그래픽스 공부 1 - 렌더링 파이프라인

원문 작성일: 2026-09-07

파이프라인이란?
여러 명령어가 중첩되어서 프로그램이나 하나의 작업을 실행하게 도와주는 과정(연산의 집합)

렌더링 파이프라인(레스터라이제이션)

• 레이트레이싱 파이프라인
• 레스터라이제이션 파이프라인
• 메쉬 셰이더 파이프라인

시대가 변해도 달라지지 않은 공부
1. 업데이트 되는 그래픽스 라이프러리
2. 3차원 데이터를 어떻게 2차원 데이터로 변환할 수 있는가?
3. 위의 과정에서 어떤 알고리즘과 어떤 수학적 로직이 사용되는지

Input Assembler 파이프라인

3차원 모델 하나를 3차원 세상에 나타내기 위해서 가장 먼제 해야 하는 것은?

모델은 점 = vertex로 이루어져 있고 점이 모여 폴리곤 = 점들의 집합이 된다.

게임에서는 주로 삼각형을 가지고 3D 폴리곤을 정의하고, 이 정점 데이터들을 운반하는 자료 구조를 Vertex Buffer하고 한다.

정점 버퍼(Vertex Buffer)
정점 데이터는 본래 RAM 공간에 존재한다 이를 GPU에서 연산하기 위해서 GRAM으로 이동시켜 줘야 한다. 이때 GPU 메모리 공간에 Vertex Buffer를 만들어 데이터를 이동시킨다(복사). 추가적으로 파이프라인도 GPU의 메모리에 올려둔다.

Index Buffer
정점들의 인덱스를 저장하고 있는 버퍼들. 삼각형으로 사각형을 그리기 위해서는 6개의 점이 필요하다(2 * 3). 사각형을 구성하는 정점을 4개로 두고 한붓 그리기처럼 중복해서 그려주는 방식을 사용하는 기능.

인덱스 버퍼를 통하면 정점이 4개만 존재하더라도 사각형을 삼각형 기반으로 그릴 수 있게 된다.

GPU
3차원 데이터를 2차원 모니터에 출력을 도와주는 하드웨어

CPU와의 차이점
CPU내의 ALU 연산장치가 무거운 연산을 가능하게 하지만 숫자가 적고 GPU의 ALU는 모니터의 픽셀 하나 하나에 색을 넣기 위한 목적이기에 가벼운 연산을 위해 존재하는 대신 숫자가 많다

Primitive Topology
정점들을 이용하여 어떤 도형을 만들어야 하는지 알려주는 정보

Input Assembler는 정점들의 데이터를 읽고 도형으로 조립하는 단계의 일을 한다.

Vertex Shader 단계

Input Assembler에서 받은 점정 정보들의 정보로 도형을 그렸지만 해당 정보들은 로컬 좌표계에 있기 때문에 해당 데이터들을 화면에 그대로 출력시 0, 0, 0에 겹쳐 렌더링되기에 월드 좌표계 = 공간 좌표계로 변환해야 한다.

Local Space에서 World Space 로의 변환이 필요할때, 혹은 플레이어 = 카메라가 중신이 되는 공간, View Space로의 변환도 필요하다. 마지막으로 Projection 변환을 거쳐서 최종적인 Clip Space라는 공간으로 변환해준다.

월드 공간 변환

Local Space은 3차원 세상에서 표현될 자신을 기준으로 정점을 정의한 영역이다. 해당 좌표계 값을 제각각의 위치로 정의하는 World Space로 이동시키는 변환이다.

카메라 공간

월드 변환이 완료되면 모든 물체가 한 공간에 모여지면 특정 시점에서 물체를 관찰할 수 있게 해야 한다. 이때 관찰자 시점의 가상 카메라가 필요하며, 이 카메라가 볼 수 있는 공간을 뷰 공간이라고 한다.

월드 공간의 모든 물체를 카메라 공간으로 변화하게 되면 효율적으로 여러가지 효과나 렌더링을 진행할 수 있다.

카메라의 시점은 시야각 제한이 생기는데, 이때에 Field Of View, Aspect 등에 의해 제한되는 가시 영역을 뷰 볼륨이라고 한다. 이렇게 생성된 뷰 볼륨에 Near, Far 정보를 전달하여 절두체의 영역을 다시 정의한다.

View Frustrum

절두체 공간의 밖에 있는 물체는 그리지 않는데, 이는 계산의 효율성을 위해 도입된 개념이다. 물체가 절두체의 경계에 걸치면 밖 부분은 렌더링을 하지 않는데, 이를 Clipping이라고 한다. 해당 연산은 카메라 변환에서 이뤄지지 않고 이후 Clip Space => Rasterizer 를 수행할때 연산된다.

투영 변환

카메라 변환에서 월드의 모든 물체를 카메라 공간으로 정점을 재계산 하였을때 해당 공간은 아직 3차원이다. 컴퓨터 모니터는 2차원의 배열이기에 앞에서 계산한 3차원 공간을 어떻게 2차원으로 어떻게 표현할 수 있는지 생각해야 한다.

이는 이미 정의되어 있는데, 이를 원근법이라 표현한다.

투영 변환은 원근법을 구현하기 위해 카메라 공간에서 정의된 절두체를 3차원 클립공간으로 변환하는 것을 의미한다.

투영 변환은 3차원의 물체를 2차원 평면으로 바꾸는 것이 아니라 3차원 물체로 변환되는 것을 주의해야 한다.

투영 변환을 거친 물체들을 확인할시 절두체 뒤쪽의 폴리곤은 작아지게 되는데, 이것이 원근법이 적용되었다 할 수 있다.

왜 바로 2차원 변환을 하지 않는가?
절두체는 복잡한 정보이기에 연산이 매우 복잡해진다. Camera Space => Clipping Space로의 변환을 통해 연산식을 단순화 하는 과정이 투영 변환이다.