서리 개인 개발 블로그

배칭(Batching)

- 드로우콜을 줄이는 작업 (1개의 드로우콜이 1개의 배치가 되는데, 여러개의 배치를 하나로 묶어서 하나의 배치로 만드는 것을 배칭이라고 한다.)

스태틱 배칭(Static Batching)

- 정적(움직이지 않는) 오브젝트를 위한 배칭 기법.

- 주로 배경 오브젝트들에 사용되며 게임 오브젝트의 인스펙터 창에서 Static→Batching Static플래그를 활성화 시켜준다.

- 해당 플래그를 활성화하면 해당 게임 오브젝트는 이동, 회전, 스케일 조절이 되지 않는다.

- 스태틱 배칭은 다이나믹 배칭보다 효율적이다. (매 프레임마다 버텍스 연산을 수행하지 않기 때문이다.)

- 메시의 폴리곤 수 제한에 영향을 받지 않고 동일한 머티리얼을 사용하는 메시를 그릴 시, 드로우콜을 줄일 수 있다.

- 스태틱 배칭은 오브젝트들을 합쳐서 내부적으로 하나의 메시로 만들어주기 때문에 1개의 메시만 사용하더라도 해당 메시로 여러개의 오브젝트를 만들면 오브젝트들을 합친만큼의 추가 메모리가 필요하게된다.

- 이렇게 만들어진 메시를 GPU가 그대로 화면에 그리기 때문에 오브젝트마다 드로우콜을 거치지 않고 한번의 드로우콜로 처리되는 것이다.

- 스태틱 배칭 오브젝트들은 처음부터 씬에 존재해야한다.

- 런타임에 추가하게되면 StaticBatchingUtility.Combine() 메서드를 사용해야 배칭처리를 해준다.

다이나믹 배칭(Dynamic Batching)

- 동적으로 움직이는 오브젝트들끼리 배칭하는 기능

- 스태틱 배칭과 다르게 런타임상에서 배칭처리가 이루어진다.

- 다이나믹 배칭은 Batching Static 플래그가 활성화 되어있지 않은 오브젝트들이 대상이다.

- 동일한 머티리얼을 사용하고 특정 조건들을 만족하는 다이나믹 오브젝트들은 자동으로 배칭이 이루어진다.

- 배칭 처리는 엔진이 알아서 처리해주며, 별도의 추가 작업은 필요없다.

- Player settings에서 Dynamic batching플래그만 활성화시켜주면 된다.

- 다이나믹 오브젝트는 매 프레임 씬에서 Vertex들을 모아서 합쳐주는 과정을 거치고 다이나믹 배칭에 쓰이는 Vertex buffer와 Index buffer에 담으면 GPU는 이를 가져가서 렌더링한다.

- 이러한 과정을 거치기 때문에 다이나믹 배칭은 매 프레임마다 오버헤드가 발생한다.

다이나믹 배칭의 제약

• Skinned Mesh에는 적용 불가

- 캐릭터의 경우 Skinned Mesh를 사용하는데 이러한 스키닝은 GPU나 SIMD(Single Instruction Multiple Data)에서 고속 연산을 수행한다.

- 이를 다이나믹 배칭으로 묶으면 CPU 연산효율이 떨어지기 때문에 다이나믹 배칭의 영향을 받지 않는다.

※※ 일반적으로 메시가 렌더링 될때에는 Vertex 쉐이더(GPU)에서 월드 스페이스로의 변환이 이루어지는데, 다이나믹 배칭은 이러한 연산이 CPU에서 이루어진다. 따라서, 이러한 연산이 드로우콜보다 더 많은 시간을 잡아먹게 되면 오히려 효율이 떨어지게 된다.

• Vertex가 많은 메시는 배칭 대상에서 제외됨

- 다이나믹 배칭은 메시의 Vertex를 일일이 수집하여 연산하기 때문에 너무 많은 Vertex를 수집하게 되면, 오히려 오버헤드가 드로우콜의 비용보다 높아질 가능성이 있다.

- Position, Normal, UV를 사용하는 모델이라면 300이하의 Vertex를 가진 모델만 다이나믹 배칭 적용이 가능하다.

추가

- 특정 오브젝트의 배칭 오버헤드가 더 크다고 판단되면 해당 오브젝트가 배칭이 되지 않도록 쉐이더에서 강제설정이 가능하다.

SubShader{
    Tags { "DisableBatching" = "True" }
}

동적 오브젝트인 경우 라이트맵을 사용하기 힘들다. (라이트 프로브를 안쓴 경우..)

그렇기 때문에 동적으로 생성하는 오브젝트는 라이트를 이용하는 쉐이더를 사용해야하는데 모바일 단말에서는 드로우콜 부하가 영향을 주므로 쉐이더 사용을 최소한으로 해야한다.

다음은 유니티가 제공하는 모바일용 기본 쉐이더에 대한 설명이다.

※※ 현재 사용하는 것 위주로 작성

Mobile/Particles/Additive

- 보통의 파티클 쉐이더와 다르게 알파 테스트, 컬러마스크, 소프트 파티클 등의 기능을 지운 경량판이다.

- 전체적으로 더해진 상태로 표시된다.

※※ Fog 사용시 수치조절을 잘 하지 않으면 비정상적으로 렌더링된다. (이런 경우 그냥 레거시 쉐이더에 있는 Additive사용함..)

Mobile/Particles/Alpha Blended

- 보통 파티클 쉐이더와 비교해서 알파 테스트, 컬러마스크, 소프트 파티클 등의 기능을 지운 경량판이다.

- 반투명으로 표시되므로 투과 이미지를 설정해야한다.

- Transparent와 비슷하지만, 이것은 양면 폴리곤으로 표시한다.

Mobile/Particles/Multiply

- 보통 파티클 쉐이더와 비교해서 알파 테스트, 컬러마스크, 소프트 파티클 등의 기능을 지운 경량판이다.

- 전체적으로 곱해진 상태로 표시된다.

Mobile/Paricles/VertexLit Blended

- 반투명의 양면 폴리곤으로, 그려지는 것 외에는 전후 관계를 갖지 않으므로 보통 VertexLit과는 역할이 다르다.

- 파티클에 라이트를 적용시키고자 할 때 사용한다.

Mobile/Diffuse

- 다양한 라이트를 지원한다.

- 정점(Vertex) 단위로 음영을 넣으므로 고속으로 동작한다.

- 하나의 라이트만 정확히 그려지고 나머지 라이트는 정밀도를 낮춰서 그린다.

Mobile/Bumped Diffuse

- Point light, Directional light 외에는 지원하지 않는 픽셀 단위로 음영을 넣는다.

- 노멀 맵을 사용할 수 있어서 표현의 폭이 넓다.

- 하나의 라이트만 정확하게 그려지고 나머지 라이트는 정밀도를 낮춰서 그린다.

Mobile/Bumped Specular (1 Directional Light)

- Bumped Diffuse와 차이는 거의 없는데 라이트를 1개만 지원함으로써 경량화한 것이다.

기본 개념은 다음 글에서 참고

다음은 오클루전 컬링 설정을 위한 예시이다.

위 그림에서 Wall 게임 오브젝트는 정적 게임오브젝트, Ball은 동적 게임오브젝트로 오클루전 컬링을 설정해 볼것이다.

카메라 설정

- 카메라 컴포넌트에서 Occlusion Culling 플래그를 활성화 시켜준다.

Wall 게임오브젝트

- 정적 게임오브젝트로 컬링 데이터를 베이크할 것이기 때문에 렌더러에서 Dynamic occlusion 플래그를 활성화시켜줄 필요는 없다.

- 게임 오브젝트의 Static 옵션에서 Occluder Static과 Occludee Static을 선택해준다.

※※ 일반적으로 정적 오브젝트는 일일이 선택하기보다는 모든 종류의 Static을 선택해주는데 여기서는 그렇게 하지 않았다.

Ball 게임 오브젝트

- 동적 게임오브젝트로 설정해야하므로 렌더러에서 Dynamic occlusion 플래그를 활성화 시켜준다.

오클루전 컬링 창

- 상단 메뉴에서 Window→Rendering→Occlusion Culling을 눌러 오클루전 컬링 창을 연다.

- Bake 카테고리를 눌러 각 옵션을 설정해주는데 옵션별 기능은 다음과 같다.

• Smallest Occluder

- 다른 게임 오브젝트를 가릴 수 있는 가장 작은 게임 오브젝트의 크기(M단위)이다.

- 일반적으로 가장 작은 파일 크기와 가장 빠른 베이크 시간을 위해 씬에서 최상의 결과를 제공하는 가장 높은 값을 선택해야한다.

• Smallest Hole

- 카메라가 들여다 볼 수 있는 가장 작은 간격의 직경(M단위)이다.

- Smallest Occluder와 같이 최상의 결과를 제공하는 높은 값을 선택하는 것이 좋다.

• Backface Threshold

- 베이크 된 크기를 줄여야 하는 경우 유니티는 베이크할 때 씬을 샘플링하고, 표시되는 오클루더 지오메트리가 특정 비율의 후면 이상으로 구성된 씬의 일부를 제외할 수 있다.

- 높은 비율의 후면이 있는 영역은 지오메트리 아래 또는 내부에 있을 가능성이 높으므로, 런타임 시점에 카메라가 있을 가능성이 낮다.

- 기본값 100은 데이터에서 영역을 제거하지 않는다. 값을 낮추면 파일 크기가 작아지지만, 시각적 결함이 발생할 수 있다.

베이크

- 가볍게 사용법을 파악하기 위한 글이니, Smallest Occluder값을 1로 하고 베이크를 한다.

- 베이크를 하게 되면, 프로젝트 창에는 씬의 이름으로 폴더가 생성되고 그 안에 컬링 데이터가 생성되어있는것을 확인할 수 있다.

- 오클루전 컬링이 적용된것을 눈으로 확인하고 싶으면 오클루전 컬링 창에서 Visualization을 선택하면 컬링 화면을 확인할 수 있다.

- 다음 사진과 같이 씬 뷰에서는 컬링된 결과를, Status창에서는 Batches와 Saved by batching의 수치가 줄어든 것을 확인할 수 있다.

※※ 만약 Visualization을 눌러도 컬링이 되지 않는다면 카메라가 컬링 범위(노란색 범위)에 있는지 확인해볼 것. 카메라가 범위 밖으로 나가면 컬링 연산을 하지 않는다.

동적 오클루전(Dynamic Occlusion)

- 동적 게임오브젝트의 경우 오클루전 컬링을 하려면 Dynamic Occlusion 플래그를 활성화해야 한다고 언급했다.

- 만약 해당 플래그를 비활성화한 뒤, Visualization으로 확인해보면 다음과 같이 컬링이 되지않는것을 확인할 수 있다.

결과

추가 주의점

- Smallest Occluder의 값은 작을수록 컬링 정밀도가 올라가지만, 정밀도가 올라갈수록 데이터 크기가 늘어나고 연산 오버헤드가 발생하므로 적절한 수치를 적용하는것이 좋다. (이러한 경험적으로 얻는 수치를 매직 넘버라고 부른다.)

- 야외 씬과 같은 경우 폐쇠되지 않고 오픈되어있는 환경이기 때문에 오클루전 컬링이 그다지 효율적이지 않다.

오클루전 컬링

- 오클루전 컬링은 어떤 게임 오브젝트가 다른 게임오브젝트에 의해 카메라 뷰에서 완전히 가려진 게임 오브젝트에 대한 렌더링 계산을 수행하지 못하도록 하는 프로세스이다.

- 기본적으로 카메라 컴포넌트에 있는 Clipping planes의 값을 설정해 절두체 컬링을 할 수 있지만 절두체 컬링은 렌더러가 다른 게임 오브젝트에 가려져있는지 확인하지 않으므로 유니티에서 최종 프레임에 표시되지 않는 렌더러에 대한 렌더링 작업에 CPU 및 GPU 시간을 낭비할 수 있기때문에 오클루전 컬링으로 이러한 낭비를 방지한다.

오클루전 컬링의 작동 방식

- 유니티에서 씬에 대한 데이터를 생헝한 후 런타임 시점에서 해당 데이터를 사용하여 카메라가 볼 수 있는 요소를 결정한다. (베이크)

- 오클루전 컬링 데이터를 베이크하면 유니티는 씬을 셀로 나누고 셀 내 지오메트리와 인접 셀 간의 가시성을 설명하는 데이터를 생성한 뒤, 생성된 데이터의 크기를 줄이기 위해 가능한 경우 셀을 병합한다.

- 런타임 시점에서 유니티가 베이크된 데이터를 메모리에 로드하고, 오클루전 컬링 프로퍼티가 활성화된 각 카메라에 대해 해당 데이터에 대한 쿼리를 수행하여 카메라가 볼 수 있는 요소를 결정한다.

- 오클루전 컬링이 활성화 되면 카메라는 절두체 컬링과 오클루전 컬리을 둘 다 수행하게 된다.

오클루전 컬링 사용 시기

- 낭비되는 렌더링 작업을 방지하게 되면 CPU 및 GPU 시간 모두 절약할 수 있다.

- 유니티의 빌트인 오클루전 컬링은 CPU에서 런타임 계산을 수행하므로 절약되는 CPU 시간을 오프셋할 수 있다. 따라서 오클루전 컬링을 사용하면 오버드로우로 인해 프로젝트가 GPU 바운드일 떄 성능이 향상될 가능성이 매우 높다.

- 오클루전 컬링 데이터는 런타임 시점에서 메모리에 로드되므로 디바이스에 해당 데이터를 로드할 만큼 충분한 메모리가 있는지 확인해야한다.

- 오클루전 컬링은 작고 윤곽이 또렷한 영역이 견고한 게임 오브젝트에 의해 서로 명확하게 분리된 씬에서 잘 작동한다. (복도로 연결된 방을 예로 들 수 있다.)

- 오클루전 컬링을 사용하여 동적 게임 오브젝트를 가릴 수 있지만, 동적 게임 오브젝트는 다른 게임 오브젝트를 가릴 수 없다. 프로젝트가 런타임에 씬 지오메트리를 생성하는 경우에는 해당 기능이 프로젝트에 적합하지 않다.

오클루더(Occluder), 오클루디(Occludee), 동적 오클루전(Dynamic occlusion)

- 오클루더(Occluder) : 다른 렌더러를 가리는 게임오브젝트 (정적 게임 오브젝트)

- 오클루디(Occludee) : 다른 게임오브젝트에 의해 가려지는 렌더러 (정적 게임 오브젝트)

- 동적 오클루전(Dynamic occlusion) : 동적 게임 오브젝트인 경우 오클루더에 의해 컬링 되려면 렌더러에서 해당 플래그를 활성화 시켜야한다.

※※ 동적 게임 오브젝트의 경우, 오클루전 컬링 데이터에 베이크할 수 없다. 그렇기 때문에 동적 오클루전 플래그를 활성화하여 오클루더가 해당 렌더러를 가릴 때 컬링할 수 있도록 해준다.

※※ 동적 게임 오브젝트는 오클루디일 수는 있지만 오클루더일 수는 없다.

추가 문서

그래픽스 파이프라인

- 3차원 컴퓨터 그래픽스에서 그래픽스(또는 렌더링) 파이프라인은 3차원 이미지를 2차원 래스터 이미지로 표현하기 위한 단계적 방법을 말한다.

- 위 다이어그램은 DX3D 11에서의 파이프라인이며 입력에서 출력으로의 데이터 흐름을 보여준다.

- 다이어그램에서 직사각형 단계는 하드웨어 처리이기 때문에 프로그래밍이 불가능하고, 둥근 블록의 단계는 HLSL(High Level Shader Language)을 사용하여 프로그래밍이 가능하다.

- 보통 쉐이더 프로그래밍이라 말할 때는 '버텍스 쉐이더'와 '프래그먼트(픽셀) 쉐이더'를 제어하는 코드를 작성하는 것을 가리킨다.

- Input-Assembler(입력 조립) Stage : GPU가 CPU부터 정점 데이터를 받아 프리미티브들을 만든다.

- Vertex Shader(정점 쉐이더) Stage : 정점들의 공간 변환을 수행한다.

- Rasterizer(래스터라이저) Stage : 정점 데이터들을 기반으로 보간된 프래그먼트(픽셀)를 생성한다.

- Pixel Shader(픽셀 쉐이더) Stage : 프래그먼트를 받아 화면에 그려질 픽셀들의 색과 깊이 값을 출력한다.

- Output-Merger(출력 병합) Stage : Z 테스트, 스텐실 테스트, 알파 블렌딩을 통해 최종적으로 화면에 그려질 색상을 결정한다.

※※※ 프리미티브 : 가장 원시적인 단위를 뜻하는 것으로 여기서는 삼각형을 뜻한다.

- 다이어그램을 조금 더 세부적으로 표현하면 다음과 같다.

• 로컬 스페이스

- 모델링 스페이스라고도 하며, 모델링 과정을 월드에 직접 구성하는 것보다 쉽기 떄문에 로컬 좌표 시스템을 이용하여 모델링을 쉽고 단순하게 만들어준다.

- 로컬 스페이스에서는 위치, 크기와 월드 내에서의 다른 물체와의 관계를 고려하지 않고 구성이 가능하다.

• 월드 스페이스

- 로컬 좌표 시스템 내에 다수의 모델을 구성한 다음, 이들을 월드 좌표로 옮겨 하나의 장면을 구성한다.

- 행렬을 이용해 로컬 스페이스의 물체들을 위치, 회전, 크기의 변경작업을 수행하게 된다.

• 뷰 스페이스

- 월드 좌표에서 카메 중심으로 좌표변환을 한다.

- 카메라를 월드 내의 임의의 위치나 방위를 가지면 투영 및 그 밖의 작업이 어렵다.

- 그래서 카메라를 월드의 원점으로 변경하고 양의 Z축을 보도록 한다.

• 컬링(후면 추려내기)

- 카메라에 대해 뒤집혀있는(뒷면)의 프리미티브 처리를 건너뛰는 작업이다.

- GPU가 고속화 되더라도 모든 면을 연산하기에는 GPU에 부담이 되므로 렌더링 축소는 항상 해야된다.

• 조명

- 물체에 명암을 주어 사실감을 더해준다.

- 조명은 정반사광(Specular), 난반사광(Diffuse), 환경광(Ambient)등이 있다.

- 광원은 방향성 광권(Directional light), 점 광원(Point light), 점적 광원(Spot light)이 있다.

• 클리핑

- 시야 볼륨 외부의 기하물체를 추려내는 과정이다. (절두체 컬링)

- 절두체 : 투영행렬을 계산할 때 범위의 모양이 삼각뿔의 머리를 잘라둔 것처럼 생겨서 절두체라고 한다.

- 완전한 내부 : 폴리곤이 완전히 절두체 내부에 위치하면 그대로 보존

- 완전한 외부 : 폴리곤이 완전히 절두체 외부에 위치하면 추려낸다.

- 부분적 내부 : 폴리곤이 부분적으로 절두체 내부에 위치하면 폴리곤은 두 부분으로 나누어 내부에 위치한 부분은 보존하고 나머지는 추려낸다.

• 투영

- 3D를 2D로 표현 (N차원에서 N-1 차원을 얻는 과정)

- 원근 투영(Perspective projection)을 사용하여 2차원의 화면을 얻는다.

• 뷰포트

- 화면에 표시되는 영역

- 윈도우의 뷰포트라 불리는 화면의 직사각형으로 변환하는 과정

- 투영된 이미지를 모니터에 표시할 수 있는 크기로 다시 변환

• 래스터라이즈

- 각각의 폴리곤을 그리는데 필요한 픽셀 컬러를 계산 (각 정점 좌표로 부터 선형 보간에 따라 생성된다.)

- 픽셀 하나하나를 계산하는 작업을 하기에 엄청난 양의 연산처리가 필요하므로 전용 그래픽 하드웨어에서 처리되어야한다.