니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4
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니시카와젠지의 3D 게임 팬을 위한
「 플레이 스테이션 4」그래픽스」강
좌이민웅
Shader Study
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PS4 성능• PS3의 약 8배!
• PS4 의 코어 프로세서– AMD의 APU
• APU란「Accelerated Processing Unit」의 약자로 소비전력과 퍼포먼스의 밸런스를 제일 중시하여 설계된 CPU와 GPU를 1개의칩으로 집약시킨 통합형 프로세서
– AMD가 2013년 내의 릴리즈 예정인 노트북용 APU인 28nm제조 공정의 프로세스인「Kabini」코어 세대의 테크놀로지를 베이스로 한 커스텀 APU
– CPU는 Jaguar 64비트 8코어• 클럭은 2GHz 전후로 생각
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PS4에서 채택된 APU는 Kabini 세대와 같은 세대
PC용인 것과는 스펙이 다르다
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PS4의 CPU는 Kabini 세대의 APU로 채택된 Jaguar 코어 세대 인 것
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PS4 성능• Jagular 코어는 전력대 성능 효율 부분을 중점으로 맞춘 설계이며, 고 클럭에
서의 동작은 가정되어 있지 않기 때문
• GPU는 같은 AMD의 신세대 GPU코어 아키텍처「Graphics Core Next」(GCN)를 채택
• GPU는 GCN이 컴퓨트 유닛(Compute Unit, 이하CU)18기 구성으로 되어있다라고 발표
• GCN Compute Unit은 1기당 32bit 부동소수점 스칼라 프로세서(Stream Processor,이하 SP)를– 16기당 하나의 그룹으로 해서 4개의 그룹을 내포하는 구조
– PS4의 APU 전체에서는 16기 x 4그룹 x 18CU =1,152기의 SP를 탑재
• SP의 갯수가 1,152기 라고 하면 동 세대 GCN 코어의– AMD RADEON 7850(SP=1,024기)와 RADEON 7870 (SP=1,280기)의 중간 스펙
이라는 것.
– RADEON 7970는 SP=2,048기
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PS4에서 채택된 것
[GCN Compute Unit]를 2개 제거
AMD RADEOsN HD7870
블록 다이어 그램。
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PS4 성능• GPU의 성능은 1.84TFLOPS
– (1.84 TFLOPS÷2)÷1152=약 800MHz
• 메모리 용량 8GB GDDR5– CPU와 GPU가 공유하는 형태
– UMA(Unified Memory Architecture)구성
• 메모리 버스폭은 비공개– 대략 256비트로 가정하
– 메모리 대역 176GB/s
– 176GB/s÷(256bit÷8)=5.5GHz
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PS3에 비해 어느정도의 그래픽스
성능 향상이 있는가• PS3의 그래픽스 성능 1.8TFLOPS = PS4 의 그래픽스 성능 1.84TFLOPS
– 거의 진화가 없었다고 할수있음
– Xbox 360과의 성능값 경합 끝에 마케팅 측에서 매우 부풀린 값
• PS3– PS3의 GPU인 RSX의 베이스 아키텍처는 NVIDIA의 GPU、GeForce 7800 GTX
– VS 8기, PS 24기, VS에는 4way SIMD연산기가 1기, PS에는 4way SIMD연산기가 2기 탑재
– 각 SIMD 연산기는 1클럭당 곱합연산(2ops)이 가능
– RSX의 동작 클럭이 500MHz였던 것을 가정
– VS:(4SIMD×2ops)×8기×500MHz=32 GFLOPS
– PS:(4SIMD×2ops×2기)×24기×500MHz=192 GFLOPS
– 32 GFLOPS + 192 GFLOPS = 224GFLOPS
• PS3와 PS4의 성능비교– 1.84TFLOPS÷0.224TFLOPS=약8.2
– PS3의 그래픽스 메모리 성능 22.4GB/s 176GB/s÷22.4=약7.9
• 그래픽스 성능과 같이 약 8배 정도 향샹
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PS4 에서 CELL 프로세서가 버려진 이유
• CELL 프로세서– 다른 분야에 장점을 가진 아키텍처의 프로세서를 1칩으로 집약화
한이중혼합형 멀티 코어 프로세서
– 소니, 도시바, IBM 3사연합으로 개발
– 아키텍처의 진화에 소극적이었음
– 2010년에 개발 동결• 인텔이 개발하고 있었던 CPU×GPU의 하이브리드 프로세서「Larrabee」
의 개발 동결 큰 원인
– GPGPU솔루션의 진화• 그래픽스 렌더링을 처리하는 프로세서인 GPU에 범용 목적(General
Purpose) 연산을 수행하게 하는 새로운 소프트웨어 패러다임
• 「ComputeShader」,「OpenCL」
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1씬당 수천만 폴리곤 시대로
• PS4는 GPU로써 RADEON HD7800계열GPU를 채택
• DirectX 11.1 세대의 GPU로, SM5.0 그래픽스 아키텍처
– PS3는 NVIDIA GeForce 7800 GTX 베이스
– DirectX 9.0 세대 SM3.0호환의 그래픽스 아키텍처를 채택
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1씬당 수천만 폴리곤 시대로• GPGPU를 적극적으로 활용
– 「KNACK」은 주인공 캐릭터가 몇백, 몇천이라는 오브젝트를 몸에 두르고 있어 그것들을 리얼타임으로 변형시켜 공격/방어를 하는 액션 게임인데, 무수히 많은 오브젝트 각각의 충돌판정, 운동의제어까지 GPGPU에서 수행하고 있을 가능성이 매우 높음
• PS3(DirectX 9 세대)와 PS4(DirectX 11.1세대)의 사이– GPU 퍼포먼스가 8배(필자 추측)향상 된 것부터 베이스의 표현이
한번에 상향
– 일반유저에게 체감하기 쉬운 폴리곤 수로 말하면, PS4 세대의 대작 게임은 씬당 수천만 폴리곤을 넘어설것이다 라고 예상• PS1: 수만폴리곤 PS2:수십만폴리곤 PS3:수백만폴리곤
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【KNACK】
주역 캐릭터는 무수히 많은 3D 오브젝트를 몸에 두르고 싸운다。
무수히 많은 3D 오브젝트에는 대국 물리 시뮬레이션이 적용
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HAVOK의 물리 시뮬레이션 기술데모
가 PS4 개발기기 상에서 리얼타임으
로 동작하고 있는 모습이 공개
GPGPU Havok의 대국 물리 시뮬레이
션。
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1프레임당 수천만 폴리곤 시대로
• 씬당 수천만 폴리곤이 되면 영상용 CG나 프리렌더무비의 지오메트리 밀도와 동등하다 라는 것
• 하이엔드 PC용 GPU로는 이미 당연한 퍼포먼스가되어있기에 놀랄만한 것은 아님
• 스퀘어 ・에닉스의 게임엔진「Luminous Studio」기술 데모에서는 씬당 수천만 폴리곤을 넘어선 수준으로 되어있으며 1프레임당 약 1,000만 폴리곤을리얼타임으로 렌더링
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【「Agni's Philosophy」의 와이어 프레임 】
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「Agni's Philosophy」• 「Agni's Philosophy」는 스퀘어・에닉스의 프리 렌더 무비팀
비쥬얼 워크스가 프리 렌더 무비를 만들어 리얼타임 환경으로이식하는 형태로 개발이 진행된 데모
• 개발 스탭에 의하면 실제 리얼타임 판(≒PS4판)의 Agni's Philosophy 에서는 등장하는 모든 3D모델을 프리렌더판에 있는 지오메트리 밀도를 그대로 가져와서 사용했다는것
• 대량의 폴리곤 3D 모델의 디자인을 PS4 그래픽스 파이프라인에서는 테셀레이션 스테이지를 활용함으로써 대응을 할 수 있었음– 개발/디자인 단계에서는 런타임에서 하이 폴리곤으로 생산한다라
것 (테셀레이션 스테이지 활용)
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「Agni's Philosophy」
この
PS4 실시간랜더링
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Killzone Shadow Fall
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캐릭터 표현 품질의 향상• 인물 표현의 진화
– 「Agni's Philosophy」의 캐릭터 표현
– 안면이나 피부의 표현은 PS3 세대와는 비교가 되지 않을 정도로 진화
• 인간의 피부는 반투명 재질의 피부가 여러 계층으로 겹쳐있는 구조
• 피부에 닿은 입사광 중에 피부의 지질에서 약 6%가 정반사하고, 나머지 94%는 피하에 투과하여 산란하고, 게다가 다시 표피로부터 방출
• 94%의 현상을 피하산란(Subskin Scattering)이라고 부르며 이 개념을 일반화한 현상을 표면하산란(Subsurface Scattering)
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【피하 산란의 개념】
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캐릭터 표현 품질의 향상
• 표면하산란은 3D 게임 그래픽스에서 리얼타임으로 구현하는 것이 어려움
– PS4에서는 GPU의 진화뿐 아니라 셰이더 기술에 진화도 같이되어 구현이 가능하게 된 것
• Agni's Philosophy가 채택하고 있는 이 표면하산란 구현 기법
– Screen Space Subsurface Scattering(SSSS)
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「반사율 확산 프로파일」
(Reflectance Diffusion Profile)• 인간의 피부에 백색광을 비추었을때 피부에서부터 배어 나오
는 빛의 분포와 백색광을 비춘 점에서 바깥 방향을 향해 RGB 3원색의 농담분포를 사전에 획득해놓는다。– SSSS에서는 우선 피부에 대해서 PS3 세대에서도 극히 일반적으
로 사용되었던 보통의 확산반사 라이팅을 수행
• 렌더링 결과를 RDP에서 제곱연산(畳み込み演算)을 수행하도록 해서 뭉갠다。
• 렌더링 결과를 똑같이 뭉개버리면 부자연스러우므로 시점에서봤을때 가까운 위치는 크게 뭉개고, 먼 위치는 작게 뭉개는 듯한 형태의 처리를 수행
• 멀고 가까움을 판별하는데에는 깊이 버퍼의 내용을 참조
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「반사율 확산 프로파일」
(Reflectance Diffusion Profile)
RDP 를 2차원 평면으로 가시화한 그림
대충 어두운 곳에서 자신의 피부를
백색 LED를 비출때에도 이러한 색 분포로 피부가 빛남하나의 광선을 피부에 수직으로 조사(照射)했을 때에
그 조사점(照射点)으로부터의 반경 r에서는 어떤색의 빛이
어느 정도의 밝기가 되어 있는지를 구해서 계측(計測)
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【「Agni's Philosophy」의
SSSS】
SSSS Off。
피부가 마른 느낌
SSSS On。
피부가 촉촉한 지성에 느낌과
투명감이 느껴짐
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Screen Sapce Subsurface Scattering
• 포토샵등의 소프트웨어에서 가우시안 필터를 적용하는 듯한 영상 처리 감각으로 표면하산란을 구현한 것– “Screen Sapce” Subsurface Scattering
• 화면 좌표계(Screen Space)에서 표면하 산란을 표현하는데에 있어서, 화면내에 캐릭터가 10명이 있든, 100명이 있든 거의 같은 부하로 표면하 산란을적용시킬수 있다는 점
• EPIC GAMES의「Unreal Engine4」에서도 사용
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【「Unreal Engine4」의 SSSS 데
모】
피부가 아닌 비취나 호박같은 광석의 질감표현この写真の記事へ
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PS4 타이틀로 개발중인「inFAMOUS: Second Son」
PS4 게임 그래픽스에서는 이정도 레벨에 피부 표현이 당연시 될 것
![Page 29: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/29.jpg)
캐릭터 표현 품질의 향상
• 머리카락의 표현도 크게 진화
– PS3에서는 리트머스 종이같은 것이 두피에 박힌 것 같은 머리카락의 표현이던가 혹은 단발헤어가 주류
– PS4에서는 비쥬얼 계열 뮤지션같은 길고 짧은머리카락이 뒤섞여 있는 듯한 헤어 스타일이나, 애초에 표현이 어려웠던「머리형태」의 표현도 진화
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【마네킹으로 머리형태를 재현
「Agni's Philosophy」는 아티스트가 그린 이미지 일러스트를 바탕으로 프로 헤어 메이크 아티스트가
실제 마네킹을 가지고 해당 머리 형태를 재현하는 작업이 수행
この写真の記事へ
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【 런타임상에서 재현된 주인공 Agni의 머리형태】
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![Page 34: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/34.jpg)
그래픽스 파이프라인
• PS4의 GPU는 DirectX 11.1세대 SM5.0 아키텍처가 베이스
• PS3의 GPU가 DirectX 9.0세대SM3.0아키텍처
– 2세대 사이에서 GPU의 렌더링 파이프라인이 크게 진화
• PS3 세대의 그래픽스 파이프라인
– VS,PS 두가지 셰이더만 존재
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PS3、Xbox 360세대의 그래픽스 파이프라인
PS3
PS3、Xbox 360으로 대표되는 DirectX 9/SM3.0 세대의 그래픽스 파이프라인。
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그래픽스 파이프라인• 지오메트리 셰이더
– 폴리곤(프리미티브) 개수의 조절、생성및 삭제등을 제어할수 있는
• 테셀레이션 스테이지– 폴리곤(프리미티브)의 분할 과 변형등의 처리
• ComputeShader(GPGPU) – GPU를 그래픽스 렌더링 이외의 용도로 사용
• 참고로 닌텐도의 Wii U는 DirectX 10.1 세대의 RADEON HD4000계열 GPU가 채택– 지오메트리 셰이더까지 구현
– GPGPU를 호환하고 있지만 아직 한정적
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【Wii U 세대의 그래픽스 파이프라인】
Wii U로 대표되는 DirectX 10/SM4.0 세대의 그래픽스 파이프라인。
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【PS4 세대의 그래픽스 파이프라인】
PS4(Xbox One)로 대표되는 DirectX 11/SM5.0 세대의 그래픽스 파이프라인。
![Page 39: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/39.jpg)
그래픽스 파이프라인• 지오메트리 셰이더, 테셀레이션 스테이지, ComputeShader같
은 새로운 셰이더가 PC에서는 이미 실용화 하였지만 PC보다는 콘솔 플랫폼에 맞춰 개발을 해야하기 때문에 아주 조금만 사용하는 실정이었음
• PS3、Xbox 360과 같은 DirectX 9 세대 SM3.0 아키텍처의 그래픽스 파이프라인의 활용을 주축으로 해서 설정되어있기 때문
• PS4(XboxOne)이후에서는 새로운 셰이더가 당연시하게 쓰이게 되었기에 게임 개발기술의 진화가 가속화 될 것
• 차세데 게임엔진에서는 새로운 셰이더의 적극활용을 구현하기시작
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GPU 파티클시스템에 의한 100만개
이상의 파티클 표현• 유체물리 시뮬레이션(물, 불꽃,연기)을 적용한 수만개의 파티
클에 구현– 움직임의 계산과 갱신을 CPU측에서 실행
– 렌더링 처리에 대한 지시를 GPU측으로 전달
• PS4세대에서는 지오메트리 셰이더를 사용– 파티클 시스템을 CPU 손을 빌리지 않고 거의 GPU만으로 처리
– ComputeShader에서 처리• 픽셀 셰이더를 이용하는 경우도 있음
– CPU의 동작과는 완전 비동기로 대량의 파티클 제어가 가능
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Epic Games의 Unreal Engine4의 데모에서는 역장을 주어
100만개의 파티클을 개별로 움직이는 모습
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테셀레이션 스테이지 활용에 의해 구현
되는 고품격 표현과 새로운 표현• 테셀레이션 스테이지
– 헐 셰이더• 폴리곤 분할 계획을 담당
– 테셀레이터• 설계된 계획에 따라 폴리
곤을 분할
– 도메인 셰이더• 테셀레이터가 분할한 폴리
곤을 변이 시키는 역할을담당
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테셀레이션 스테이지 활용에 의해 구현
되는 고품격 표현과 새로운 표현• 테셀레이션 스테이지의 활용방법
– LOD(Level of Detail)시스템을 GPU에서 계산하는 방법
– 시점으로부터 거리에 따라 단계 없이 자동적으로 폴리곤 분할을수행하는 것이 가능• LOD 활용을 구현하려면 런타임시의 단계없는 폴리곤 분할을 가정한 테
셀레이션 제어점의 설정이나 방식을 3D모델 제작시부터 만들어야 할 필요가 있다 ( 기존의 3D모델 제작방법이 바뀌어야 함)
• LOD란– 시점으로부터 가까울수록 클로즈업되는 3D모델을 많은 폴리곤으
로 표현
– 시점으로부터 멀수록 작게 렌더링되는 3D모델을 적은수의 폴리곤으로 표현
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테셀레이션 스테이지 활용에 의해 구현
되는 고품격 표현과 새로운 표현• DirectX 11 GPU가 탑재될 것이므로 테셀레이션 스테이지를 전
제로하여 컨텐츠 파이프라인을 구축해도 문제 없을 것
• 테셀레이션 스테이지가 적극 활용되지 못했던 또 다른 이유중의 하나는 특허 문제
• Catmull-Clark 기법의 관련 특허를 가지고 있는 픽사 스튜디오– 영상작품의 경우 Catmull-Clark 기법을 사용한 영상이 작중에 포
함되는 것에는 어떠한 문제도 없다
– 게임의 경우 런타임에 Catmull-Clark기법과 관련한 프로그램 코드가 포함되기 때문에 특허에 저촉됨
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「Geri's Game」에서。Catmull-Clark 기법을 채택한
픽사의 최초 CG 애니메이션 작품
![Page 46: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/46.jpg)
테셀레이션 스테이지 활용에 의해 구현
되는 고품격 표현과 새로운 표현• 픽사는 2012년 여름, 라이센스 프리로 선언
• 게임업계를 포함하여 자유롭게 사용할수 있도록 발표
• 리얼 타임에서 고속으로 동작하는 Catmull-Clark 기법의 프로그램 코드를 모두에게 발표해서 제공하려고 하는 오픈 소스 프로젝트「OpenSubdiv」도 개시
• Catmull-Clark 기법이 게임에도 이용하기 쉽게 되었다라는 것
• Catmull-Clark– 높은 정밀도를 기반한 고 품질의 테셀레이션 기법
– 많은 3DCG 소프트(DCC툴)이 서포트 하고 있음
– CG 업계 표준의 테셀레이션 기법
– 경량판(軽量版)도 존재하는데 Catmull-Clark 곡면을 베지어 패치로 근사하는 Approximating Catmull-Clark(ACC) 기법
![Page 47: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/47.jpg)
픽사는 Catmull-Clark 기법의 관련 특허를 라이센스 프리로 발표
Catmull-Clark 기법을 다양한 플랫폼에서 구현하기 위한 오픈 소스 프로젝트「OpenSubdiv」
![Page 48: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/48.jpg)
【캡콤의 차세대 게임엔진「Panta
Rhei」】
• 캡콤의 차세대 게임엔진「Panta Rhei」
– 테셀레이션 스테이지를 높은 수준으로 활용한
게임엔진
– Approximating Catmull-Clark(ACC) 기법사용• http://research.microsoft.com/en-us/um/people/cloop/accTOG.pdf
– 「deep down」도 개발중
![Page 49: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/49.jpg)
캠콤의 차세대 게임 Panta Rhei Engine : deep down
![Page 50: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/50.jpg)
캠콤의 차세대 게임 Panta Rhei Engine : deep down
![Page 51: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/51.jpg)
테셀레이션 스테이지 활용에 의해 구현
되는 고품격 표현과 새로운 표현• 도메인 셰이더
– 분할된 폴리곤 모델을 변이(変移)시키는 처리계를 담당
– 변위량을 텍스처에서 줄수 있다.• 예를들어 인체 캐릭터의 기본형태에 대해서 몬스터 형태의 변
위 텍스처를 주어 몬스터 모델링
• 일반적인 인간형태의 변위 텍스처를 주어 인간 모델로 하는것도 가능
• 혹은 인간형태 변위텍스처로부터 몬스터 형태 변위텍스처로점점 변화하도록 도메인 셰이더를 사용한다면 인간으로부터몬스터로 변신하는 모핑표현도 할 수 있음
![Page 52: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/52.jpg)
![Page 53: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/53.jpg)
동일한 러프모델에 대해서 다른 테셀레이션을 처리하여
다른 변이(変移) 텍스처에서 디테일을 준다면
다른 캐릭터의 모델 표현도 가능
![Page 54: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/54.jpg)
테셀레이션 스테이지 활용에 의해 구현
되는 고품격 표현과 새로운 표현• 모발 표현에도 이용할 수 있음
• 폴리곤뿐만 아니라 선분을 다루는 것도 가능하기에 선분에서 주어진 머리카락을 필요한 정밀도로 분할하여곡면화하는것도 가능
• 선분을 다룰때에 사용할 수 있는 특별한 모드「IsolineTessellation」도 모발표현에 사용할수 있다。
• Isoline Tesselation– 주어진 선분에 일정 거리 사이를 띠고 그 선분을 복제하는
등치선(Isoline)을 생성하는 것이기에 이것을 응용하여 1개의 머리카락을 여러개로 늘릴수 있는 것
![Page 55: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/55.jpg)
【DirectX 11 세대의 테셀레이션】
GPU에서 이용할수 있는 테셀레이션 패턴
![Page 56: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/56.jpg)
입력된 선분으로부터 등치선을 생성하는
Iso line Tessellation은 모발표현에서 사용가능할수 있다
![Page 57: 니시카와젠지의 3 d 게임 팬을 위한 ps4](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050818/55a25d221a28ab822b8b4769/html5/thumbnails/57.jpg)
【「Agni's Philosophy」의 모발 처리】
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감사합니다
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