셰이더 프로세서는 그래픽 하드웨어의 핵심 구성 요소 중 하나로, 그래픽 및 컴퓨팅 작업을 실행하는데 중요한 역할을 담당한다. 이 섹션에서는 셰이더 프로세서의 역할에 대해 상세히 설명한다.

셰이더 프로세서의 기본 개념

셰이더 프로세서는 GPU의 구성 요소로, 그래픽 파이프라인에서 다양한 그래픽 작업을 처리하는 데 사용된다. 기본적으로 셰이더 프로세서는 그래픽 데이터를 변환하고 조작하는 데 사용되는 프로그램을 실행한다. 셰이더 프로그램은 보통 고수준 셰이더 언어(예: GLSL, HLSL)로 작성되며, 이 프로그램은 GPU에서 바로 실행된다.

셰이더 타입

셰이더는 주로 다음과 같은 타입으로 구분된다:

셰이더의 역할

  1. 그래픽 데이터 변환
  2. 셰이더는 3D 모델의 정점 좌표를 월드 좌표, 카메라 좌표, 클립 공간 좌표 등 다양한 좌표 공간으로 변환한다. 이는 주로 버텍스 셰이더에서 처리된다.
\mathbf{v}_{clip} = \mathbf{ProjectionMatrix} \times \mathbf{ViewMatrix} \times \mathbf{ModelMatrix} \times \mathbf{v}_{world}

여기서, \mathbf{v}_{clip}은 클립 공간에서의 정점 위치, \mathbf{ProjectionMatrix}는 투영 행렬, \mathbf{ViewMatrix}는 뷰 행렬, \mathbf{ModelMatrix}는 모델 행렬, 그리고 \mathbf{v}_{world}는 월드 좌표에서의 정점 위치이다.

  1. 조명 계산
  2. 셰이더는 3D 씬에 조명을 적용하여 현실감 있는 렌더링을 수행한다. 이 작업은 주로 버텍스 셰이더와 픽셀 셰이더에서 수행된다.
\mathbf{I} = \mathbf{I}_{ambient} + \mathbf{I}_{diffuse} \cdot (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L}) + \mathbf{I}_{specular} \cdot (\mathbf{R} \cdot \mathbf{V})^{\mathbf{shininess}}

여기서, \mathbf{I}는 최종 조명 색상, \mathbf{I}_{ambient}는 주변광, \mathbf{I}_{diffuse}는 난반사광, \mathbf{I}_{specular}는 정반사광, \mathbf{N}는 표면의 법선 벡터, \mathbf{L}는 광원의 방향 벡터, \mathbf{R}는 반사 벡터, \mathbf{V}는 시선 벡터, 그리고 \mathbf{shininess}는 광택 계수이다.

  1. 텍스처 매핑
  2. 픽셀 셰이더는 텍스처 좌표를 사용하여 3D 모델 표면에 텍스처를 적용한다.
\mathbf{Color}_{pixel} = \mathbf{TextureSampler}(\mathbf{UV})

여기서, \mathbf{TextureSampler}는 텍스처 샘플러 함수, \mathbf{UV}는 텍스처 좌표, \mathbf{Color}_{pixel}은 최종 픽셀 색상이다.

  1. 최적화된 렌더링

  2. 셰이더는 다양한 최적화 기술을 구현하여 렌더링 성능을 향상시킨다. 예를 들어, 지오메트리 셰이더를 사용해만 렌더링할 프리미티브만 남기거나, 컴퓨터 셰이더를 이용해 병렬 처리를 최적화 할 수 있다.

\text{if} (\mathbf{Condition}) \ \text{CullPrimitive}()

여기서, \mathbf{Condition}은 컬링 조건이고, \text{CullPrimitive}()는 프리미티브를 칼하는 함수이다.

  1. 후처리 효과

  2. 셰이더는 후처리 단계에서 화면 공간 효과를 적용한다. 그림자, 광원 폭포, 블룸 효과 등 다양한 시각 효과를 추가할 때 이 셰이더를 사용한다.

\mathbf{Color}_{final} = \mathbf{Color}_{base} + \mathbf{BloomEffect}(\mathbf{Color}_{base})

여기서, \mathbf{Color}_{final}은 최종 출력 색상, \mathbf{Color}_{base}는 기본 색상, \mathbf{BloomEffect}는 블룸 효과를 계산하는 함수이다.

  1. 데이터 병렬 처리

  2. 컴퓨트 셰이더는 방대한 양의 데이터를 효율적으로 병렬 처리하는 데 사용된다. 예를 들어, 배열의 각 요소를 제곱하여 새 배열을 생성하는 작업을 일관되게 병렬로 수행할 수 있다.

\mathbf{OutputArray}[i] = \mathbf{InputArray}[i]^2

여기서, \mathbf{InputArray}는 입력 배열, \mathbf{OutputArray}는 출력 배열이다.

셰이더 프로그래밍의 중요 개념