[UNITY] 알쓸유잡 : 쉐이더 기초

 
 
유니티 공식 유튜브의 쉐이더 기초 내용을 보며 공부내용을 정리해보았다.
해당 글은 0:00 ~ 36:00 (RenderingLoop) 까지의 내용을 담고있다.
 

 

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🍪 목차

• 쉐이더의 정의
• Graphics Api란?
• Buffer
• Rendering Loop

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쉐이더의 정의

: 먼저 주제어인 쉐이더의 정의에 대해 알아보고자 한다. 이 부분은 chat GPT를 통해 구한 정의다.

Shader(셰이더)는 컴퓨터 그래픽스에서 사용되는 프로그램으로, 물체의 표면을 그릴 때 색상, 빛, 그림자, 반사 등 다양한 시각적 효과를 생성하고 제어하는 데 사용된다. 쉐이더는 주로 그래픽 카드(GPU)에서 실행되며, 3D 모델의 렌더링 과정에서 필요한 계산을 수행한다.

물체를 화면에 그릴 때, 각 픽셀에 어떤 색상을 적용할지, 어떻게 조명 효과를 시뮬레이션할지, 그림자와 반사 효과를 어떻게 표현할지 등을 결정하는 데 쉐이더가 사용된다. 쉐이더는 크게 나눠보자면 아래와 같다.

Vertex Shader (버텍스 쉐이더):
이 쉐이더는 3D 모델의 버텍스(꼭짓점)를 변형하고, 변환하여 화면에 배치하는 역할을 한다. 모델의 크기, 회전, 이동 등을 조정하는 등의 작업을 수행한다.
Fragment Shader (프래그먼트 쉐이더):
이 쉐이더는 버텍스 쉐이더로부터 얻은 데이터를 사용하여 픽셀의 색상을 결정한다. 조명, 그림자, 반사 등의 시각적 효과를 계산하고 픽셀의 최종 색상을 결정하는 역할을 한다.
Geometry Shader (지오메트리 쉐이더):
이 쉐이더는 버텍스와 프래그먼트 사이의 기하학적 변환을 처리한다. 기하학적 객체를 생성, 삭제, 수정하거나 복잡한 형태의 물체를 만드는 데 사용될 수 있다.
Compute Shader (컴퓨트 쉐이더):
이 쉐이더는 병렬 계산을 위해 사용되며, 일반적인 그래픽 처리 이외에도 물리 시뮬레이션, 데이터 처리 등의 작업에 활용된다.

Unity와 같은 게임 엔진에서는 쉐이더를 시각적 효과를 조정하고 컨트롤하는 데 사용한다. 개발자는 ShaderLab 등의 언어를 사용하여 쉐이더를 정의하고, 이를 물체의 재질(Material)에 연결하여 원하는 시각적 효과를 구현할 수 있다.

 
 

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그럼 우리는 대체 어떻게 shader를 갖고 각 플랫폼에서의 시각적 효과를 구현할 수 있는 걸까?
우리가 쉐이더 코드 또는 인스펙터를 통해 유니티속 그래픽을 변형시킨다. -> 유니티는 해당 플랫폼의 그래픽스 Api에서 실행가능한 형식으로 컴파일 한다. -> 이렇게 컴파일된 코드는 그래픽 카드에서 실행되고 시각적 효과를 생성한다.

Graphics Api란?

 
 

[출처] 유니티 공식문서

: 유니티에서는 안드로이드, 맥, ios, PC 등… 멀티 플랫폼을 지원하고 있다.
https://docs.unity3d.com/kr/2021.3/Manual/GraphicsAPIs.html [ 유니티 공식문서 참고 ]
각자는 다양한그래픽 카드를사양하고 있는데 개발자는 이 여러 그래픽 칩셋에 대응한다는 것은 어려운 일이다.
유니티는 이를 위해 OpenGL, 다이렉트X 등 Graphics Api를 지원하여 멀티 플랫폼에 대응할 수 있도록 한다. 따라서 개발자는 Graphics Api의 그래픽 라이브러리를 통해 그래픽 카드에 많이 신경쓰지 않고 개발할 수 있다.

*보통은 Auto Graphics Api를 사용하지만 이 체크박스를 해제하면 원하는 Graphics Api를 사용할 수 있다.

[출처] 유니티 공식 문서

 
 

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Data to Mesh
: Gpu는 어떻게?

여기까지는 우리가 쉐이더를 통해 구현한 그래픽을 각 컴퓨터에서 보여주는 과정에 대해 알아보았다.
 

최근 3D 작업물 중 신전 와이어프레임

이제는 그래픽 구현에 있어서 더 디테일한 부분을 알아보려고 한다.
3D 모델링은 결국 점 -> 선 -> 면 으로 이루어져있고 결국은 중점에서 각 값만큼 떨어져있는 정점들의 집합이기 때문에  우리는 이러한 데이터의 집합이 우리에게 Mesh로 보여지기까지의 과정을 알아 볼 필요가 있다.

Mesh는 형태가 있는 것으로 인지되지만 결국 그래픽 카드에서는 데이터로 이루어져있는데,
Mesh를 GPU가 읽고 표현하는 [Buffer] 과정은 아래 이미지와 같다.

해당 강의를 보며 정리해본 내용이다. 이해한대로 정리한 것이라 용어사용이 적절한지는 모르겠지만
각 과정과 의의를 간략하게나마 정리해보았다.



 
 

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Rendering Loop

 
 

1️⃣Update

가장 좌측 상단의 세모가 카메라

: 콘텐츠 구현을 위한 모든 로직을 업데이트
ex) 로직, 애니메이션 등,, 모든 입력값
 

2️⃣Cull

색칠된 부분이 제거되는 부분( = 렌더링되지 않는 부분)

: 물체를 렌더링 하는데 불필요한 부분을 제거하고 View Frustum이라는 가상의 공간을 활용해 화면에 보이는 영역을 정의한 뒤 필요한 부분만 렌더링 할 수 있도록 해 성능을 개선시킵니다.
- Frustum Culling
- Occulusion Culling
 

3️⃣Scene Render

: 오브젝트들을 Vertext Shader -> Fragment Shader 과정을 거쳐 렌더링 한다.
오브젝트가 여러개라면 Draw Call을 통해 위 과정을 반복한다. 각 Draw Call은 GPU에서 처리될 때 오버헤드가 발생해 성능저하가 일어날 수 있기 때문에 우리는 여러 객체들을 가능한 모아서 하나의 드로우 콜로 그리도록 하는 등 최소한의 드로우 콜로 효율적인 렌더링을 할 수 있도록 노력해야한다.
 

4️⃣ Post Processing

5️⃣ Double ( or Triple ) Buffer

 

: 오브젝트를 하나하나 그릴 때마다 화면에 바로 쏴주는 것이 아니라, Back Buffer에서 오브젝트 하나하나를 먼저 그린 뒤 한 프레임이 끝나면 Front Buffer로 올려준다.