오늘의 공부

유니티의 렌더 파이프라인

LWRP, URP

렌더링 파이프라인은 3D 데이터들이 2D 이미지로 구성되어 그려지는 일련의 과정을 뜻한다. 

◎ 렌더링 파이프라인

렌더링 파이프라인에서 데이터를 처리하는 과정을 간략하게 나눠 보자면 다음과 같다.

실제 파이프라인은 더 많은 과정을 거치고 플랫폼마다 다를 수 있지만 공통적이고 핵심적인 과정만 뽑자면 이 세 단계를 거치게 된다.

⊙애플리케이션 스테이지

애플리케이션 스테이지는 애플리케이션 상에서 처리되는 단계를 의미한다.

그래픽스 렌더링 파이프라인은 보통 GPU 파이프라인을 의미하므로 CPU에서 연산되는 애플리케이션 스테이지는 포함되지 않지만 본격적인 렌더링 파이프라인 진입 전 CPU에서 필요한 연산들을 처리해야 하므로 큰 의미로는 렌더링 파이프라인의 일부분이 된다. 

ex) 플레이어의 매 프레임마다의 움직임, 애니메이션 정보와 뼈대 위치 연산 및 메시의 버텍스에 반영 등

현재 프레임에서 렌더링 가능한 오브젝트들이 컬링 연산에 의해 구별된다. 

이 컬링 단계에서 효율적으로 오브젝트들이 선별되어 렌더링 되는 오브젝트 수를 줄이면 그만큼 GPU에서 처리하는 연산량이 줄게 된다. 

또한 배칭처리를 위한 연산도 GPU 파이프라인에 진입하기 전에 이루어진다. 

⊙지오메트리 스테이지

이 스테이지에서는 말 그대로 지오메트리 관련 정보, 즉 지오메트리를 구성하는 요소인 버텍스와 폴리곤 처리를 담당하며 아래와 같은 과정들을 거친다.

1. 월드-뷰-프로젝션 트랜스폼
2. 클리핑
3. 버텍스 쉐이더

버텍스 트랜스폼(Vertex Transform)?

⊙래스터라이저 스테이지

이 스테이지에서는 오브젝트를 그리는 픽셀들을 추리고 그 픽셀의 색을 결정한다.

버텍스 쉐이더를 거쳐서 지오메트리들이 구축되면, 화면(혹은 버퍼)의 어느 픽셀에 그려져야 하는지 결정된다.

메시의 폴리곤에 속한 영역을 픽셀로 매칭시키는 과정을 래스터라이제이션이라고 부른다. 

레스터라이제이션이 끝나면 최종적으로 화면에 그려져야 할 픽셀의 최종 색이 결정된다.

즉, 해당 스테이지에서는 렌더링하는 메시가 화면에 매칭되는 픽셀을 결정하고 최종 색을 입히는 과정이다.

뎁스 버퍼, Z-버퍼를 이용해 깊이 판정을 하고 블렌딩을 통해 최종 출력 색상을 결정한다.

블렌딩?

◎ 유니티가 제공하는 파이프라인 

유니티는 2018년부터 유니티의 렌더링 처리 방식을 C# 스크립트로 제어할 수 있는 기능인 SRP(Scriptable Render Pipeline) 기능을 제공했다.

이를 통해 전반적인 렌더링 루프를 직접 구성할 수 있으며 직접 렌더링 루프를 커스터마이징해 원하는 방식으로 렌더링을 구성할 수 있게 되었다. 

또한 SRP의 등장과 함께 유니티에 기본적으로 구현되어 있는 기본 렌더링 파이프라인을 빌트인(내장) 파이프라인이라고 부르게 되었다. 

1. HDRP (High Definition Render Pipeline)

하이엔드나 PC 콘솔 등을 고려해서 고품질의 비주얼 구현에 적합한 파이프라인이다.

포워드 렌더링, 디퍼드 렌더링을 모두 지원하며 컴퓨터 쉐이더 기술과 GPU 하드웨어를 사용한다. 

하지만 기본적으로 요구되는 하드웨어 스펙이 높아서 모바일 게임용으로는 적합하지 않다.

2. URP (Universal Render Pipeline)

Unity 2019.3 버전부터 LWRP(Lightweight Render Pipeline)이 유니버설 렌더 파이프라인으로 변경되었다. 

LWRP는 모든 모바일 디바이스에서 고품질 그래픽스를 구현하는 빠르고 확장 가능한 파이프라인이다. 

URP는 기본 빌트인 렌더 파이프라인보다 유연하고 확장성이 좋으며 다양한 플랫폼에 최적화된 그래픽을 제공한다.

싱글 패스 포워드 렌더링과 셰이더 그래프, VFX 그래프를 지원한다. 

https://blog.unity.com/kr/technology/how-the-lightweight-render-pipeline-is-evolving

참고 자료;

유니티 그래픽스 최적화 스타트업 (저; 오지현(오즈라엘), 출판사; 비엘북스, 감수; 정종필) 

애니메이션 2

애니메이터 컨트롤러의 스테이트 머신

애니메이터 컨트롤러 = 스테이트 머신 + 애니메이션 클립

애니메이터는 컴포넌트가 아닌 '애셋'이다. 따라서 게임 오브젝트에 직접 적용할 수 없고 애니메이터의 프로퍼티에 있는 애니메이터 컨트롤러로 링크를 설정해 사용한다. 

애니메이터를 만들고 애니메이터 컴포넌트에 연결하는 방법

◎ 스테이트 머신

스테이트 머신은 동작 표현 방법의 하나이다. FSM(유한 상태 머신)이라 불리는 모델을 바탕으로 기호를 사용해 동작을 표현할 수 있는 것이 큰 특징이다. 유니티에선 애니메이션 동작의 표현을 위해 스테이트 머신을 사용한다.

Animator 창에서는 표현된 상태를 잇는 화살표 기호로 상태간의 트랜지션, 즉 전이를 표현한다.

컨트롤러를 만들면 처음 시작은 Entry이며 이 상태에서 빈 Empty State를 추가하면 Entry -> New State 사이의 화살표가 생긴다

스테이트 인스펙터 창 기능

Motion : 애니메이션 클립

Speed : 재생 속도 (1.0이 기본 속도)

Multiplier : 재생 속도에 애니메이션 파라미터의 값을 곱한다.

Mirror : 애니메이션의 좌우 반전

Cycle Offset : 반복 재생 시키는 경우의 시작 위치 (재생 시간의 비율은 0과 1사이)

Foot IK : 스테이트 안에 IK 계산에서 발이 땅에 붙도록 자동 보정

Write Defaults : 스테이트를 시작할 때 키 없는 프로퍼티에 기본값을 설정

◎ 애니메이션 클립

애니메이션 클립은 컴포넌트가 아닌 애셋이다. 따라서 단독으로는 다룰 수 없다.

State의 인스펙터에 애니메이션 클립 애셋으로 링크를 연결해 그 스테이트의 상태일 때 애니메이션 클립이 재생되는 구조이다.

애니메이션 클립을 해당 State에 적용하는 방법은 간단하다. hierarchy 창에서 해당 animation 클립을 드래그앤 드랍으로 Motion에 넣어주면 된다.

아니면 아직 스테이트를 생성하지 않은 경우에는 Animator 창에서 오른쪽 버튼을 클릭해서 [From Selected Clip]을 선택하면 애니메이션 클립이 연결된 State를 생성할 수 있다. 

참고 자료;

유니티 게임 프로그래밍 바이블 (김은철, 유세라 옮김 ; 위키북스) 

애니메이션 1

애니메이터 컨트롤러

유니티의 애니메이션 시스템은 메카님(Mecanim)이라고 한다.

메카님을 구성하는 요소들은? 애니메이터, 아바타, 애니메이션 클립, 애니메이터 컨트롤러 등이 있다.

이 메카님을 이용하는데 가장 먼저 필요한 것이 바로 Animator Component이다. 

◎ 애니메이터 컨트롤러 

애니메이터 컨트롤러는 'state machine(스테이트 머신)'과 거기에 연결된 'animation clip(애니메이션 클립)'을 갖는 애셋이다.

컴포넌트가 아닌 애셋이므로 게임 오브젝트에 직접 적용할 수가 없다.

애니메이터의 프로퍼티에 있는 애니메이터 컨트롤러로 링크를 설정해서 사용한다. 

스테이트 머신은 동작 표현 방법의 하나이다.

유한 상태 머신이라 불리는 모델을 바탕으로 기호를 사용해서 동작 표현이 가능한 것이 큰 특징이다.

애니메이터 창에서는 스테이트를 표현하고 스테이트를 잇는 화살표 기호로 스테이트 간의 트랜지션을 표현한다. 

◎ 애니메이터 컴포넌트

애니메이션 기능을 추가하고 싶은 오브젝트의 inspector창에서 Add Component를 하면 Animator Component를 추가할 수 있다.

컴포넌트를 추가 후 생성해 놓은 애니메이터를 끌어다 놓으면 된다.

1. Controller

애니메이터 컨트롤러로 매카님의 핵심인 스테이트 머신과 애니메이션 클립을 가진다.

2. Avatar (아바타)

3D툴(ex, 3dMax, Blender)이 출력한 모델 파일을 유니티에서 다룰 수 있게 연결된 테이터

3. Update Mode

애니메이션의 계산을 언제 시행할지 결정하는 것이 Update Mode이다.

update mode에는 세 가지 종류가 있다.

첫 번째로 Normal

애니메이터 계산의 갱신이 스크립트의 Update 메서드와 같은 횟수로 호출돼 타임 스케일의 영향을 받는다. 
애니메이션과 Update 메서드의 계산을 완전히 동기화시킬 수 있다. (Update 메서드에서 Time 클래스의 값을 사용하는 것이 조건이다)

두 번째로는 Animate Physics

업데이트가 Fixed Update 메서드와 같은 횟수로 호출된다.
유니티가 다루는 물리 계산과 애니메이션을 동기화시킬 수 있다

마지막은 Unscaled Time

갱신은 Update 메서드와 같은 횟수인데, 타임 스케일의 영향을 받지 않는다. 메뉴 화면처럼 게임이 슬로우 모션 중일 때에도 정상적으로 애니메이션 시키고자 할 때 도움이 된다. 

4. Cull Mode

애니메이션 계산의 컬링 모드 설정이다. 컬링 판정운 카메라 밖에 있을 때의 프러스텀 (카메라) 컬링. 쉴드에 가려져 있을 때의 오클루젼 컬링 등이 있다. 대량으로 애니메이션 하는 오브젝트가 존재하는 경우 등에 불필요한 계산을 생략해 절약할 수 있다. 

이 컬모드에도 세 가지 종류가 있다.

첫 번째로는 Always Animate

컬링을 하지 않고 항상 애니메이션 계산을 한다.

두 번째로는 Cull Update Transforms

컬링 대상이 있을 때 애니메이션 계산의 일부 (리타깃, IK, Transform으로의 반영 등)을 생략한다.

세 번째로는 Cull Completely

컬링 대상일 때 모든 애니메이션 계산을 생략한다. 

◎ 루트모션

애니메이터 컴포넌트를 적용한 게임 오브젝트 자체는 Animator에서 보면 루트가 된다.

루트 위치에 대한 애니메이션은 게임의 설계에 따라 애니메이션으로 동작하고 싶은 경우도 있고 스크립트나 물리 계산 등으로 동작하고자 할 때도 있다.

유니티에서는 애니메이션 클립에 루트 위치의 이동을 포함했을 때도 애니메이터 컴포넌트의 루트 모션 (Apply Root Motion) 활성화 (on/off)를 설정해서 루트 위치의 이동을 반영하지 않게 설정할 수 있다.

이 설정이 있으면 루트 모션의 유무에 따라 애니메이션 클립을 각각 만들 필요가 없으므로 애니메이션의 재이용성이 높아진다. 

참고 자료;

유니티 게임 프로그래밍 바이블 (김은철, 유세라 옮김 ; 위키북스)