[강좌] GeForce3의 신기술 - 1. NVIDIA nfiniteFX 엔진

3) 3D 그래픽 파이프라인

3D 그래픽 파이프라인의 구성

3D 그래픽을 화면상에 보여주기 위해서 사용되는 수학적인 기능들은 3D 그래픽 파이프라인상에서 구현된다. 이 파이프라인의 완전한 구조는 대단히 복잡하지만, 이를 간단히 요약하면 아래와 같다.

1. 장면의 데이터베이스 관리

이 단계는 3D 그래픽 파이프라인에 속하지는 않는다. 그러나 이것은 모든 다른 과정이 실행되기 이전에 먼저 실행되어야 하는 것이기 때문에 언급하는 것이다. 3D 장면의 데이터베이스 관리에는 많은 어플리케이션 레벨의 작업들(3D 어플리케이션에 의해서 수행된 작업을 의미한다.), 예를 들어서 어떠한 오브젝트가 장면 안에 존재해야 하고 다른 오브젝트에 기준한 상대적인 위치가 어떻게 되는가들의 정보 등이 포함된다. 어플리케이션들이 각 화면에 사용될 오브젝트에 대해서 필요한 정보를 CPU를 위한 소프트웨어 드라이버로 전달해 주기 때문이다. 이러한 정보가 일단 GPU의 드라이버로 전달되면, 이것은 3D 그래픽 파이프라인에 들어간 것으로 간주할 수 있으며, 이후부터 아래의 과정을 따라가게 된다. 드라이버가 받은 정보는 이후에 그래픽 하드웨어로 전달된다.

2. 고차수(Higher-Order) 표면의 폴리곤화

3D 장면에 존재하는 대다수의 오브젝트는 삼각형들로 구성된다. 이것은 삼각형이 CPU가 계산해내기에 가장 편리하기 때문이다. 직선이나 사변형같은 특별한 모양의 폴리곤들도 사용되기는 하지만, 삼각형으로 구성된 폴리곤이 일반적이다. 몇몇 오브젝트는 곡선을 사용해서 정의되기도 한다. 이러한 곡선은 이를 해석하기 위해서 고차 계산식을 필요로 하기 때문에 수학적으로 대단히 복잡할 수 있다. 고차 계산식이란 x² 같은, 누승을 가지는 변수를 포함하고 있는 것을 말한다. 예를 들어서 직선에 대한 계산식은 y=x+1 이나 y=2x+1 같은 일차식으로 표현된다. 고차 계산식에서 비슷한 예를 들어보자면  y=x²+1등이다. 고차식으로 규정되는 표면으로 정의되어 있는 오브젝트는 GPU에 있는, 다음 연산을 위한 연산유닛으로 전달될 수 있기 전에, 삼각형으로 이루어진 폴리곤으로 해체되어야만 한다. 그래서, GPU 안에 있는 표면형성 엔진이 첫 번째의 하드웨어적 기능이 된다. 이것의 목적은 고차식을 가지는 선과 표면을 삼각형으로 분해해내는 것이다.

3. 변형 및 광원효과를 포함하는 버텍스 쉐이딩

오브젝트가 일단 삼각형들(여기서의 삼각형들은 각 꼭지점이나 버텍스들에 의해서 정의된다.)의 집합으로 정의되면, GPU의 버텍스 쉐이더 기능은 여기에 개별적인 변형 및 광원효과를 가하는 고유의 기능을 수행할 준비가 된 것이다. 버텍스 쉐이더는 이 글에서 설명하고 있으므로 변형과 광원효과에 대해서만 간단히 알아보자.

변형(Transforming) : 각 오브젝트들은 3D 그래픽 파이프라인을 통해서 움직이는 과정에서 다른 오브젝트에 대한 상대적인 위치를 간단히 하고 연산을 단순화하기 위해서 크기가 변형되거나 회전 혹은 이동(내지는 변환) 될 필요가 있다. 트랜스폼 엔진은 이러한 크기변환이나 회전, 변환 등의 자잘한 작업들을 행렬연산을 통해서 수학적으로 계산해낸다.

광원효과(Lighting) : 광원효과 단계에서는 각각의 삼각형의 각 버텍스에 적용되는 광원효과를 계산한다. 여기에는 해당 장면에서의 각 광원의 색상과 밝기가 포함되어 있으며 이들이 오브젝트의 색상과 반사도에 따라서 어떻게 반응하는가도 포함된다. 이러한 계산은 3D장면에 존재하는 모든 버텍스에 대해서 수행되며, 그래서 “버텍스 라이팅”이라고 불리기도 한다.

4. 트라이앵글 셋업

트라이앵글 셋업 과정에는 버텍스와 삼각형들에 대한 데이터를 받아서 이들을 픽셀과 폴리곤 조각(fragment)로 분해하는 작업이 포함되어 있다. 여기서 말하는 조각들은 픽셀과 같은 크기이거나 이보다 작을 수 있다. 트라이앵글 셋업의 순수한 목적은 변형/광원 엔진의 수행결과로써 얻어낸 결과물을 받고, 이를 수학적인 연산을 사용해서 픽셀 쉐이더가 이해할 수 있는 형태로 바꾸어 주는 것이다.

5. 픽셀 쉐이딩과 렌더링(텍스쳐링 포함)

픽셀 쉐이딩과 렌더링에는 최종적인 각 픽셀의 색상이 어떠해야 한다는 것을 결정하는, 픽셀 수준의 모든 복잡한 연산이 포함되어 있다. 변형/광원효과 엔진으로부터 나온 정보는 오브젝트의 색상과 장면 내에서의 다양한 광원을 고려하여 어떠한 색상을 가져야되는가를 결정하는데에 사용된다. 그 다음으로 픽셀 쉐이딩과 렌더링 기능이 어떠한 텍스쳐가 적용되는가에 기반해서 추가적으로 픽셀의 색상을 변경하는 작업을 수행햐야 한다. 이들 텍스쳐를 사용해서 색상의 변화와 광원의 변화, 장면 내의 다른 물체로부터의 반사광, 재질의 속성 등의 다양한 변화 등을 묘사할 수 있다. 픽셀 쉐이딩 기술에 대한 보다 자세한 내용은 다음 장에서 다시 다루게 될 것이다. 픽셀 렌더링 엔진에 의해서 만들어진 최종 결과물은 프레임 버퍼 메모리에 저장된다.

6. 디스플레이

3D 그래픽 파이프라인의 마지막 단계로써, 디스플레이 컨트롤러가 프레임버퍼 내에서 정보를 읽어들이고 이것을 시스템에서 사용하고 있는 디스플레이 장치(CRT, TV, LCD 등...)의 드라이버로 전달한다.