Transcript (KGC2010_Rho_Dongjin)_Mega_Splatting_

Mega Splatting
지형 texturing의 최적화
노동진
Shader Study
NCDC 2010
KGC 2010
시작하기
지형 – Outdoor 표현의 핵심
 지형은 3D 게임에서 outdoor를 구성하는 중요한 요소 중 하나
 효율적인 지형 렌더링의 구현은 아직까지도 여전히 쉽지 않은 도전
시작하기
여기서는 지형 렌더링 기법 중 표면 texturing 에 대한 기법을 다룸
 멋진 지형을 표현하기 위해서는 다양
한 기법이 요구됨
 우리의 관심은 오로지
‘표면 texturing’
 화려한 렌더링 효과에 대해서는 다루지 않습니다.
배경
지형 표현 방법은 지금까지 많은 발전을 해왔습니다.
 지형 texturing 기법의 발전: 통맵 → 타일맵 → Splatting → Clipmap
배경
통맵은 texture 한 장에 지형의 모든 표면을 다 그려 넣어 표현하는 방식임
 가장 단순한 방식
 가장 성능이 빠르다
 한 장의 texture로 표현하기 때문에, 작은 지형에 적합
 넓은 지형을 표현하게 되면, texturing 퀄리티가 급격히 떨어진다.
배경
타일맵은 조각 texture를 이어 붙이는 방식임
이어붙이기 규칙
조각 texture
조합된 전체 맵
 조합 가능한 모든 조각 texture를 디자이너가 미리 제작함
 미리 준비된 조각 texture를 맵 tool에서 이어 붙여, 전체 지형을 완성함
 2D 게임에서 가장 많이 활용되는 방식
배경
Splatting은 각 layer마다 색상맵과 알파맵을 혼합하여 표현하는 방식임
색상맵
알파맵
생성된 layer texture
완성된 지형 texturing
맵툴에서, layer의 알파맵을 칠해서 지형을 편집하는 과정
배경
Clipmap은 아주 큰 텍스쳐 하나만 사용하며, 필요한 부분만 로딩하는 방식
Geographic Information System
Quake Wars
 Christopher C. Tanner 등에 의해 고안됨
 아주 큰 한 장의 텍스쳐로 표면을 표현한다.
 John Carmack은 Mega Texturing 이라고 명명하고, 독자적으로 구현하였다.
배경
Clipmap은 H/W가 지원하는 해상도 보다 훨씬 더 큰 텍스쳐도 표현할 수 있다
큰 텍스쳐를 가상 mipmap화 하여 필요할 부분만 로딩
 통맵 방식의 한계를 극복한 방식
 모든 맵을 로딩하는 것이 아니라, 필요한 부분만 로딩하여 렌더링을 한다.
 Hardware에서 표현하지 못하는 엄청나게 큰 크기의 텍스쳐도, virtual
mipmap 개념을 사용하여, 가상적으로 지원한다.
배경
각 방식은 장단점이 있으며, 현재는 splatting 기법이 가장 많이 사용되고 있음
장점
단점
사용하기 좋은 곳
통맵
구현이 쉽다
성능이 빠르다
큰 지형을 표현하기 어렵다
너무 큰 하나의 텍스쳐를 요구한다
퀄리티가 떨어진다
맵이 작은 게임
타일 맵
성능이 빠르다
적은 리소스를 요구한다
아티스트가 조합 가능한 타일을 다
만들어야 한다
표현에 한계가 있다
일반 3D 게임
Splatting
아티스트 편집이 자유롭다
적은 리소스를 요구한다
구현이 어렵다
렌더링 성능이 가장 낮다
딱 끊어지는 경계의 표현이 어렵다
일반 3D 게임
표현에 제약이 없다
렌더링 성능도 나쁘지 않다
구현이 어렵다
아티스트 작업량이 너무 많아진다
하드디스크 용량이 너무 크다
잦은 디스크 swapping 발생
항공 사진 등 실사
데이터를 사용한
GIS
Clip map
목표
기존 기법에서 가능한 장점만을 취하고, 단점을 해결한 기법 제안
취할 장점
해결하지 않을 점
 적은 리소스를 사용한다
 구현은 어려워도 된다
 성능이 빠르다
 표현의 자유도는 적절한 수
 아티스트의 제어가 쉽다
준이면 된다
목표
새로운 기법 - Splatting 과 통맵의 결합
Splatting
 적은 리소스를 사용한다
 아티스트의 제어가 쉽다
통맵
 성능이 빠르다
Splatting 기법 고찰
Splatting은 지형 표면 texturing의 한 기법으로 가장 널리 사용됨
 Splatting texturing은 현재 3D 게임
에서 가장 널리 사용되는 지형 표면
표현 방법임
 여러 개의 Layer를 사용하여, 지형 표
면을 표현함
 적은 리소스만으로도 넓은 지형 표
면을 표현할 수 있음
 아티스트가 편집하고 제어하기 쉬움
Splatting 기법 고찰
Splatting은 같은 자리에 layer를 여러 번 그립니다.
색상맵
알파맵
생성된 layer texture
Layer 1
Layer 2
완성된 지형 texturing
 위 그림은 같은 geometry를 다른 texture로 두 번 렌더링 한다
 Layer의 개수가 많아 질수록, 중복 렌더링이 더 많이 발생한다
 증가한 DP call 횟수도 부담을 준다.
 통맵, 타일맵, clipmap은 이런 문제가 존재하지 않음
Splatting 기법 고찰
특히 Layer가 blending 되는 부분이 겹쳐 그려지게 됩니다.
기본 layer 위에 다른 detail layer를 그린다.
Overwriting의 도식화
빨강: 기본 layer 영역
녹색: detail layer 영역
기본 layer의 geometry
detail layer의 geometry
노랑: 기본 layer와 detail layer
가 둘다 그려지는 영역
Splatting 기법 고찰
Splatting은 Depth complexity가 매우 높음
Splatting 방식
다른 방식
Splatting 기법 고찰
성능 저하 원인
① Frame buffer bandwidth
② Geometry overdraw
③ Duplicated shader computations
④ Increasing DrawPrimitive Call
Splatting 기법 고찰
Pixel shader를 사용한 간단한 최적화가 존재함.
 Pixel shader을 사용하여, 한 번에 4개의 layer를 그리는 최적화 기법이 존재함
 Frame buffer에서 행하는 계산을 pixel shader에서 하도록 바꾼 것
 DP call 횟수와 geometry 중복 계산량을 줄여줌
Splatting 기법 고찰
Pixel shader를 사용한 최적화도 근본적인 해결책은 아닙니다.
 다중 texture 접근과 blending 계산량은 줄이지 못함
 Layer 개수가 많아지면, 다시 multi-pass 렌더링을 수행함
 문제를 경감해주기는 하지만, 근본적 해결은 아님
복잡한 layer 사용시, 다시 문제점 노출
Splatting 최적화 의미
낮은 성능에도 불구하고, 다른 장점 때문에 많은
게임에서 활용되고 있다.
따라서, 성능 문제를 해결하면 그 가치는 더욱
높아질 것이다.
최적화 전략
전체 지형은 여러 개의 Sector로 분리됩니다.
 원 알고리즘에서 terrain은 일정 크기의 sector로 분할하여, 렌더링 한다.
 각 sector는 culling의 단위가 된다.
최적화 전략
전체 지형은 여러 개의 Sector로 분리됩니다.
 각 Sector 마다 다른 방식으로 렌더링 한다.
 아주 가까운 Sector만 원래 방식 대로 splatting texturing 한다.
 그 외의 Sector는 한 번만 렌더링 한다. → 어떻게?
최적화 전략
시도 1) 먼 거리의 sector는 Base layer만 그린다
Base layer만 그림
 base layer만 texturing 한다.
 성능 증가 효과 : 95 fps → 317 fps
 Texturing quality는 현저히 저하
원 texturing과 비교
최적화 전략
Qulaity 저하 없는 최적화 방법을 찾아야 한다
 Sector를 overdrawing 없이 한번만 렌더링 할 때, 성능 증
가가 엄청나다
 개발할 최적화 기법은 Quality 저하가 없거나 거의 눈에 띄
지 않아야 한다.
최적화 전략
시도 2) 먼 거리의 sector는 미리 준비한 통맵으로 그린다
 미리 준비한 통맵으로 한번만 렌더링한다
 Texture 메모리 사용량이 엄청나게 증가한다
 잦은 texture swapping으로 fps도 저하된다
최적화 전략
Quality 저하도 없고, memory 소비도 적은 최적화 방법을 찾아야 한다
 준비된 통맵 texture를 사용하면, quality 저하는 없다
 각 sector의 통맵 texture의 전체 크기는 너무 크다
 Memory 사용량이 적으면서, quality 저하 없이, 성능을 향
상시켜야 한다
최적화 전략
시도 3) 먼 거리의 sector는 통맵을 실시간 생성하여 그린다
 통맵을 실시간 생성하여 한번만 렌더링한다
 통맵 해상도는 sector가 거리가 멀수록 작게 만든다
 Clipmap의 virtual mipmap 개념과 비슷한 점이 있다
최적화 전략
데모 시연
구현 결과 분석
추가 소요되는 Video memory는 최소화 하였습니다
Sector의 거리에 따라, 통맵 텍스쳐를 가능한 작게 만든다
Perspective view에서, 거리가 먼 sector 개수가 훨씬 많다
따라서 작은 해상도의 통맵 texture가 훨씬 더 많이 쓰인다
구현 결과 분석
추가로 소요되는 video memory 량 측정
 Memory 사용량 – Nvidia PerfHUD 측정
Splatting
texturing
Mega Splatting
texturing
Texture
25 mb
30 mb
Render-target
20 mb
20 mb
Buffer
10 mb
10 mb
 추가로 소요되는 texture memory는 5mb
 많은 sector가 통맵을 생성함에도 불구하고, 적은 용량의 추가
memory 만 요구된다
구현 결과 분석
실시간 sector 통맵 생성은 quality 저하도 거의 없고, 성능도 비약적으로 향상
 FPS : 95 fps → 317 fps
 Texture memory : 25 mb → 30 mb
 Quality 저하 : 거의 눈에 띄지 않음
이름은?
새 기법의 명칭은?
Mega Texturing
=
Splatting
Mega Splatting
구현 내용
Sector texture 해상도 결정
No
멀리 있나?
Yes
통맵 생성
되어 있나?
No
통맵 생성
Splatting으로 그린다
통맵으로 그린다
Yes
구현 내용
Quality 저하가 없는 범위에서, 가장 작은 해상도를 결정하여야 한다
원래 splatting
sector texture 해상도가 너무 작은 경우
구현 내용
Sector를 화면에 투영하여, 그 크기로 해상도를 결정합니다
 근사치 계산이면, 충분하다
 Sector의 밑면을 화면에 투영하여, 투영된 크기로 해상도를
계산한다
Y 해상도
X 해상도
구현 내용
계산된 해상도가 일정 크기 이내일 때만, 통맵 렌더링을 수행합니다.
 적절한 기준 해상도를 정합니다
 계산된 통맵 해상도가 기준 해상도와 비교합니다
 통맵 해상도가 더 크면, 원래의 splatting 방식으로 렌더링
합니다
 기준 해상도보다 작으면, 통맵을 생성하여 렌더링합니다
 기준 해상도는 VGA가 지원하는 최대 texture 해상도의
1/16 이 적절합니다
 이는 경험적인 값입니다
구현 내용
Sector texture에는 원래의 splatting 기법으로 렌더링한다
 생성된 sector texture를
render target으로 설정
 여기에 원래의 splatting
기법으로 렌더링
sector texture
각 layer texture
구현 내용
Sector texture는 단순한 diffuse texture만 생성하면 된다
 따라서 sector의 geometry를 무시하고 단순히 rectangle로 렌
더링한다
 모든 lighting 등의 외부 요소는 무시한다
 이렇게 생성된 sector texture는 sector의 거리가 크게 바뀌거
나, 메모리가 모자라는 등의 이유가 없는한 계속 유지된다
 유지되는 동안 이 texture는 다시 렌더링할 필요가 없으므로,
추가의 연산이 필요 없다
구현 내용
Sector texture를 통맵으로 사용하여, 원래의 Sector를 렌더링합니다
sector texture
 생성된 sector texture를 통맵으로 사용하여, sector를 렌더링한다
 원래의 sector geometry를 사용하여 렌더링 한다
 이 통맵 렌더링은 하나의 DP call 만 요구한다
구현 내용
Sector texture 는 자주 update되지 않지만, 자주 사용됩니다
 Sector texture는 cache 방식으로 사용되므로, sector texture의
update는 자주 일어나지 않는다
 이미 만들어진 sector texture를 통맵으로 렌더링하는 단순한 작
업은 매 frame마다 수행된다
 적절한 해상도 threshold를 정하면, 화면에 보이는 거의 대부분의
sector가 이 방식으로 렌더링 된다
데모 시연
결론
원래의 splatting 기법
렌더링 결과
FPS : 90
Polygon : 60만 여개
DP call : 2242 번
Depth complexity
Overdrawing 매우 심각
결론
Mega splatting 기법
렌더링 결과
FPS : 328
Polygon : 24만 여개
DP call : 506 번
Depth complexity
Overdrawing 거의 없음
결론
 Splatting 기법의 장점을 그대로 유지하면서,
렌더링 성능을 크게 높였다
 테스트 머신에서, 성능은 약 세배 이상 향상되었다
 Clipmap과 비교하면,
 가상의 큰 텍스쳐를 렌더링한다는 지향점은 비슷
 Mega Splatting이 더 적은 리소스를 사용하고, 더 제어가 용
이한 편집 기능을 제공
 Clipmap이 표현의 자유도가 더 높음
 Clipmap은 아직 단점이 많음 →게임보다 GIS 더 적합?
참고 자료
 [Charles Bloom] Terrain texture compositing by blending in the frame-buffer
 [Christopher C. Tanner, Christopher J. Migdal, Michael T. Jones] The Clipmap :
a virtual mipmap
 [Alex Holkner] Hardware based terrain clipmapping
 [Roger Crawlfis, Eric Noble, Frederic Kuck] Clipmapping on GPU
 [Antonio Seoane, Javier Taibo 등] Hardware-independent clipmapping
 [John Carmack] Mega Texturing
 [www.beyond3d.com] Mega texture in quake wars
 [Johan Andersson] Terrain rendering in Frostbite using procedural shader
splatting
 [Michael F. Cohen, Jonathan Shade, Stefan Hiller, Oliver Deussen] Wang tiles
for image and texture generation