6. Deferred Lighting

참고

https://learnopengl.com/Advanced-Lighting/Deferred-Shading
https://www.slideshare.net/slideshow/deferred-shading/1552178?from_search=0#1
https://www.slideshare.net/slideshow/ndc11-deferred-shading/8192630?from_search=1
https://kyuhwang.tistory.com/4?category=523414#Deferred%EC%-D%--%--%EC%-D%B-%EC%A-%--

Deferred Shading

보통 사용하는 방식은 Foward Shading방식이다. 해당 방식은 각각의 오브젝트마다 라이팅을 하는 방식으로 라이트의 개수가 늘어날수록 비용이 많아진다.

Deferred Shading방식은 G-Buffer를 이용한다.

Forwad Shading

기존의 forwad shading의 방식은 아래와 같은 느낌이다. Single-apss -> Multi-light의 코드를 보여주고 있다. 해당 방식의 문제점은 렌더링 되지 않을 Geometry도 라이팅 연산을 하고 mulit lights일 때 관리가 어렵다는 것이다.

무슨 이야기냐면, 라이트가 적용되지 않을 거리의 Geometry도 라이트 모델의 연산을 진행하게 되므로 비용이 증가하게 된다.

for each object do
    for eact light do
        framebuffer = light_model(object, light);

 

Multi-pass, multi-light
이 문제를 해결할 수 있는 방식은 존재한다.

for each light do
    for each object affected by light do
        framebuffer += light_model(object, light);

 

다만, 중복된 작업이 많이 발생한다는 문제점이 존재한다.

G-buffer

G-Buffer에 라이팅 리소스들을 렌더링하고 라이팅에 오브젝트들 대신 G-Buffer를 사용하는 방식이다.

for each object do
    G-Buffer = lighting properties of object;
for each light do
    frameBuffer += light_model(G-Buffer, light);

 

 

이러한 방식이면 라이팅이 O(1)의 시간복잡도로 수행 가능하다. 일종의 Post-Processing처럼 수행되며, 2D 타겟 간의 계산이다. 결국, 화면에 실제로 렌더링 되는 픽셀만 라이팅 계산을 수행한다.

라이팅에 필요한 정보는 아래와 같다.

• Normal
• Position
• Diffuse / Specular albedo, other attributes

그렇다면, G-Buffer를 어떻게 만들어?

MRT(Multi Render Target)을 사용해서, 한 패스에 4개의 렌더 타겟 정보를 렌더링한다

 

 

이러한 채널들을 효율적으로 모두 사용하여 최소한의 RenderTarget을 사용하는 것이 제일 중요하다. 최소한의 RTV를 활용하기 위해 position을 MRT 구조체에 포함시키지 않을 것이다.

    // Texture formats
    static const DXGI_FORMAT depthStencilTextureFormat = DXGI_FORMAT_R24G8_TYPELESS;
    static const DXGI_FORMAT basicColorTextureFormat = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
    static const DXGI_FORMAT normalTextureFormat = DXGI_FORMAT_R11G11B10_FLOAT;

 

여기서 A8의 경우는 알파채널로 전반사 세기(Specualr Power)를 저장하는데 사용된다. 일반적으로 사용하는 전반사 정도는 아주 작은 범위 내에 있으므로 저장하기에 용이하다.

 

DirectX 9를 사용하던 시절에는 렌더링 타겟 형식이 32비트, 즉 채널당 8비트뿐이었기 때문에 각 버텍스 셰이더에 대한 노말 채널은 24바이트의 데이터를 가졌다. 반면 최신 DirectX 11의 경우 세 채널이 32비트 렌더링 타겟을 사용할 수 있게하는 형식을 제공한다. 따라서 R11G11B10을 할당할 수 있게 되었다.

 

이렇게 포맷을 정하고서 Texture2D -> RTV(or DSV) -> SRV를 차근차근 만들어주면 된다.

#include "Common.hlsli"

Texture2D albedoTex : register(t0);
Texture2D normalTex : register(t1);
Texture2D aoTex : register(t2);
Texture2D metallicTex : register(t3);
Texture2D emissiveTex : register(t4);

cbuffer MaterialConstants : register(b0)
{
    float3 albedoFactor; // baseColor
    float roughnessFactor;
    float metallicFactor;
    float3 emissionFactor;

    int useAlbedoMap;
    int useNormalMap;
    int useAOMap; // Ambient Occlusion
    int invertNormalMapY;
    int useMetallicMap;
    int useRoughnessMap;
    int useEmissiveMap;
    float dummy3;
};

struct VSToPS
{
    float4 position : SV_Position;
    float2 texcoord : TEXCOORD0;
    float3 normalWorld : NORMAL0;
    float3 tangentWorld : TANGENT0;
};

struct PSOutput
{
    float4 normal : SV_TARGET1;
    float4 diffuse : SV_TARGET0;
};

float3 GetNormal(VSToPS input)
{
    float3 normalWorld = normalize(input.normalWorld);

    if (useNormalMap) // NormalWorld를 교체
    {
        float3 normal = normalTex.SampleLevel(linearWrapSampler, input.texcoord, lodBias).rgb; // 범위 [0, 1]
        normal = 2.0 * normal - 1.0; // 범위 조절 [-1.0, 1.0]

        // OpenGL 용 노멀맵일 경우에는 y 방향을 뒤집어줍니다.
        normal.y = invertNormalMapY ? -normal.y : normal.y;

        float3 N = normalWorld;
        float3 T = normalize(input.tangentWorld - dot(input.tangentWorld, N) * N);
        float3 B = cross(N, T);

        // matrix는 float4x4, 여기서는 벡터 변환용이라서 3x3 사용
        float3x3 TBN = float3x3(T, B, N);
        normalWorld = mul(normal, TBN);
    }
    normalWorld = 0.5 * (normalWorld + 1.0);
    return normalWorld;
}

PSOutput PackGBuffer(float3 baseColor, float3 normal)
{
    PSOutput output = (PSOutput) 0;
    output.normal = float4(normal, 1.0);
    output.diffuse = float4(baseColor, 1.0);

    return output;
}

PSOutput main(VSToPS input)
{
    float4 albeoColor = useAlbedoMap ? albedoTex.Sample(linearWrapSampler, input.texcoord) : float4(albedoFactor, 1.0);
    float3 normal = GetNormal(input);
    return PackGBuffer(albeoColor.xyz, normal);
}

 

위의 코드는 내 GBufferPS.hlsl에 대한 코드이다. SV_TARGET[n]을 통해서 OMSetRenderTargets에 설정한 RTV에 각 버퍼에 대한 것들을 그리는 것이다. 해당 그린 것들을 DeferredLightngPS.hlsl에서 2D화면에서 작업을 진행한다.

    // Unpack GBuffer
    float depth = DepthTex.Sample(linearWrapSampler, input.texcoord);
    float3 pos = GetViewSpacePosition(input.texcoord, depth);
    float3 V = normalize(0.0f.xxx - pos);

    float3 baseColorSpec = DiffuseTex.Sample(linearWrapSampler, input.texcoord).xyz;

    float4 normal = NormalTex.Sample(linearWrapSampler, input.texcoord);
    float3 normalWorld = normal.xyz * 2.0 - 1.0; 

 

위와 같이, packing 한 G-Buffer 정보들에 대해서 하나하나 할당하고 이전에 forward Lighting에서 했던 작업들을 똑같이 진행한다. V는 화면에서 물체를 바라보는 방향 벡터이다.

 

기존에 물체와 라이팅을 동시에 진행하게 되면서 O(frag * light)라는 시간복잡도가 발생하였는데, Deferring Lighting의 경우에는 O(frag + light)의 시간복잡도가 발생한다.

 

 

왼쪽 화면은 순서대로 diffuseTex, normalTex 그리고 depthTex를 화면상에 그려놓은 것이다.

중간 중간 문제점

Normal Texture2D를 불러오고 나서 적용 시킬 때, 기존의 음수값을 가지던 Normal을 처리가 잘 안돼는 문제점이 있다. [0,1]범위로 불러오게 되므로 XYZ값이 모두 0으로 되어서 계산이 이상해지는 문제였다.

 

해당 문제는 GBuffer에서 노말 값을 Packing 하기전에 [0,1]로 정규화를 해주면 문제가 해결된다.

자잘한 팁(by 참고 블로그)

렌더링 과정에서 Albeodo를 찍어야하는 RenderTarget을 제외하고는 나머지는 1.0 이상의 값이 들어가야 하기 때문에 Format을 R8G8B8A8을 사용하면 안된다.

 

Albedo Map에 Alpha값이 들어가 있을 경우가 있는데, 이 경우 해당 RenderTarget은 Blend State를 Alpha Blend Mode로 변경해주어야 한다.