Unity DirectCompute 튜토리얼 시리즈 번역 - 4

개인 학습 및 정보 공유 차원에서 Unity에서의 DirectCompute(compute shader를 사용한) 튜토리얼 시리즈 번역을 할 예정입니다. 원작자에게 허가를 받은 사항입니다.

현재 6편이 포스팅되어 있으며 가능한 하루에 하나씩 번역해 올릴 생각입니다.

원문은 ScrawkBlog (http://scrawkblog.com/)에서 보실 수 있습니다. 좋은 자료가 많이 있으니 관심 있으신 분들은 한번 들어가 보세요.

(*제가 추가한 부분은 역주 표시가 되어있으며, 일부 한/영 번역이 일관성이 부족할 수 있습니다.)

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Unity를 위한 DirectCompute 튜토리얼 : 버퍼
- From ScrawkBlog (http://scrawkblog.com/)

 DirectCompute에는 여러분이 사용할 두 종류의 데이터 구조가 있습니다. 텍스쳐와 버퍼입니다. 지난 튜토리얼에서는 텍스처에 대해 다루었고, 오늘은 버퍼에 대해 다룰 것입니다. 텍스처는 필터링이나 밉맵핑과 같은 색상 데이터를 다룰 때 좋고, 버퍼는 정점 위치나 법선과 같은 정보의 표현에 더 적합합니다. 버퍼는 GPU로 데이터를 보내거나, GPU에서 데이터를 받는 것을 가능하게 하고, 이는 Unity에서는 약간 부족한 기능입니다.(역주: DirectCompute를 사용하지 않을 경우)
 Structured, append, consume, counter, raw의 5종류 버퍼가 존재합니다. 오늘은 structured buffer만을 다룰 예정인데, 이 버퍼가 가장 흔히 사용되는 버퍼입니다. 나머지 종류는 다른 개별적인 튜토리얼에서 다룰 것인데요, 이러한 버퍼들은 좀 더 고급 기능을 가지고 있고, 그래서 기본부터 시작할 필요가 있습니다.
 C# 스크립트를 만들어서 시작해보죠. BufferExample이라는 스크립트를 만들고 아래 코드를 붙여 넣어보세요.

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class BufferExample : MonoBehaviour
{
    public Material material;
    ComputeBuffer buffer;

    const int count = 1024;
    const float size = 5.0f;

    void Start ()
    {

        buffer = new ComputeBuffer(count, sizeof(float)*3, ComputeBufferType.Default);

        float[] points = new float[count*3];

        Random.seed = 0;
        for(int i = 0; i < count; i++)
        {
            points[i*3+0] = Random.Range(-size,size);
            points[i*3+1] = Random.Range(-size,size);
            points[i*3+2] = 0.0f;
        }

        buffer.SetData(points);
    }

    void OnPostRender()
    {
        material.SetPass(0);
        material.SetBuffer("buffer", buffer);
        Graphics.DrawProcedural(MeshTopology.Points, count, 1);
    }

    void OnDestroy()
    {
        buffer.Release();
    }
}

 버퍼의 내용을 그릴 material이 필요하니 일반 Cg 셰이더를 만들고, 아래 코드를 붙여넣으신 뒤 이 셰이더를 사용해 meterial을 만드세요.

Shader "Custom/BufferShader"
{
    SubShader
    {
       Pass
       {
            ZTest Always Cull Off ZWrite Off
            Fog { Mode off }

            CGPROGRAM
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma target 5.0
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            uniform StructuredBuffer<float3> buffer;

            struct v2f
            {
                float4  pos : SV_POSITION;
            };

            v2f vert(uint id : SV_VertexID)
            {
                float4 pos = float4(buffer[id], 1);

                v2f OUT;
                OUT.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, pos);
                return OUT;
            }

            float4 frag(v2f IN) : COLOR
            {
                return float4(1,0,0,1);
            }

            ENDCG
        }
    }
}

 이제 씬을 실행하기 위해 메인 카메라에 스크립트를 붙이고, material 속성에 meterial을 할당하세요. 버퍼 데이터를 렌더링하기 위해 “OnPostRender”함수를 사용해야 하고, 이 함수는 카메라에 스크립트가 붙어있을 때만 호출되기 때문에 카메라에 스크립트를 붙였습니다(수정 – 스크립트를 카메라에 붙이고 싶지 않으면 “OnRenderObject”함수를 사용하면 됩니다). 씬을 실행하면 몇 개의 빨간색 점들이 무작위로 나타나는 것을 볼 수 있을 겁니다.
 아래 버퍼 생성 코드를 보세요.

buffer = new ComputeBuffer(count, sizeof(float)*3, ComputeBufferType.Default);

 생성자에 전달된 파라메터들은 count, stride와 type입니다. Count는 버퍼의 요소(element)개수입니다. 이 경우 1024개의 점이 되겠죠. Stride는 버퍼 내 각 요소의 크기를 바이트로 나타낸 것입니다. 버퍼 내 각 요소는 3차원 위치이고, 따라서 float 3개로 구성된 벡터가 필요합니다. Float은 4바이트이고 따라서 4*3크기의 stride가 필요합니다. 저는 개인적으로 명료한 코드를 위해서 sizeof 연산자를 사용하는 것을 선호합니다. 마지막 파라메터는 버퍼의 종류로, 선택적으로 사용할 수 있습니다. 아무 것도 입력하지 않았다면 기본 타입은 structured buffer입니다.
 이제 만들어둔 위치들을 넘겨주기 위해 아래와 같이 버퍼를 만들었습니다.

buffer.SetData(points);

 이 부분이 GPU로 데이터를 넘기는 부분입니다. GPU로 데이터를 넘기거나, 받는 과정은 느리고, 일반적으로 데이터를 보내는 것이 받는 것보다는 빠르다는 것을 유념하세요.(역주: 생각보다 많이 느리더군요…위 예제에서 느낄 수 있는 정도는 아닙니다)
 이제 실제로 데이터를 그려야 합니다. 이 부분은 “OnPostRender”함수에서 실행되어야 하고, 이는 스크립트가 카메라에 붙어있을 때만 호출됩니다. Draw call은 “DrawProcedural”함수를 사용해 아래와 같이 실행할 수 있습니다.

material.SetPass(0);
material.SetBuffer("buffer", buffer);
Graphics.DrawProcedural(MeshTopology.Points, count, 1);

여기에 몇 가지 중요한 부분이 있습니다. 첫 번째는 material pass가 반드시 DrawProcedural 호출 전에 설정되어야 한다는 것입니다. 또한 buffer를 material에 할당해주어야 하고 이는 한번만 하면 됩니다. 제가 하는 것 처럼 매 프레임마다 할 필요는 없습니다. 이제 “DrawProcedural” 함수를 봅시다. 첫 번째 파라메터는 topology type이고 이 경우 그냥 점을 렌더링하는 것이지만 line, line strip, quad나 triangle도 렌더링 할 수도 있겠죠. 그럴 때는 topology에 맞게 데이터를 정렬해 주어야 합니다. 예를 들어, line을 렌더링 할 때에는 버퍼 내 두 점들마다 하나의 line segment가 생성되고, triangle의 경우 세 점들마나 하나의 triangle이 생성 될 것입니다. 다음 두 파라메터는 정점의 개수와 인스턴스 개수입니다. 정점 개수는 그리고자 하는 정점의 개수이고, 이 경우 버퍼에 있는 요소의 개수가 될 것입니다. 인스턴스 개수는 같은 데이터를 몇 번이나 그릴 것인지에 관한 것입니다. 이 경우 점들을 한 번만 렌더링하지만 각 인스턴스를 다른 위치에서 여러 번 렌더링 할 수도 있습니다.
 이제 material 부분입니다. 아래와 같이 버퍼를 uniform처럼 선언하면 됩니다.

uniform StructuredBuffer<float3> buffer;

 버퍼는 DirectCompute에만 존재하므로 셰이더를 SM5로 아래와 같이 설정해 주어야 합니다.

#pragma target 5.0

 정점 셰이더는 “uint id : SV_VertexID“인수를 가져야만 합니다. 그래야만 아래처럼 버퍼 내의 올바른 요소에 접근이 가능합니다.

float4 pos = float4(buffer[id], 1);

 버퍼는 일반적인 데이터 구조로, 이 예제와 같이 float일 필요는 없습니다. 대신 integer를 사용할 수도 있습니다. 아래와 같이 스크립트의 Start함수를 바꾸세요.

buffer = new ComputeBuffer(count, sizeof(int)*3, ComputeBufferType.Default);

int[] points = new int[count*3];

Random.seed = 0;
for(int i = 0; i < count; i++)
{
    points[i*3+0] = (int)Random.Range(-size,size);
    points[i*3+1] = (int)Random.Range(-size,size);
    points[i*3+2] = 0;
}

buffer.SetData(points);

그리고 셰이더의 uniform선언을 아래로 바꾸세요.

uniform StructuredBuffer<int3> buffer;

 Double도 사용할 수 있지만, 셰이더에서의 double precision 사용은 최근 그래픽 카드에서는 자주 지원되지만 아직 그렇게 범용적으로 지원하지는 않는다는 것을 유념하십시오.
float이나 int같은 기본 데이터형만 사용할 수 있는 것도 아닙니다. Unity의 Vector도 아래와 같이 사용할 수 있습니다.

buffer = new ComputeBuffer (count, sizeof(float) * 3, ComputeBufferType.Default);

Vector3[] points = new Vector3[count];

Random.seed = 0;
for (int i = 0; i < count; i++)
{
    points[i] = new Vector3();
    points[i].x = Random.Range (-size, size);
    points[i].y = Random.Range (-size, size);
    points[i].z = 0;
}

buffer.SetData (points);

Uniform은 아래와 같습니다.

uniform StructuredBuffer<float3> buffer;

또한 구조체(struct)를 만들어 사용할 수도 있습니다. Start함수와 그 앞의 구조체 선언부를 아래와 같이 수정하세요.

struct Vert
{
    public Vector3 position;
    public Vector3 color;
}

void Start ()
{

    buffer = new ComputeBuffer (count, sizeof(float) * 6, ComputeBufferType.Default);

    Vert[] points = new Vert[count];

    Random.seed = 0;
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        points[i] = new Vert();

        points[i].position = new Vector3();
        points[i].position.x = Random.Range (-size, size);
        points[i].position.y = Random.Range (-size, size);
        points[i].position.z = 0;

        points[i].color = new Vector3();
        points[i].color.x = Random.value > 0.5f ? 0.0f : 1.0f;
        points[i].color.y = Random.value > 0.5f ? 0.0f : 1.0f;
        points[i].color.z = Random.value > 0.5f ? 0.0f : 1.0f;
    }

    buffer.SetData (points);

}

그리고 셰이더는 아래와 같이 바꿔보세요.

Shader "Custom/BufferShader"
{
    SubShader
    {
        Pass
        {
            ZTest Always Cull Off ZWrite Off
            Fog { Mode off }

            CGPROGRAM
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma target 5.0
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            struct Vert
            {
                float3 position;
                float3 color;
            };

            uniform StructuredBuffer<Vert> buffer;

            struct v2f
            {
                float4  pos : SV_POSITION;
                float3 col : COLOR;
            };

            v2f vert(uint id : SV_VertexID)
            {
                Vert vert = buffer[id];

                v2f OUT;
                OUT.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, float4(vert.position, 1));
                OUT.col = vert.color;
                return OUT;
            }

            float4 frag(v2f IN) : COLOR
            {
                return float4(IN.col,1);
            }

            ENDCG

        }
    }
}

전과 같이 점들을 그리지만 이제는 랜덤한 색상으로 나타날 것입니다. 클래스는 사용할 수 없고, 구조체를 사용해야 한 다는 것을 알고 계셔야 합니다.
 버퍼를 사용할 경우 종종 복사를 해야 할 경우가 있습니다. Compute shader를 통해 아래와 같이 간단히 할 수 있습니다.

#pragma kernel CSMain

StructuredBuffer<float> buffer1;
RWStructuredBuffer<float> buffer2;

[numthreads(8,1,1)]
void CSMain (uint id : SV_DispatchThreadID)
{
    buffer2[id] = buffer1[id];
}

 Buffer1이 buffer2로 복사되는 것을 볼 수 있습니다. 버퍼는 항상 1차원이기 때문에 1차원의 쓰레드 그룹에서 실행하는 것이 좋습니다.
 텍스처가 객체였던 것처럼 버퍼도 그로부터 호출할 수 있는 함수들이 있습니다. 버퍼 내 요소에 인덱스(역주: 원문은 subscript operator입니다만, 이해하기 쉽도록 약간 의역했습니다)를 사용하는 것과 비슷하게 접근하기 위해 load함수를 사용할 수 있습니다.

buffer2[id] = buffer1.Load(id);

버퍼는 “GetDimension” 함수도 있습니다. 이는 버퍼 내 요소의 개수와 stride를 리턴해줍니다.

uint count, stride;
buffer2.GetDimensions(count, stride);

버퍼에 대한 부분은 여기까지입니다. 다음 튜토리얼에서는 고급 버퍼 종류에 대해 알아볼 것입니다. Append와 consume 버퍼에 대한 내용과 “DrawProceduralIndirect”함수를 어떻게 사용하는지, 그리고 이 함수에 전달되어야 하는 argument buffer를 어떻게 사용하는 지에 대해 다룰 것입니다. 오늘 여기까지 하면 DirectCompute의 기본 기능에 대해서는 마쳤다고 볼 수 있습니다. 여기서부터는 대부분의 내용이 고급 기능이라고 생각하시면 되겠습니다.

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