게임에서 컴퓨터 그래픽스(Computer Graphics)는 필수적인 요소다. 초기의 단순한 텍스트 기반 게임에서 시작하여, 시각적인 요소를 더해주기 위해 픽셀 게임이 등장했고, 점차 2D에서 3D로 발전해왔다. 이러한 그래픽의 발전은 게임의 몰입감과 현실감을 크게 향상시켰다. 오늘날의 게임은 정교한 그래픽 기술을 활용해 매우 사실적인 시각적 경험을 제공하며, 플레이어의 상상력을 현실로 구현해준다.
나 역시 게임 개발자 나부랭이로 발전하기 위해 컴퓨터 그래픽스에 대해 공부하려고 한다. 하지만 그 이전에, 컴퓨터 그래픽스가 어떻게 발전하였는가에 대해 알아보려고 한다.
1. 초기 컴퓨터 그래픽스 (1960-1970년대)
초기 1960년대, 컴퓨터 그래픽스는 단순한 와이어프레임 모델로 시작됐다. MIT와 같은 선도적인 연구기관에서 첫 번째 3D 모델링과 렌더링 실험이 이루어졌다. 당시에는 컴퓨터 성능이 매우 제한적이어서 복잡한 그래픽스를 구현하는 것이 불가능했다. 하지만 연구자들의 열정과 노력으로 점차 3D 그래픽스의 기초가 마련되었다.
유타 대학교의 연구자들은 유타 토끼와 같은 초기 3D 모델을 개발하며 그래픽스의 가능성을 열었다. 유타 토끼는 당시로서는 혁신적인 3D 모델로, 수많은 연구와 실험의 대상이 되었다. 1970년대에는 텍스처 매핑과 같은 기초적인 렌더링 기술이 개발되기 시작했다. 컴퓨터 그래픽스의 가능성이 열리면서 다양한 산업에서 그래픽스를 활용하려는 시도가 이어졌다. 영화, 건축, 의학 등 여러 분야에서 컴퓨터 그래픽스의 응용 가능성을 탐구하기 시작했다.
이 시기는 컴퓨터 그래픽스의 태동기로, 기초적인 개념과 기술이 확립된 시기였다. 비록 당시의 그래픽스는 오늘날에 비해 매우 단순했지만, 이 시기의 연구와 개발이 현대 컴퓨터 그래픽스의 기초를 닦았다. 초기 컴퓨터 그래픽스는 기술의 한계를 뛰어넘으려는 인간의 도전과 열정의 산물이었다.
2. 고정 함수 파이프라인 (1980-1990년대)
1980년대, 실리콘 그래픽스(SGI)와 같은 기업들이 고성능 그래픽스 워크스테이션을 개발했다. 이 시기에 OpenGL이 등장하면서 표준화된 그래픽스 API가 마련되었다. OpenGL은 다양한 플랫폼에서 3D 그래픽스를 구현할 수 있게 해주었고, 그래픽스 기술의 대중화를 이끌었다.
고정 함수 파이프라인은 그래픽스 하드웨어에서 특정 단계가 고정적으로 수행되는 방식을 의미했다. 1990년대에는 마이크로소프트의 Direct3D가 도입되면서, 윈도우 환경에서도 고성능 그래픽스를 구현할 수 있게 되었다. 이 시기의 렌더링 파이프라인은 고정 함수 기반으로, 정점 변환, 조명, 텍스처 매핑 등의 작업이 하드웨어에 의해 고정적으로 수행되었다. 당시의 그래픽스 카드는 이러한 고정 함수 파이프라인을 효율적으로 처리하기 위해 설계되었다.
고정 함수 파이프라인은 개발자에게 일정한 제약을 부여했지만, 그 덕분에 하드웨어의 성능을 최대한 활용할 수 있었다. 이 시기에는 3D 게임과 같은 실시간 그래픽스 애플리케이션이 급속도로 발전했다. 특히, 둠(Doom)과 같은 게임은 고정 함수 파이프라인을 활용하여 뛰어난 그래픽스를 구현했다. 이 시기의 연구와 개발은 그래픽스 하드웨어의 발전을 촉진하고, 보다 복잡한 그래픽스 효과를 구현할 수 있는 기반을 마련했다. 고정 함수 파이프라인은 그래픽스 기술의 중요한 전환점을 나타내며, 현대 그래픽스의 기초를 다졌다.
3. 프로그래머블 셰이더의 도입 (2000년대 초반)
2000년대 초반, NVIDIA와 ATI(현재의 AMD)와 같은 GPU 제조업체들이 프로그래머블 셰이더를 도입했다. 프로그래머블 셰이더는 그래픽스 파이프라인의 각 단계에서 개발자가 직접 셰이더 프로그램을 작성할 수 있게 해주었다. 이로 인해 개발자들은 정점 셰이더와 픽셀 셰이더를 통해 더 복잡하고 다양한 그래픽 효과를 구현할 수 있었다.
마이크로소프트는 DirectX 8.0에서 처음으로 프로그래머블 셰이더를 지원했다. OpenGL도 GLSL을 도입하여 이를 따랐다. 프로그래머블 셰이더의 도입은 그래픽스 기술에 큰 변화를 가져왔다. 이전의 고정 함수 파이프라인에서는 하드웨어가 제공하는 기능에 한정되었지만, 프로그래머블 셰이더는 개발자에게 무한한 가능성을 열어주었다.
셰이더를 통해 복잡한 조명, 그림자, 반사, 굴절 등의 효과를 실시간으로 구현할 수 있게 되었다. 프로그래머블 셰이더는 그래픽스 하드웨어의 성능을 최대한 활용할 수 있게 해주었고, 이를 통해 게임과 같은 실시간 그래픽스 애플리케이션에서 놀라운 시각 효과를 구현할 수 있었다.
이 시기의 그래픽스 기술은 단순한 시각적 효과를 넘어, 물리 기반 렌더링과 같은 현실적인 효과를 구현할 수 있는 단계로 나아갔다. 프로그래머블 셰이더는 그래픽스 개발의 자유도와 창의성을 극대화시켰으며, 이를 통해 새로운 그래픽스 기법과 기술이 지속적으로 등장하게 되었다.
4. 통합 셰이더와 GPGPU(2010년대)
2010년대, 통합 셰이더 아키텍처가 도입되었다. 통합 셰이더는 정점 셰이더, 기하 셰이더, 픽셀 셰이더 등의 모든 셰이더 단계가 동일한 하드웨어 자원을 공유할 수 있게 해주었다. 이는 그래픽스 파이프라인의 유연성과 효율성을 크게 향상시켰다. 또한, GPGPU(General-Purpose computing on Graphics Processing Units) 기술이 발전하여, 그래픽스 외의 일반적인 병렬 계산도 GPU를 통해 수행할 수 있게 되었다. NVIDIA의 CUDA와 OpenCL은 이러한 GPGPU 기술을 지원하는 주요 프레임워크였다.
DirectX 11은 테셀레이션 셰이더와 컴퓨트 셰이더를 도입하여 더 복잡한 그래픽스와 병렬 계산이 가능해졌다. OpenGL 4.0도 유사한 기능을 지원하며, 고성능 그래픽스와 컴퓨팅을 위한 다양한 확장이 추가되었다. 이 시기의 그래픽스 기술은 실시간 렌더링의 한계를 뛰어넘어, 매우 정교하고 현실감 있는 그래픽스를 구현할 수 있게 되었다.
통합 셰이더 아키텍처는 그래픽스 개발의 유연성을 극대화하였으며, GPGPU 기술은 과학 연구, 인공지능, 데이터 분석 등 다양한 분야에서 활용되었다. 이러한 기술적 진보는 그래픽스 하드웨어의 성능을 비약적으로 향상시켰으며, 보다 현실적이고 복잡한 시각 효과를 실시간으로 구현할 수 있게 하였다.
5. 최신 그래픽스 API와 실시간 레이 트레이싱 (2020년대)
2020년대, 최신 그래픽스 API인 Vulkan과 DirectX 12가 등장했다. 이들은 더 낮은 수준의 하드웨어 접근과 멀티스레드 렌더링을 지원하여 성능을 크게 향상시켰다. 특히, NVIDIA의 RTX 시리즈 GPU와 함께 실시간 레이 트레이싱 기술이 상용화되었다. DirectX Raytracing (DXR)과 Vulkan Ray Tracing은 이를 지원하며, 빛의 경로를 추적하여 보다 현실적인 조명, 그림자, 반사 효과를 구현한다.
실시간 레이 트레이싱은 그래픽스의 새로운 시대를 열었다. 전통적인 래스터라이제이션 방식과 달리, 레이 트레이싱은 빛의 경로를 시뮬레이션하여 더욱 사실적인 시각 효과를 제공한다. 이는 영화와 같은 고품질 렌더링을 실시간으로 구현할 수 있게 해주었으며, 게임과 같은 실시간 애플리케이션에서 뛰어난 시각적 경험을 제공한다.
최신 그래픽스 API는 멀티스레드 성능을 최적화하여 복잡한 장면에서도 높은 프레임 레이트를 유지할 수 있게 해준다. 이 시기는 그래픽스 기술의 정점으로, 실시간 렌더링의 품질과 성능이 크게 향상되었다. 새로운 기술들은 그래픽스의 가능성을 더욱 넓혀주었고, 개발자들에게 새로운 창의적 도전을 가능하게 하였다.
