Pixel Processing - Fragment Shading

Pixel Processing의 첫 번째 단계: Fragment Shading

이번에는 Pixel Processing 단계의 첫 번째 단계인 Fragment Shading에 대해 알아보자.
Fragment Shading은 Rasterization 단계에서 생성된 프래그먼트들의 최종 색상 및 속성을 계산하는 단계이다.
이 단계에서는 조명, 텍스처 매핑 등 다양한 계산이 이루어진다.

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Fragment Shading의 역할

Fragment Shading은 각 프래그먼트의 최종 속성을 결정하는 과정으로, 우리가 보통 작성하는 Fragment Shader를 통해 구현된다.
조명, 텍스처, 반사, 굴절 효과 등 다양한 계산을 수행하며, 이를 통해 다양한 그래픽 효과를 만들어낼 수 있다.
아래는 Fragment Shader에서 구현할 수 있는 주요 작업들이다.

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Fragment Shader에서 수행할 수 있는 작업

1. 조명 모델

프래그먼트의 기본 색상을 빛의 영향을 고려해 계산한다. 잘 알려진 조명 모델로는 Phong, Blinn-Phong, PBR이 있다.

• Phong 조명 모델
  • 간단하고 직관적인 모델로, 다음 세 가지 요소를 사용한다:
    • Ambient Lighting: 주변광.
    • Diffuse Reflection: 확산 반사.
    • Specular Reflection: 반사광.
  • 계산이 간단하면서도 꽤 자연스러운 결과를 제공한다.
• Blinn-Phong 모델
  • Phong 모델의 단점을 개선한 모델.
  • 반사광 계산에서 빛 벡터와 뷰 벡터 대신 법선 벡터와 하프 벡터(Half Vector)를 사용하여 더 자연스러운 반사광을 표현한다.
• PBR(Physically-Based Rendering)
  • 물리 기반 조명 계산을 적용하여 가장 사실적인 표현을 구현한다.
  • 주요 개념
    • 에너지 보존 법칙: 표면에서 반사되는 빛의 양이 들어오는 빛을 초과할 수 없다.
    • Material 특성: 금속성(Metallic)과 거칠기(Roughness)을 고려.
    • Fresnel 효과: 빛의 입사각에 따라 반사율이 달라지는 현상.

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2. 텍스처 매핑

Rasterization 단계에서 보간된 텍스처 좌표를 사용하여 텍스처 데이터에서 색상 값을 샘플링하고, 이를 적용한다.

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3. 환경 매핑

물체 표면에 주변 환경을 반사하는 효과를 구현한다.

• Cube Map 텍스처를 사용해 환경 정보를 저장.
• 표면에서 반사된 벡터를 이용해 적절한 Cube Map 색상을 샘플링하여 반사 효과를 구현.

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4. 노말 매핑

Normal Map과 TBN 좌표계(Tangent-Binormal-Normal)를 사용하여 프래그먼트별로 고유한 법선 벡터를 계산한다.
이를 통해 조명 효과를 더 정교하게 표현할 수 있다.

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5. 굴절 효과

환경 매핑과 유사하지만, 반사 벡터 대신 굴절 벡터를 사용해 빛의 굴절 효과를 표현한다.

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6. 알파 테스트

특정 조건을 만족하지 못하는 프래그먼트를 삭제하는 기능.

• 구현 방법

  if (alpha < threshold) discard;

   
• 알파 블렌딩은 Merging 단계에서 처리되지만, 알파 테스트는 Fragment Shader에서 구현해야 한다.

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7. 섀도우 매핑

Shadow Map을 생성하여 두 번째 렌더 패스에서 그림자를 그리는데 사용할 수 있다.

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8. HDR (High Dynamic Range)

• 빛의 색상을 더 넓은 범위의 부동 소수점 값으로 표현하여 밝고 어두운 부분의 디테일을 살린다.
• 톤 매핑을 적용해 최종 색상을 [0.0,1.0] 범위로 변환하여 사용한다.

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9. 포스트 프로세싱

렌더링된 이미지에 특수한 효과를 추가한다. 보통 두 번째 렌더링 패스에서 수행된다.

• Bloom
  • 밝은 부분의 빛 번짐 효과를 추가해 더 사실적인 장면을 표현.
• Motion Blur
  • 빠르게 움직이는 물체의 흐림 효과를 적용해 속도감을 표현.
• 톤 매핑
  • HDR 데이터를 LDR로 변환하여 디스플레이에 출력.
• 감마 보정
  • 이미지의 밝기를 사람의 눈에 더 자연스럽게 보이도록 조정.

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10. 애니메이션 효과

시간 값을 기반으로 물결 효과, 텍스처 이동 등의 애니메이션을 구현할 수 있다.

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Fragment Shading의 출력

• 최종 계산된 색상 값을 fragColor에 저장한다.
• 이 값은 Framebuffer에 기록되어 화면 출력에 사용되거나, 다음 렌더링 패스의 입력으로 활용된다.

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결론

Fragment Shading은 렌더링 파이프라인에서 프래그먼트의 최종 색상과 속성을 계산하는 핵심 단계이다.
이 단계에서 조명, 텍스처, 반사, 굴절 등 다양한 계산을 수행하며, 이를 통해 최종적으로 렌더링 결과의 퀄리티를 결정하게 된다.
Pixel Processing의 다음 단계에서는 이 데이터를 활용해 색상 값을 합성하고 최종 이미지를 생성한다.