프레임 속도 개선 방법 - 소프트웨어 융합

Unity에서 로봇 시뮬레이션의 원활한 실행을 위해 프레임 속도를 최적화하는 것은 매우 중요하다. 높은 프레임 속도는 사용자 경험을 향상시키고, 시뮬레이션의 정확성을 높이며, 실시간 반응성을 보장한다. 이 절에서는 프레임 속도를 개선하기 위한 다양한 방법들을 상세히 다룬다.

1. 효율적인 렌더링 기법

렌더링은 그래픽 처리에서 가장 많은 자원을 소모하는 부분 중 하나이다. 효율적인 렌더링 기법을 적용함으로써 프레임 속도를 크게 향상시킬 수 있다.

배치 처리(Batching): 유사한 드로우 콜을 하나로 묶어 처리하는 방법이다. Unity에서는 정적 배칭과 동적 배칭을 지원하며, 이를 통해 드로우 콜 수를 줄일 수 있다.
GPU 인스턴싱(GPU Instancing): 동일한 메쉬를 여러 번 렌더링할 때 유용하다. GPU 인스턴싱을 사용하면 메쉬 데이터를 GPU에 한 번만 전송하고, 여러 인스턴스를 효율적으로 렌더링할 수 있다.
셰이더 최적화: 복잡한 셰이더는 GPU 부담을 증가시킨다. 간단한 셰이더를 사용하거나, 필요 없는 계산을 제거하여 셰이더의 효율성을 높인다.

2. 레벨 오브 디테일(LOD) 설정

LOD(Level of Detail)는 객체의 거리나 중요도에 따라 모델의 디테일을 조절하는 기법이다. 가까운 객체는 고해상도 모델을, 먼 객체는 저해상도 모델을 사용하여 렌더링 성능을 최적화할 수 있다.

LOD 그룹 설정: Unity의 LOD Group 컴포넌트를 사용하여 다양한 디테일 수준의 모델을 설정한다.
스크립트를 통한 동적 조절: 객체의 움직임이나 카메라의 위치에 따라 LOD 수준을 동적으로 변경하여 성능을 최적화한다.

수식으로 LOD 전환을 설명할 때는 다음과 같이 표현할 수 있다:

$LOD\_level = \begin{cases} 0 & \text{if } distance < d_1 \\ 1 & \text{if } d_1 \leq distance < d_2 \\ 2 & \text{if } distance \geq d_2 \end{cases}$

여기서 $d_1$ 과 $d_2$ 는 LOD 전환을 위한 거리 임계값이다.

3. 애니메이션 최적화

애니메이션은 CPU와 GPU 모두에 부하를 줄 수 있다. 애니메이션 최적화를 통해 성능을 향상시킬 수 있다.

애니메이션 압축: 애니메이션 데이터를 압축하여 메모리 사용량을 줄이다.
애니메이션 블렌드 트리 최적화: 불필요한 블렌드 트리를 제거하고, 필요한 애니메이션만 활성화하여 CPU 부담을 줄이다.
루트 모션(Root Motion) 사용 최소화: 루트 모션을 과도하게 사용하면 성능에 영향을 미칠 수 있다. 필요한 경우에만 사용하도록 한다.

4. 스크립트 최적화

비효율적인 스크립트는 CPU 사용량을 증가시켜 프레임 속도를 저하시킬 수 있다. 스크립트 최적화를 통해 성능을 개선할 수 있다.

불필요한 업데이트 제거: 매 프레임마다 실행되는 Update() 함수 내의 불필요한 코드를 제거한다.
코루틴 활용: 복잡한 작업을 코루틴으로 분리하여 CPU 부담을 분산시킨다.
메모리 할당 최소화: 빈번한 메모리 할당과 해제를 피하고, 객체 풀링(Object Pooling)을 통해 메모리 사용을 최적화한다.

// 예시: 객체 풀링을 통한 메모리 할당 최소화
public class ObjectPool : MonoBehaviour
{
    public GameObject prefab;
    private Queue<GameObject> pool = new Queue<GameObject>();

    public GameObject GetObject()
    {
        if(pool.Count > 0)
        {
            var obj = pool.Dequeue();
            obj.SetActive(true);
            return obj;
        }
        else
        {
            return Instantiate(prefab);
        }
    }

    public void ReturnObject(GameObject obj)
    {
        obj.SetActive(false);
        pool.Enqueue(obj);
    }
}

5. 오클루전 컬링(Occlusion Culling)

오클루전 컬링은 카메라에 의해 가려진 객체의 렌더링을 생략하여 성능을 향상시키는 기법이다.

오클루전 컬링 설정: Unity의 오클루전 컬링 설정을 통해 시야에 보이지 않는 객체를 자동으로 숨깁니다.
카메라 시야 최적화: 카메라의 시야 범위를 적절히 조절하여 불필요한 객체의 렌더링을 방지한다.

오클루전 컬링은 다음과 같은 수식으로 설명할 수 있다:

$Visibility(obj) = \begin{cases} 1 & \text{if } obj \text{ is visible} \\ 0 & \text{if } obj \text{ is occluded} \end{cases}$

여기서 $Visibility(obj)$ 는 객체의 가시성을 나타낸다.

6. 배치 처리 및 드로우 콜 최소화

드로우 콜은 GPU에 객체를 렌더링하라는 명령을 내리는 횟수를 의미하며, 이 수가 많을수록 성능에 부정적인 영향을 미친다.

동적 배칭 활용: Unity의 동적 배칭을 활성화하여 동일한 머티리얼을 사용하는 객체들을 하나의 드로우 콜로 묶습니다.
정적 배칭 사용: 정적인 객체는 정적 배칭을 통해 드로우 콜 수를 줄일 수 있다.
머티리얼 공유: 가능한 한 동일한 머티리얼을 여러 객체에서 공유하여 드로우 콜을 최소화한다.

7. 메모리 관리 및 가비지 컬렉션

효율적인 메모리 관리는 프레임 속도 유지에 필수적이다. 가비지 컬렉션(Garbage Collection)은 메모리 해제를 자동으로 처리하지만, 지나치게 자주 발생하면 프레임 속도에 영향을 미칠 수 있다.

객체 풀링: 앞서 언급한 객체 풀링을 통해 메모리 할당과 해제를 최소화한다.
값 타입 사용: 구조체(struct)를 사용하여 힙 할당을 줄이고, 스택에서 관리되도록 한다.
가비지 컬렉션 피하기: string 등의 참조 타입 대신 StringBuilder를 사용하여 불필요한 메모리 할당을 피한다.

// 예시: StringBuilder를 사용한 문자열 처리
using System.Text;

public class StringHandler
{
    private StringBuilder sb = new StringBuilder();

    public void AppendText(string text)
    {
        sb.Append(text);
    }

    public string GetText()
    {
        return sb.ToString();
    }
}

8. 프로파일링 도구 활용

Unity의 프로파일링 도구를 사용하여 성능 병목 지점을 식별하고 최적화할 수 있다.

Profiler 창: 실시간으로 CPU, GPU, 메모리 사용량을 모니터링한다.
Frame Debugger: 각 프레임의 렌더링 단계를 분석하여 비효율적인 부분을 찾아낸다.
Custom Profiler Markers: 특정 코드 블록의 성능을 측정하기 위해 사용자 정의 프로파일러 마커를 추가한다.

// 예시: 커스텀 프로파일러 마커 사용
using UnityEngine.Profiling;

public class PerformanceTester : MonoBehaviour
{
    void Update()
    {
        Profiler.BeginSample("CustomSample");
        // 성능 테스트할 코드
        Profiler.EndSample();
    }
}