[강좌] GeForce3의 신기술 - 1. NVIDIA nfiniteFX 엔진

2) 프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더 (2)

기술적 개요

GeForce2의 텍스쳐 스테이지 파이프라인
단지 두개의 텍스쳐 블렌딩만을 지원한다.

NVIDIA의 GeForce2 GTS는 DOT3 범프 매핑이나 기타 픽셀단위의 특수효과를 내장되어 있는, 고정된 기능을 가진 픽셀 파이프라인을 통해서 수행한다. 특수효과를 만들어내기 위해서는 하나의 파이프라인이나 복수의 파이프라인 테크닉을 사용해서 텍스쳐의 조합이 가능하다. 다만 루프백(loopback), 즉 파이프라인을 다시 거치는 과정이 불가능하기 때문에 반사광이 포함되어 있는 인바이어런먼트 범프 매핑(environment bump mapping : EMBM) 등과 같은 독립된 복수의 텍스쳐를 읽어들여야만 하는 특수효과는 수행해낼 수 없다.

프로그래머들이 NSR의 고정기능 파이프라인에 의해서 특수효과의 사용이 제한되기는 하였지만, 그래도 막대한 양의 기하학적 세부항목 추가되어야만 하는, 사실적인 모습을 만들어낼 수 있는 DOT3 범프매핑 등의 뛰어난 픽셀단위의 특수효과를 사용할 수는 있었다.

NVIDIA nfiniteFX 프로그래머블 픽셀 쉐이더

NVIDIA nfiniteFX 엔진은 아래와 같은 다양한 효과를 제공하는 높은 수준의 유연성이 추가되어 있다.

1. 프로그래밍이 가능하기 때문에 개발자들이 그들 자신만의 특별한 특수효과를 만들어낼 수 있다.
2. 더욱 많은 텍스쳐 작업을 수행할 수 있으며 보다 많은 텍스쳐 어드레스 레지스터를 가진다.
3. 독립된 다수의 텍스쳐를 읽어들일 수 있으므로 프로그래머들에게 월등히 뛰어난 유연성을 부여한다.

NVIDIA nfiniteFX 텍스쳐 파이프라인
8개의 텍스쳐 블렌딩, 텍스쳐간의 루프백, 프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더를 지원한다.

NVIDIA nfiniteFX 엔진의 아키텍쳐에서 마이크로소프트의 DirectX 7의 텍스쳐 작업들이 제외되지 않았음을 유의해 볼 필요가 있다. 어찌되었던 마이크로소프트 DirectX 8에 포함되어 있는 어플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 사용해서 훨씬 섬세한 픽셀 쉐이더를 사용할 수 있으므로, 보다 복잡한 작업이 가능해진다.

하지만, 버텍스 쉐이더와는 달리 이러한 작업은 소프트웨어를 통해서 에물레이션될 수 없다. 이를 지원하지 않는 그래픽 하드웨어의 픽셀 쉐이더를 사용할 경우 전체 그래픽 파이프라인을 소프트웨어적으로 구동시킬 수는 있지만 이는 속도를 대단히 느려지게 한다. NVIDIA의 nfiniteFX 픽셀 쉐이더 아키텍쳐는 대단히 빠른 부동소수점 연산 성능을 가지고 있으며, 이는 픽셀 단위의 특수효과를 매우 빠른 속도로 만들어낼 수 있다.

프로그래머블 픽셀 쉐이더가 만들어내는 오브젝트의 표면
반사광을 가지며, 표면에 자잘한 요철이 보인다. 이 깃발이 펄럭이고 있다.

위쪽에 보이는 깃발은 보다 섬세한 기술이 가능하다는 것을 보여준다. 여기에 사용된 오브젝트는 움직이고 있으며, 표면이 우툴두툴하고 또한 빛을 반사하는 표면을 가지고 있다. 이것은 이전의 3D 하드웨어에서는 실시간으로 구현할 수 없는 것이었다.

4개의 텍스쳐의 사용

NVIDIA nfiniteFX 엔진은 한번의 패스에서 4개까지의 텍스쳐를 다룰 수 있기 때문에 일반 소비자를 대상으로 하는 플랫폼에서 기존에는 구현하기 어려웠던 픽셀 수준에서의 특수효과를 가능하게 하며, 월등히 뛰어난 성능을 제공할 수 있다. 다수의 텍스쳐를 하나의 패스에서 적용함으로써 다수의 패스를 사용하는 것보다 항상 성능에서의 우위를 가지게 된다. 다수의 패스를 사용한다는 것은 지오메트리 변형엔진과 Z-버퍼를 여러번 사용한다는 것이며, 당연히 렌더링 과정을 느리게 만든다.

범프 매핑의 사용

범프 매핑은 피부의 주름이나 위에서 보았던 NVIDIA 로고 위의 자잘한 무늬들을 표현하는 것처럼, 오브젝트 표면에 추가적인 지오메트리의 환영을 만들어내는 것이다.

DOT3 범프 매핑은 여러개의 텍스쳐를 적용할 수 있는 기능을 필요로 한다. 가장 중요한 텍스쳐는 높이 맵(표면 지오메트리의 높이에 대한 정보)와 법선(normal, 오브젝트의 가상의 표면에 수직이 되는 벡터) 맵이 그것이다. 높이 맵은 단순한 그레이스케일로 표현되며, 이 때의 그레이스케일은 높이나 요철의 정도를 표현한다. 법선 맵은 RGB 방식의 컬러 맵으로 구성된다. 이것은 표면에 빛이 비추어질 경우에 나타나는 효과를 정의한다. 여기서 말하는 법선이라는 것은 수학적인 법선, 벡터(vector : 방향을 가지는 양, 방향량(方向量))를 지칭한다. NVIDIA nfiniteFX 엔진의 픽셀 쉐이더 아키텍쳐는 하나의 패스에서 위에서 언급한, 이에 요구되는 모든 텍스쳐를 한번에 적용할 수 있다.

범프 매핑에 사용되는 두가지 기본 맵
왼쪽이 높이 맵(hight map)이며, 오른쪽이 법선 맵(normal map)이다.

범프 매핑의 최종 결과물

픽셀 쉐이더의 프로그래밍

프로그램에 대해서 생각할 때, 대개 C++이나 베이직 같은 고수준의 언어를 생각하기 마련이다. 하지만, 픽셀 쉐이더의 프로그램은 이보다는 훨씬 낮은 수준의 프로그램, 즉 어셈블리어로 구성된 프로그램이다. 처음부터 NVIDIA nfiniteFX 엔진의 프로그래밍이 가능한 픽셀 쉐이더를 위해서 만들어진 어셈블리어는 마이크로소프트사의 DirectX 8 API에 정의되어 있다.

개발자들은 픽셀 쉐이더를 그들 자신의 개별적인 특수효과나 쉐이딩 알고리즘을 만들어내기 위해서 프로그래밍할 수 있다. 예를 들어서 픽셀 쉐이더는 간단한 만화처럼 보이는 화면 등의 수많은 개성적인 화면을 만들어낼 수 있게 프로그래밍될 수 있다.

따라서, 이로써 표현가능한 특수효과의 범위는 단지 개발자의 상상력에 의해서만 제약을 받는다. nfiniteFX 엔진은 DirectX 8 또는 OpenGL과 연계되어서 동작할 수 있으며, 이는 프로그래머에게 믿기어려운 뛰어난 성능을 제공하는 새로운 수준의 제어능력을 제공한다.

결론

NVIDIA nfiniteFX 픽셀 쉐이더 아키텍쳐는 3D 그래픽 하드웨어 분야에서의 새로운 도약을 대변하는 것이다. 고속의 부동소수점 연산 성능, 픽셀 수준의 총체적 제어능력, 프로그래밍이 가능한 쉐이딩 엔진을 집약시킴으로써 NVIDIA nfiniteFX 엔진은 PC 데스크탑에서 화질의 대폭적인 향상을 이루어낸다.