GPU 렌더링 파이프라인은 3D 그래픽스 렌더링을 수행하기 위한 일련의 단계로 구성된다. 이 파이프라인은 주로 여러 단계를 통해 3D 데이터를 2D 이미지로 변환하는 작업을 처리한다. 파이프라인의 각 단계에서 데이터는 변형되고, 조작되며, 최종 이미지를 향한 과정에서 점차 구체화된다.

주요 단계

1. 애플리케이션 단계 (Application Stage)

   • 이 단계에서는 CPU가 주로 사용된다. 애플리케이션 논리를 처리하고, 렌더링할 장면의 데이터를 준비한다. 예를 들어, 셰이더 프로그램 로딩, 3D 모델과 텍스처 로딩, 카메라 설정 및 장면구성 등이 포함된다.

2. 지오메트리 단계 (Geometry Stage)

   • 이 단계는 사실 여러 하위 단계로 나뉘는데, 여기서는 주로 3D 모델의 지오메트리를 처리한다. 주요 하위 단계는 다음과 같다:
   • 모델 변환 (Model Transformation): 3D 모델의 로컬 좌표계를 월드 좌표계로 변환한다. 여기서 사용되는 변환행렬 $\mathbf{M}$을 모형행렬이라고 한다.
   • 뷰 변환 (View Transformation): 월드 좌표계를 카메라 좌표계로 변환한다. 뷰 행렬 $\mathbf{V}$이 사용된다.
   • 투영 변환 (Projection Transformation): 3D 좌표계를 2D 화면 좌표계로 변환한다. 투영 행렬 $\mathbf{P}$을 사용하여 처리된다.

   이 단계의 주요 작업은 벡터와 행렬 연산으로 이루어지며, 대상 오브젝트의 위치와 뷰포트에 적절히 배치되는 방식으로 정렬된다.

3. 래스터화 단계 (Rasterization Stage)

   • 이 단계에서 3D 객체의 지오메트리 정보가 픽셀로 변환된다. 즉, 개별 삼각형들이 픽셀 단위로 쪼개져서 화면 버퍼에 대응되게 된다.
   • 이 과정에서는 주로 픽셀의 색상, 깊이 값을 계산하기 위해 인터폴레이션이 필요하다. 쉽게 말해서, 삼각형을 이루는 각 꼭짓점의 속성 (색상, 텍스처 좌표 등)을 기준으로 삼각형 내의 각 픽셀의 속성을 결정한다.

4. 픽셀 셰이딩 단계 (Pixel Shading Stage)

   • 이전 단계에서 래스터화된 픽셀들에 대해 각 픽셀의 최종 색상을 결정하는 단계이다.
   • 이 단계는 픽셀 셰이더 또는 프래그먼트 셰이더를 사용하며, 텍스처 매핑, 라이팅 계산 등을 포함한다. 즉, 각 픽셀에 대해 조명, 그림자, 반사, 굴절 등의 효과를 적용하여 최종 색상을 계산한다.

출력 결과

결과적으로, 이 모든 단계를 거치면 최종 2D 이미지가 프레임 버퍼에 저장된다. 이 이미지는 결국 모니터에 출력되어 사용자에게 보여지게 된다.

다양한 GPU에 따라 이 파이프라인의 단계들은 다양하게 구현될 수 있으며, 또한 다양한 3D 그래픽스 API (예: OpenGL, Direct3D, Vulkan)에서의 세부 구현도 다를 수 있다. 하지만 기본적인 렌더링 파이프라인의 흐름은 대체로 크게 변하지 않는다.

추가 고려사항

1. 셰이더 프로그램

   • 셰이더는 GPU에서 실행되는 작은 프로그램으로, 주로 HLSL, GLSL, 또는 최근의 SPIR-V 같은 셰이더 언어로 작성된다. 셰이더는 주로 버텍스 셰이더(Vertex Shader), 픽셀 셰이더(Fragment Shader), 지오메트리 셰이더(Geometry Shader), 테셀레이션 셰이더(Tessellation Shader), 컴퓨트 셰이더(Compute Shader)로 나뉜다.

   • 버텍스 셰이더 (Vertex Shader): 각 버텍스(vertex)에 대해 호출되어 위치, 색상, 텍스처 좌표 등의 속성을 처리한다.

   • 픽셀 셰이더 (Fragment Shader): 각 픽셀(fragment)에 대해 호출되어 최종 색상을 결정한다.

2. 렌더링 대상과 버퍼

   • 렌더 타겟은 주로 프레임 버퍼로, 여러 종류의 버퍼가 포함될 수 있다. 대표적으로 컬러 버퍼, 깊이 버퍼, 스텐실 버퍼 등이 있다.

   • 컬러 버퍼(Color Buffer): 최종 렌더링된 이미지를 저장한다.

   • 깊이 버퍼(Depth Buffer): 각 픽셀의 깊이 정보를 저장하여 깊이 테스트에 사용된다. 이를 통해 깊이 값을 비교하여 가깝거나 멀리 있는 오브젝트를 처리할 수 있다.
   • 스텐실 버퍼(Stencil Buffer): 특정 픽셀을 마스킹하거나 다양한 효과를 적용하는 데 사용된다.

3. 병렬 처리

   • GPU는 대량의 데이터 처리를 효율적으로 하기 위해 병렬 처리 능력을 최대한 활용한다. 각 셰이더 단계에서 수천에서 수백만 개의 버텍스나 픽셀이 동시에 처리될 수 있다.

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GPU 렌더링 파이프라인은 다단계 구조로 되어 있으며, 각 단계에서 3D 데이터를 점차적으로 변형하여 최종적으로 2D 이미지로 출력한다. 애플리케이션 단계에서 시작하여 지오메트리 단계, 래스터화 단계, 픽셀 셰이딩 단계를 거치는 과정에서 GPU와 CPU는 협력하여 복잡한 그래픽 연산을 빠르고 효율적으로 수행한다.