스크린 스페이스 데칼에 대해 자세히 알아보자(워햄머 40,000: 스페이스 마린)

Screen Space Decals
in Warhammer 40,000: Space Marine

Pope Kim
Senior 3D Programmer
Square Enix / Eidos Montreal
Relic Entertainment / THQ Canada (past)

작년 KGC 발표 이후….

 스페이스마린의 렌더링 기법
 데니엘 박사님과 2시간 공동발표


 그 후, 포프는 꽃미남 프로그래머로 널리 명성을…


 하지만 같이 발표했던 데니엘 박사님은 포프의 외모에
밀려 소리소문없이…. -_-
 사랑하는 동료로서 마음이
아파서 데니엘 박사님의
간지나는 참 모습을 다음
장에 공개…

데니엘 박사님의 참모습…(?)


 여기까진 농담… (잠좀 깨셨죠? -_-)
 스페이스마린의 렌더링 기법 - 2시간짜리
 슬라이드
 129장 = 1분에 한장하기에도 벅찼….
 http://kblog.popekim.com/2011/11/blog-post.html
 말도 엄청나게 빨리 해야했음
 증거 동영상:
http://www.kocca.kr/knowledge/seminar/1775011_3306.html
 (이라고 했지만 사실은 원래 말을 빨리 함 -_-)

하지만 생각외로 국내외로 엄청난 반응

국내외 개발자들의 추가발표 요청 내용 2개

 렐릭의 파티클 시스템
 데니엘 박사님의 KGC 2012 발표
 “모두가서 보세요!” 라고 하고 싶지만 어제 이미 발표 -_-
 그리고 스크린 스페이스 데칼
 이미 발표자 본인이 Siggraph 2012에서 발표했음
 지금 KGC 2012에서 발표하는 것도 시그래프 발표에 기반
 그리고 올해는 좀더 여유롭게 발표
 시간도 1시간 뿐
 슬라이드 수도 112장 밖(?)에 안됩니다…..

올해는 시간이 좀 여유로우니 발표자 소개도…

 이름: Pope Kim (김포프)
 경력(시니어 3D 프로그래머)
 스퀘어 에닉스(아이도스)
몬트리올 (2012 - )
 렐릭 (THQ) (2008 - 2012)
 캡콤 밴쿠버 (2006 - 2008)
 기타 등등

잘난척 여태까지 출시한 게임들…

계속 잘난척 발표자 소개

 학력:
 연세대 법대 졸
 BCIT 컴공 수석졸업
 기타 등등
 밴쿠버 예술대학 셰이더 프로그래밍 강사 (2007 - 2009)
 시그래프 2012 강연
 KGC 2011 강연
 게임개발포에버(www.gamedevforever.com) 운영자(?)

은퇴계획 발표자 소개…

그럼 이제 본격적으로 데칼에 대해…

 알아보기 전에 스페이스마린을 모르시는 분들을 위해
비디오 한편…

(작년과 같은 비디오지만… -_-)

그럼 정말 데칼에 대해

 알아보고 싶지만…
 디퍼드 라이팅에 대해 잠시 소개부터…
 그래야만 이해가 되요~

포워드 렌더링

 보통 알고 있는 메쉬를 그리는
방법
 메쉬 하나를 그리면서 모든
계산을 한번에
 조명
 텍스처 등등

Dawn of War 2, Relic Entertainment

포워드 렌더링

 문제점
 많은 조명을 허용하면 성능저하
 조명수를 제한하면 품질저하
 다음과 같은 건 거의 불가능

출처: Light Pre-Pass 2009, Wolfgang Engel

디퍼드 기법들

 조명과 메쉬의 분리!
 디퍼드 렌더링 또는 디퍼드 라이팅
 개념상의 큰 차이는 없음
 미묘한 구현상의 차이
 스페이스마린은 디퍼드 라이팅
 디퍼드 = 다단계, 포워드 = 한단계로 이해

디퍼드 라이팅

 디퍼드 라이팅으로 최종결과를 이렇게 그리려면

디퍼드 라이팅

 Step 1:
 메쉬의 속성들을
화면공간안에 저장
 속성:
 법선
 Spec Power
 결과: Gbuffer 텍스처
(2D)

디퍼드 라이팅

 Step 2:
 Gbuffer를 이용하여 그
위에 조명을 그림
 결과: 조명결과 텍스처
(2D)

디퍼드 라이팅

 Step 3:
 메쉬를 다시한번
그리면서 디퓨즈 텍스처
등에 조명결과를 적용
 결과: 최종화면

디퍼드 기법을 자세히 배우고 싶으시다면…

 오늘 이창희님의 강의를 들으세요
 제 강의 끝나고 그냥 여기 앉아계시면 됩니다~

SSD 이전의 데칼기법?

 2008~2009년 어느날, 스페이스마린에 사용할 데칼
시스템을 만들라는 명령을 받음
 난생 처음 해보는 일
 따라서 리서치를 먼저 해보니…

 총알을 벽에 쐈을 때 데칼을 어떻게 그리곤 했는지
간단히 5분간 알아보자

이렇게 흠집을 보여주는 텍스처를 그려야함

말은 쉽지만… 정작 어떻게?

 충돌 지점에 이 텍스처를 그리고 싶음

 근데 텍스처를 그리려면 메쉬를 그려야만 함
 그럼 대충 사각형 메쉬에 텍스처를 씌워서 그리면 되겠군
 근데 벽면 위에 착~ 달라붙는 메쉬를 어떻게 만들지?

흠집 텍스처를 포함하는 가장 작은 patch를 찾자

이제 그 patch를 복제(duplicate)

이제 간단히 텍스처를 씌워서 그림

일반적으로 사용했던 해결법

1. (진짜 쉬움) 벽 메쉬의 폴리곤 수를 늘림
2. (그닥 안 쉬움) 복제한 메쉬패치에 있는 정점마다 UV
좌표를 잘~ 계산해줌

1. 폴리곤 수를 늘리는 방법

2. UV를 잘~ 계산하는 법

(-4.5, -3.2) (3.4, -3.2)

(0, 0)

(1, 1)
(-4.5, 4)
(3.4, 4)

하지만 여전히 문제가…

1. 폴리곤 수를 늘리면 정점수가 늘어나니…
– 정점들을 훑는데(iterate) 시간이 더 걸림
– 메모리 사용량 증가 (콘솔에서 특히 치명적… 512MB 들어는 봤나
-_-)
2. 쓸데없이 래스터라이제이션 하는 픽셀이 늘어나니
성능저하
– 텍스처 가장자리(edge)가 완전투명해야함
– 메쉬가 복잡하면 UV 계산이 너무 어려움

UV 계산이 안쉽다니까…..

 이렇게 복잡한 석상
메쉬가 있으면 대체
UV는 어떻게
계산하라고…

그래도 난 천재니까?....

 그래서 이 모든 문제들을 해결하려고 Screen Space
Decal이란 기막힌 기법을 만들어 냈겠죠?

그래도 난 천재니까?....


그.럴.리.가….

난 천재니까?....


그.럴.리.가….

 사실 이전 방법이 만들기 너무 복잡해보여서….
 하지만 SSD가 저 문제들을 해결한건 사실..^_^

스크린 스페이스 데칼 (SSD)

 지난 1~2년간 다른 개발자들이 비슷한 기법을 소개했음
 Deferred Decals (Jan Krassnigg, 2010)
 Volume Decals (Emil Persson, 2011)
 SSD는 그 전에 개발했으나 실제 알고리듬은 매우 비슷함.
(이름이 좀더 멋질뿐…. -_-)
 따라서 알고리듬을 가볍게 살펴본 뒤
 스페이스마린에서 SSD를 사용한 방법과 발견한
문제점들, 그리고 그 해결책에 더욱 초점을 둘것임

스페이스마린에서 SSD를 쓴 곳들

 파티클 효과(FX)에 국한하지 않음
 말 그대로 화면의 절반이 SSD:
 벽에 끈적하게 들러붙은 핏자국
 벽에 조각한 석상
 콘크리트 바닥이 탄 자국
 오크들이 벽에 페인트로 낙서질 해 놓은것
 바닥에 쌓여있는 돌더미들
 총알구멍
 폭발자국
 ......기타 등등등
 특히 배경 아티스트들이 너무너무 좋아했어요~~~

This slide has a 16:9 media window
SSD ON

SSD OFF

구현 디테일

1. SSD를 제외한 메쉬들을 화면에 그림
2. SSD 상자를 그림(rasterization)
3. 각 픽셀마다 장면깊이(scene depth)를 읽어옴
4. 그 깊이로부터 3D 위치를 계산함
5. 그 3D 위치가 SSD 상자 밖이면 레젝션(rejection)
6. 그렇지 않으면 데칼 텍스처를 그림

This slide has장면에서..
이 a 16:9 media window

이 데칼을 그려보죠

This SSD를 제외한 메쉬들을 그림
1. slide has a 16:9 media window

This slide SSDa상자를 그림 window
2. has 16:9 media

This slide SSDa상자를 그림 window
2. has 16:9 media

하지만 이건 뭔가
아니잖아????

이걸 프로젝터처럼
사용하고 싶음

This slide has a장면깊이를 읽어옴
3. 각 픽셀마다 16:9 media window

4. 그 깊이로부터 3D위치를 계산

float2 screenPosition = clipPosition.xy / clipPosition.w;

float2 depth_uv = screenPosition * float2(0.5f, -0.5f)
+ float2(0.5f, 0.5f);
depth_uv += ScreenDimension.zw; Half-pixel Offset Basically
float sceneDepth = tex2D(DepthMap, depth_uv).r;

float4 scenePosView = float4(clipPosition.xy * sceneDepth
/ (Deproject.xy * clipPosition.w), -depth, 1);

Deproject.X = ProjectionMatrix.M11;
Deproject.Y = ProjectionMatrix.M22;

This 5. SSD 상자밖이면, 리젝션
slide has a 16:9 media window
밖
안

밖

5. SSD 상자밖이면 리젝션

• 간단히 뷰공간의 위치를 SSD 상자의 물체공간으로 변환
• 위치가 0.5 보다 큰 픽셀은 상자 밖에 있는 것

position = mul(scenePosView, InvWorldView);
clip(0.5f - abs(position.xyz));

This 6. 상자안이면 데칼을 그림

// 데칼 텍스처의 UV
float2 uv = position.xz;
uv += 0.5f;

그럼 조명은 거저먹음…

Without SSD

그럼 조명은 거저먹음…

With SSD

컴바이너 패스는 16:9 media window
This slide has a 그냥 동일과정 반복

Mix-n-Match

 아티스트는 Gbuffer 또는 컴바이너 패스에 그려지지 않는
데칼을 만들수 있음
 디퍼드 라이팅 엔진을 쓰기에 역시 공짜로 얻은 혜택

This slide has a+ Combinerwindow
Gbuffer 16:9 media

Gbuffer만

Combiner 패스만

실제게임속 예제(둘다)

실제게임속 예제 (둘다)

실제 게임속 예제 (GBuffer)

실제 계임속 예제 (GBuffer)

실제 계임속 예제 (Combiner)

실제 게임속 예제 (Combiner)

아티스트에게 자유를….

 아티스트는 *.ssdecal
파일을 만듬 (사실 그냥
XML 파일)
 레벨 에디터에서,
SSD를 끌어다 놓음
 이제부터 WYSIWYG.
각 인스턴스별로 수정도
가능

문제점들 & 우리의 해결책

1. 알파 블렌딩
2. 움직이는 물체들
3. 옆면이 늘어나요…. ㅜ.ㅜ
4. 짤린(clipped) 데칼
5. 성능

1. 알파블렌딩 (법선)

• 컴바이너 패스에서 투명한 물체를 그리는 건 큰 문제없음
• 법선(normal)을 혼합 해야하는 Gbuffer가 문제
– 첫 구현: 알파테스트 사용
– 거의 마지막 구현: Crytek의 Best Fit Normal 기법 + 알파블렌딩
– 하지만 3 개월 뒤, 우리가 Best Fit Normal을 구현한 코드에서 버그
발견. 이전에 쓰던 법선저장법과 동일했음.. -_-
– 그래도 법선 블렌딩이 이상하다고 불평하는 아티스트가 없었으니
시각적으로 문제가 없는 것… 그래서 그냥 그대로 뒀음…
– 수학적으론 틀림… 하지만 게임개발에선 아티스트가 왕. 그러니
틀리든가 말던가…. (올해도 디스 당할지도…. -_-)

1. 알파블렌딩(Spec Power)

• Gbuffer의 알파채널에 Specular Power를 저장

• 일반적인 알파블렌딩 사용불가
– SSD 셰이더의 알파 출력(output)값은 RGB(법선) 혼합에 사용
– 해결책: Blend Factor!

AlphaBlendFunction = BlendFunction.Add;
AlphaSourceBlend = Blend.BlendFactor;
AlphaDestinationBlend = Blend.InverseSourceAlpha;
BlendFactor = ssd.SpecularPower / 255.0f;

1. 알파 블렌딩(Spec Power)


Power = 128


Power = 40

Power = 128

This slide has a 16:9물체들 window
2. 움직이는 media

2. 움직이는 물체들

• 움직이는 물체에 데칼을 붙여버릴 수도 있었음
• 하지만 스키닝 입힌 메쉬(예: 오크의 팔)은 여전히 문제
• 그래서 그냥 움직이는 물체에는 데칼을 그냥 안
적용했음… -_-
• 초간단 스텐실 버퍼 기법으로 해결

Stencil

This3. 옆면이 늘어나요… ㅜ.ㅠ

3. 옆면이 늘어나요… ㅜ.ㅠ

• SSD 상자의 투영면이 완전히 충돌하는 메쉬안에
들어가지 않을 때 발생하는 문제
• 처음발견한 문제, 여러가지 시도를 한 문제
• 하지만 데칼상자의 투영방향과 Gbuffer의 법선방향이
이루는 각이 어느정도 커지면 그냥 단순히 리젝션

This3. 옆면이 늘어나요… ㅜ.ㅠ

90 도


 아티스트가 지정한 각도
이상이면 무조건 픽셀
리젝션
 180도로 지정하면 전혀
리젝션을 안함
 대충 60도로 지정하는게
최고더라구요….?


1. 정점 셰이더에서 데칼상자의 방위를 구함:

output.Orientation = normalize(WorldView[1].xyz);

2. gNormalThreashold은 cos(각도)
3. 픽셀 셰이더에서 Gbuffer 법선을 읽어와 리젝션 테스트
float3 normal = DecodeGBufferNormal( tex2D(
GNormalMap, depth_uv ) );
clip(dot(normal, orientation) - gNormalThreshold);


• 단순 리젝션 외에 우리가 시도해본 방법들
– 데칼상자의 방위와 정점법선이 이루는 각이 커짐에 따라 데칼이
서서히 사라지게 함: 둥근 파이프등에서 정말 안이쁨 -_-
– 데칼상자의 방위와 Gbuffer 법선이 이루는 각이 커짐에 따라
데칼이 서서히 사라지게 함
• 이미 만들어놓은 데칼 텍스처들을 너무 흐리게 만들었음
• 노이즈가 많이 낀 gbuffer에서 아티스트들이 단순 리젝션을 더 선호했음
• 처음부터 이 방법을 썼으면 썼을지도… 여러분 게임에서 시도해 볼만한 가치는 있음

4. 짤린(clipped) 데칼

• 배경아트 데칼에서는 별로 문제가 아님
– 이미 배경 아티스트들이 성능상의 이유로 얇은(thin) 데칼을 사용
• 파티클에서 큰 폭발이 일어날때 종종 발생하는 문제
– 카메라가 데칼상자 안에 들어가면
– 픽셀이 래스터라이제이션 조차 안되서 생기는 문제

This slide has a 데칼 media window
4. 짤린 16:9 (OK)

4. Clipped Decal (BAD)

4. 짤린 데칼(해결책)

• 카메라와 데칼이 충돌하면
• 뒷면(backface)을 대신 그림. 하지만 깊이 테스트 방향을
뒤집어야 함
• 하.지.만… 성능이… 마구 떨어져요….
– 깊이 테스트를 뒤집으면 계층적 깊이(Hi-Z)또 꺼져요.. ㅜ.ㅠ
– 하지만 파티클 데칼에서만 문제가 되고, 이것에 대한 상상도못할
엄청난 해결책꼼수가 있음 (뒤를 보세요)

This 4. 짤린 데칼16:9 media window
slide has a (뒷면 그리기)

5. 성능

• 어차피 리젝션할 픽셀이라면 래스터라이제이션 조차
안하는게 좋음
• 깊이 테스트 방향을 뒤집어서 Hi-Z도 끄는걸 피해야 함
• 간단히 말해 데칼을 매우 얇게 만들 것
– 배경아트 데칼은 매우 쉽게 해결가능 = 노가다.... -_-
– 파티클 데칼들은 노가다가 거의 불가능…
• 이런 방침을 따른 스페이스마린은 파티클 데칼이 완전히
미쳐 날뛰지 않는한 언제나 30+ FPS로 실행 ^_^

a 성능
This slide has5. 16:9 media window

이 데칼을 그리는 두가지 방법

a 성능

엄청 두껍게

a 성능

아니면 얇게

a 성능

픽셀셰이더를 이만큼 낭비

a 성능
폭발물을 투척하는 오크가 많음

a 성능
그럼 이따만한 데칼들이 뒤에 남음

a 성능

때론 이놈들 5개가 차곡차곡
겹치기도…

a 성능

때론 이놈들 5개가 차곡차곡
겹치기도…

5 fullscreen 패스와 맞먹음 =
스페이스마린이 25 FPS까지
떨어지는 유일한 때

우리의 해결책? 꼼수?

a 성능
이것!

a 성능
이것!

오버레이로 숨겨요!
파티클로 발라요!

a 성능
이것!


느려져도 눈치 못채는게 함정!

a 성능
이것!


느려져도 눈치 못채는게 함정!

사실 이럴려고 한 건
아닌데…
덕분에 할일이 줄었..

Special Thanks

• 더이상 자기 직원이 아닌데도 발표를 허락해준 Relic
• 스페이스마린 렌더링 프로그래머들
• 아름다운 아트를 만들고, 렌더링 프로그래머를 맨날
괴롭혀준 아티스트들!

More Special Thanks

• 온갖 탄압을 받으면서도 꿋꿋이 게임을 만드시는 한국
현직 게임개발자분들과 지망생분들…
• 게임개발포에버 필자분들

참조문헌

• ENGEL, W. 2009, Designing a Renderer for Multiple Lights –
The Light Pre-Pass Renderer. In ShaderX7: Advanced
Rendering Techniques, Charles River Media
• KAPLANYAN A. 2010, CryEngine 3: Reaching the Speed of
Light, Siggraph 2011
• KRASSNIGG, J. 2010. A Deferred Decal Rendering
Technique. In Game Engine Gems 1, Jones and Barlett
• PERSSON, E. 2011. Volume Decal. In GPU Pro 2, A K Peters

질문이 있으시다면 사진처럼 친절하게 답해 드려요~

• 스페이스마린 렌더링 엔진 발표자료(KGC 2011) :
http://kblog.popekim.com/2011/11/blog-post.html

• Twitter:@BlindRendererKR (한글)
@BlindRenderer(English)
• E-mail: blindrenderer@gmail.com

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