[논문]폴리곤 메시의 정점 이동과 표면 텍스처 매핑에 노이즈 텍스처를 적용하는 쉐이더 기법

홍민석; 박진호

doi:10.7583/jkgs.2021.21.2.79

폴리곤 메시의 정점 이동과 표면 텍스처 매핑에 노이즈 텍스처를 적용하는 쉐이더 기법
A Shader Technique that applies Noise Texture to Vertex Movement and Surface Texture Mapping of Polygon Mesh 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.21 no.2, 2021년, pp.79 - 88

초록
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폭발, 마법 등 불특정한 시각효과를 구현하는데 파티클과 노이즈가 효과적으로 사용된다. 파티클은 자유롭게 제작할 수 있지만, 많이 사용될수록 CPU/GPU 사용률이 높아진다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 변경이 어렵지만, 정해진 자원을 소모하는 폴리곤 메시를 활용해 CPU/GPU 사용률을 줄인다. 그리고 쉐이더를 활용해 폴리곤 메시의 정점과 표면 텍스처 매핑에 불특정한 패턴을 가진 노이즈 텍스처를 적용하여 시각효과를 구현한다. 실험결과, 프로파일러에서 쉐이더를 적용한 구체 폴리곤 메시가 2~4ms CPU, 1~2m_s GPU 사용률을 보였고 쉐이더를 활용해 불특정한 시각효과를 구현할 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Particle and noise are effectively used to implement unspecific VFX like an explosion, magic. Particle can create freely but, The more usage, the higher CPU/GPU usage. This paper using polygon mesh that is hard to change but consumes fixed resources to overcome the demerit of particle and reduce CPU/GPU usage. Also, using shader, apply noise texture that is suitable unspecific pattern to vertex and surface texture mapping of polygon mesh for implement VFX in unity. As a result of experiment, shader applied sphere polygon mesh show 2~4ms CPU, 1~2ms GPU usage in profiler. Also It has been shown that shader can be used to implement unspecific VFX.

주제어

표/그림 (16)

그림 [Fig. 1] Shader Implementation process
표 [Table 1] Simple transparency unlit shader
표 [Table 2] Properties variable
표 [Table 3] Properties variable use in pass
그림 [Fig. 2] Value Correction Before/After
표 [Table 4] Vertex shader script
그림 [Fig. 3] Principle of noise texture blending
그림 [Fig. 4] Correction of texture blending Before/After
표 [Table 5] Fragment shader script
그림 [Fig. 5] Used noise textures. Colored gaussian noise texture (a) Gray perlin noise texture (b)
그림 [Fig. 6] Different pattern results via _MaxIndex
표 [Table 6] Results via _NoiseValue value
표 [Table 7] Results via _NoiseScale value
표 [Table 8] Results via _MaxIndex value
표 [Table 9] A comparsion of shader not applied sphere and shader applied sphere
그림 [Fig. 7] Actual usage examples of shader model principle. explosion(a), magic(b)

AI 본문요약
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문제 정의

(3장) 다음으로 구체, 바닥, 버섯구름 모양의 폴리곤 메시에 쉐이더를 활용해 노이즈 텍스처를 적용하고 변숫값에 따른 변화를 관찰한다. 또한, 쉐이더가적용된 구체 폴리곤 메시의 CPU/GPU 자원 소모량을 확인하고 본 논문의 원리가 적용된 실제 시각효과 사례를 알아본다.(4장) 마지막으로 본 연구를 진행하면서 얻은 결론과 한계를 알아본다.
본 논문에서는 노이즈 텍스처를 활용해 정점 이동과 표면 텍스처 매핑에 자연스러운 애니메이션 효과를 구현하는 쉐이더 구현 방법을 제안했다. 쉐이더를 이용하면 노이즈 텍스처와 변숫값에 따라서 다양하게 폴리곤 메시의 정점을 변경시키고 표면에 텍스처 매핑될 결과를 다양하게 변경할 수 있음을 보였다.

제안 방법

1. 가우시안 노이즈 텍스처에 따라 자연스럽게 움직이는 정점 쉐이더를 제안한다.
2. 펄린 노이즈 텍스처를 활용해 표면 텍스처 매핑에 다양한 애니메이션을 연출하는 프래그먼트(F ragment) 쉐이더를 제안한다.
구체의 개수는 각각 ‘1’개, ‘25’개, ‘100’ 개, ‘400’개를 생산했을 경우로 환경을 설정하고 프로파일러(Profiler)[22] 를 이용해 CPU/GPU 사용량을 비교했다. 게임(Game)뷰의 해상도는 1024x102 4에 1x 스케일로 진행되었고 모든 생성된 물체가 화면에 들어온 상태에서 150프레임부터 154프레임까지의 값을 비교했다.
그리고 펄린 노이즈 텍스처를 합성한 결과를 표면(S urface)의 텍스처 매핑(Texture Mapping)[6]에 적용해 자연스러운 애니메이션을 보여주는 쉐이더를제안하고 유니티(Unity) 게임 엔진에서 구현한다. 파티클이 아닌 정해진 자원을 소모하는 폴리곤 메시를 사용해 개발 환경이 바뀌어도 시각효과를 변경하지 않고 일관된 연출을 보여줄 수 있다.
네 번째로 구체 폴리곤 메쉬에 본 논문의 쉐이더가 적용된 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여본 논문의 쉐이더가 적용될 경우의 자원 소모량을 비교한다. 구체의 개수는 각각 ‘1’개, ‘25’개, ‘100’ 개, ‘400’개를 생산했을 경우로 환경을 설정하고 프로파일러(Profiler)[22] 를 이용해 CPU/GPU 사용량을 비교했다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 본 논문에서 활용할 노이즈를 소개하고, 노이즈를 활용한 기법과 텍스처 애니메이션 기법을 본 논문의 방법과 비교한다.(2장) 다음으로 본 논문의 쉐이더 구현에 기본이 되는 언릿 쉐이더 방식을 소개하고 구현한다.
그래서 개발 환경이 변하면 파티클의 입자 수를 조절해야 하는 단점이 있다. 본 논문에서는 이를 극복하기 위해 변경하지 않고 일관된 시각효과를 보여줄 수 있는 폴리곤 메시(Polygon Mesh)[3]와 가우시안노이즈(Gaussian Noise), 펄린 노이즈(Perlin Nois e)의 원리가 적용된 텍스처(Texture)를 이용하고, 쉐이더(Shader)[4]를 활용해 폭발, 마법 등 불특정한 모습을 지닌 시각효과[5]를 구현함으로써 파티클과는 다른 제작 방법을 제시한다.
(식 2) 는물체의 좌표가 애니메이션에 영향을 주는 상황에서 사용한다. 본 논문에서는 좌표마다 애니메이션이 변경되어 더 다양한 연출이 가능한 (식 2)를 활용해 정점 쉐이더를 구현한다.
본 논문에서는 폴리곤 메시의 정점(Vertex)을가우시안 노이즈 텍스처를 활용해 이동시킨다. 그리고 펄린 노이즈 텍스처를 합성한 결과를 표면(S urface)의 텍스처 매핑(Texture Mapping)[6]에 적용해 자연스러운 애니메이션을 보여주는 쉐이더를제안하고 유니티(Unity) 게임 엔진에서 구현한다.
한가지 혹은 여러 가지 노드를 연결하여 사용자가 원하는 대로 다양한 애니메이션을 구현할 수 있다. 본 논문은패너 노드의 원리를 활용하여 폴리곤 매시의 정점에 이동을 나타내고, 텍스처 매핑 과정에서 변숫값을 통해 좌표와 속도, 방향이 자동으로 정해져 텍스처가 합성되어 자연스러운 애니메이션을 나타낼 수 있는 (식 4)를 제안하였고 3장에서 구현한다. 텍스처의 특징 벡터를 계산해 부력장을 계산하고 부력에 따라 불꽃 텍스처를 이류 시키는 연구가 진행되었다.

대상 데이터

20G Hz와 GeForce RTX 2070 with Max-Q Design GPU사양의 컴퓨터에서 수행되었다. 본 논문의 쉐이더의 정점 이동에 무작위 색상 정보가 들어간가우시안 노이즈 텍스처를 사용했고 표면의 텍스처매핑에 흑백 펄린 노이즈 텍스처를 사용했으며 이를 구체, 바닥 그리고 버섯구름 폴리곤 메시에 적용했다. 추가로 쉐이더가 구현된 결과를 심미적으로 나타내기 위해 포스트 프로세싱(Post Processin g)[21]의 블룸(Bloom)효과를 사용했다.
본 연구의 실험은 Intel(R) i7-8750H @ 2.20G Hz와 GeForce RTX 2070 with Max-Q Design GPU사양의 컴퓨터에서 수행되었다. 본 논문의 쉐이더의 정점 이동에 무작위 색상 정보가 들어간가우시안 노이즈 텍스처를 사용했고 표면의 텍스처매핑에 흑백 펄린 노이즈 텍스처를 사용했으며 이를 구체, 바닥 그리고 버섯구름 폴리곤 메시에 적용했다.

이론/모형

하지만 노이즈 기법에 이해도가 부족한 그래픽 디자이너로서는 구현할 때 부담을 느끼게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해 본 연구의 방식은 미리 제작된 노이즈 텍스처를 활용한다. 텍스처를 이용하는 방법은 상용 프로그램들의 발달로 상대적으로 제작하기 쉽고 필터 효과[12]나 변형작업을 거치면 같은 노이즈 기술이 사용된 텍스처도 다른 느낌을 줄 수 있다.
본 논문의 쉐이더의 정점 이동에 무작위 색상 정보가 들어간가우시안 노이즈 텍스처를 사용했고 표면의 텍스처매핑에 흑백 펄린 노이즈 텍스처를 사용했으며 이를 구체, 바닥 그리고 버섯구름 폴리곤 메시에 적용했다. 추가로 쉐이더가 구현된 결과를 심미적으로 나타내기 위해 포스트 프로세싱(Post Processin g)[21]의 블룸(Bloom)효과를 사용했다.

성능/효과

파티클이 아닌 정해진 자원을 소모하는 폴리곤 메시를 사용해 개발 환경이 바뀌어도 시각효과를 변경하지 않고 일관된 연출을 보여줄 수 있다. 또한, 정해지지 않은 패턴이라는 특성이 있는 노이즈 텍스처를 쉐이더를 활용해 적용하므로 불특정한 형태를 보이는 시각효과들을 효과적으로 구현할 수 있다. 정리하면 본 논문은 다음과 같은 기술적 공헌을 한다.
쉐이더를 이용하면 노이즈 텍스처와 변숫값에 따라서 다양하게 폴리곤 메시의 정점을 변경시키고 표면에 텍스처 매핑될 결과를 다양하게 변경할 수 있음을 보였다. 파티클로 구현된 시각효과와의 성능 비교를 통해서 본 논문의 쉐이더는 사용하는 자원이 일정함을 보여주었다.
86 ms 정도의 사용량의 차이가 발생했다. 정리하면 본 논문의 쉐이더를 적용했을 때 개수가 많아져도 CPU 사용량은 거의 비슷하고, GPU 사용량에서는 차이를 보였으나 그 정도가 1ms 이내로 크지 않음을 알 수 있었다. 즉, 쉐이더가 적용되지 않은 폴리곤 메시와 거의 비슷한 자원 소모량을 보여주기 때문에 개발 환경이 변해도 시각효과를 변경하지 않고 사용할 수 있다.
쉐이더를 이용하면 노이즈 텍스처와 변숫값에 따라서 다양하게 폴리곤 메시의 정점을 변경시키고 표면에 텍스처 매핑될 결과를 다양하게 변경할 수 있음을 보였다. 파티클로 구현된 시각효과와의 성능 비교를 통해서 본 논문의 쉐이더는 사용하는 자원이 일정함을 보여주었다. 모양이 정해져 있다는 폴리곤 메시의 특성상 파티클의 자유로운 시각효과 구현 방법을 대처할 수는 없다.

후속연구

적절히 조절해 사용하면 크게 문제가 없지만, 텍스처를 많이 곱할수록 표면의 텍스처 매핑의 결과를 예측하거나 조절하기 어렵다는 점은 향후 해결할 과제이다.

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저자의 다른 논문 :

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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