[DirectX12 - Particle] Chapter 02. Particle System

GitHub : https://github.com/developeSHG/DirectX12-Particle/commits/02.Particle_System

GitHub - developeSHG/DirectX12-Particle: DirectX12 - Particle

 

결과물

 

 

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만약 파티클을 그냥 기존에 했던 렌더링 파이프라인 방식대 렌더링한다면, 그 개수만큼 많은 부하를 잡아먹게 될 것이다.

파티클 자체가 어떤 특수 효과를 내기 위해서 사용하는 거지만, 사실 인게임적인 관점에서 볼 때 중요한 요소라고 볼 순 없다. 그런데 그런 요소가 리소스를 많이 잡아먹게 만들다면 매우 과투자인셈.

 

그래서 어떻게 해결해야 될까?

결론적으로 파티클은 인스턴싱이란 기술이 들어간다.

draw call을 줄이는 것이다.

 

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위의 사진에 렌더링 하는 함수를 살펴보면, 함수의 인자에 InstanceCount 라는 인자를 볼 수 있다.

지금까지는 항상 물체를 하나씩 그려주기 위해서 1을 넣었지만, 만약 인스턴싱을 활용하고 싶다고 하면 또 파티클 시스템에서 약 1000마리 객체를 그려야한다면 1이 아닌 1000을 넣을 것이다.

 

1000을 넣어 실행하게 된다면 렌더링 파이프라인의 I(Input Assembler) 단계에서는 버텍스, 인덱스 버퍼 등의 데이터를 1번만 넣어주게 되지만, 실질적으로 렌더링 파이프라인이 내가 정해진 횟수만큼 1000이면 1000번씩 호출되게 되는 차이가 있다.

 

1000번이 호출된다고 뭐 달라지느냐? 라고 느낄 수 있겠지만, 무엇이 다르냐면 애당초 메쉬에다가 정점 정보를 넘기 횟수 자체가 1번으로 줄어든다는 것이다.

물론사각형처럼 매우 작은 단위의 데이터면 큰 차이가 없을 수 있겠지만, 매우 복잡한 메쉬라면 넘기는 부하를 무시 못 할 것이다. 또 데이터를 파싱함으로써 세팅해야되는 값들이 있을텐데, 그것도 한 번만 실행되는 것이고, 내부적으로 반복해서 실행되는 것이니 빠르게 동작한다.

그래서 이런 작업이 draw call을 줄이는 것이다.

 

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아무튼 1000개씩 그리는 건 좋은데, 똑같은 물체에 대해선 각 물체끼리 구분되어야 하는 개념은 필요하다. 예를 들면,  파티클의 객체가 동일한 위치에 렌더링되는게 아니라, 각각 랜덤하게 좌표가 달라져야 하는 것처럼 말이다.

 

실제로 넘긴 값이 다 동일하다면, 물체를 어떻게 구분할 것인가? 물체를 구분할 수 있는 ID가 필요하지 않을까?

위처럼 쉐이더 코드에서 InstanceID를 통해 각 물체를 구분할 것이다. 0번은 어디로가고, 1번은 어디로가고 이런식으로..

 

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이제 각 물체를 구분했으니, 물체마다의 정보는 어떻게 넘겨야 할까?가 두 번째 문제가 된다.

생각해보면 이전에 빛에 대한 정보를 넘길 때, GLOBAL_PARAMS이라고 전역으로 사용하는 constant buffer에 light에 대한 정보를 넣어 넘겼다.

 

마찬가지로, 파티클도 위의 방식으로 하면 되지 않을까 싶지만, 좋은 방법은 아니다.

왜냐햐면, constant buffer의 가장 큰 문제점이 애당초 setting이 되는 순간에 size가 고정이라는 게 특징이기 때문이다.

빛의 경우는 모두 사용하지 않음에도 LightInfo의 크기를 50개로 최대값을 잡아놓고, 실제 빛의 개수는 count로 따로 관리하고 있는데 그렇게 할 수 밖에 없었던 이유는 buffer 자체가 사이즈가 고정으로 정해져서 사용해야되기 때문이다.

 

또 다른 두 번째 문제는 CPU에서 GPU 사이로 왔다갔다하는 데이터 전송 비용이 굉장히 크다는 데에 있다. 기존에 constant buffer를 사용한다는 것은 cpu에서 원하는 값을 연산해준 다음에, 그것을 gpu에 넘겨서 gpu에서 사용하는 형식으로 활용했었다.

그리고 constant buffer의 const 이름 그대로 GPU에서는 메모리를 read만 가능하고, write는 못한다는 특징이 있기 때문에 런타임에 모두 다 사용하지 않더라도 항상 최대크기를 미리 잡아놓고 세팅해야 된다는 것이다.

 

정리 

- 파티클 1개를 사용하건 1000개를 사용하건 최대 수치 1000에 맞춰서 상수 버퍼를 만들어야 한다는 것.

- 실질적으로 1000개를 일일이 세팅해서 넘긴다해도 그 속도가 너무 느리다.

 

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그래서 어떤 걸 사용해야 하느냐?

Structured Buffer를 사용.

 

Structured Buffer도 gpu에서 사용한다는 프로그래머 관점에서 큰 차이가 없이 gpu에서 사용할 수 있는 메모리라는 점은 변함이 없다.

근데 자체적으로만 보면 constant buffer은 아주 큰 용량을 사용할 수 없다는 단점이 있고, Structured Buffer는 유동적으로 사이즈가 조절이 된다. 그리고 미리 세팅을 명시해주지 않았기 떄문에, 레지스터에다 묶어주는 순간에 결정해줄 수 있다는 장점이 있다.

 

CPU에서 파티클에 대한 모든 정보를 계산해서 넘겨주는 게 아니라, 파티클에 대한 모든 관리와 책임을 GPU가 맡을 것이다. 그게 가능한 이유가 파티클 개개인 서로 연관성이 없고, 독립적이기 때문이다.

Structured Buffer는 거의 배열같은 존재다. 그렇게 파티클은 compute shader로 계산한다. cpu가 하는 게 일일이 연산하는게 아니라 compute shader가 파티클에 대한 정보를 갱신하도록 한다.