[Computer Graphics] 렌더링 파이프라인(Rendering PipeLine)

렌더링 파이프라인

3D 오브젝트들을 화면에 표현하기 위한 일련와 과정들.
렌더링 파이프라인(Rendering Pipeline) 또는 그래픽스 렌더링 파이프라인(Graphics rendering pipeline)이라 부르며 3차원으로 만들어진 모델을 2차원에 투영하는 렌더링 과정의 프로세스를 자세하게 표현한 것이다. 컴퓨터에 데이터로 존재하는 3D 리소스가 모니터에 출력되는 과정이 렌더링 파이프라인을 따르게 된다.

파이프라인의 종류

고정 기능 파이프라인(Fixed PipeLine)

• Direct3D에서 제공하는 미리 정해진 연산을 수행하는 파이프라인.
• 고정적으로 정해진 연산만을 수행하며,프로그래머가 직접 관여할 수 없다.

프로그래머블 파이프라인(Programmable PipeLine)

• 고정 기능 파이프 라인에서 제공하는 것 이외의 효과를 내기 위해서 생겨난 파이프라인.
• 프로그래머가 GPU의 연산에 직접 관여할 수 있다.
• 고정적으로 제공하던 셰이더( Shader )를 프로그래머가 다양한 효과를 낼 수 있게끔 제공한다.

렌더링 파이프라인 동작 과정

렌더링 파이프라인 동작 과정

◎ 입력 조립기 (Input Assembler) 단계

고정 함수 단계이다. 응용 프로그램에서 제공받은 정점 버퍼의 정점 데이터(프리미티브 데이터 : 점, 선, 삼각형)를 다른 파이프라인 단계에서 사용할 프리미티브(선 리스트, 삼각형 리스트, 삼각형 스트립, 인접성을 가지는 프리미티브 등)로 조립한다.

정점

즉, 메모리에서 기하 자료(정점 데이터와 Index(색인))를 읽어 기하학적 기본 폴리곤(삼각형, 선분 등)을 조립한다.

Direct3D에서의 정점은 공간적 위치, 즉 위치 값 이외의 정보를 담고 있으며 이를 통해 좀 더 복잡한 렌더링 효과를 구현할 수 있다. 예를 들면 조명 구현을 위해 정점에 법선 벡터를 추가하거나 텍스처를 적용하기 위해 텍스처 좌표를 추가하는 식으로 사용할 렌더링 효과에 따라 특정 정보를 추가할 수 있는 유연성을 갖고 있다.

◎ 정점 쉐이더 (Vertext Shader) 단계

이 단계에서는 입력 조립 단계에서 출력되는 Primitive의 각 정점에 대한 연산을 수행한다.

이 정점 쉐이더는 항상 모든 정점들에 대해 한 번씩 실행된다. 또한 하나의 정점에 대해 한 번만 호출되며 하나의 출력 정점을 생성될 뿐 아니라 파이프라인 단계에서 항상 수행이 되어야 하는 단계이다. 따라서 정점에 대한 변환이 필요하지 않아도 정점 쉐이더를 생성해 연결해야 한다.

이 정점 셰이더 함수의 구체적인 내용은 프로그래머가 구현해서 GPU에 전달하게 된다. 그 함수는 각 정점에 대해 GPU에서 실행되기 때문에 속도가 빠르다.

변환(Transformation), 스키닝(Skinning), 조명(Vertex Lighting) 등 수많은 특수 효과를 정점 쉐이더에서 수행할 수 있다. 정점 쉐이더에서 입력 정점 자료는 텍스쳐라든가 변환 행렬, 장면 광원 정보 등 GPU 메모리에 담긴 다른 자료에도 접근할 수 있다.

이 단계에서 일어나는 작업 중 변환이 어느 물체의 로컬 좌표를 월드 좌표로, 월드 좌표를 뷰 스페이스 좌표로 바꿔주고 투영 변환등이 일어나는 변환 작업이다.

◎ 테셀레이션 단계

테셀레이션이란 한 메시의 삼각형들을 더 잘게 쪼개서 새로운 삼각형들을 만드는 과정을 말한다.

테셀레이션의 장점은

1. LOD 구현이 가능하다. 닫기카메라에 가까운 삼각형들은 테셀레이션을 적용해 더욱 세밀한 구현을 적용하고 멀리 있는 삼각형들은 테셀레이션을 적용하지 않는 방식의 세부 수준 메커니즘을 구현해 눈에 띄는 부분에 대해서만 삼각형을 더 투여할 수 있게 된다.
2. LOD란 Level-of-detail를 말한다.
3. Low-poly 메시, 적은 수의 삼각형들로 이루어진 메시를 담아두고 즉석에서 삼각형들을 추가해 메모리를 적용할 수 있다.
4. 애니메이션, 물리 처리 같은 연산들을 단순한 Low-Poly 메시에 대해 수행하고, 테셀레이션 된 High-Poly 메시는 렌더링에만 사용해 계산량을 줄일 수 있다.

◎ 기하 셰이더 (Geometry Shader) 단계

이 단계는 Vertex Shader의 처리를 거친 정점 데이터를 입력받는다. 그리고 입력받은 정점에 정점를 추가하거나 삭제해 입력 기본도형을기본 도형을 다른 여러 기본 도형들로 확장할 수도, 특정 조건에 따라서는 입력된 기본 도형을 출력하지 않고 버릴 수도 있다.

기하 셰이더의 흔한 용도는 하나의 점이나 선분을 하나의 사각형으로 확장하는 것이다.

◎ 래스터라이저(Rasterizer) 단계

이 단계는 투영된 3차원 삼각형으로부터 픽셀 색상들을 계산해 내는 것이다.

Rasterization을 하는 동안 각 프리미티브를 구성하는 정점은 픽셀로 변환되고 프리미티브의 내부에 해당하는 점들은 보간을 통해 픽셀로 변환된다.

과정

1. 원근 투영 나누기(z 나누기)
2. 카메라 절두체를 벗어나는 점(Pixel)들을 클리핑(Clipping)
3. Primitive를 2차원 Viewport로 매핑
4. Primitive의 모든 픽셀들에 대해 픽셀 쉐이더를 호출

◎ 픽셀 셰이더 (Pixel Shader) 단계

각 픽셀의 데이터(기본적으로 색상)를 생성한다. 프로그래머가 작성해서 GPU에서 실행하는 프로그램으로 각각의 픽셀 단편(pixel fragment)마다 실행된다.

상수 변수, 텍스처 데이터, 또는 픽셀 출력 데이터 등을 결합해 출력 색상을 결정한다.

이 단계에서 픽셀 조명 계산 또는 픽셀에 대한 후처리를 할 수 있다.

하나의 프리미티브를 구성하는 각 픽셀에 대해 픽셀 쉐이더를 한 번씩 호출한다.

다중 샘플링을 사용한다면 깊이/스텐실 테스트는 각 서브픽셀에 대해 한 번씩만 수행되며 다중 샘플링을 사용해도 이 픽셀 쉐이더는 하나의 픽셀에 대해 한 번만 호출된다.

◎ 출력 병합기 (Output Merge) 단계

픽셀 셰이더가 생성한 픽셀 단편들은 이 단계로 입력된다. 최종적으로 픽셀의 색상을 생성해 렌더 타깃으로 출력하는 단계이다. 이 단계에서 일부 픽셀 단편들이 깊이 판정이나 스텐실 판정에 의해 버려지게 되며 버려지지 않은 픽셀 단편은 후면 버퍼에 기록된다.

흔히 말하는 블렌딩도 이 단계에서 일어난다.

블렌딩은 새 픽셀이 후면 버퍼의 기존 픽셀을 완전히 덮어 쓰는 것이 아니라 두 픽셀을 일정한 공식에 따라 혼합한 결과를 기록하는 것을 말한다.

렌더 타겟의 픽셀 색상과 출력(픽셀 쉐이더) 색상을 결합한다.

• 깊이-스텐실 검사(Depth-Stencil Testing)

픽셀이 그려져야 하는지를 결정하기 위해 깊이 값과 스텐실 값 데이터를 사용한다.

또한 깊이-스텐실 버퍼가 파이프라인에 연결되지 않으면 스텐실 검사는 항상 성공한다.

하나의 깊이/스텐실 버퍼만 활성화 되며 깊이-스텐실 버퍼에 스텐실 요소가 없으면 스텐실 검사는 항상 성공한다.

깊이 검사란

z = min(Viewport.MaxDepth, max(Viewport.MinDepth, z))

출력 픽셀의 깊이 값을 깊이 버퍼의 같은 위치의 깊이 값과 비교한다.

비교의 결과에 따라 출력 픽셀을 렌더 타깃에 출력하거나 출력하지 않는다.