3D 렌더링 파이프라인: 버텍스 및 프래그먼트 셰이더 마스터하기

3D 렌더링 파이프라인은 비디오 게임과 건축 시각화부터 과학 시뮬레이션과 산업 디자인 소프트웨어에 이르기까지 3D 그래픽을 표시하는 모든 애플리케이션의 핵심입니다. 그 복잡성을 이해하는 것은 고품질의 성능 좋은 비주얼을 구현하려는 개발자에게 매우 중요합니다. 이 파이프라인의 중심에는 버텍스 셰이더(vertex shader)와 프래그먼트 셰이더(fragment shader)가 있으며, 이는 지오메트리와 픽셀이 처리되는 방식을 세밀하게 제어할 수 있는 프로그래밍 가능한 단계입니다. 이 글에서는 이러한 셰이더의 역할, 기능 및 실제 적용 사례를 다루며 포괄적으로 탐구합니다.

3D 렌더링 파이프라인의 이해

버텍스 및 프래그먼트 셰이더의 세부 사항을 살펴보기 전에, 전체 3D 렌더링 파이프라인에 대한 확실한 이해가 필수적입니다. 파이프라인은 크게 여러 단계로 나눌 수 있습니다:

• 입력 조립(Input Assembly): 메모리에서 버텍스 데이터(위치, 법선, 텍스처 좌표 등)를 수집하여 프리미티브(삼각형, 선, 점)로 조립합니다.
• 버텍스 셰이더(Vertex Shader): 각 버텍스를 처리하며 변환, 조명 계산 및 기타 버텍스별 연산을 수행합니다.
• 지오메트리 셰이더(Geometry Shader) (선택 사항): 지오메트리를 생성하거나 파괴할 수 있습니다. 이 단계는 항상 사용되는 것은 아니지만 즉석에서 새로운 프리미티브를 생성하는 강력한 기능을 제공합니다.
• 클리핑(Clipping): 뷰 프러스텀(카메라에 보이는 공간 영역) 외부에 있는 프리미티브를 폐기합니다.
• 래스터화(Rasterization): 프리미티브를 프래그먼트(잠재적 픽셀)로 변환합니다. 이는 프리미티브의 표면에 걸쳐 버텍스 속성을 보간하는 작업을 포함합니다.
• 프래그먼트 셰이더(Fragment Shader): 각 프래그먼트를 처리하여 최종 색상을 결정합니다. 텍스처링, 셰이딩, 조명과 같은 픽셀별 효과가 적용되는 곳입니다.
• 출력 병합(Output Merging): 깊이 테스트, 블렌딩, 알파 합성 같은 요소를 고려하여 프래그먼트 색상을 프레임 버퍼의 기존 내용과 결합합니다.

버텍스 및 프래그먼트 셰이더는 개발자가 렌더링 프로세스를 가장 직접적으로 제어할 수 있는 단계입니다. 맞춤형 셰이더 코드를 작성함으로써 다양한 시각 효과와 최적화를 구현할 수 있습니다.

버텍스 셰이더: 지오메트리 변환

버텍스 셰이더는 파이프라인의 첫 번째 프로그래밍 가능한 단계입니다. 주요 역할은 입력 지오메트리의 각 버텍스를 처리하는 것입니다. 이는 일반적으로 다음을 포함합니다:

• 모델-뷰-투영 변환(Model-View-Projection Transformation): 버텍스를 오브젝트 공간에서 월드 공간, 그리고 뷰 공간(카메라 공간)을 거쳐 최종적으로 클립 공간으로 변환합니다. 이 변환은 씬에 지오메트리를 올바르게 배치하는 데 매우 중요합니다. 일반적인 접근 방식은 버텍스 위치에 모델-뷰-투영(MVP) 행렬을 곱하는 것입니다.
• 법선 변환(Normal Transformation): 변환 후에도 표면에 수직을 유지하도록 버텍스 법선 벡터를 변환합니다. 이는 특히 조명 계산에 중요합니다.
• 속성 계산(Attribute Calculation): 텍스처 좌표, 색상 또는 탄젠트 벡터와 같은 다른 버텍스 속성을 계산하거나 수정합니다. 이러한 속성들은 프리미티브 표면에 걸쳐 보간되어 프래그먼트 셰이더로 전달됩니다.

버텍스 셰이더 입력 및 출력

버텍스 셰이더는 버텍스 속성을 입력으로 받아 변환된 버텍스 속성을 출력으로 생성합니다. 특정 입력과 출력은 애플리케이션의 요구에 따라 다르지만, 일반적인 입력은 다음과 같습니다:

• 위치(Position): 오브젝트 공간에서의 버텍스 위치.
• 법선(Normal): 버텍스 법선 벡터.
• 텍스처 좌표(Texture Coordinates): 텍스처 샘플링을 위한 텍스처 좌표.
• 색상(Color): 버텍스 색상.

버텍스 셰이더는 최소한 클립 공간(clip space)에서의 변환된 버텍스 위치를 출력해야 합니다. 다른 출력은 다음과 같을 수 있습니다:

• 변환된 법선(Transformed Normal): 변환된 버텍스 법선 벡터.
• 수정되거나 계산된 텍스처 좌표(Texture Coordinates): 수정되거나 계산된 텍스처 좌표.
• 수정되거나 계산된 버텍스 색상(Color): 수정되거나 계산된 버텍스 색상.

버텍스 셰이더 예제 (GLSL)

다음은 GLSL(OpenGL Shading Language)로 작성된 간단한 버텍스 셰이더 예제입니다:

#version 330 core

layout (location = 0) in vec3 aPos;   // 버텍스 위치
layout (location = 1) in vec3 aNormal; // 버텍스 법선
layout (location = 2) in vec2 aTexCoord; // 텍스처 좌표

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

out vec3 Normal;
out vec2 TexCoord;

out vec3 FragPos;

void main()
{
    FragPos = vec3(model * vec4(aPos, 1.0));
    Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal;
    TexCoord = aTexCoord;
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

이 셰이더는 버텍스 위치, 법선 및 텍스처 좌표를 입력으로 받습니다. 모델-뷰-투영 행렬을 사용하여 위치를 변환하고, 변환된 법선과 텍스처 좌표를 프래그먼트 셰이더로 전달합니다.

버텍스 셰이더의 실제 적용

버텍스 셰이더는 다음과 같은 다양한 효과에 사용됩니다:

• 스키닝(Skinning): 여러 뼈 변환을 블렌딩하여 캐릭터를 애니메이션합니다. 이는 비디오 게임 및 캐릭터 애니메이션 소프트웨어에서 일반적으로 사용됩니다.
• 디스플레이스먼트 매핑(Displacement Mapping): 텍스처를 기반으로 버텍스를 변위시켜 표면에 미세한 디테일을 추가합니다.
• 인스턴싱(Instancing): 동일한 오브젝트의 여러 복사본을 다른 변환으로 렌더링합니다. 이는 숲의 나무나 폭발의 입자와 같이 유사한 오브젝트를 대량으로 렌더링하는 데 매우 유용합니다.
• 절차적 지오메트리 생성(Procedural Geometry Generation): 물 시뮬레이션의 파도와 같이 즉석에서 지오메트리를 생성합니다.
• 지형 변형(Terrain Deformation): 사용자 입력이나 게임 이벤트에 따라 지형 지오메트리를 수정합니다.

프래그먼트 셰이더: 픽셀 색상 지정

픽셀 셰이더라고도 알려진 프래그먼트 셰이더는 파이프라인의 두 번째 프로그래밍 가능한 단계입니다. 주요 역할은 각 프래그먼트(잠재적 픽셀)의 최종 색상을 결정하는 것입니다. 이는 다음을 포함합니다:

• 텍스처링(Texturing): 텍스처를 샘플링하여 프래그먼트의 색상을 결정합니다.
• 조명(Lighting): 다양한 광원으로부터의 조명 기여도를 계산합니다.
• 셰이딩(Shading): 빛과 표면의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 셰이딩 모델을 적용합니다.
• 후처리 효과(Post-Processing Effects): 블러, 샤프닝 또는 색상 보정과 같은 효과를 적용합니다.

프래그먼트 셰이더 입력 및 출력

프래그먼트 셰이더는 버텍스 셰이더로부터 보간된 버텍스 속성을 입력으로 받아 최종 프래그먼트 색상을 출력으로 생성합니다. 특정 입력과 출력은 애플리케이션의 요구에 따라 다르지만, 일반적인 입력은 다음과 같습니다:

• 보간된 위치(Interpolated Position): 월드 공간 또는 뷰 공간에서의 보간된 버텍스 위치.
• 보간된 법선(Interpolated Normal): 보간된 버텍스 법선 벡터.
• 보간된 텍스처 좌표(Interpolated Texture Coordinates): 보간된 텍스처 좌표.
• 보간된 색상(Interpolated Color): 보간된 버텍스 색상.

프래그먼트 셰이더는 최종 프래그먼트 색상을 출력해야 하며, 일반적으로 RGBA 값(빨강, 녹색, 파랑, 알파)으로 출력합니다.

프래그먼트 셰이더 예제 (GLSL)

다음은 GLSL로 작성된 간단한 프래그먼트 셰이더 예제입니다:

#version 330 core

out vec4 FragColor;

in vec3 Normal;
in vec2 TexCoord;
in vec3 FragPos;

uniform sampler2D texture1;
uniform vec3 lightPos;
uniform vec3 viewPos;

void main()
{
    // 주변광(Ambient)
    float ambientStrength = 0.1;
    vec3 ambient = ambientStrength * vec3(1.0, 1.0, 1.0);
  
    // 난반사광(Diffuse)
    vec3 norm = normalize(Normal);
    vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
    float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
    vec3 diffuse = diff * vec3(1.0, 1.0, 1.0);
    
    // 정반사광(Specular)
    float specularStrength = 0.5;
    vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
    vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
    float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
    vec3 specular = specularStrength * spec * vec3(1.0, 1.0, 1.0);

    vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * texture(texture1, TexCoord).rgb;
    FragColor = vec4(result, 1.0);
}

이 셰이더는 보간된 법선, 텍스처 좌표, 프래그먼트 위치를 입력으로 받고, 텍스처 샘플러와 조명 위치도 함께 받습니다. 간단한 주변광, 난반사광, 정반사광 모델을 사용하여 조명 기여도를 계산하고, 텍스처를 샘플링한 후, 조명과 텍스처 색상을 결합하여 최종 프래그먼트 색상을 생성합니다.

프래그먼트 셰이더의 실제 적용

프래그먼트 셰이더는 다음과 같은 광범위한 효과에 사용됩니다:

• 텍스처링(Texturing): 표면에 텍스처를 적용하여 디테일과 사실감을 더합니다. 이는 디퓨즈 매핑, 스페큘러 매핑, 노멀 매핑, 패럴랙스 매핑과 같은 기술을 포함합니다.
• 조명 및 셰이딩(Lighting and Shading): 퐁 셰이딩, 블린-퐁 셰이딩, 물리 기반 렌더링(PBR)과 같은 다양한 조명 및 셰이딩 모델을 구현합니다.
• 그림자 매핑(Shadow Mapping): 빛의 관점에서 씬을 렌더링하고 깊이 값을 비교하여 그림자를 생성합니다.
• 후처리 효과(Post-Processing Effects): 블러, 샤프닝, 색상 보정, 블룸, 피사계 심도와 같은 효과를 적용합니다.
• 재질 속성(Material Properties): 오브젝트의 색상, 반사도, 거칠기와 같은 재질 속성을 정의합니다.
• 대기 효과(Atmospheric Effects): 안개, 연무, 구름과 같은 대기 효과를 시뮬레이션합니다.

셰이더 언어: GLSL, HLSL, Metal

버텍스 및 프래그먼트 셰이더는 일반적으로 특화된 셰이딩 언어로 작성됩니다. 가장 일반적인 셰이딩 언어는 다음과 같습니다:

• GLSL (OpenGL Shading Language): OpenGL과 함께 사용됩니다. GLSL은 C와 유사한 언어로 그래픽 연산을 수행하기 위한 광범위한 내장 함수를 제공합니다.
• HLSL (High-Level Shading Language): DirectX와 함께 사용됩니다. HLSL 또한 C와 유사한 언어이며 GLSL과 매우 비슷합니다.
• Metal Shading Language: Apple의 Metal 프레임워크와 함께 사용됩니다. Metal Shading Language는 C++14를 기반으로 하며 GPU에 대한 저수준 액세스를 제공합니다.

이러한 언어들은 그래픽 프로그래밍을 위해 특별히 설계된 데이터 유형, 제어 흐름문, 내장 함수 집합을 제공합니다. 맞춤형 셰이더 효과를 만들고자 하는 개발자에게는 이러한 언어 중 하나를 배우는 것이 필수적입니다.

셰이더 성능 최적화

셰이더 성능은 부드럽고 반응성이 좋은 그래픽을 구현하는 데 매우 중요합니다. 다음은 셰이더 성능을 최적화하기 위한 몇 가지 팁입니다:

• 텍스처 조회 최소화: 텍스처 조회는 비교적 비싼 연산입니다. 값을 미리 계산하거나 더 간단한 텍스처를 사용하여 텍스처 조회 횟수를 줄이세요.
• 저정밀도 데이터 유형 사용: 가능할 때 `float32` 대신 `float16`과 같은 저정밀도 데이터 유형을 사용하세요. 특히 모바일 장치에서 낮은 정밀도는 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
• 복잡한 제어 흐름 피하기: 루프나 분기와 같은 복잡한 제어 흐름은 GPU를 지연시킬 수 있습니다. 제어 흐름을 단순화하거나 벡터화된 연산을 대신 사용해 보세요.
• 수학 연산 최적화: 최적화된 수학 함수를 사용하고 불필요한 계산을 피하세요.
• 셰이더 프로파일링: 프로파일링 도구를 사용하여 셰이더의 성능 병목 현상을 식별하세요. 대부분의 그래픽 API는 셰이더 성능을 이해하는 데 도움이 되는 프로파일링 도구를 제공합니다.
• 셰이더 변형 고려: 다양한 품질 설정에 대해 다른 셰이더 변형을 사용하세요. 낮은 설정에는 간단하고 빠른 셰이더를, 높은 설정에는 더 복잡하고 상세한 셰이더를 사용하세요. 이를 통해 시각적 품질과 성능을 맞바꿀 수 있습니다.

크로스 플랫폼 고려 사항

여러 플랫폼용 3D 애플리케이션을 개발할 때는 셰이더 언어와 하드웨어 기능의 차이점을 고려하는 것이 중요합니다. GLSL과 HLSL은 유사하지만 호환성 문제를 일으킬 수 있는 미묘한 차이가 있습니다. Apple 플랫폼에 특화된 Metal Shading Language는 별도의 셰이더가 필요합니다. 크로스 플랫폼 셰이더 개발 전략은 다음과 같습니다:

• 크로스 플랫폼 셰이더 컴파일러 사용: SPIRV-Cross와 같은 도구는 셰이더를 다른 셰이딩 언어 간에 변환할 수 있습니다. 이를 통해 셰이더를 한 언어로 작성한 다음 대상 플랫폼의 언어로 컴파일할 수 있습니다.
• 셰이더 프레임워크 사용: Unity 및 Unreal Engine과 같은 프레임워크는 기본 플랫폼 차이를 추상화하는 자체 셰이더 언어와 빌드 시스템을 제공합니다.
• 각 플랫폼에 대해 별도의 셰이더 작성: 이것이 가장 노동 집약적인 접근 방식이지만, 각 플랫폼에서 셰이더 최적화를 최대한 제어하고 최상의 성능을 보장합니다.
• 조건부 컴파일: 셰이더 코드에서 전처리기 지시문(#ifdef)을 사용하여 대상 플랫폼이나 API에 따라 코드를 포함하거나 제외합니다.

셰이더의 미래

셰이더 프로그래밍 분야는 끊임없이 진화하고 있습니다. 떠오르는 몇 가지 트렌드는 다음과 같습니다:

• 레이 트레이싱(Ray Tracing): 레이 트레이싱은 광선의 경로를 시뮬레이션하여 사실적인 이미지를 생성하는 렌더링 기술입니다. 레이 트레이싱은 씬의 오브젝트와 광선의 교차점을 계산하기 위해 특화된 셰이더가 필요합니다. 실시간 레이 트레이싱은 최신 GPU에서 점점 더 보편화되고 있습니다.
• 컴퓨트 셰이더(Compute Shaders): 컴퓨트 셰이더는 GPU에서 실행되는 프로그램으로, 물리 시뮬레이션, 이미지 처리, 인공 지능과 같은 범용 계산에 사용될 수 있습니다.
• 메시 셰이더(Mesh Shaders): 메시 셰이더는 기존 버텍스 셰이더보다 더 유연하고 효율적으로 지오메트리를 처리하는 방법을 제공합니다. GPU에서 직접 지오메트리를 생성하고 조작할 수 있습니다.
• AI 기반 셰이더(AI-Powered Shaders): 머신 러닝을 사용하여 텍스처, 조명 및 기타 시각 효과를 자동으로 생성하는 AI 기반 셰이더가 만들어지고 있습니다.

결론

버텍스 및 프래그먼트 셰이더는 3D 렌더링 파이프라인의 필수 구성 요소로, 개발자에게 놀랍고 사실적인 비주얼을 만들 수 있는 강력한 기능을 제공합니다. 이러한 셰이더의 역할과 기능을 이해함으로써 3D 애플리케이션의 다양한 가능성을 열 수 있습니다. 비디오 게임, 과학 시각화, 또는 건축 렌더링을 개발하든, 버텍스 및 프래그먼트 셰이더를 마스터하는 것은 원하는 시각적 결과를 달성하는 데 핵심입니다. 이 역동적인 분야에서 지속적인 학습과 실험은 의심할 여지없이 컴퓨터 그래픽 분야에서 혁신적이고 획기적인 발전을 이끌 것입니다.