[Directx11]1. 렌더링 파이프라인-1

https://www.youtube.com/watch?v=Wry5ltdrDQI&list=PLWKwcHKTXy5T5v_qSsvUnjFZG85pDOZPq&index=1

다이렉스x11 강의

파이프라인

여러 명령어가 중첩되어서 프로그램이나 하나의 작업을 실행하게 도와주는 과정(연산들의 집합)이다. 한 사이클 안에 들어가야 해서 과정들이 많기 때문에 한사이클이 복잡해지거나 사용자 입장에서 어려워질수 있는 단점이 존재한다.

렌더링 파이프라인(레스터라이제이션)

파이프라인

엔진을 먼저 학습하고 관련된 파이프라인을 학습해 나가자

 GPU

ALU가 CPU보다 많다 - 작은 데이터를 동시에 처리하기 좋다 - 무수히 많은 점 처리하기에 좋음 - RGBA(각 32bit)

[Input Assembler]

3차원 모델 하나를 3차원 세상에 나타내기 위해서는 가장 먼저 해줘야 할것은 무언인가?

여기서 모델은 점(vertex)로 이루어져 있다. 이것을 우리는 폴리곤(점들의 집합)이라고 한다.

주로 게임에서는 삼각형을 가지고 3D 폴리곤을 정의하는데, 이떄 이 정점데이터들을 운반하는 자료구조를 우리는 Vertex Buffer라고 한다.

정점(RAM)->GPU(Vertex Buffer) 

정점 버퍼와 같이 등장하는 용어로 Index buffer라는 것이 있다.

인덱스 버퍼는 쉽게 생각하면 정점들의 인덱스를 저장하고 있는 버퍼라고 할수 있는데

6개 정점활용

 

사각형을 예를 들면 사각형을 (삼각형 기반으로) 그리기 위해서는 2*3 = 6개의 정점이 필요하다.

사각형을 구성하는 정점을 4개만 두고 4개를 한 붓그리기 처럼 중복해서 그려주는 방식을 사용하는 걸 인덱스 버퍼의 기능이라고 생각할 수 있다.(하지만 없어도 상관은 없다)

한붓그리기

 

추가적으로 인덱스 버퍼를 사용하는데, 그것도 결국 메모리를 사용하니까 똑같다고 생각 할 수도 있다.

인덱스 버퍼 - 4바이트 숫자써서 효율적일 수 있다

정점은 위치데이터 말고도, 색깔, 법선, 텍스처좌표(UV), 애니메이션에 필요한 정보등등 여러가지 프로그래머가 원하는 데이터를 추가하여 사용하기 떄문에 단순히 정수만 저장하는 인덱스버퍼가 훨씬 메모리적으로 효율적이다.

인덱스 버퍼

정점버퍼는 그냥 정점들의 연속적인 메모리 구조에 불과 하기때문에 실제로 GPU에서는 이러한 정점들을 이용하여 어떤 도형을 만들어야 하는지 정보가 필요하다. 해당 도형정보를 Primitve Topology 라고 한다.

결국은 점을 어떻게 묶을 것인지 정하는것이다.

Primitve Topology

결론적으로 Input Assembler 는 이러한 정점들의 데이터를 읽고, 삼각형과 같은 도형으로 조립하는 단계의 일을 한다고 생각하면된다.

게임 - 무수히 많은 오브젝트

[Vertex Shader]

Input Assembler 에서 받은 정점정보들의 정보로 도형은 생성이 되었지만 로컬 좌표계에 있기 때문에

해당 데이터들을 화면에 그대로 출력해버리면 화면에 중심부에 전부 그대로 출력되어버려서 공간좌표계(World)로 변환할 필요가 있습니다. Local space에서 World space 로 변환이 필요하고,

실제 플레이어가 바라보는 카메라가 중심이 되는 공간 View Spcae(뷰포트변환)변환을 해준다. 그리고 마지막으로 Projection 변환(투상변환)을 거쳐 최종적으로 정의된 ClipSpace라는 공간으로 변환을 해준다.

옛날게임- 카메라라는 개념이 없었음(바이오하자드2)

최초카메라-마리오64

[월드공간 변환]

Local Space라고도 불리는 오브젝트 공간은 3차원 세상에서 효현될 각각의 개인의 공간에 정의된 영역이다.

Model Space

World Space

[카메라 공간 변환(뷰포트 변환)]

월드 변환이 완료되어 모든 물체가 한공간(World space)에 모아지면 이제 우리가 원하는, 시점에서 물체를 관찰 할 수 있게 해줘야한다.

이 때 관찰자로써 가상의 카메라가 필요하고, 이 카메라가 볼 수 있는 영역의 공간을 뷰 공간(뷰포트)이라고 합니다.

월드 공간의 모든 물체를 카메라 공간으로 변화하게 된다면 효율적으로 여러가지 효과나 렌더링등을 진행할수 있다.

뷰포트변환

가상의 카메라는 컴퓨터의 성능의 한계 때문에 실제 세상과는 다르게 시야가 제한 될수 있다.

FOV(시야각), ASPECT(종횡비)에 의해 결정 -> 가시공간 , 가시부피

이렇게 생성된 뷰볼륨에 Near(전방 절단면), Far(후방 절단면)정보가 전달되어 절두체의 영역을 다시 정의 한다.

가시부피

[View Frustrum]

절두체 공간 밖에 있는 물체는 그리지 않는데, 우리가 살고 있는 3차원 세상은 모든걸 보여준다. 이렇게 밖에 없는 이유는 계산상의 효율성을 위해 어쩔수 없이 도입된 개념

만약 물체가 절두체의 경계를 걸치게 되면 바깥쪽 부분은 잘려서 버리게 된다.->클리핑(Clipping)

이 클리핑은 카메라변환에서 이뤄지지 않고 나중에 클립공간에서 ->레스터라이저로 넘겨질때 수행

[투영변환]

투영변환

원근법을 활용 -> 원근변환

원근감(Depth Feeling)

동일한 크기의 물체라도 시점으로부터 멀리 있는 것은 작게 보이고 가까운 것은 크게 보임

●소실점(VP: Vanishing Point)

원근투상 결과 평행선이 만나는 점(시점 높이)

소실점의 수 -> 일점투상(One-point Projection), 이점투상(Two-point Projection), 삼점투상(Three-point Projection)

● 원근 변환(Perspective Transformation) 

직선->직선, 평면->평면

물체 정점 간의 거리에 대한 축소율이 달라짐(cf.어파인 변환)

투영 변환은 이러한 원근 법을 구현하기 위해 카메라 공간에서 정의된 절두체를 3차원 클립공간으로 변환하는것을 의미한다.

여기서 투영변환이라는 이름과는 다르게 3차원 공간의 물체를 2차원 평면으로 바꾸는것이 아니라 3차원 물체로 변형됨에 주목해야한다.

-> 아직 2차원평면이 아니다.

 

투영 변환을 거친 물체들을 관찰해보면 절두체 뒤쪽에 있던 영역의 폴리곤은 상대적으로 작아지는 것을 볼 수 있는데 우리가 원했던 원근법을 적용 된 것이라고 볼수 있다.

 

추가적으로 한개더 생각해 보면 원근법을 3차원 공간에서 실현하기 위해 직육면체 볼륨으로 물체들을 변환 시켰는데 여기서 얻는 이점이 있다. 좀 더 간단한 공식으로 쉽게 Clipping(클리핑)작업을 할 수 있다.