[OpenGL] OpenGL ES를 이용한 3차원 컴퓨터 그래픽스 입문 _ 3장

지난 시간에 이어 OpenGL ES를 이용한 3차원 컴퓨터 그래픽스 입문 도서를 통해
폴리곤 메쉬가 어떻게 생성되고 저장, 전달되는지에 대해 알아보려고 한다.

참고한 도서는 아래에 있다.

[ OpenGL ES를 이용한 3차원 컴퓨터 그래픽스 입문 ]

목차는 아래와 같다.

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👾목차

1. 폴리곤 메쉬
2. 폴리곤 메쉬의 표현
3. 표면 노멀
3_1. 삼각형 노멀
3_2. 정점 노멀
4. 폴리곤 메쉬 내보내기와 불러오기

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❗️폴리곤 메쉬

 

왜 정점이 아닌 폴리곤메쉬를 사용하는가?
폴리곤 메쉬는 정확한 표현법이 아니라 부드러운 곡면을 근사적으로 표현한 근사적 표현법으로
GPU는 폴리곤 메쉬 처리에 최적화 되어있기 때문에 실시간 렌더링 콘텐츠(게임)에서는 폴리곤 메쉬가 선호된다.

폴리곤 메쉬의 가장 기본이 되는 폴리곤은 삼각형이다. 하지만 모델링 작업에서는 사각형 메쉬가 선호된다.
사각형 메쉬 하나를 두개의 삼각형 메쉬로 분할하여 삼각형 메쉬를 만들 수 있다.

일반적으로 오일러 공식에 따르면 닫힌 메쉬에서 삼각형 메쉬의 개수는 정점 개수의 2배이다.
정점 개수가 많으면 메쉬의 해상도가 높다고 말하며 해상도는 정확성과 효율성 사이의 상반관계를 고려하여 결정된다.
해상도가 높을 수록 메쉬는 본래의 곡면과 유사해지지만 메쉬 처리시간이 증가해 효율성이 떨어진다.

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❗️폴리곤 메쉬를 표현하는 방법

삼각형 메쉬를 표현하는 가장 단순함 방법은 세 정점을 순서로나열하는 것이다.
정점들이 저장되는 공간인 정점 배열에서 한번에 세 정점을 읽어 삼각형 메쉬를 만들 수 있다.

이 방법은 직관적이지만 중복된 데이터를 가진다는 단점이 있다.
이를 보완한 것이 인덱스 배열이다. 인덱스 배열을 이용해 삼각형을 그리면 동일 정점을 중복저장 하지않아도 된다.

위 예시의 경우 도형의 개수가 적고 도형이 갖는 버텍스가 적기때문에 차이가 없어보이지만 하이폴리를 갖는 모델을 처리하는 경우에는
데이터 크기의 차이가 비교할 수 없이 차이난다. 그 때는 인덱스 배열을 사용하는 것이 더욱 효율적일 것이다.

Open GL에서는 정점배열만을 사용하는 표현과 인덱스 배열을 사용하는 것을 포함한 표현 모두를 지원하고있다.
하지만 전자를 사용하는 경우는 거의 없다고 봐도 무방하다.

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❗️표면 노말

- 삼각형 노말

: 삼각형 표면에 수직인 법선벡터를 가리킨다.
<p1, p2, p3>로 이루어진 삼각형메쉬로 가정할 때, 점p1와 p2를 잇는 벡터 v1과  p1와 p3를 잇는 벡터 v2의 벡터곱이 삼각형 노말로 정의 될 수 있다.

컴퓨터 그래픽스에서는 기본적으로 모든 노말을 단위벡터로 표현한다.
따라서 v1 x v2를 자신의 길이로 나누는 정규화 과정을 수행했다.

아래는 정규화식을 정리한 것이다.

n12와 n21은 앞서 말한바와 같이 반대방향을 가리킨다.
즉, 삼각형노말의 방향은 정점 순서가 p1,p2,p3 인지 p1,p3,p2인지에 따라 달라진다는 것이다.

위 삼각형을 오른손 법칙에 따르면, 반시계 방향으로 정점이 정렬되고 물체 표면에서 바깥쪽을 향하는 노멀을 생성한다. < p1,p2,p3 >
반대의 경우, 시계방향으로 정렬된 점점은 물체 안쪽을 향하는 노멀을 생성한다. < p1,p3,p2 >

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- 정점노말

: 컴퓨터 그래픽스에서 실제 중요한 개념으로 삼각혁에 수직인 벡터로 정의되는 삼각형 노멀에 비해, 정점노멀은 직관적으로 설명하기가 힘들다.
정점노멀은 폴리곤 메쉬의 정점이 샘플한 곡면에 수직인 것이다. 폴리곤 메쉬만이 주어졌을 때 정점 노멀을 계산하는 정답은 없다.
다만, 그럴듯한 결과를 내는 기법만이 있을 뿐이다.

그중 한가지 방법은 한 정점을 공유하는 삼각형 노멀들의 평균을 취하는 것이다.
보통 정점노말은 3Ds Max등과 같은 패키지가 자동으로 계산한다.

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❗️폴리곤 메쉬 내보내기/불러오기

: 보통 폴리곤 메쉬는 그래픽스 패키지(3Ds Max)를 사용해 오프라인에서 만들어지고 —->   런타인 응용프로그램(unity)로 넘겨진다.
이때 응용 프로그램에 적합한 형태로 출력하는 행위를 Export(내보내기) 라고 하고
이 데이터를 읽어오는 과정을 Import(불러오기)라고한다.

대표적인 그래픽스 패키지 3Ds Max가 지원하는 대표적인 파일 포맷중 하나는 [ .obj ]확장자이다.
이는 기본적으로 정점위치, 노멀, 삼각형 정보를 저장한다.
이는 각 v(vertex), vn(vertex normal),f(face)기호로 나타나며 3차원 오브젝트의 데이터를 읽는데 가이드가 된다.

v, vn으로 시작하는 줄은 각 정점 위치와 노멀의 3차원 좌표를 기록하고
f는 오브젝트를 구성하는 삼각형의 개수를 말한다. 한 삼각형은 세개의 정점 위치와 노멀의 정보를 쌍으로 기록하는데 이 둘은 //로 구분된다.
1//1 은 위치(0, 1, 0), 노멀(0, 1, 0)인 정점을 말한다.

이와 같이 .obj를 통해 응용프로그램의 메모리 공간으로 이동된 데이터는 위와 같은 기호를 통해 정점배열과 인덱스배열을 보여준다.

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오늘은 아티스트가 모델링한 오브젝트가 게임엔진으로 넘어오기까지 어떤 과정을 거치고 어떻게 구성되었는지 등을 알아보는 시간을 가졌다.
다음시간엔 좌표계와 행렬에 대해 진득하게 알아보자