크게 , 아름답게 , 빠르게 , 일관되게 만들기 : Just Cause 2 개발에서 배운 교훈들 (GPU Pro)

크게 , 아름답게 , 빠르게 , 일관되게 만들기 : Just Cause 2 개발에서 배운 교훈들 (GPU Pro)이민웅

Shader Study

소개

소개

소개

지연 랜더링 사용안함 빛 색인화 지연 랜더링 사용

◦ Light indexed deferred rendering 여러 광원들이 일렬로 정렬되어 빛들이 화면 공간의 같은 영역을 차지하는 경우 시각적 결함이 생길수 있음

◦ 가로등들을 일렬로 나열되어 있는 경우 화면 공간대신 세계 공간을 사용할 때 겹침이 훨씬 적어짐

◦ 세계 공간에서는 겹침이 시점에 독립적

동적조명

게임의 조명정보를 광원 색인 텍스쳐를 사용해서 세이더에 전달◦ 128x128(RGBA8)

카메라 위치 주변의 XZ 평면을 점 표본화 방식으로 텍셀 추출 각 텍셀은 4mx4m 의 크기를 가짐

◦ 사각형 주분의 영향을 주는 광원들의 색인을 저장 광원 색인 텍스쳐는 한장에 512mx512m

◦ 채널당 8 비트 최대 256 개 광원을 색인◦ 조명정보를 셰이더 상수들을 담을 수 있도록 64 개로 제한

각 광원마다 두개의 레지스터 위치 , 반지름 제곱의 역수 , 색상을 저장◦ 위치와 반지름 제곱 역수는 RGBA16F 색상은 RGBA8

동적조명

광원 색인 텍스쳐◦ 전역 광원 목록에 기초해서 CPU 생성

텍스쳐 영역이 모두 쓰일만한 위치◦ 카메라 뒤의 공간이 최소활될만한 지점에 배치

활성된 광원 중에서 영역에 속하는 것을 고르고 각 텍셀이 영향을 주는 광원을 추가하고 4 개가 넘으면 최대 감쇠 계수에 기초해서 탈락시킴◦ 한 영역에 4 개의 광원이 넘게 있다면 빛의 세기를 비교해서 결정◦ 이렇게 해야 광원 탈락으로 인한 시각적 오차를 줄임

동적조명

축 정렬 세계 공간에서의 광원 색인화 최대한 시야 절두체 안에 들어가도록 배치

◦ 활성된 광원들이 최대한 텍스쳐 영역에 들어가게 함 해당영역은 적색 , 녹색 색인에 해당하는 두개의 광원

동적조명

광원이 영향을 미치는 범위를 제한◦ 광원 반지름이 벗어나면 빛의 세기가 0

◦ Lightpos.w 는 반지름 제곱의 역수◦ 광원의 반지름에 해당하는 지점이 0 이됨◦ 광원 반구에서 아주 먼 지점까지도 에너지를 보존◦ 단점은 종종 비현실적으로 얼룩진 빛이 보임◦ 위 공식으로 단점을 보안 시각적 품질이 좋아짐

동적조명Atten = saturate(1 – lightpos.w * dos(lVec, lVec))

Atten *= atten

동적 분기를 사용하여 최적화◦ 조명계산이 필요하지 않은 대다수 픽셀들에 대한 조명계산을 하지 않음

셰이더 코드에서 분기설정 어떤 콘솔기계에서 엄청 느렸음 분기설정때문에…

광원을 0,2,4 개로 설정 유연하게 바꾸어서 빠른씬도 있고 느린씬도 있음

크기가 작은 물체에 대해서는 경계상자판정을 이용해서 최적의 광원들을 찾는 시스템 구현 원거리 광원

◦ 게임 세계가 방대하여 텍스쳐 영역 밖에 있는 광원들도 처리◦ 모든 광원을 점 스프라이트 랜더링◦ 밤 연출에 효과가 좋았음

동적조명

중첩 그림자 매핑◦ Cascaded shadow mapping (3 개 사용 )

플레이어의 높이로 동적으로 영역을 설정◦ 지명에 가까이 있으면 조밀하게◦ 하늘을 날고 있으면 넓게◦ 카메라 시야가 변하고 그림자 맵이 움직임에 따라 가장자리에서 껌벅거리는 결함이 나타남

그림자 맵들을 텍셀 경계에서 정렬후 프레임 대 프레임 부분 텍셀의 오프셋을 제거함으로 문제 해결 시선을 돌릴때는 해결됨 하지만 수직으로 바라보면 문제가됨

세 개의 버퍼를 한장에 사용 1024*3072◦ 다음 타일로 전환이 일어나는 지점에서 이음메가 눈에 두르러 짐

가장자리에 다가감에 따라 다음버퍼도 추출해서 페이딩 픽셀의 화면 위치에서 의사난수를 유도하고 페이딩 값에 더함 매법 서로 다른 픽셀이 다음버퍼와 교체

그림자 시스템

Float2 rc = {0.782934.f,-0.627817f};Float rnd = frac(dot(In.Pos.xy, rc));…Fade = saturate(fade + rnd );

그림자 맵의 이웃들에서 차폐물을 찾음 그림자를 드리울 가능성이 이는 표본이면 차폐물로 간주 차폐물과 중심 표본의 깊이 차이들의 평균을 구함 두 번째 패스에서 표본화 반지름으로 사용해서 반지름 안에서 다수의 PCF 를 추출 유한한 개수의 표본에 의한 결함을 숨기기 위해 , 표본 추출 패턴을 화면 위치로부터 생성한 의사난수 각도로 회전

부드러운 그림자

부드러운 그림자

빛 번짐 매핑 기법◦ Light bleed mapping

빛과 그림자가 픽셀 사이에서 급격하게 변하는 것이 아니라 부드럽게 감쇠 가장 가까운 깊이 값 네개를 참조해서 서로 다른 표본들에 대해 빛 번짐 계산을 수행후 결과를 필터링

◦ 그림자와 빛의 경계선에 아주 뭉툭하고 보기싫은 결함이 생김 (무조건 위처림 해야됨 )◦ DX10 에서는 Gather() 이란 함수로 모든 표본을 가져올수 있음 . 하지만… 다른거에서는…

캐릭터 그림자

파티클의 일부가 바탕 기하구조를 파고 들어갈 때 보기 싫은 날카로운 가장자리를 제거함으로 품질을 높이는 방법◦입자를 저장된 깊이 값과 래스터화된 깊이 값의 차이에 따라 페딩하는것◦ 선형공간에서 할수도 있고 깊이 값을 그대로 사용할수 있음

우리 게임은 시야 거리가 길고 입자들의 크기가 다양해서 선형 깊이 차이 방식으로 그리 좋은 효과를 내지 못함

부드러운 입자 (Soft Particles)

거의 모든 상황에서 상당히 그럴듯한 결과를 내는 페이딩 공식◦ Fade = saturate(poly_depth / sampled_depth * k – k)◦ K 는 파티클은 8.0 눈과 연기에는 4.0 구름에는 2.0 사용

이 공식은 트릭이 가까움◦ 게임이 뒤집힌 깊이 버퍼 , 즉 먼 편명에서의 z 가 0.0 이고 가까운 편명에서의 z 가 1.0인 깊이 버퍼를 사용함◦ 카메라가 물체에 가까워짐에 따라 z 값들의 비율이 동일하게 유지 되려면 더 작은 선형 거리가 필요

부드러운 입자 (Soft Particles)

동적인 것들만 지원◦ 차폐입체를 통해서 SSAO 를 생성

차폐입체◦ 물체가 다른 물체에 접근함에 따라 하나가 하나를 가리게 되는 것◦ 차가 있고 도로가 있으면 차는 도로를 가리기때문에 차 아래 상자를 바퀴아래에는 타원을 배치함

캐릭터의 경우 발 아래 타원을 둠◦깊이 버퍼에서 뽑은 깊이 값을 차폐 입체의 국소 공간으로 변환하고 국소 위치에 근거해서 차폐도를 계산◦ 정확은 방식은 아니지만 우리게임에는 효과가 좋았음

게임이 순차랜더링 방식이라 장면 법선들은 없기때문에 깊이 버퍼에서 법선을 생성

주변광 차폐 (SSAO)

깊이버퍼에서 법선을 생성 법선을 계산할때 다각형 경계를 넘나들면 안됨 화면공간에서의 깊이버퍼는 선형

◦ 삼각형들을 따라 분포된 값들이 픽셀 대 픽셀차이가 일정 수평으로 왼쪽 , 오른쪽 모두 가까운 이웃을 추출 가운데와 왼쪽 , 오른쪽 세 표본들 중 차이가 가장 작은 방향을 택함

◦ 수직 방향으로도 마찬가지 방식 두개의 접선 백터가 생김


안티앨리어싱을 따로 적용하지 않아도 시각적 결함이 거의 나타나지 않음 멀티 샘플링을 활성화 하면 결함들이 조금 나타남


Q&A감사합니다

게임의 좌표계는 미터 단위◦ x,y,z -16384 ~ 16384◦ X,z 좌표가 크기가 8192 보다 크면 정밀도가 최저◦ IEEE-754 부동소수점 형식에서 가수가 23 비트◦ 8192,16384 범위의 정밀도는 8192 /2 = 1/1024◦ 밀리미터 수준의 정밀도 이므로 충분히 좋다고 생각하지만 , 모든 부동 소수점 연산에서 반올림 오차가 발생하고 그 오차들이 쌓이다 보면 밀리미터가 센티미터 , 10센티미터까지 정밀도가 낮아짐◦ 부동소수점 연산이 어떤 식으로 미묘한 문제들을 일으킬수 있음

지터버그 : 부동소수점 정밀도

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지터버그 (jitter bug)◦ 여러 레벨들에서 캐릭터나 물체가 안절부절 못하면 현상

(jittering)◦ 그림자 맵 텍셀들이 장면 기하구조에 잘 정렬되지 않아서 카메라가 조금만 움직여도 그림자가 임의의 방향으로 10센티미터씩 건너뛰기도 함


부동소수점 정밀도를 유지하는데 있어 핵심은 크기가 아주 다른 수치들을 더하거나 빼지 않도록 하는것 두 수를 더할 때 하나가 다른 하나의 두 배 이상이면 작은 수의 최하위 비트는 본질적으로 사라져 버림 두 배 이상이면 비트 하나 소실 , 네 배 이상이면 비트 두개 소실

◦ 0.05 + 5000 – 5000 의 결과는 0.05 가 아님 0.0498◦ 반면 0.05 + 0.05 – 0.05 는 정확한 결과 0.05

곱셈과 나눗셈은 일반적으로 피연산자들의 규모와 무관하게 잘 작동◦ 0.05 * 5000.0 = 0.05 * 0.05 / 0.05 정확한 결과가 나옴


전통적인 정점 파이프라인◦입력정점은 월드 ,뷰 , 프로젝션 행렬을 거쳐 변환

세이더에서도 행렬변환들이 필요함◦ 시야 행렬과 투영 행렬을 하나의 행렬로 합치는 경우◦ 정점을 세계 공간으로 변환해 두는 것은 흔한 일◦ 세이더에서는 세계 공간위치가 필요한 경우가 많이 있음◦ 그 결과를 시야 -투영행렬에 넣음 ◦ 작은 물체의 경우 스케일이 1 이 아닐수 있음 회전 값은 최대 약

1.0 임 이동은 10,000 이상 일수 있음 따라서 비례와 회전의 의미있는 비트들이 사라질 수 있음◦커다란 세계 위치를 카메라 국소 공간으로 옮겨야 하는 투영행렬에도 같은 문제가 있음


새로운 변환 파이프 라인◦ 모형 – 시야 – 투영 행렬

[ 비례 ][회전 ][ 이동 ] * [ 이동 ][회전 ] * [투영 ]◦ 모형 – 시야 핼렬의 이동 부분을 묶음

[ 비례 ][회전 ] * [ 이동 ][ 이동 ] * [회전 ] * [투영 ]◦ 모형행렬의 이동 부분은 모형의 세계 취이와 시야 행렬의 이동 빼기 위치◦ 중간의 이동 행렬은 world_pos – eye_pos 카메라를 기준으로 한 모형의 상대적 위치◦ 세계 위치가 필요한 셰이더에는 세계 행렬을 제공◦병합된 모형 - 시야 -투영 행렬을 계산해서 입력정점을 반환◦ 정점수준의 모든 지터버그가 수정◦ 단점은 병합된 모형 - 시야 -투영행렬을 인스턴스마다 계산

셰이더 상수들도 더 많이 차지


애니메이션 수준의 지터버그들과 정점 스키닝의 지터버그는 설명한 방법으로 해결 적용 깊이 버퍼 정밀도 문제

◦ 가까운 평면이 카메라에 아주 가깝고 먼 평면은 아주 멀어야함◦ 먼 곳에서 z-fighting 발생◦깊이 판정 방식을 GREATER 로 설정함으로 상당 부분 해결◦ 부동 소수점 깊이 버퍼까지 도입하니 거의 모든 문제 해결◦ 부동소수점 버퍼의 비선형적 성질이 깊이 버퍼 값 분포의 비선형적 성질을 상쇄하기 때문


프로그래머가 렌더링 코드가 모든 플램폿에서 같은 결과를 산출하도록 소중한 시간을 쏟아 부음 플랫폼 간 일관성

◦ 그래픽 칩 차이◦혼합 구현의 차이◦ sRGB 처리 방식의 차이◦ 정밀도 차이◦ 소프트웨어에 관련된 차이

일관되게 만들기

저수준 API◦ PC DX10 ,XBOX360 DX9, PS3 LibGCM◦ 플랫폼의 고유 그래픽의 API 위에 놓을 저수준 API 설계◦핵심은 상태 없는 (stateless) 구조

명령버퍼를 이용한 다중 스레드 렌더링을 만들때 아주 중요◦ 상태를 두지 않는 대신 , 각 호출에 하나의 문맥 (context) 매개변수를 넘겨줌◦ PC 는 가장 강력한 플랫폼

하지만 설계는 콘솔에 친숙한 형태로 .. DX9 랜더 상태를 동적으로 DX10 형태로 변환해야 했는데 이에 따른 부담을 최소화 하기위해 비트 필드로 압축


세이더 상수 관리◦ 상부 버퍼들을 잘 사용하면 CPU 와 GPU 사이의 소통량을 줄여 성능을 높일 수 있음◦ 상수들에 대한 공통의 인터페이스를 만드는 일은 매우 어렵다 ◦ 모든 플랫폼에서 빠르고 안전하고 유지보수가 쉬어야 함◦ 안정성과 유지보수성은 특히 중요한 문제

#ifdef 들과 register(),packoffset() 선언들이 난무하면 버그가 난무 문제가 심각해짐


세이더 상수 관리◦ 최종적인 해법◦ 레지스터 스타일과 상수 버퍼 스타일을 혼합◦몇가지는 매크로들을 이용해서 상수버퍼 설정◦ 장점은 모든 플랫폼에서 세이더와 렌더링 코드가 일대일로 직접 대응


감마◦ sRGB혼합 문제◦ IHV 의 DX9급 그래픽 칩들은 렌더 대상 sRGB 변환을 단편 세이더 이후에 직접 수행하도록 설계◦혼합이 활성화된 경우 선형공간이 아니라 sRGB 공간에서 일어나 여러 문제가 발생◦ 문제의 성격은 혼합 모드에 따라 다름◦ 보통의 알파 반투면 혼합에서는 문제가 없음◦ 다행이 DX10 에서는 혼합이 선형공간에서 일어남


입력 단편 0.3 렌더 대상 0.7 입력 알파가 0.5sRGB 공간에서의 혼합 결과 입력 단편 0.3 렌더 대상 0.3

sRGB 공간에서의 가산 혼합 결과

감마◦혼합 모듈은 고정기능 하드웨어 장치로 설절할 것이 비교적 적고 입력 종류도 적음◦ 원본 색상에 알파를 곱하는 연산을 혼합 모듈에서 세이더로 옮겨서 문제 해결

혼합공식의 일분가 플랫폼들 모두에서 동일해지는 효과◦ 콘솔에서는 렌더링 시 띠 현상 (banging) 이나 기타 결함들이 다른 플랫폼에 비해 더 자주 나타남

이 차이를 줄이기 위해서 세이더로 보정곡선을 추가함 모니터 출력 , HDMI 케이블로 나가는 결과 틀림 커스텀 감마 보정 곡선으로 오차를 제거함


구름 렌더링◦ 구름은 새털구름 (cirrus, 권운 )층 뭉게구름 (cumulus, 적운 )층 하나가 있는 형태◦ 구름들을 단순한 사각형들로 랜더링함

구름 텍스쳐들은 알파가 0 인 공간이 상당히 많다는 사실을 깨달음◦ 메모리 요구량이 늘지 않도록 구름 당 정점

4 개라는 제약은 그래도 함◦ 대지도의 어떤 타일이 쓰이냐에 따라 해당 구름을 잘 감싸도록 최적화된 사각형을 선택◦ 시각적 품질은 전혀 떨어지지않고 랜더링 시간 단축 (4,5 -> 2,3 밀리초 )

빠르게 만들기

파티클◦ 구름텍스쳐처럼 파티클은 다양한 텍스쳐들을 일일이 정점 4 개를 찍는 방식은 비효율적이고 정점 4 개로 충분히 않은 텍스쳐들도 존재함◦입력 텍스쳐와 알파 문턱값이 주어지면 입자텍스쳐를 가장 밀접하게 감싸는 볼록 다각형을 계산하는 알고리즘을 고안하고 자동화◦알고리즘 핵심은 볼록 덮게 (convex hull)

입자의 가장자리 픽셀들을 검출해서 볼록 덮개를 반복적으로 갱신 일반적으로 몇 십개의 정점들로 이루어진 볼록 덮개가 만들어짐 덮개 변들의 모든 순열을 검검해서 입자를 완전히 감싸면서도 면적이 가장 작은 것을 택함 모든 순열을 주먹구구식으로 검색하는데 정점 개수가 많으면 실행하는데 시간이 너무 길어 질수 있음 변들을 하나씩 제거해 가면서 변 개수가 50 을 넘지 않게 함

빠르게 만들기

오픈소스 particle Trimmer http://www.humus.name/index.php?page=Cool&ID=8

DX11 에서 Compute Shader 를 사용하면 후처리 효과들에 크게 도움이 될 것 테셀레이션을 지형에 사용할려고 했지만 풀이나 물에서 사용해보고 싶다 순자랜더링을 사용했지만 앞으로는 지연 세이딩으로 게임을 출시하고 싶다 DX11 과 Deferred context 를 이용한 다중 스레드 랜더링을 구현해보고 싶음

결론

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