Shader) UnityRenderPipeLine

2025-03-10

오늘부터 Unity Shader에 관련해 공부하며, 습득한 것들을 다시 뒤돌아 볼 수 있도록, 조금씩 정리, 작성 해 보려한다.

Render Pipeline

현재 Unity 버전에서는 세 가지 종류의 Render Pipeline이 있다.

Built-in RP(기본 렌더 파이프라인)
Universal RP(이전 버전에서는 Lightweight RP로 불림)
High-Definition RP(HD RP)

파이프 라인이란?

일련의 단계를 거쳐 더 큰 작업을 수행하는 과정을 의미한다.
즉, 여러 개의 단계가 순차적으로 실행되면서 전체적인 작업을 처리하는 방식이다.

Render Pipeline이란?

3D 객체(폴리곤 오브젝트)가 화면에 렌더링되기까지 거치는 전체 과정을 의미한다.
각 Render Pipeline마다 고유한 특징이 있으며, 사용 중인 파이프라인의 종류에 따라 화면상의 오브젝트의 외형 및 최적화 방식이 달라진다.

예를 들어, 다음 요소들이 영향을 받는다.

재질(Material) 속성
광원(Light Source)
텍스처(Texture) 처리 방식
셰이더 내부의 연산 방식

Render Pipeline의 기본 아키텍처

Unity는 Render Pipeline의 아키텍처를 4가지 단계로 나눈다.

Application Stage(애플리케이션 단계)
Geometry Processing Phase(지오메트리 처리 단계)
Rasterization Stage(래스터라이제이션 단계)
Pixel Processing Stage(픽셀 처리 단계)

이 모델은 실시간 렌더링 엔진에서 사용되는 기본적인 Render Pipeline 모델이다.

애플리케이션 단계 (Application Stage)

애플리케이션 단계는 CPU에서 시작되며, 씬(Scene) 내에서 발생하는 여러 작업을 처리하는 역할을 한다. 예를 들어, 다음과 같은 작업이 이 단계에서 수행된다.

충돌 감지 (Collision Detection)
텍스처 애니메이션 (Texture Animation)
키보드 입력 (Keyboard Input)
마우스 입력 (Mouse Input)

기능

저장된 메모리 데이터를 읽어 기하학적 기본 요소(Primitives)를 생성한다.
- 예: 삼각형, 선, 정점(Vertex) 등
애플리케이션 단계가 끝나면, 이 정보가 지오메트리 처리 단계(Geometry Processing Phase)로 전달된다.
이후 행렬 곱셈(Matrix Multiplication)을 이용한 정점 변환(Vertex Transformation)이 진행된다.

지오메트리 처리 단계 (Geometry Processing Phase)

우리가 컴퓨터 화면에서 보는 이미지는 CPU가 요청한 뒤 GPU에서 처리된다.

이 과정은 두 가지 주요 단계를 거친다.

렌더 상태(Render State) 구성
- Geo 처리 단계부터 픽셀 처리 단계까지 포함하는 일련의 과정을 설정하는 단계
객체(Object) 그리기
- 설정된 상태를 기반으로 화면에 객체를 렌더링

GPU에서 진행되며, 정점(Vertex) 처리 작업을 수행하는 단계이다.

이 단계는 4개의 하위 프로세스로 나뉜다.

Vertex Shading(정점 셰이딩)
Projection(투영)
Clipping(클리핑)
Screen Mapping(스크린 맵핑)

Vertex Shader Stage(정점 셰이더 단계)의 역할

객체의 정점(Vertex) 위치를 계산한다.
계산된 정점 위치를 다양한 좌표 공간(Space Coordinates)으로 변환하여 화면에 투영(Projection)할 수 있도록 한다.

이 과정에서 정규 벡터(Normals), 탄젠트(Tangents), UV 좌표(UV Coordinates) 등의 속성을 다음 단계로 전달할 수 있다.

Projection(투영)과 Clipping(클리핑)

투영 방식은 카메라(Camera) 설정에 따라 달라진다.
- Perspective
- Orthographic, 평행 투영
렌더링 프로세스는 카메라 절두체(Camera Frustum), 뷰 공간(View-Space)

내에 있는 요소만을 처리한다.
- 예를 들어, 씬에 있는 구의 절반이 카메라 프러스텀 밖에 있다면
  - 절두체 안에 있는 부분만 화면에 투영
  - 절두체 밖의 영역은 렌더링에서 제외(Clipping)

Screen Mapping(스크린 맵핑)

클리핑된 오브젝트는 메모리에 저장된 후 2D 화면 좌표(Screen Coordinates)로 변환된다.
이를 스크린 좌표(Screen Coordinates) 또는 윈도우 좌표(Window Coordinates)라고 한다.

래스터라이제이션 단계 (Rasterization Stage)

이제 객체는 2D 화면 좌표를 가지며, 픽셀(Pixel)로 변환되는 과정을 거친다.

이러한 화면 픽셀을 찾아내는 과정을 래스터라이제이션(Rasterization)이라고 한다.

씬(Scene) 내의 객체와 화면의 픽셀을 동기화(Synchronization)하는 과정
두 가지 주요 프로세스로 구성됨

Triangle Setup(삼각형 설정)

객체의 경계선을 정의하는 수학적 방정식을 생성
이 데이터는 다음 과정으로 전달됨

Triangle Traversal(삼각형 탐색)

삼각형 내에 포함되는 모든 픽셀을 나열(Listing)
이때 생성된 픽셀 그룹을 프래그먼트(Fragments)라고 한다.

픽셀 처리 단계 (Pixel Processing Stage)

이 단계에서는 이전 과정에서 생성된 픽셀 데이터를 기반으로 최종 Color를 계산한다.

이 과정이 끝나면 픽셀들이 화면에 렌더링된다.

Pixel Shader Stage(픽셀 셰이더 단계)의 역할

각 픽셀의 가시성(Visibility)을 결정
픽셀의 최종 색상을 계산하여 컬러 버퍼(Color Buffer)에 저장
이후, 완성된 이미지가 화면에 출력.

Sanghun Lee