딥 러닝 슈퍼 샘플링
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1. 개요
딥 러닝 슈퍼 샘플링(DLSS)은 엔비디아가 개발한 기술로, 텐서 코어를 활용하여 게임의 성능을 향상시키면서 화질 저하를 최소화한다. 2018년 지포스 RTX 20 시리즈와 함께 처음 출시되었으며, 초기에는 특정 게임에만 적용되었으나, DLSS 2.0부터는 훈련 방식이 개선되어 다양한 게임에서 사용할 수 있게 되었다. DLSS는 여러 버전을 거치면서 성능과 품질이 향상되었으며, DLSS 3.0은 프레임 생성 기능을, DLSS 3.5는 레이 재구성 기능을 추가했다. 사용자는 품질 프리셋을 선택하여 성능과 화질 간의 균형을 조절할 수 있으며, DLSS는 텐서 코어를 사용하여 작동한다. 경쟁 기술로는 AMD의 FSR과 인텔의 XeSS가 있다.
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딥 러닝 슈퍼 샘플링 | |
---|---|
기본 정보 | |
유형 | 이미지 업스케일링 기술 |
개발사 | 엔비디아 |
상세 정보 | |
특징 | 인공지능 및 머신 러닝을 사용하여 더 높은 해상도의 이미지처럼 보이도록 이미지를 생성 |
설명 | 엔비디아의 알고리즘은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 생성된 수만 개의 렌더링된 이미지 시퀀스에서 학습 그래픽 카드가 이미지를 렌더링하는 데 필요한 작업을 줄이면서 유사하게 아름다운 이미지를 생성 |
적용 분야 | 비디오 게임의 성능 향상 및 시각적 품질 향상 |
관련 기술 | 엔비디아 DLSS 3 엔비디아 DLDSR |
지원 그래픽 카드 | 엔비디아 그래픽 카드에서 지원 |
2. 역사
엔비디아는 2018년 9월 지포스 RTX 20 시리즈 GPU를 출시하면서 DLSS를 처음 선보였다.[68] 초기 DLSS는 특정 게임에 대해서만 훈련 및 적용되어야 했기 때문에 지원되는 게임이 제한적이었고, 성능 향상 효과도 크지 않았다.[70][71] 2019년, 게임 컨트롤은 레이 트레이싱과 함께 개선된 버전의 DLSS를 탑재했는데, 이 버전은 텐서 코어를 사용하지 않았다.[72][73]
2020년 4월, 엔비디아는 드라이버 업데이트를 통해 DLSS 2.0을 발표했다. DLSS 2.0은 텐서 코어를 다시 사용하며, 개별 게임에 대한 훈련 없이도 다양한 게임에 적용될 수 있도록 개선되었다.[68][74] 그러나 MSAA나 TSAA와 같은 안티에일리어싱과 동시에 잘 동작하지 않는다는 단점도 있었다.[75]
2022년 12월, DLSS 3.0이 출시되었다. DLSS 3.0은 광학 흐름 프레임 생성 알고리즘을 추가하여, 렌더링된 프레임 사이에 새로운 프레임을 생성하여 더욱 부드러운 화면을 제공한다. 이 기능은 RTX 40 시리즈 GPU에서만 사용 가능하다. 2023년 9월에는 DLSS 3.5가 출시되어 레이 재구성(Ray Reconstruction) 기능을 추가, 여러 노이즈 제거 알고리즘을 단일 AI 모델로 대체하였다.
2. 1. 출시 역사
엔비디아는 2018년 9월 지포스 RTX 20 시리즈 GPU를 출시하면서 DLSS를 RTX 20의 주요 기능으로 홍보했다.[68] 당시에는 알고리즘이 각 게임별로 특별히 훈련되어야 했고, 그 결과는 단순 해상도 업스케일링만큼 좋지 않은 경우가 많았기 때문에, 배틀필드 V[69], 메트로 엑소더스 등 몇몇 비디오 게임에만 적용되었다.[70][71]2019년, 비디오 게임 컨트롤은 레이 트레이싱 기능과 개선된 버전의 DLSS(텐서 코어 미사용)를 탑재했다.[72][73]
2020년 4월, 엔비디아는 드라이버 버전 445.75를 통해 DLSS 2.0이라는 개선된 DLSS 버전을 발표했으며, 컨트롤, 울펜슈타인: 영블러드를 포함한 일부 기존 게임들과 앞으로 출시될 게임들에서 이용할 수 있다고 홍보했다. 이때 엔비디아는 텐서 코어를 다시 사용한다고 언급했으며, AI는 개별 게임에 대해 훈련할 필요가 없다고 밝혔다.[68][74]
DLSS 2.0의 단점으로는 MSAA나 TSAA와 같은 안티에일리어싱과 동시에 잘 동작하지 않는다는 점인데, 이러한 기술들이 DLSS 위에 적용되면 성능에 부정적인 영향을 미치게 된다.[75]
2020년 4월 기준으로, DLSS 2.0은 여전히 게임 개발사들에 의해 게임별로 포함되어야 한다.
2021년 11월에는 2.3으로 버전 업그레이드가 이루어졌다. 움직임이 격렬한 장면에서 발생하는 고스트 현상을, 모션 벡터를 보다 고도화하여 개선함으로써 경감에 성공했다고 한다.[47]
2022년 12월에 3.0이 출시되었으며, 일반 렌더링에 비해 성능이 최대 4배 증가하였고, 기존 업스케일링에 더해 옵티컬 멀티프레임 생성 기능이 추가되었다. 또한 CPU가 병목 현상을 일으키더라도 프레임 속도를 높일 수 있게 되었다. 레이턴시를 줄이기 위해 NVIDIA Reflex가 탑재되었다. 프레임 생성 기능은 GeForce RTX 40 시리즈에서만 지원하며[48], 업스케일링 기능은 기존의 GeForce RTX 20, RTX 30 시리즈에서도 지원한다.
2023년 9월에 3.5가 출시되었으며, "Ray Reconstruction(광선 재구성)"이라고 불리는 신기술이 추가[49]되었고, 이 기능은 RTX 20 시리즈부터 RTX 30을 포함한 모든 RTX 시리즈를 지원한다.
릴리스 | 출시일 | 강조점 |
---|---|---|
1.0 | 2019년 2월 | 최초 버전. 배틀필드 V, 메트로 엑소더스 등 일부 특정 게임을 위해 트레이닝되며 AI를 사용함[69] |
1.9 (비공식 이름) | 2019년 8월 | 최초 2.0 버전. 버전 1.9로 명기되기도 함. CUDA 셰이더 코어에서 실행되며 비디오 게임 컨트롤에 적용됨[72][68][76] |
2.0 | 2020년 4월 | 두 번째 2.0 버전. 텐서 코어를 다시 사용하며 포괄적 트레이닝 기법이 사용됨[77] |
2.3 | 2021년 11월 | 움직임이 격렬한 장면에서 발생하는 고스트 현상을, 모션 벡터를 보다 고도적으로 활용하도록 개선하여 감소시키는데 성공[47] |
3.0 | 2022년 9월 | 렌더링된 프레임 사이에 프레임을 생성하기 위해 광학 흐름 프레임 생성 알고리즘(RTX 40 시리즈 GPU에서만 사용 가능)으로 강화된 DLSS 3.0[78][80] |
3.1 | 2023년 1월 | 2023년 8월 3.5 발표 시점에 이미 출시되었음이 밝혀진 마이너 업데이트 버전으로, 자세한 내용은 불명[49] |
3.5 | 2023년 9월 | DLSS 3.5는 광선 재구성을 추가하여 여러 노이즈 제거 알고리즘을 DLSS 3보다 5배 더 많은 데이터에 대해 훈련된 단일 AI 모델로 대체.[79][80] |
DLSS는 사용자가 다양한 품질 프리셋을 선택하여 성능과 화질 사이의 균형을 조절할 수 있게 한다. 사용자는 내부적으로 렌더링된 업스케일 해상도를 수동으로 설정하는 옵션 외에도 다양한 품질 프리셋을 사용할 수 있다.
DLSS는 딥 러닝을 사용하여 저해상도 이미지를 고해상도로 업스케일링하는 초해상 기술이다. NVIDIA에 따르면 이 기술은 네이티브 이미지와 동등한 품질을 유지하면서도 비디오 카드의 부하를 줄여, 특정 해상도에서 더 높은 그래픽 설정과 프레임 레이트를 가능하게 한다.[36]
3. 품질 프리셋
품질 프리셋 스케일 팩터 렌더링 스케일 DLAA 1x 100% 울트라 퀄리티[81] 1.32x 76.0% 퀄리티 1.50x 66.7% 균형 1.72x 58.0% 성능 2.00x 50.0% 울트라 성능 (v2.1 이후; 8K 해상도 이상에서만 권장)[81] 3.00x 33.3% 자동 사용자가 정의한 fps 목표(예: 144Hz 모니터에서 144fps)를 달성하기 위해 렌더링된 해상도가 실시간으로 동적으로 조정된다.[82]
4. 작동 원리
DLSS는 여러 버전을 거쳐 발전해왔다.
2024년 12월 현재, DLSS는 GeForce RTX 20, GeForce RTX 30, GeForce RTX 40 시리즈 GPU에서만 이용 가능하다.
4. 1. DLSS 1.0
DLSS 1.0은 주로 공간적 이미지 업스케일러로, 합성곱 오토인코더 신경망을 사용했다.[21] 두 단계로 구성되는데, 첫 번째 단계는 이미지 향상 네트워크로, 현재 프레임과 모션 벡터를 사용하여 가장자리 향상과 공간적 안티앨리어싱을 수행한다. 두 번째 단계는 이미지 업스케일링 단계로, 단일 로우, 저해상도 프레임을 사용하여 이미지를 원하는 출력 해상도로 업스케일링한다. 단일 프레임만 사용하기 때문에 신경망 자체가 고해상도 출력을 만들기 위해 많은 양의 새로운 정보를 생성해야 했고, 이로 인해 소스 콘텐츠와 스타일이 다른 잎과 같은 약간의 환각이 발생하기도 했다.[13]
신경망은 픽셀당 64개의 샘플로 전통적인 슈퍼샘플링을 사용하고 각 프레임의 모션 벡터를 생성하여 게임별로 훈련되었다. 수집된 데이터는 가능한 한 포괄적이어야 했으며, 가능한 많은 레벨, 시간대, 그래픽 설정, 해상도 등을 포함해야 했다. 또한, 테스트 데이터를 일반화하는 데 도움이 되도록 회전, 색상 변경 및 임의 노이즈와 같은 일반적인 증강을 사용하여 데이터 증강되었다. 훈련은 엔비디아(Nvidia)의 새턴 V(Saturn V) 슈퍼컴퓨터에서 수행되었다.[14][22]
이 첫 번째 버전은 혼합된 반응을 얻었으며, 많은 사람들이 종종 부드러운 모습과 특정 상황에서의 아티팩트를 비판했다.[23][6][5] 이는 모든 시나리오와 엣지 케이스에서 최적으로 수행하도록 훈련할 수 없는 신경망에 단일 프레임 입력을 사용함으로써 얻어진 제한된 데이터의 부작용일 가능성이 높다.[13][14] 엔비디아는 또한 오토인코더 네트워크가 피사계 심도와 모션 블러를 재현하는 능력을 학습할 수 있음을 시연했지만,[14] 이 기능은 공개적으로 출시된 제품에는 포함되지 않았다.
4. 2. DLSS 2.0
DLSS 2.0은 시간적 안티 앨리어싱 업스케일링 (TAAU) 구현 방식이다. 이전 프레임의 데이터를 광범위하게 사용하여 미세한 디테일을 살리고 앨리어싱을 줄인다.[13] DLSS 2.0이 수집하는 데이터에는 원시 저해상도 입력, 모션 벡터, 깊이 버퍼, 노출 / 밝기 정보가 포함된다.[13] 이미지를 100% 해상도로 렌더링하는 더 간단한 TAA 구현 방식으로도 사용할 수 있으며, 엔비디아는 이를 DLAA (딥 러닝 안티 앨리어싱)라고 부른다.[24]
TAA(U)는 많은 최신 비디오 게임과 게임 엔진에서 사용된다.[25] 그러나 이전의 모든 구현은 고스팅 및 플리커링과 같은 시간적 아티팩트를 방지하기 위해 수동으로 작성된 휴리스틱의 형태를 사용했다. 이러한 예시 중 하나는 새로운 프레임의 인접 픽셀에 비해 이전 프레임에서 수집된 샘플이 너무 많이 벗어나는 것을 강제로 방지하는 이웃 클램핑이다. 이는 많은 시간적 아티팩트를 식별하고 수정하는 데 도움이 되지만, 이러한 방식으로 미세한 디테일을 의도적으로 제거하는 것은 블러 필터를 적용하는 것과 유사하므로 이 방법을 사용하면 최종 이미지가 흐릿하게 보일 수 있다.[13]
DLSS 2.0은 수동 프로그래밍된 휴리스틱 대신 시간적 아티팩트를 식별하고 수정하도록 훈련된 합성곱 오토인코더 신경망을 사용한다.[23] 이 때문에 DLSS 2.0은 일반적으로 다른 TAA 및 TAAU 구현 방식보다 디테일을 더 잘 해소하면서 대부분의 시간적 아티팩트를 제거할 수 있다. 이것이 바로 DLSS 2.0이 기존 TAA를 사용하여 더 높은 해상도 또는 심지어 네이티브 해상도로 렌더링하는 것보다 더 선명한 이미지를 생성할 수 있는 이유이다. 그러나 완벽한 시간적 솔루션은 없으며, DLSS 2.0을 사용할 때 일부 시나리오에서 아티팩트(특히 고스팅)가 여전히 보일 수 있다.
시간적 아티팩트는 대부분의 아트 스타일과 환경에서 대체로 동일한 방식으로 발생하기 때문에 DLSS 2.0을 구동하는 신경망은 다른 게임에서 사용될 때 재훈련될 필요가 없다. 그럼에도 불구하고 엔비디아는 새로운 타이틀과 함께 DLSS 2.0의 새로운 마이너 버전을 자주 출시하는데,[26] 이는 게임이 출시됨에 따라 약간의 훈련 최적화가 수행될 수 있음을 시사할 수 있지만, 엔비디아는 이러한 마이너 버전에 대한 변경 로그를 제공하여 이를 확인하지는 않는다. DLSS 1.0과 비교하여 주요 발전 사항은 디테일 유지력의 획기적인 향상, 게임별로 재훈련할 필요가 없는 일반화된 신경망, 그리고 약 2배 적은 오버헤드(~1-2 ms 대 ~2-4 ms)이다.[13]
DLSS 2.0과 같은 TAAU 형태는 저해상도 소스에서 새로운 정보를 생성하려는 ESRGAN 또는 DLSS 1.0과 같은 기술과 같은 의미의 업스케일러가 아니라는 점에 유의해야 한다. 대신 TAAU는 새로운 데이터를 생성하는 대신 이전 프레임에서 데이터를 복구하기 위해 작동한다. 실제로 이는 게임의 저해상도 텍스처가 현재 TAAU 기술을 사용할 때 여전히 저해상도로 표시된다는 것을 의미한다. 이것이 바로 엔비디아가 DLSS 2.0이 활성화될 때 밉맵 바이어스를 적용하여 주어진 렌더링 해상도에 대해 일반적으로 사용할 텍스처보다 더 높은 해상도의 텍스처를 게임 개발자에게 권장하는 이유이다.[13]
4. 3. DLSS 3.0
DLSS 3.0은 모션 보간법을 활용하여 DLSS 2.0을 개선했다. DLSS 프레임 생성 알고리즘은 렌더링 파이프라인에서 렌더링된 두 프레임을 가져와 그 사이를 부드럽게 전환하는 새로운 프레임을 생성한다. 따라서 렌더링된 각 프레임마다 추가 프레임이 하나 생성된다.[2] DLSS 3.0은 Ada Lovelace 세대 RTX GPU에 포함된 새로운 세대의 광학 흐름 가속기(OFA)를 활용한다. 새로운 OFA는 이전 Turing 및 Ampere RTX GPU에 이미 탑재된 OFA보다 빠르고 정확하다.[27] 그 결과 DLSS 3.0은 RTX 40 시리즈에서만 사용 가능하다. 출시 당시 DLSS 3.0은 VR 디스플레이에서는 작동하지 않았다.
2022년 12월에는 DLSS 3.0이 출시되었는데, 일반 렌더링에 비해 성능이 최대 4배 증가하였고, 기존 업스케일링에 더해 옵티컬 멀티프레임 생성 기능이 추가되었다. 또한 CPU가 병목 현상을 일으키더라도 프레임 속도를 높일 수 있게 되었다. 레이턴시를 줄이기 위해 NVIDIA Reflex가 탑재되었다. 프레임 생성 기능은 GeForce RTX 40 시리즈에서만 지원하며[48], 업스케일링 기능은 기존의 GeForce RTX 20, RTX 30 시리즈에서도 지원한다.
4. 4. DLSS 3.5
DLSS 3.5는 레이 리컨스트럭션(Ray Reconstruction, 광선 재구성)을 추가하여 여러 개의 디노이징 알고리즘을 DLSS 3보다 5배 더 많은 데이터로 훈련된 단일 AI 모델로 대체한다.[17][18] 레이 리컨스트럭션은 모든 RTX GPU에서 사용 가능하며, ''사이버펑크 2077''의 ''팬텀 리버티'' DLC, ''포탈 with RTX'', 그리고 ''앨런 웨이크 2''를 포함한, 패스 트레이싱(일명 "풀 레이 트레이싱")을 사용하는 게임을 대상으로 처음 출시되었다.[17][18] 2023년 9월에 출시된 이 신기술은 RTX 20 시리즈부터 RTX 30을 포함한 모든 RTX 시리즈를 지원한다.[49]
5. 안티 앨리어싱
DLSS는 자체적인 계단 현상 제거 방식을 사용하며, 게임 및 품질 설정에 따라 DLSS를 적용하면 네이티브 해상도로 렌더링하는 것보다 이미지 품질이 향상될 수 있다.[28] DLSS는 TAA와 유사하게 이전 프레임의 정보를 사용하여 현재 프레임을 생성하는 방식으로 작동한다. 그러나 TAA와 달리 DLSS는 모든 프레임에서 모든 픽셀을 샘플링하지 않고, 서로 다른 프레임에서 다른 픽셀을 샘플링하고 이전 프레임의 샘플링된 픽셀을 사용하여 현재 프레임에서 샘플링되지 않은 픽셀을 채운다. DLSS는 머신 러닝을 사용하여 현재 프레임과 이전 프레임의 샘플을 결합하며, 텐서 코어를 활용하여 더 উন্নত하고 우수한 TAA 구현으로 간주될 수 있다.[13] 엔비디아는 딥 러닝 계단 현상 제거(DLAA)도 제공하는데, DLAA는 DLSS와 동일한 AI 기반 계단 현상 제거를 제공하지만 업스케일링 또는 다운스케일링 기능은 없다.[24]
6. 아키텍처
DLSS는 ''컨트롤''에 구현된 셰이더 코어 버전을 제외하고는 지포스 RTX 20, 지포스 RTX 30, 지포스 RTX 40, 쿼드로 RTX 시리즈 비디오 카드에서만 사용할 수 있는 전용 AI 가속기인 '''텐서 코어'''를 사용한다.[23] 텐서 코어는 테슬라 V100 제품군에 처음 사용된 볼타 GPU 마이크로아키텍처부터 사용할 수 있다.[29]
텐서 코어는 가중치에 대한 일련의 곱셈을 적용한 다음 바이어스를 더하는 신경망 계산에 광범위하게 사용되는 융합 곱셈-덧셈 (FMA) 연산을 수행한다. FP16, INT8, INT4 및 INT1 데이터 유형으로 작동할 수 있다. 각 코어는 클럭당 1024비트의 FMA 연산을 수행할 수 있으므로 텐서 코어당 클럭당 1024 INT1, 256 INT4, 128 INT8 및 64 FP16 연산을 수행할 수 있으며 대부분의 튜링 GPU는 수백 개의 텐서 코어를 가지고 있다.[30]
텐서 코어는 병렬 아키텍처를 활용하기 위해 32개의 병렬 스레드에서 CUDA 워프 레벨 프리미티브를 사용한다.[31] 워프는 동일한 명령을 실행하도록 구성된 32개의 스레드 집합이다. Windows 10 버전 1903부터 마이크로소프트 윈도우는 텐서 코어를 지원하기 위해 DirectX의 일부로 DirectML을 제공했다.
7. 비판 및 쟁점
DLSS 초기 버전에서 사용자들은 흐릿한 프레임을 보고했다. 엔비디아 직원 앤드루 에델스텐은 2019년 블로그 게시물을 통해 문제점을 언급하며, 기술 개선을 위해 노력하고 있으며 DLSS AI 알고리즘이 주로 4K 이미지 자료로 훈련되었다고 밝혔다. DLSS를 사용하면 Full HD와 같은 낮은 해상도에서 특히 흐릿한 이미지가 나타나는 이유는 알고리즘이 4K와 같은 고해상도에 비해 적은 이미지 정보를 가지고 적절한 이미지를 계산해야 하기 때문이다.[32]
DLSS 프레임 생성을 사용하면 입력 지연 시간이 증가할 수 있으며,[33] 시각적 인공물이 발생할 수 있다.[34] 또한, DLSS를 게임에 구현함으로써 게임 개발자들이 최신 PC 하드웨어에서 네이티브 해상도로도 원활하게 실행되도록 게임을 최적화할 유인이 줄어든다는 비판도 제기되었다. 예를 들어, 최고 그래픽 설정에 레이 트레이싱이 활성화된 4K 해상도의 게임 ''앨런 웨이크 2''의 경우, Nvidia GeForce RTX 4080과 같은 최신 고성능 그래픽 카드에서도 성능 모드의 DLSS 사용이 권장된다.[35]
8. 경쟁 기술
- AMD FSR (FidelityFX Super Resolution)
- 인텔 XeSS (Xe Super Sampling)
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