9. D3D 실제 구현

Table of Contents

1.　정점 형식 정의와 레이아웃(Layout)

2.　정점 버퍼(Vertex Buffer)와 정점 쉐이더(Vertex Shader)

3.　픽셀 쉐이더

4.　상수 버퍼 (Const Buffer)

5.　루트서명과 서술자 테이블

6.　셰이더의 컴파일

7.　래스터라이징 단계

8.　파이프라인 객체

9.　기하구조 보조 구조체

1. 정점 형식 정의와 레이아웃(Layout)

정점정보에 위치 이외에 정점 정보(텍스쳐나 색상, 법선벡터)등을 담을 수 있다는 것을 배웠다.

정점 구조체를 사용자 임의로 정의하고 나면 Dx에 해당 구조체의 성분이 무엇을 의미하는지 알려줘야한다. 이 과정을 Layout description이라고 한다,.

 

struct Vertex        // 정점 구조체 예시
{
    XMFloat3    Pos;     // 위치
    XMFloat3    Normal;  // 법선벡터
    XMFloat3    Tex0;    // 텍스쳐1 좌표
    XMFloat3    Tex1;    // 텍스쳐2 좌표
}

D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC vertexDesc[] =      // 정점 쉐이더 레이아웃 예시
{
    { “ POSITION”, 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0 , 0,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
    { “ NORMAL”, 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0 , 12,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
    { “ TEXCOORD”, 0, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT, 0 , 24,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
    { “ TEXCOORD”, 1, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT, 0 , 32,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
};

VertexOut VS(float3 iPos : POSITION,
        float3 iNormal : NORMAL,
        float2 iTex0 : TEXCOORD0,
        float2 iTex1 : TEXCOORD1)

• 레이아웃 구조체 첫 인자는 semantic(“이름”)으로 , 정점셰이더에서 이 이름으로 해당 값을 처리하기 때문에 유효한 이름을 사용해야 한다. 이 시맨틱은 정점셰이더 서명과 구조체 성분을 대응시키는 역할을 한다.
• 두번째 성분은 Semantic index로, 하나의 정점이 여러개 텍스쳐 좌표를 가리킬 수 있는데, 이 때 텍스쳐성분을 간편하게 인덱스로 처리할 수 있도록 색인으로 분류시켜는 인자이다.
• 세 번째 성분은 해당 정점 성분의 자료형을 알려주는 역할을 한다. 위 사용된 것은 32비트 3차원 부동소수점 벡터 이다.
• 네번째 인자는 Input slot으로, 이 성분의 자료를 가져올 정점 버퍼 슬롯의 색인이다.
  여러개의 입력 슬롯을 사용할 때 구분지어서 사용된다.
• 다섯번째 인자는 AlignedByteOffset으로 해당 인자가 구조체 몇번째 바이트부터 자리잡고 있는 지 알려주는 색인이다.
• 여섯번째 인자는 InputSloatClass로 고급 기법인 인스턴싱(복사본 생성)을 할 때 사용된다.
• 일곱번째는 InstanceDatasTepRate로 인스턴싱에 사용된다.

2. 정점 버퍼(Vertex Buffer)와 정점 쉐이더(Vertex Shader)

• GPU가 정점 배열에 접근하려면 그 정점 배열을 버퍼(Buffer)라고 부르는 GPU자원에 넣어두어야 한다.
  정점 버퍼를 생성하려면 다른 자원과 마찬가지로 버퍼 자원을 서술하는 서술자 구조체를 채우고, Create매서드로 생성하면된다.
• 물체 하나당 하나의 정점버퍼(VB)와 하나의 정점 인덱스 버퍼(IB)가 붙는다.
  게임에서 여러 물체를 관리해야 하므로 정점버퍼와 인덱스 버퍼가 여러개면 수시로 버퍼가 바뀌는 변환이 일어나야 할 것이다. 버퍼 변환은 꽤 비용이 큰 작업이므로 최대한 줄이는 것이 최적화를 위한 길이다. 따라서 물체 버퍼 정보를 저장할 때, 하나의 전역 정점버퍼와 전역 인덱스 버퍼로 합치는 방법을 사용하여 버퍼 전환에 따른 API 추가 비용을 피한다.
• 하나의 버퍼로 합치는 과정에서 인덱스버퍼가 꼬이는 과정을 해결해 주어야 한다. 인덱스를 추가할 때마다 DrawIndexedInstance매서드로 인덱스 범위를 불러와 덧붙이는 작업으로 인덱스 버퍼가 꼬이는 것을 해결할 수 있다.
• 정적인 모델들(프레임마다 변하지 않는 모델)을 불러올 때는 최적의 성능을 위해 해당 모델 정점 버퍼들을 기본힙(HEAP_DEFAULT)에 넣는다. 정적 구조물들은 CPU 계산(변환 행렬 계산)이 초기화 이후에 필요하지 않고 GPU만 접근해서 그림을 그리기 때문에 기본힙에 넣어도 무방하다.
• 정점 버퍼 수정하려면 업로드 버퍼를 생성해서 CPU에서 정점 자료를 업로드 버퍼에 복사 -> 업로드 버퍼에서 정점 버퍼로 복사 하여 수정한다.
  
  
  

*TIP*

DX11에서는 자원마다 인터페이스가 달랐다. Dx11Buffer , Dx11Texture2D 등등 ..

DX12부터는 모든 자원의 인터페이스가 ID3D12Resource로 통합되고 내부변수인 DIMENSION필드로 해당 자원의 특성을 정의할 수 있게 되어 깔끔해졌다.

예제 정점 쉐이더

쉐이더는 HLSL(high level shading language)이라는 쉐이더 전용 언어를 이용해서 작성한다.
HLSL은 C++과 문법이 비슷하여 익히기 쉽다. 확장자는 HLSL이다.

 

 

ex) 픽셀 쉐이더 내부 예시

struct Vertex    // 색정보를 가진 정점 구조체 예시
{
    XMFLOAT3    Pos;
    XMFLOAT4    Color;
};


// 쉐이더 파일(.hlsl) 내부
void    VS(   float3    iPosL    : POSITION,     // 입력 정점 내부 pos 변수
          float4    iCOlor    : COLOR,        // 입력 정점 내부 color 변수
          out float4 oPosH : SV_POSITION,   // 출력될 정점의 pos 변수
          out float4 oColor : COLOR)        // 출력될 정점의 color 변수
{
         //입력정점에 월드행렬 곱해서 출력
    oPosH = mul(flaot4(iPosL, 1.0f), gWorldViewProj); 
    oColor = iColor;
}

• POSITION와 COLOR는 앞의 레이아웃에서 정의한 Semantic이다.
• 쉐이더 언어에서는 참조나 포인터가 없기 때문에 매개변수의 out 키워드로 출력값을 설정한다.
• 출력이 여러개일 경우 구조체에 담아 출력할 수 있다.
• 여기서 주의해야할 것은 뷰포트전환까지 끝낸 위치값 SV_POSITION의 앞의 SV_이다. SV는 System value라는 의미로 해당 성분이 위치 값을 가지고 있다는 것을 의미하므로 꼭 위치 성분출력에는 SV를 붙여야한다.
• Color는 정점에서 처리 안하면 아무이름으로 내보내도 상관없다.
• 쉐이더에서 곱한 월드행렬 gWorldViewProj는 파이프라인에 부착된 상수버퍼에 들어있는 값이다.
• 여기서 mul은 HLSL내부의 함수로 벡터 대 행렬 곱셈을 수행한다.

쉐이더 내부에서 입출력 값을 구조체로 묶어서 입출력을 간단하게 만들 수도 있다.

 

ex) 쉐이더 내부(.hlsl)

struct VertexIn
{
    float3 PosL : POSITION;
    float4 Color : COLOR;
}
struct VertexOut
{
    float4 PosL : POSITION;
    float4 Color : COLOR;
}
VertexOut VS(VertexIn vin)
{
    VertexOut    vout;
    ~~
    return vout;
}

 

주의점

• 지오메트리 쉐이더(삼각형 사각형으로 확장)를 파이프라인에서 사용하지 않는다면 정점 쉐이더에서 위치정보의 출력값은 꼭 뷰포트 변환까지 마친 SV_값이 어야한다. 지오메트리 쉐이더가 없으면 GPU가 정점 쉐이더 끝난 정점 값을 VDC상의 [-1,1]의 점으로 보기 때문이다.
• 지오메트리 쉐이더가 파이프라인에 부착되어있으면 지오메트리 쉐이더에서 뷰포트 전환이 이루어진다.
• 사용자는 투영행렬 곱하는것까지만 해주면 된다. 원근 나누기는 하드웨어가 수행하는 작업이므로 하드웨어가 NDC로 보내준다.
• Vertex Shader가 요구하는 입력값을 정점 레이아웃이 충족시키지 못할 경우에는 오류가 발생하지만, 정점 구조체가 추가정보를 담고 있는 것은 허용된다.

 

3. 픽셀 쉐이더

정점 쉐이더를 거친 정점구조체는 래스터 단계에서 삼각형 픽셀들을 따라 보간되며, 보간된 결과가 픽셸 쉐이더에 입력값으로 들어간다.

픽셀 쉐이더의 주 임무는 주어진 입력으로 픽셀 단편의 색상을 계산하는 것이다.

• Pixel Segment (픽셀 단편)
  : 후면 버퍼의 한 픽셀에 최종 선택될 여러 후보 픽셀
• Early -Z rejection
  : 하드웨어 최적화 기법으로 사용되는 기법이다. 픽셸 쉐이더에 도달하기 전에 깊이 컬링 될 것이 분명한 픽셀 단편들을 픽셀 쉐이더로 보내지 않고 제거하는 기법이다. 픽셀 쉐이더에서 깊이 수정을 하는 작업을 구현하면 물론 사용하지 못한다.
  
  

ex) 픽셀 쉐이더 예시

struct VertexIn
{
    float3 PosL : POSITION;
    float4 Color : COLOR;
}
struct VertexOut
{
    float4 PosL : POSITION;
    float4 Color : COLOR;
}
VertexOut VS(VertexIn vin)
{
    VertexOut    vout;
    ~~
    return vout;
}

// VS에서 출력된 VertexOut을 SV입력으로 받는다.
float4 PS(VertexOut pin) : SV_Target  
{
    return pin.Color;
}

• 픽셀 쉐이더는 하나의 정점으로 색상값 하나를 출력한다.
• 픽셀 쉐이더의 입력은 정점 쉐이더의 출력과 일치해야함을 주의한다
• SV_Target의 의미는 픽셀 쉐이더의 반환값이 Render Target의 형식과 일치해야 함을 뜻한다,

 

4. 상수 버퍼 (Const Buffer)

• 상수버퍼는 일반적으로 한 점이 Local 좌표에서 CDB로 변환하는데 쓰이는 World행렬,View행렬,Projection행렬을 하나로 결합한 WorldViewProj 행렬을 포함한다. 변환행렬 전반을 담고 있다고 봐도 무방하다.
• 상수버퍼는 물체가 계속 움직이므로 프레임마다 갱신해줘야한다.
• 변환행렬은 CPU에서 작업하므로, 상수버퍼는 Default 힙이 아니라 Upload 힙에 만들어야한다. 그래야 CPU가 버퍼의 내용을 갱신할 수 있다.
• 상수버퍼에는 특별한 요구조건이 있다. 크기가 반드시 최소 하드웨어 할당크기(256바이트)의 배수여야한다는 것
• 상수버퍼는 보통 물체마다 하나씩 가지고 있으므로 여러개의 상수버퍼가 처리된다.
• 상수 버퍼는 여러개가 존재하므로 하나로 묶은 상수버퍼 배열을 생성해서 관리한다. 또한 상수 버퍼 뷰를 파이프라인에 묶어 어떤 물체를 가리키는 상수버퍼인지를 관리하게 된다.
  
  
  

ex) 상수버퍼 생성

         //상수버퍼 구조체
         struct ObjectConstants
         {
            DirectX::XMFLOAT4X4 WorldViewProj = MathHelper::Identity4X4();
         }


         //업로드 상수버퍼 배열 Comptr
    ComPtr<ID3D12Resource> mUploadCBuffer;

         //구조체 사이즈
         UNIT elementByteSize = d3dUtil::CalcConstantBufferByteSize(sizeof(ObjectConstants));

    device->CreateCommittedResource(
    &CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
    D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
    &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(mElementsByteSize*NumElements),
    D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
    nullptr,
    IID_PPV_ARGS(&mUploadCBUffer));

• mUploadCBuffer는 ObjectConstants 형식의 상수버퍼들의 배열을 담는 버퍼이다. 해당 버퍼배열 mUploadCBuffer 자체를 상수버퍼라고 보기도한다.
• 상수버퍼 256으로 채움은 하드웨어에서 암묵적으로 일어나므로 명시적으로 해줄 필요는 없다.
• 상수버퍼를 업로드 힙에 올렸으므로 CPU에서는 프레임마다 상수버퍼에 접근해서 갱신할 수 있게 된다.
  상수버퍼를 수정하려면 먼저 상수버퍼를 가리키는 포인터를 Comptr내부 Map매서드를 이용해서 받아와야한다.
• 갱신 끝나면 Unmap으로 해제해줘야한다.
  
  

 

Ex) 상수 버퍼 갱신 예시

// 상수버퍼배열(mUploadBuffer)에서 갱신하려는 상수버퍼 불러오기
ComPtr<ID3D12Resource> mUploadBuffer;
BYTE * mMappedData = nullptr;
mUploadBuffer->Map(0, nullptr,reinterpret_cast<void**>(&mMappedData));

... (갱신작업)

// 갱신 완료 후 Unmap해주기
mUploadBuffer->Unmap(0,nullptr);
mMappedData = nullptr;

• 상수버퍼 갱신 시 물체가 이동,회전,스케일이 변하면 월드행렬이, 카메라가 움직이면 시야행렬이, 창의 크기가 변하면 투영행렬이 변하게 된다.

상수버퍼 뷰

• 마찬가지로 상수버퍼를 파이프라인에 묶기 위해서는 상수버퍼 뷰가 필요하다.
• 상수버퍼뷰의 특징은 매개변수에 DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE이라는 쉐이더가 접근 가능하다는 플래그가 지정된다는 점이다.
• 상수버퍼 뷰도 반드시 256의 배수여야 오류가 안난다.

 

5. 루트서명과 서술자 테이블

• 쉐이더 프로그램은 특정 자료들, 예를들어 상수버퍼 같은 것들이 하나의 레지스터 슬롯에 묶여있다고 생각한다. 셰이더 프로그램들은 그 레지스터를 통해 자료에 접근한다.
• 루드 서명(Root Signature)은 그리기 호출 전에 렌더링 파이프라인에 묶여야 하는 자원들이 무엇이고 어떤 레지스터들에 대응되는지를 정의한다.
• 루트 서명은 셰이더들과 호환되어야한다.
• 루트서명은 최대한 작게 만들고 한프레임 안에서 대한 변경이 적어야한다.
• 루트서명이 변경되면 모든 바인딩이 사라진다. 새로운 루트서명 자원을 파이프라인에 다시 묶어야함

 

6. 셰이더의 컴파일

• D3D에서 쉐이더프로그램은 바이트 코드로 컴파일 되어야한다.
• D3DCompileFromFile매서드를 이용해 실행시점에서 셰이더를 컴파일 할 수 있다.
• 셰이더를 오프라인에서 컴파일 할 수도 있다.(빌드과정 또는 파이프라인 공정에서)
  
  
  
  

　　*tip* 오프라인 컴파일의 장점

• 복잡한 셰이더는 컴파일이 오래걸린다. 오프라인에서 쉐이더를 컴파일하면 Loading이 빨라진다.
• 셰이더 컴파일 오류는 빌드과정에서 일찍 점검하는 것이 편하다.
• Windows8 스토어 앱은 반드시 오프라인 컴파일을 사용해야한다.
• 컴파일된 셰이더를 담는 확장자는 .cso(compiled shader object)를 사용한다.
• 오프라인 컴파일된 cso를 사용하면 D3DCompileFromFile 매서드를 사용하지 않아도된다.
• 대신 LoadBinary같은 매서드를 만들어 cso바이트 코드를 프로그램에 적재시켜야한다.
  
  
  

 

 

 

6.1. 어셈블리 코드 생성

• 실행시 /Fc옵션을 주어 어셈블리 코드를 생성할 수 있다.
• 쉐이더의 어셈블리 코드를 출력해서 쉐이더 명령 갯수를 확인하거나 쉐이더 코드 종류를 살펴볼 수 있다.
• 어셈블리 코드는 매우 로우레벨로 평탄화 작업 시킨 코드이므로 대부분의 조건문이 평이문으로 바뀐다.
• 어셈블리를 살펴보면 쉐이더를 파악하는데 도움이 된다.
  
  
  

 

 

 

6.2. Visual Studio 내장 오프라인 셰이더 컴파일

• VS2015부터는 내장 기능으로 HLSL의 오프라인 컴파일을 지원한다
• 하지만 하나의 셰이더당 하나의 .cso파일만 가능하기 떄문에 하나의 파일에 정점과 픽셀 셰이더를 같이 둘 수 없다.

 

 

 

 

 7. 래스터라이징 단계

• 많은 파이프라인 영역이 프로그래머블 해졌지만 설정만 가능한 곳이 있다. 바로 래스터라이징 단계이다. - **래스터라이징 구조체에 설정을 입력하는 것만 가능**하다. - 나머지 작업은 하드웨어가 처리해준다.
  
  
  
  

 

 

8. 파이프라인 객체

•  DX 에서는 각각 단계의 객체들을 실제로 사용하기 위해 파이프라인을 생성해 각 단계를 한 과정으로 묶는다.
•  파이프라인 구조체를 통해 설정을 정하고 생성하면 된다.
•  D3D12_GraPHICS_PIPELINE_STATE_DESC 구조체로 ID3D12PipelineState 인터페이스를 생성하면된다.
•  여기서는 컴파일된 VS와 PS가 필요하므로 미리 컴파일된 바이트 코드를 준비해야한다.
  
  
  
  
  
  
  
  

9. 기하구조 보조 구조체

• 선택(Picking)이나 충돌 감지를 위해서는 CPU가 모델에 접근하기 용이해야 한다.
• 기하구조 보조 구조체는 정점 자료와 인덱스자료를 시스템 메모리에 유지하게 도와줘서 CPU가 쉽게 접근할 수 있도록 만든다.
• 참조자료에 해당 함수 MeshGeometry를 참고해라