지오메트리 셰이더

지오메트리 셰이더는 그림을 그리는 도중에 도형 자체를 불리거나 없애는 프로그램입니다. 삼각형이나 선분 같은 도형을 한 개씩 받아, 여러 개로 불려 내보내거나 한 개도 안 내보내고 버립니다. 도형에 딸린 꼭짓점을 한꺼번에 받아 봅니다. 그래서 꼭짓점 하나만 봐서는 못 하는 계산도 맡습니다.

상세

이 절은 지오메트리 셰이더가 무엇을 한 덩이로 받는지부터 봅니다.

도형 한 개를 한 덩이로 받는다는 말

정점(꼭짓점)은 도형을 이루는 점 하나입니다. 이 글에서는 꼭짓점이라고 부릅니다. 점 셋이 모이면 삼각형 하나가 됩니다. 화면에 보이는 모형은 그 삼각형을 수만 개 이어 붙인 것입니다.

그래픽 카드(GPU, Graphics Processing Unit, 그래픽 처리 장치)가 한 번에 그릴 수 있는 가장 작은 도형을 프리미티브라고 부릅니다. 점 하나, 선분 하나, 삼각형 하나가 프리미티브입니다.

꼭짓점 목록을 넘기면 그래픽 카드가 정해진 규칙대로 그것을 묶습니다. 이 묶는 단계가 프리미티브 조립입니다.

지오메트리 셰이더는 이 프리미티브 한 개를 한 덩이로 받습니다. 삼각형이 들어오면 꼭짓점 셋의 값을 모두 읽을 수 있습니다.

읽을 수 있는 범위가 넓어지면 할 수 있는 계산도 달라집니다. 바로 앞 단계(뒤에 나올 정점 셰이더)는 꼭짓점마다 따로 돌기 때문에 옆 꼭짓점을 못 봅니다. 이 단계는 셋을 함께 보므로 꼭짓점 사이의 관계에서만 나오는 값을 구할 수 있습니다.

지오메트리 셰이더가 꽂히는 단계

그림 그리는 흐름은 정해진 순서로 돕니다. 그 순서 안의 몇 단계는 비어 있어서 만드는 쪽이 프로그램을 적어 꽂습니다. 그렇게 꽂는 프로그램을 통틀어 셰이더라고 부릅니다. 흐름 전체가 그래픽스 파이프라인입니다.

지오메트리 셰이더는 꼭짓점을 하나씩 다루는 단계를 지난 다음에 옵니다. 앞 단계인 정점 셰이더가 꼭짓점 하나의 새 위치를 정하고 나면, 그 꼭짓점들이 도형으로 묶여 이 단계에 들어옵니다.

flowchart TD
    A["정점 셰이더 · 꼭짓점 하나마다"] --> B["프리미티브 조립 · 점 셋을 삼각형으로"]
    B --> C["지오메트리 셰이더 · 도형 하나마다"]
    C --> D["클리핑 · 화면 밖을 잘라 낸다"]
    D --> E["래스터화 · 덮인 픽셀을 고른다"]
    E --> F["프래그먼트 셰이더 · 덮인 픽셀 하나마다"]

클리핑은 화면 밖으로 나간 부분을 잘라 내는 단계입니다. 화면에 안 보일 부분을 미리 덜어 내면 뒤에서 할 일이 줄어듭니다.

그다음 도형은 화면의 픽셀로 쪼개집니다. 픽셀은 화면을 이루는 점 하나입니다. 래스터화가 삼각형이 덮은 픽셀을 골라냅니다.

그 픽셀마다 프래그먼트 셰이더가 한 번씩 돌면서 무슨 색으로 칠할지 정합니다. 도형을 늘리거나 없애는 일이 래스터화보다 앞에서 끝나야 하는 까닭이 이것입니다.

이 단계는 비워 둘 수 있습니다. 꽂아 넣은 프로그램이 없으면 앞 단계에서 나온 도형이 손대지 않은 모습으로 뒤 단계에 넘어갑니다.

개수를 바꾼다는 말

앞 단계는 꼭짓점 하나가 들어오면 꼭짓점 하나를 내놓습니다. 개수가 고정입니다. 지오메트리 셰이더는 이 규칙에서 풀려 있습니다.

도형 한 개를 받고 아무것도 안 내보내면 그 도형은 사라집니다. 조건에 안 맞는 삼각형을 걸러 내는 일이 이렇게 됩니다. 반대로 꼭짓점을 계속 내보내면 도형이 여러 개 만들어집니다.

flowchart TD
    subgraph S1["버림 · 내보낸 꼭짓점이 없다"]
        A1["들어온 삼각형 1개"] --> A2["나간 도형 0개"]
    end
    subgraph S2["불림 · 꼭짓점 넷을 내보낸다"]
        B1["들어온 점 1개"] --> B2["나간 삼각형 2개 · 네모 판 한 장"]
    end
    subgraph S3["앞뒤 단계는 늘 이 꼴이다"]
        C1["들어온 꼭짓점 1개"] --> C2["나간 꼭짓점 1개"]
    end

내보내는 도형의 종류가 받은 종류와 달라도 됩니다. 점 한 개를 받아 삼각형 둘을 내보내면 점이 네모난 판으로 바뀝니다.

점 하나를 화면을 향한 판으로 부풀린 것이 빌보드입니다. 연기나 불티를 그리는 파티클 시스템이 이 방법을 씁니다.

다만 끝없이 내보낼 수는 없습니다. 최대 몇 개의 꼭짓점을 내보낼지 프로그램 첫머리에 적어 두어야 합니다.

들어오는 것과 나가는 것

이 프로그램은 자기가 무엇을 받고 무엇을 내보낼지를 첫머리에 적어 두고 시작합니다. 셋입니다.

셋 다 돌기 전에 정해져 있어야 하는 값입니다. 돌려 보고 나서 바꿀 수 없습니다.

들어오는 꼭짓점 값은 배열로 도착합니다. 앞 단계는 꼭짓점 값을 하나씩 받지만 이 단계는 도형 한 개분을 함께 받기 때문입니다. 삼각형을 받으면 값이 셋 들어옵니다. 인덱스를 바꿔 가며 셋을 모두 읽습니다.

이웃한 도형의 꼭짓점까지 함께 받는 입력 종류도 있습니다. 삼각형 하나와 그 세 변에 맞닿은 이웃 꼭짓점 셋을 합쳐 여섯 개를 받는 꼴입니다. 이렇게 이웃이 딸려 오는 입력이 인접 프리미티브입니다.

flowchart TD
    subgraph S1["받는 삼각형 · 꼭짓점 셋"]
        A["꼭짓점 A"] --- B["꼭짓점 B"]
        B --- C["꼭짓점 C"]
        C --- A
    end
    subgraph S2["세 변에 맞닿은 이웃 · 꼭짓점 셋"]
        NAB["변 AB 쪽 이웃"]
        NBC["변 BC 쪽 이웃"]
        NCA["변 CA 쪽 이웃"]
    end
    A --- NAB
    B --- NAB
    B --- NBC
    C --- NBC
    C --- NCA
    A --- NCA

내보낼 때는 명령 둘을 씁니다. 하나는 꼭짓점을 하나 내보내는 명령이고, 다른 하나는 도형을 끊는 명령입니다. 꼭짓점을 몇 개 내보내다가 끊으면 거기까지가 도형 한 개가 됩니다. 끊은 다음에 내보내는 꼭짓점들은 그다음 도형이 됩니다.

코드 한 벌

셰이더를 적는 언어는 그래픽 API(Application Programming Interface, 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스)마다 다릅니다. 아래는 GLSL(OpenGL Shading Language, OpenGL 셰이딩 언어)로 적은 짧은 예입니다. 점 한 개를 받아 그 점 둘레에 작은 네모 판 한 장을 만들어 내보냅니다.

layout(points) in;
layout(triangle_strip, max_vertices = 4) out;
const float d = 0.1;

void main() {
  vec4 p = gl_in[0].gl_Position;  // (0.2,0.3)
  gl_Position = p + vec4(-d,-d,0,0);
  EmitVertex();    // 좌하 (0.1,0.2)
  gl_Position = p + vec4( d,-d,0,0);
  EmitVertex();    // 우하 (0.3,0.2)
  gl_Position = p + vec4(-d, d,0,0);
  EmitVertex();    // 좌상 (0.1,0.4)
  gl_Position = p + vec4( d, d,0,0);
  EmitVertex();    // 우상 (0.3,0.4)
  EndPrimitive();  // 판 한 장 완성
}

첫 세 줄이 이 프로그램의 약속입니다. 받는 것은 점 하나입니다. 내보내는 것은 삼각형 스트립 꼴(바로 아래에서 설명합니다)로 꼭짓점 넷까지입니다.

gl_in 이 들어온 도형의 꼭짓점 배열입니다. 점 하나를 받았으니 칸이 하나뿐입니다.

vec4 는 값 넷을 담는 꼴입니다. 여기서 쓰는 것은 앞의 둘(가로·세로)이고, 뒤 둘은 이 예에서 안 바뀝니다.

본체는 같은 두 줄의 되풀이입니다. 내보낼 꼭짓점의 위치를 gl_Position 에 넣고 EmitVertex 를 부르면 꼭짓점이 하나 나갑니다. 넷을 내보낸 뒤 EndPrimitive 를 부르면 거기까지가 판 한 장이 됩니다.

오른쪽 주석은 받은 점이 화면 가운데서 조금 오른쪽 위에 있을 때 그 줄이 내놓는 앞의 두 값입니다. 받은 점 하나에서 네 꼭짓점이 상하좌우로 조금씩 벌어져 나가는 것이 보입니다.

triangle_strip 은 꼭짓점 넷으로 삼각형 둘을 만드는 꼴입니다. 앞의 셋이 첫 삼각형이 되고 뒤의 셋이 둘째 삼각형이 됩니다. 가운데 둘을 두 삼각형이 나눠 씁니다.

flowchart TD
    subgraph S1["꼭짓점 넷으로 삼각형 둘 · 따로 적으면 여섯이 든다"]
        T1["첫 삼각형"] --> V0["꼭짓점 0 · 좌하"]
        T1 --> V1["꼭짓점 1 · 우하"]
        T1 --> V2["꼭짓점 2 · 좌상"]
        T2["둘째 삼각형"] --> V1
        T2 --> V2
        T2 --> V3["꼭짓점 3 · 우상"]
    end

삼각형 둘을 따로 적으면 꼭짓점 여섯이 듭니다. 이 꼴은 넷으로 끝납니다. 내보낼 개수를 아껴야 하는 이 단계와 맞습니다.

이 단계가 아니면 못 하는 일

앞 단계가 꼭짓점 하나만 본다는 것, 개수를 못 바꾼다는 것은 앞에서 봤습니다. 그래서 이 단계에서만 나오는 그림이 몇 가지 있습니다.

첫째는 면 하나의 방향입니다. 꼭짓점에는 위치 말고 향한 방향도 값으로 붙어 다닙니다. 빛을 얼마나 받는지는 이 방향으로 정합니다.

삼각형이 어느 쪽을 향하는지는 꼭짓점 셋을 다 봐야 나옵니다. 꼭짓점마다 붙은 방향 대신 면 하나의 방향으로 빛을 계산하면, 표면이 부드럽게 이어지지 않고 면마다 각이 집니다. 이렇게 면 하나에 붙이는 방향이 면 법선입니다.

둘째는 모형의 테두리입니다. 이웃 도형까지 받아 보면 앞을 향한 면과 뒤를 향한 면이 맞닿는 변을 골라낼 수 있습니다. 그 변만 굵은 선으로 다시 내보내면 만화처럼 윤곽선이 그려집니다. 이 변을 골라내는 일이 실루엣 추출입니다.

셋째는 그물 그림입니다. 삼각형 하나를 받아 그 세 변을 선분으로 내보내면 모형이 뼈대만 남은 그물처럼 보입니다. 모형이 어떤 삼각형으로 짜였는지 확인할 때 쓰는 와이어프레임 렌더링이 이것입니다.

비용이 붙는 방식

이 단계는 몇 개가 나올지 돌려 보기 전에는 모릅니다. 앞뒤 단계는 하나가 들어오면 하나가 나가지만 이 단계만 그렇지 않습니다. 그래서 그래픽 카드는 프로그램에 적힌 최대 꼭짓점 수만큼 공간을 미리 잡아 둡니다.

적어 둔 최대치가 클수록 한 번에 나란히 돌릴 수 있는 수가 줄어듭니다. 넷만 내보내는 도형이 섞여 있어도 잡아 두는 공간은 적어 둔 최대치를 따릅니다.

순서도 지켜야 합니다. 먼저 그린 것 위에 나중 것을 덧칠하는 순서가 정해져 있어서, 순서가 바뀌면 겹친 그림의 색이 달라집니다. 그래서 도형은 들어온 순서대로 나가야 합니다. 먼저 끝난 결과라도 앞 도형이 끝날 때까지 기다렸다 나갑니다.

그래픽 카드는 같은 프로그램 수천 개를 한꺼번에 돌려 값을 버는 장치입니다. 이 단계는 그 동시성을 깎습니다.

그래서 같은 그림을 다른 단계에서 내는 길을 먼저 봅니다. 같은 모형을 여러 벌 그리는 일은 인스턴싱이 받습니다. 도형을 잘게 쪼개는 일은 테셀레이션이 받습니다.

그릴 도형을 미리 만들어 두는 계산은 컴퓨트 셰이더가 받습니다. 도형을 만들어 내는 단계 자체를 다시 설계한 메시 셰이더도 있습니다.

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