[강좌] GeForce3의 신기술 - 3. HSAA와 DirectX 8

(5) DirectX 8 - 프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더

프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더

프로그래밍이 가능한 버텍스 쉐이더와 함께 DirectX 8은 픽셀 쉐이더 역시 사용이 가능하다.

픽셀 쉐이더란 무엇인가? 컴퓨터 그래픽의 최종 결과는 이미지를 표현하는 것임을 상기해보자. 이러한 이미지는 다수의 픽셀들로 구성되어 있으며, 그 각각의 픽셀은 색상을 가져야만 한다. 변형, 광원효과 및 오브젝트의 텍스쳐 매핑 등의 모든 연산의 결과는 최종적으로 컴퓨터 스크린에 표시될 때 사람의 눈에 제대로 보일 수 있는 픽셀의 무리를 만들어내는 것이다. 픽셀 쉐이더는 폴리곤에 적용된 텍스쳐 안에서의 위치, 즉 텍스쳐 좌표 정보로부터 색상을 만들어낸다. 이렇게 만들어진 색상은 기본적인 색상정보만을 가지고 있는것이 아니라 투명도나 블렌딩에 대한 정보도 가지고 있다. 마지막으로 출력되는 색상은 화면에 최종적으로 나타나는 픽셀의 색상이다.

DirectX 8의 프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더와 GeForce3 GPU는 프로그래머가 모든 픽셀 수준의 특수효과를 더욱 뛰어난 성능으로 수행하는 고정된 파이프라인을 구현하게 해 준다. 하지만 더 중요한 것은 프로그래머는 이제 사실상 무한한 수의 특화된 광원효과 및 텍스쳐 효과를 그들의 어플리케이션을 위해서 사용할 수 있다는 것이다. 프로그래밍이 가능하다는 점은 개발자들에게 쉐이딩을 위한 그들 자신만의 방법을 창조할 수 있는 엄청난 유연성을 부여한다. 개발자들이 만들어낼 수 있는 새로운 특수효과들은 보다 현실적으로 느끼고, 볼 수 있는 질감을 가지게 될 것이다.

아래에서 이러한 능력의 몇가지 사례를 살펴볼 것이다.

반사광을 가지는 범프 매핑

반사광을 가지는 범프 매핑(픽셀 수준의 반사광)에 사용될 지오메트리 셋업을 위해서 어떻게 개발자들이 버텍스쉐이터를 사용하는가를 앞 페이지에서 다룬 바 있다. 이러한 효과를 만들어내기 위한 한가지 방법은 DirectX 6에서 처음 등장한 인바이어런먼트 범프 매핑(environment bump mapping : EMBM)이다. 하지만 EMBM은 여러가지 광원의 방향에 대해서는 제대로 동작하지 못했으며, 많은 제한점을 안고 있었다. 현재는 반사광을 가지는 범프 매핑을 표현하기 위한 몇 가지 방법이 존재한다. DirectX 7에서 레지스터 컴바이너(register combiner)와 dot3 범프 매핑이 구현되었다. 도트 프로덕트 범프 매핑은 광원의 방향에 관게없이 올바른 화면을 만들어준다. 하지만 이 때의 dot3의 셋업은 CPU가 담당했으며, 그래서 성능상의 문제가 발생했고, 광범위한 사용은 제한되었다. NVIDIA의 GeForce3은 DirectX 8을 완벽하기 지원함으로써, dot3 범프 매핑의 셋업을 GPU 내에서 완전하게 수행해낸다. 이것은 금속 질감을 가지는 범프 매핑 효과를 놀라운 성능으로 구현해낸다.

독립된 텍스쳐

독립된 텍스쳐를 읽어들이는 기능은 DirectX 6에서부터 적용되었지만 그 때는 단지 EMBM에만 해당되었다. DirectX 8의 픽셀 쉐이더 인터페이스는 독립된 텍스쳐를 읽어들일 수 있는 포괄적인 능력을 가진다. DirectX 8의 픽셀 쉐이더 인터페이스를 지원하는 하드웨어, 예를 들어서 GeForce3 등은 이제 EMBM 같은 독립된 텍스쳐를 요하는 작업을 수행할 수 있으며, 무지개 빛을 만들어내거나 홈이 파인 표면을 표현하는데에 쓰이는 이방형 광원효과 등의 다른 특수효과도 사용할 수 있다.

고차수 표면 기법

삼각형의 집합을 기본적인 구조재로 삼아서 3D 그래픽을 만들어내는 작업은 대단히 어려운 작업이다. 마치, 작은 종이조각의 무더기를 가지고서 이들로 구성된 거대한 조형물을 만들어내는 것과 같다. 만약 간단한 수준의 것이라면, 충분한 삼각형의 연산능력과 이들을 부드럽고 잘 이어진 면으로 구성해낼 수 있는 픽셀 쉐이더의 성능을 가지고 있다면 어렵지 않은 일이다. 하지만 개발자들은 3D 그래픽을 만들어내기 위한 보다 직관적인 도구를 원한다. 그 도구중의 하나는 고차수 표면 기법의 사용이다.

GeForce3과 DirectX 8의 고차수 표면 기법을 사용하면 개발자들은 특정한 제어점을 가진 커브로 정의된 오브젝트를 만들어낼 수 있다. 제어점의 집합으로 정의되어 있는 곡선이나 표면을 스플라인(spline)이라고 부른다. 많은 수의 서로 다른 스플라인이 있어도 모든 스플라인들은 소수의 제어점을 가지고 이어서 개발자들은 이 제어점을 사용하여 매우 복잡하고 부드러운 곡면을 만들어낼 수 있다. 스플라인을 서로 연결함으로써, 삼각형들만으로는 만들어내기 어려운 복잡한 곡면을 형성해낼 수 있는 것이다.

DirectX API는 두가지의 곡면을 지원한다. 폴리노미얼(polynomial : 다항식) 표면과 Npatch 표면이 그것이다. 이 때, 최종 결과물은 렌더링되기 전에 지오메트리를 구성하기 위해 테셀레이션(tessellation : 수식으로부터 삼각형의 집합 같은 지오메트리를 형성하는 과정)을 거친다. 이 때 곡면은 삼각형의 망으로 변환되는데, 테셀레이션 이후 이 두가지 기법은 완전히 다른 결과를 낳는다.

Npatch와 폴리노미얼 표면

Npatch는 컨텐츠 개발자들에게 몇가지 잇점을 안겨준다. 이 방법을 사용하면, 현존하는 3D 엔진을 특별히 중요한 변경 없이 그대로 사용할 수 있으며 개발자들은 그들이 작업하는 방법을 바꿀 필요가 없다. 하지만, Npatch는 몇가지 심각한 문제점을 안고 있다.

1. Npatch는 어댑티브 테셀레이션(adaptive tessellation)을 지원하지 않는다. 어댑티브 테셀레이션이 적요되면, 거대한 지형을 표현하는 메쉬(mesh : 트라이앵글로 구성된 망)에서는 가까운 부분은 보통 보다 정교한 테셀레이션을 통해서 많은 삼각형을 가지게 되며, 멀리 떨어진 부분은 그럴 필요가 없으므로 적은 수의 삼각형만이 사용된다.

2. 화질 부분에서 폴리곤과 광원을 발생하는 오브젝트의 부조화적인 표현으로 인해서 손상이 일어난다.

3. Npatch는 표준이 아니다. Npatch를 위한 하드웨어적인 지원은 대단히 제한될 것이며, 또한 Npatch에 기반한 작업을 지원하기 위한 컨텐츠 제작도구도 알려진바가 없다.

4. 오브젝트간의 충돌 감지가 어렵다.

5. 차후에 보다 나은 성능을 가지도록 진화할 가능성이 없다.

Npatch는 현재의 게임 엔진에 많이 사용되고 있어서 개발자들은 그들의 엔진에 변경을 가하지 않고도 곡면을 추가할 수 있다. 폴리노미얼 표면은 보다 진보된, 미래지향적인 기법으로써, 어플리케이션 개발자들에게 보다 큰 능력과 유연성을 부여한다. 폴리노미얼 표면이 가질 수 있는 잇점은 다음과 같다.

1. 어댑티브 테셀레이션. 이것은 화질을 그대로 유지시키면서도 전체적인 삼각형의 사용량을 대폭 줄여준다.

2. 폴리곤이 깨진다거나 광원효과에 결함이 생긴다거나 하는 일이 없는, 향상된 화질을 가진다.

3. 세부적인 연속표면기법을 바로 지원한다.

4. 부분표면기법(subdivision surface) 등의 앞으로의 기술로의 손쉬운 이행이 가능하다.

5. 어댑티브 테셀레이션에 의해서 보다 양질의 캐릭터 모델이 만들어진다.

멀티샘플 렌더링(안티알리아싱, 장면 심도, 모션블러 등)

멀티샘플링은 같은 픽셀의 데이터가 조금씩(한 픽셀 이하) 다른 여러 위치에서 렌더링되는 기법을 말한다. 이러한 픽셀의 부분부분의 렌더링이 몇번 일어나는가는 다양하며, 보다 많은 샘플이 보다 높은 화질을 만들어낼 수 있다.

멀티샘플링은 여러가지 다른 사용 용도를 가진다. 알리아싱은 하나의 픽셀을 렌더링하기 위해서 하나의 지점만을 샘플링하여 그 픽셀 상에 다수의 오브젝트가 걸쳐 있더라도 그 중의 하나의 오브젝트의 색상만을 픽셀에 표현하기 때문에 일어난다. 이것은 렌더링된 이미지에 계단현상을 만들어낸다. 멀티샘플링을 통해서, 이러한 장면은 픽셀당 다수의 샘플 포인트를 통해서 샘플링된다. 하나의 픽셀에 다수의 표면이 걸쳐있다면, 그 픽셀의 색상은 여러군데서 샘플링된 색상을 혼합하여 만들어지며, 이는 계단현상이나 톱니같은 모양을 없애준다. GeForce3는 고화질, 고해상도에서도 높은 성능을 유지할 수 있는, 진보된 안티알리아싱 기법을 지원한다.

멀티샘플링은 다른 방법, 즉 장면 심도 등의 용도로도 사용된다. 장면 심도의 기본 개념은 카메라 렌즈와 유사하다. 즉, 초점거리 안에 있는 것은 명확하고 또렷하게 보이며, 이를 벗어나 있는 오브젝트는 거리에 따라서 점점 뿌옇게 보이도록 하는 것이다. 장면 심도는 장면 안에서 특정 부분에 눈의 초점을 맞춘다거나 할 때 매우 유용한 도구이며, 디자이너의 의도를 명확히 드러내 줄 수 있다.

또다른 사용 방법으로는 모션블러가 있다. 모션블러는 음직이는 오브젝트가 그 움직임의 방향으로 약간 번진 것처럼 렌더링하는 것이다. 영화 필름이 초당 24컷만을 사용하는데에도 부드러워 보이는 것은 각 프레임이 유지되는 시간(1/24초) 동안 자연스럽게 모션블러가 일어나기 때문이다.

모션블러의 사용방법은 두가지가 있다. 하나는 섬광 효과, 즉 극도로 빠르게 움직이는 물체나 자동차의 모습을 표현하는데에 쓰인다. 또 다른 하나는 마치 영화 필름에서 일어나는 것처럼, 느린 프레임 레이트에서도 부드럽게 보일 수 있도록 자연스러운 애니메이션을 표현하는 것이다.

파티클 시스템(Particle System)

소용돌이치고 있는 연기나 눈보라, 용접시의 스파크, 등등의 이와 비슷한 효과는 전통적으로 PC 시스템 상에서는 렌더링해내기 어렵고 성능상의 저하를 가져오는 것이었다. 그래서 이는 곧 현실성의 부족으로 나타났다.

연기나 그와 유사한 효과들을 표현하기 위한 기법은 파티클 시스템이다. 파티클 시스템은 DirectX 8에서 포인트 스트라이프(point stripe)라고 부르는, 수많은 작은 오브젝트들의 움직임을 관리한다. GeForce3는 DirectX 8의 포인트 스트라이프 효과를 지원함으로써, 화려하고 사실적인 효과를 만들어낸다.