21. 인스턴싱 (Instancing)과 절두체 선별 (Frustum Culling)

Table of Contents

1.　하드웨어 인스턴싱(Hardware Instancing)


2.　인덱스 인스턴싱(Index Instancing)


3.　경계 조건(Bounding Condition)

　　3.1 경계 상자(bounding box)

　　3.2 경계 구(bounding sphere)

　　3.3 절두체(Frustum)


4.　교차 판정

　　4.1 절두체 대 구 교차

　　4.2 절두체 대 AABB 교차

　　4.3 절두체 컬링

 

1. 하드웨어 인스턴싱(Hardware Instancing)

• 인스턴싱(Instancing)은 한 장면에서 같은 물체를 여러 번 그리는 것을 말한다.
• 같은 물체지만 위치나 방향, 재질, 텍스쳐, 축척 등을 다르게 해서 다른 물체인 것처럼 표현하는 방법이다.
• 인스턴싱의 가장 큰 목표는 그리기 횟수(API 호출 횟수(CPU부담))을 최대한 줄이는 것에 있다.
• 인스턴싱(복제)할 물체를 정점과 인덱스를 한번만 저장해놓고 월드 좌표와 재질들만 바꿔서 여러번 그리는 것이 효율적이다.
• 하지만 이 방법을 사용하면 메모리 사용량은 줄지만 API호출 횟수 부담은 여전히 한 객체당 한번으로 줄지 않는다.
• API 호출횟수가 늘어나면 CPU병목현상이 생긴다. 이를 해결하기 위해 한 프레임당 그리기 호출 횟수를 제한하거나 일괄호출(batching)하는 방법을 사용해왔다.
• DX12부터는 인스턴싱용 API가 제공되며, 동적 색인화를 통해 인스턴싱을 더욱 유연하게 구현할 수 있다.

 

 

2. 인덱스 인스턴싱(Index Instancing)

• 앞선 장에서 이미 인덱스 인스턴싱으로 렌더링을 해왔다. 인덱스카운트가 1일 뿐이었다.

cmdList->DrawIndexedInstanced(ri->IndexCount, 1, ri->StartIndexLocation, ri->BaseVertexLocation, 0);

• 여기서 두번 째 매개변수는 InstanceCount로, 인스턴싱(복제본)을 몇 번 생성해서 그릴 지 선택하는 항목이다.
• 1대신 10을 넣으면 10번 해당 객체를 그리겠지만 같은 위치, 같은 크기와 모형으로 덧붙여 10번 그리기 때문에 아무런 의미가 없다.
• 이를 설정할 추가 인스턴싱 자료가 파이프라인에 장착되어야 한다.
• DX11 버전에서는 인스턴스별 자료를 레이아웃단계에서 설정했다.
• D3D11_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA 대신 D3D11_INPUT_CLASSIFICATION_PER_INSTANCE_DATA로 레이아웃을 설정하면 정점대신 인스턴스별로 파이프라인에 스트리밍된다.
• 그 다음 인스턴싱을 위한 자료를 담은 정점 버퍼를 묶으면 인스턴싱 자료가 파이프라인에 공급되는 방식이었다.
• DX12 버전에서는 조금더 현대적인 방법으로 인스턴싱을 묶을 수 있게 되었다.
• 현대적인 방법은 모든 인스턴스에 대한 인스턴스별 자료를 버퍼에 담아서 사용하는 것이다.
• 이 때 정점 버퍼는 특정 인스턴스에 InstanceID라는 시스템 값으로 접근한다.

1. 인스턴스 버퍼 생성(동적 버퍼(업로드 버퍼))
2. 상수 버퍼 대신 인스턴스 버퍼를 쉐이더에 묶음
3. 쉐이더에서는 인스턴스 인덱스를 통해 각각의 객체를 구별지음
4. 시스템 메모리에서 인스턴스 버퍼는 렌더 타겟의 일부로 저장됨

• 위의 사항에서 중요한 점은 인스턴스 버퍼를 동적버퍼로 만들어야 프레임마다 갱신 시킬 수 있다는 점, 인스턴스 버퍼에는 시야 절두체 내부의 물체만 담겨도 된다는 점이다.
  
  
  

Instancing Struct

// 렌더 타겟 자료 내부에 한 변수로 들어간 인스턴싱 자료 배열
struct RenderItem
{
    ...

    // 인스턴스 데이터는 기존의 상수버퍼의 데이터와 비슷하다. 월드좌표, 메테리얼 인덱스 등을 담고있다.
    std::vector<InstanceData> Instances;

    ...
};

// 프레임 자원에 인스턴스 버퍼를 생성해 저장해놓음
FrameResource::FrameResource(ID3D12Device* device, UINT passCount, UINT maxInstanceCount, UINT materialCount)
{
    ThrowIfFailed(device->CreateCommandAllocator(
        D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT,
        IID_PPV_ARGS(CmdListAlloc.GetAddressOf())));

    PassCB = std::make_unique<UploadBuffer<PassConstants>>(device, passCount, true);
    MaterialBuffer = std::make_unique<UploadBuffer<MaterialData>>(device, materialCount, false);
    InstanceBuffer = std::make_unique<UploadBuffer<InstanceData>>(device, maxInstanceCount, false);
}

 

 

3. 경계 조건(Bounding Condition)

• 절두체 선별을 구현하려면 경계 입체와 절두체의 수학적 표현으로 근사하여야 한다.
• DirectXMath에서 제공하는 DirectXCollision에 담긴 충돌 라이브러리를 사용해 경계 상자(bounding box)를 구현할 수 있다.
• 이 라이브러리는 반직선 대 삼각형 교차와 반직선 대 상자 교차, 상자 대 평면 등 다양한 조합의 교차 판정 매서드를 제공한다.
  
  

 

3.1. 경계 상자(bounding box)

• 주어진 메시를 밀접하게 감싸는 상자로, 이 경계상자와의 충돌 여부로 물체 충돌 판정을 기록할 수 있다.
• 흔히 사용되는 경계 상자로 AABB(Axis-Aligned bounding box)가 있다. 이 경계상자는 상자축이 좌표 축에 평행하여 최솟점과 최댓점 하나만으로도 경계 상자가 정의된다는 이점이 있다.
• 다른 방법으로 중점과 한계 벡터로 경계 상자를 표현할 수도 있다.
• 다른 경계 상자로 OBB(Oriented bounding box)가 있다. 이 경계상자는 로컬에서 계산한 aabb를 월드 좌표로 변환 시킨 경계 상자이다. 항상 특정 방향을 가리키고 있다.
  
  
  
  

 

3.2. 경계 구(bounding sphere)

• 경계 구는 구 형태의 충돌 여부 감지 장치이다.
• 중점과 반지름으로 구성된다.

struct BoundingSphere
{
    XMFLOAT3 Center;
    float Radius;
}

 

3.3. 절두체(Frustum)

• 절두체(각뿔대)는 여러번 살펴 본 시야 범위 도형이다.
• 좌,우,위,아래, 먼평면과 가까운 평면의 6개의 평면으로 이루어진다.
• 상하좌우 평면의 기울기와 먼평면 가까운평면 까지의 거리만 있으면 된다.

struct BoundingFrustum
{
    static const size_t CORNER_COUNT = 8;

    MFLOAT3 Origin;                // 절두체 원점
    XMFLOAT4 Orientation;            // 회전방향 쿼터니엄
    float RightSlope;            // 양의 X 기울기
    float LeftSlope;            // 음의 X 기울기
    flaot TopSlope;                // 양의 Y 기울기
    float BottomSlope;            // 음의 Y 기울기
    float Near, Far;            // 먼평면 가까운평면 Z값
}

 

 

4. 교차 판정

4.1. 절두체 대 구 교차

• 한 평면의 음의 공간(half-space)에 있다면 구가 절두체를 완전히 벗어나있다는 것을 의미한다.
• 절두체가 6개의 평면이므로 총 6번의 평면 - 구 범위 판정을 시행하면 된다.
• 구의 중심이 c이고 반지름이 r, 구와 평면 사이의 거리 k일 때,

 |k| =< r 이면 교차
 |k| > r 이면 벗어남 (음의 공간)

 

4.2. 절두체 대 AABB 교차

• 구와 마찬가지로 6개의 평면에서 교차 판정을 시행한다.

중점을 지나는 AABB의 벡터중 평면 법선과 가장 비슷한 벡터 PQ를 구한다.
 - 점 P가 평면 뒤쪽이고 Q가 평면 앞쪽이면 교차다.
 - P가 평면 앞이면 무조건 벗어난다.
 - Q가 평면 뒤여도 무조건 벗어난다. 

 

4.3. 절두체 컬링

• 하드웨어는 삼각형 절단 단계에서 시야 절두체 밖의 삼각형들을 자동으로 폐기한다
• 하지만 여기까지 도달하는 과정에서 정점들이 거치는 단계가 너무 많아 낭비가 심하다.
• 절두체 컬링을 하면 삼각형들을 미리 걸러내서 연산량을 대폭 줄일 수 있게 된다.

절두체 컬링 방법
1. 물체마다 경계입체로 감싼다.
2. 절두체와 경계입체 충돌 판정을 시행한다.
3. 교차하지 않는 물체들은 파이프라인 입력 단계에서 제외시킨다.

• 카메라 범위가 무한하다고 해도 시야 절두체의 범위는 전체 세계의 6분의 1이다.
• 따라서 전체 물체의 6분의 1이 절두체 컬링단계에서 폐기된다. 계산량이 6분의 1이상으로 줄고 시작하는 것이다.

절두체 컬링 매서드

void InstancingAndCullingApp::UpdateInstanceData(const GameTimer& gt)
{
    XMMATRIX view = mCamera.GetView();
    XMMATRIX invView = XMMatrixInverse(&XMMatrixDeterminant(view), view);

    auto currInstanceBuffer = mCurrFrameResource->InstanceBuffer.get();
    for(auto& e : mAllRitems)
    {
        const auto& instanceData = e->Instances;

        int visibleInstanceCount = 0;

        for(UINT i = 0; i < (UINT)instanceData.size(); ++i)
        {
            XMMATRIX world = XMLoadFloat4x4(&instanceData[i].World);
            XMMATRIX texTransform = XMLoadFloat4x4(&instanceData[i].TexTransform);

            XMMATRIX invWorld = XMMatrixInverse(&XMMatrixDeterminant(world), world);

            // 시야 공간 물체를 로컬 공간으로 옮겨온다.
            XMMATRIX viewToLocal = XMMatrixMultiply(invView, invWorld);

            // 카메라 절두체를 시야 공간에서 물체의 로컬 공간으로 변환한다.
            BoundingFrustum localSpaceFrustum;
            mCamFrustum.Transform(localSpaceFrustum, viewToLocal);

            // 로컬 공간에서 aabb대 절두체 교차 판정을 수행한다.
            if((localSpaceFrustum.Contains(e->Bounds) != DirectX::DISJOINT) || (mFrustumCullingEnabled==false))
            {
                InstanceData data;
                XMStoreFloat4x4(&data.World, XMMatrixTranspose(world));
                XMStoreFloat4x4(&data.TexTransform, XMMatrixTranspose(texTransform));
                data.MaterialIndex = instanceData[i].MaterialIndex;

                // 가시적인 물체의 인스턴스 자료를 인스턴스 버퍼에 추가한다.
                // 교차판정 실패한 물체는 버퍼에 들어가지 않는다.(컬링)
                currInstanceBuffer->CopyData(visibleInstanceCount++, data);
            }
        }

        e->InstanceCount = visibleInstanceCount;

        // 디버깅과 진단을 위해, 가시적인 인스턴스들의 개수와
        // 전체 인스턴스 개수를 출력한다.
        std::wostringstream outs;
        outs.precision(6);
        outs << L"Instancing and Culling Demo" <<
            L"    " << e->InstanceCount <<
            L" objects visible out of " << e->Instances.size();
        mMainWndCaption = outs.str();
    }
}