[논문]Direct3D 기반 원격 분할 렌더링 시스템

임충규

doi:10.7583/jkgs.2018.18.1.115

Direct3D 기반 원격 분할 렌더링 시스템
A Remote Partitioned Rendering System Using Direct3D 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.18 no.1, 2018년, pp.115 - 124

임충규 (성공회대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

다수의 디스플레이 장치를 타일 형태로 구성하는 타일 기반 대규모 디스플레이 장치에 컴퓨터 게임과 같은 3D 어플리케이션을 표현하기 위해서는 일반적으로 이러한 디스플레이 장치에 적절한 어플리케이션을 별도로 개발하거나 이를 목적으로 특별히 개발된 API를 사용해야 한다. OpenGL, Direct3D 등의 레가시 3D API 기반의 원격 렌더링 기술을 확장하여 원격 분할 렌더링 시스템의 구현한다면 추가적인 개발 없이 타일 기반 대규모 디스플레이 장치에 3D 게임을 표현할 수 있다. 본 논문은 기 구현된 Direct3D 기반 원격 렌더링 시스템을 확장하여 원격 분할 렌더링 시스템을 구현한다. 이러한 원격 렌더링 시스템을 샘플 Direct3D 어플리케이션에 적용하여 몇가지 실험을 실시함으로써 기술적 실현 가능성을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various kinds of tile-based ultra-high resolution display devices have been developed by, for example, constructing display walls using many commodity LCD displays. To represent 3D applications like computer games on these devices, one has to develop 3D applications or develop particular APIs only for representing on these devices. If one can develop a distributed rendering system using legacy 3D APIs such as OpenGL and Direct3D by extending a remote rendering system, commercial computer games can be represented on such display devices without modifying their source codes. The purpose of the paper is to propose a new Dired3D-based distribute rendering system by extending a Direct3D-based remote rendering system and to show its feasibility technically by appling it to a sample Direct3D application and performing a few experimentations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

각 원격 서버에서 구동하는 원격 분할 렌더링 모듈은 담당하는 영역의 이미지를 생성하기 위하여 그래픽스 파이프라인에서 사용하는 가시부피를 변경해야 한다. 본 논문에서는 투상 행렬을 수정하여 가시부피를 변경하는 효과를 얻는다. 원격 분할 렌더링 모듈은 기할당된 영역 정보에 의해 디스플레이 창을 생성한다.
본 논문은 그 목적상 샘플 어플리케이션의 구현에 사용되는 API 함수에 대해서 원격 호출을 구현하여 실시간 원격 분할 렌더링 시스템을 구성하였 다. Direct3D 기반 어플리케이션을 일반적으로 지원하기 위해서는 Direct3D의 모든 인터페이스의 멤버함수와 모든 전역함수에 대한 원격 호출이 구현되어야 한다[5].
본 논문은 이러한 대규모 디스플레이 장치를 활용한 초고해상도 게임 영상 표현을 위한 Direct3D 기반 원격 분할 렌더링 기술의 개념과 구현상 이슈를 확인하고자 한다.
본 연구는 확장이 용이한 LCD 기반 타일 디스플레이 장치에 적용하는 원격 분할 렌더링 기술을 제안하여 3D 어플리케이션을 초고해상도로 표현할 수 있도록 하고자 한다.

제안 방법

DirectX 9.0c SDK(2006년 4월 배포)에서 제공 하는 ‘ShadowMap’ 샘플 어플리케이션을 실험 목적에 맞게 변형하여 본 논문에서 구현한 원격 분할 렌더링 시스템에 적용한다.
본 논문에서 제안하고 있는 원격 분할 렌더링 시스템의 기술적 실현 가능성을 검증하기 위하여 샘플 어플리케이션을 사용하여 시스템의 성능을 측정하고 이에 대한 분석을 수행한다. 각 프레임의 이미지를 생성하기 위한 소요되는 시간 즉, 렌더링 시간을 측정하고 그 결과를 분석한다.
EVL의 SAGE[14]는 LambdaDisplay 등의 초고해상도 타일 기반 디스플레이 장치를 통해서 원격 협업이 가능하도록 개발된 확장형 그래픽스 시스템이다. 디스플레이 장치와 그래픽스 렌더링을 분리함으로써 이기종 동작 환경과 확장성을 지원하도록 설계되었다. 또한, 초고속 네트워크를 통해 픽셀의 무손실 전송을 위해 광자 멀티 캐스팅을 활용한SAIL(SAGE Application Library)를 개발하여 사용한다.
디스플레이 장치와 그래픽스 렌더링을 분리함으로써 이기종 동작 환경과 확장성을 지원하도록 설계되었다. 또한, 초고속 네트워크를 통해 픽셀의 무손실 전송을 위해 광자 멀티 캐스팅을 활용한SAIL(SAGE Application Library)를 개발하여 사용한다. 또한, 원격으로 저장된 데이터에 접근하기 위한 넓은 대역폭이 필요하기 때문에 NetRAM(Network Memory) 기반의 LambdaRAM 기술을 개발하여 WAN 상에서 분산돼있는 메모리의 접근에 필요한 넓은 네트워크 대역폭과 적절한 네트워크 지연을 지원한다.
본 논문에서 제안하고 있는 원격 분할 렌더링 시스템의 기술적 실현 가능성을 검증하기 위하여 샘플 어플리케이션을 사용하여 시스템의 성능을 측정하고 이에 대한 분석을 수행한다. 각 프레임의 이미지를 생성하기 위한 소요되는 시간 즉, 렌더링 시간을 측정하고 그 결과를 분석한다.
본 논문에서는 장면을 분할하는 의미에서 ‘분산 렌더링’ 용어 대신에 ‘분할 렌더링’을 사용하기로 한다.
본 논문이 원격 분산 렌더링 기술을 적용하고자 하는 상용 3D 게임은 별도의 개발이나 수정에 많은 비용이 발생하므로, 클라이언트-서버 모델을 적용하여 원격 분할 렌더링 기술을 설계함이 바람직하다.
실험은 샘플 어플리케이션과 대체 라이브러리가 구동하는 어플리케이션 서버와 원격 분할 렌더링 모듈이 구동하는 렌더링 서버가 물리적으로 분리된 환경에서 수행된다. 대체 라이브러리는 Direct3D의 코어 라이브러리와 확장 라이브러리인 d3d9.
원격 분할 렌더링 시스템의 성능을 분석하기 위하여 3종류의 다른 환경에서 원격 분할 렌더링을 실행하였다. 첫 번째는 렌더링 서버 #1에서 2개의 원격 렌더링 시스템을 실행하고, 두 번째는 렌더링 서버 #2에서 2개의 원격 렌더링 시스템을 실행한다.
최소 3천 6백만 화소부터 최대 3억 7백만 화소를 갖는 초고해상도 디스플레이 장치를 구성할 수 있다. 저렴한 LCD 장치를 사용할 뿐만 아니라 오픈 소스 소프트웨어인 CGLX[8]를 사용하여 저렴한 개발비용과 유지비용에도 불구하고 우수한 성능을 보여주는 디스플레이 시스템을 개발하였다. 렌더링 노드가 담당하는 디스플레이 장치의 수를 유동적으로 구성할 수 있도록 하여 시스템 구성이 유연하다.

대상 데이터

이외에도 EVL은 다수의 대규모 디스플레이 장치를 개발하고 있고, 이중의 하나인 LambdaVision은 상호작용적이며 실시간적인 초고 해상도 이미지를 다루는 전문가가 함께 있든 원격지에 있든 협업할 수 있도록 지원하기 위하여 초고해상도 가시화 및 네트워크 장비를 사용하여 구성하였다[7]. 1600x1200 해상도의 LCD패널 55개를 사용하여 총 1억 5백 6십만 해상도의 디스플레이 장치를 구성하였다. 총 32개의 클러스터 노드를 사용하며 Nvidia Quadro3000을 사용하는 렌더링 노드는 2개의 LCD디스플레이 장치에 이미지를 표현하는 방식으로 구성된다.
실험은 샘플 어플리케이션과 대체 라이브러리가 구동하는 어플리케이션 서버와 원격 분할 렌더링 모듈이 구동하는 렌더링 서버가 물리적으로 분리된 환경에서 수행된다. 대체 라이브러리는 Direct3D의 코어 라이브러리와 확장 라이브러리인 d3d9.dll과 d3dx9_??.dll을 대체하며, 함수 가로채기와 함수 호출 정보의 전송 기능을 담당한다.
총 32개의 클러스터 노드를 사용하며 Nvidia Quadro3000을 사용하는 렌더링 노드는 2개의 LCD디스플레이 장치에 이미지를 표현하는 방식으로 구성된다.

성능/효과

본 논문의 결과는 다음과 같은 의의가 있다. Direct3D 기반의 실시간 원격 렌더링 기술을 확장 하여 Direct3D 기반의 실시간 원격 분할 렌더링 기술의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 물리적으로 분리된 렌더링 서버를 활용한다면 추가적인 성능 저하가 미미함을 확인할 수 있었다.
또한 물리적으로 분리된 렌더링 서버를 활용한다면 추가적인 성능 저하가 미미함을 확인할 수 있었다. 결론적으로 Direct3D 기반의 3D 어플리케이션을 대 규모 타일형 디스플레이 장치에 적용하기 위해 추가적인 개발 없이 실시간 원격 분할 렌더링 시스템이 구현 가능하다.
Direct3D 기반의 실시간 원격 렌더링 기술을 확장 하여 Direct3D 기반의 실시간 원격 분할 렌더링 기술의 구현이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한 물리적으로 분리된 렌더링 서버를 활용한다면 추가적인 성능 저하가 미미함을 확인할 수 있었다. 결론적으로 Direct3D 기반의 3D 어플리케이션을 대 규모 타일형 디스플레이 장치에 적용하기 위해 추가적인 개발 없이 실시간 원격 분할 렌더링 시스템이 구현 가능하다.
성능 분석의 결과에서 확인된 바와 같이 본 논문이 제안하고 있는 실시간 원격 분할 렌더링 시스템은 프레임 별 소요 시간을 고려할 때, 3D 어플리케이션의 실시간 원격 분할 렌더링이 기술적으로 실현 가능한 것으로 확인된다.

후속연구

최근 3D 어플리케이션의 개발은 대부분 Unity3D에 같은 게임 엔진을 사용하여 이루어지고 있다. 향후 연구 중 하나는 게임 엔진 기반 3D 어플리케이션에 대한 실시간 원격 분할 렌더링 시스템을 구현하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PC 모니터의 영상을 단순 확대하여 비디오 스플리터같은 장치에 표현하는 방식의 단점은 무엇인가?	진행중인 게임 화면의 표시를 위하여 기존 기술은 PC 모니터의 영상을 단순 확대하여 비디오 스플리터(Video Splitter)와 같은 장치를 활용하여 대규모 크기의 디스플레이 장치에 표현하고 있다[4]. 이러한 방식의 이미지 단순 확대는 원거리에 있는 관중에게는 적절한 해상도의 영상을 제공하나 근거리에 있는 관중에게는 확대된 화소에 의에서 영상의 품질이 떨어진다. 이러한 단점을 보완하는 방법 중의 하나는 초고해상도를 갖는 대규모 디스플레이 장치를 활용하여 초고해상도 영상을 표현함으로써 근거리의 관중에게도 우수한 품질의 영상을 제공하는 것이다.
	Direct3D API 기반의 원격 렌더링 기술이 필요한 이유는 무엇인가?	이기종간 호환성이 뛰어나고 이미 GLX와 같은 원격 렌더링 기술이 개발되어 있기 때문에 OpenGL의 채택은 자연스러운 선택이다. 하지만 대부분의 컴퓨터 게임이 Direct3D를 기반으로 개발되고 있기 때문에 Direct3D API 기반의 원격 렌더링 기술이 필요하다. 원격 렌더링 기술을 확장하여 대규모 해상도 디스플레이에 3D 어플리케이션을 표현할 수 있다면 대규모 공간에서 이루어지는 e-스포츠 게임 화면의 현장 중계에 효과적으로 활용할 수 있다.
	초기의 CAVE 기술은 어떤 방식을 이용했는가?	1992년 SIGGRAPH에서 최초의 CAVE 개발이 발표되었으며, 이후 많은 연구가 진행되어 대규모 데이터의 3D 가시화, 대량의 문서 및 2D 데이터의 동시 표현, 원격 협업 등이 필요한 다양한 분야에서 활용 되고 있다. 하지만 초기의 CAVE 기술은 후면 프로젝터 디스플레이 방식을 이용하였고, 이러한 투상방식 자체가 시스템의 구성 및 사용, 영상 품질의 한계로 작용하였다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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