인의 고정된 속성으로 인해서 한번의 패스에서 그 이상의 광원을 사용할 방법이 없었다. GeForce3 GPU는 버텍스의 프로그램을 사용함으로써 이론적으로는 하나의 패스에서 무한한 광원을 사용할 수 있으며, 이것은 개발자들이 API에 의해서 그들의 상상력을 제한당하지 않고 그들의 원하는 것을 만들어낼 수 있는 자유로움을 부여한다.

픽셀 단위의 특수효과로의 버텍스 쉐이더의 적용

버텍스 쉐이더는 픽셀 쉐이더와 연동되어서 동작할 수 있는데, 대개 픽셀수준의 특수효과를 만들기 위한 지오메트리를 생성해 준다. 주요한 픽셀 수준의 특수효과를 만들어내는 데에 필요한 지오메트리 연산은 GPU 상에서 버텍스 프로그램에 의해서 수행된다. 몇 가지 예를 보자.

큐브 인바이어런먼트 매핑

버텍스 쉐이더의 용법 중 가장 간단한 사용법은 큐브 인바이어런먼트 매핑을 위한 텍스쳐의 좌표를 생성하여 CPU로부터 이 작업량을 줄여준다. 그 순수한 결과로써, 일반적인 인바이어런먼트 매핑보다 정교한 매핑이 가능해지녀, 이 작업을 GPU에서 행함으로써 전체적인 성능도 향상된다.

도트 프로덕트 범프 매핑을 위한 셋업

도트 프로덕트 범프 매핑(Dot-Product bump mapping)은 화질에 있어서의 가장 중요한 진보 중의 하나이다. 이러한 방식의 범프 매핑은 NVIDIA GeForce256에서부터 DirectX 7의 일부로써 적용되었다. 하지만 DirectX 7에서는 이를 위한 지오메트리 셋업이 CPU에서 수행되었으며, 이에 필요한 연산은 컴퓨터의 성능에 의존하였다.

이제, GeForce3과 DirectX 8을 사용하여 버텍스 쉐이더는 이러한 연산들을 원래 수행어야 하는 위치인 GPU 상에서 수행한다. 이러한 GPU가 가지는 강력한 연산능력으로 인해 사물계의 광범위한 영역에 대해서 도트 프로덕트 범프 매핑을 폭넓게 사용할 수 있게 되었으며, 이로써 보다 단순한 형태의 모델들도 실제처럼 보이지 않는 것에서 벗어나서, 사실적이고 세밀한 묘사가 가능해졌다.

큐브 인바이어런먼트 매핑이나 도트 프로덕트 범프 매핑에 대한 보다 자세한 설명은 이전에 포스팅되었던 ATI Radeon의 신기술 강좌에서 자세히 언급한 바 있다.

 Link>>  ATI Radeon에 적용된 신기술 강좌 바로가기

적층 안개 효과

버텍스 쉐이더는 오브젝트의 표면에 깔려있는 안개나 연기 등의 효과를 사실적으로 만들어낼 수 있다. 안개 덩어리가 언덕에서 움직일 때, 방 안에 연기가 자욱할 때, 안개 효과는 새로운 수준의 현실감을 제공한다.

버텍스의 프로그램은 장면 안에서의 지오메트리에 기반한 텍스쳐의 좌표를 생성하기 위해서 사용되며, 이것은 GeForce3 GPU 내에서 실행된다. 그 결과로써, 지표 위에 안개나 연기가 각자의 두께를 가지고 덮인 모습을 표현하면서도 성능상의 손실은 입지 않는다.

픽셀 수준의 반사광

범프 매핑이 적용된 표면에서 정확한 반사광을 만들어내기 위해서는 대단히 복잡한 연산이 수행되어야 한다. 과거에는 이러한 작업이 CPU에서 수행되었기 때문에 형편없는 성능만을 보였다. 그래서 픽셀 수준의 반사광을 실시간에 표현하는 것은 비현실적인 일이 되었다. GeForce3 GPU의 버텍스 쉐이더와 강력한 텍스쳐 매핑 기법을 같이 적용함으로써, 성능을 그대로 유지하면서도 대단히 놀라운 시각적인, 복잡한 특수효과를 만들어낼 수 있다.