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타일 렌더링

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목차

1. 개요

타일 렌더링은 3D 이미지를 렌더링하는 기술로, 이미지를 작은 타일로 분할하여 각 타일을 개별적으로 처리함으로써 메모리 사용량과 대역폭을 줄이는 방식이다. 이는 휴대용 기기와 같이 메모리 제약이 있는 환경에서 유용하며, 병렬 처리를 용이하게 한다. 타일 렌더링은 픽셀 플레인 5 아키텍처 연구를 통해 그 타당성이 입증되었으며, 파워VR, 오크 테크놀로지 등 다양한 상용 제품에 적용되었다. 현재는 ARM 말리, 퀄컴 아드레노, 애플 실리콘 GPU 등 임베디드 시스템에서 널리 사용된다.

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타일 렌더링
개요
유형렌더링 기술
용도컴퓨터 그래픽스
관련 기술컴퓨터 하드웨어, 3차원 컴퓨터 그래픽스
상세 정보
정의이미지를 여러 개의 작은 사각형(타일)으로 나누어 렌더링하는 기술
목적메모리 사용량 감소, 대규모 이미지 렌더링, 병렬 처리
작동 방식각 타일을 독립적으로 렌더링한 후 최종 이미지로 결합
장점메모리 효율성 증가
고해상도 이미지 렌더링 가능
병렬 처리 용이
단점타일 경계에서의 아티팩트 발생 가능성
추가적인 결합 과정 필요
활용 분야비디오 게임
영화 제작
과학 시뮬레이션
관련 기술지연 렌더링 (Deferred rendering)
전진 렌더링 (Forward rendering)
구현OpenGL
DirectX
Vulkan
최적화타일 크기 조정
캐싱
병렬 처리
연구 분야적응형 타일 크기 결정
타일 간 통신 최적화
아티팩트 제거 기술

2. 기본 개념

타일 렌더링은 일반적인 디스플레이 파이프라인에서 발생하는 메모리 및 대역폭 문제를 해결하기 위한 렌더링 방식이다. 디스플레이 파이프라인은 3D 이미지를 생성하고 표시하기 위한 일련의 단계로, 각 단계마다 메모리 사용량이 증가한다. 특히 파이프라인 마지막 단계에서는 이미지가 매우 커져서 고속 메모리와 빠른 컴퓨터 버스가 필요하다.

타일 렌더링은 전체 이미지를 작은 "타일"로 나누어 각 타일을 개별적으로 렌더링한다. 이 방식은 중간 단계에서 필요한 메모리 양과 데이터 이동량을 줄여준다. 각 타일은 독립적으로 처리되므로 병렬 처리도 가능하다.

하지만 타일 방식은 일부 삼각형이 여러 타일에 걸쳐 여러 번 그려질 수 있다는 단점이 있다. 또한, 타일을 결합하여 완전한 이미지를 만들 때 문제가 발생할 수 있었지만, 이 문제는 오래전에 해결되었다.

2. 1. 작동 원리

3D 이미지를 디스플레이에 생성하는 것은 여러 단계를 거친다. 먼저, 표시할 객체들을 개별 모델에서 메모리로 불러온다. 이후 시스템은 수학적 함수를 적용하여 모델들을 공통 좌표계인 월드 뷰로 변환한다. 이 월드 뷰에서 특정 시점(카메라)에서 본 원래 모델을 근사하는 일련의 다각형(주로 삼각형)이 생성된다. 다음으로, 합성 시스템이 삼각형을 렌더링하고 외부에 텍스처를 적용하여 이미지를 만든다. 텍스처는 사실감을 주기 위해 삼각형 위에 그려지는 작은 이미지이다. 결과 이미지는 다양한 특수 효과와 결합된 후 프레임버퍼로 이동하며, 비디오 하드웨어가 이를 스캔하여 표시되는 이미지를 생성한다. 이러한 기본적인 개념적 구조를 디스플레이 파이프라인이라고 한다.

각 단계는 결과 이미지를 저장하는 데 필요한 메모리 양을 증가시킨다. 파이프라인 끝에 도달할 때쯤 이미지는 매우 커져서, 일반적인 그래픽 카드 설계에서는 종종 특수한 고속 메모리와 매우 빠른 컴퓨터 버스를 사용하여 파이프라인의 다양한 하위 구성 요소 간에 이미지를 이동시키는 데 필요한 대역폭을 제공한다. 이러한 종류의 지원은 전용 그래픽 카드에서는 가능하지만, 전력과 크기 예산이 더 제한적이 되면서 충분한 대역폭을 제공하는 것은 설계 측면에서 비용이 많이 들게 된다.

타일 렌더러는 이미지를 타일이라고 하는 구역으로 분할하고 각 구역을 개별적으로 렌더링함으로써 이 문제를 해결한다. 이는 중간 단계에서 필요한 메모리 양과 한 번에 이동하는 데이터의 양을 줄인다. 이를 위해 시스템은 기하학적 형상을 구성하는 삼각형들을 위치별로 정렬하여 타일 경계와 겹치는 삼각형을 빠르게 찾을 수 있게 한다. 그런 다음 해당 삼각형들만 렌더링 파이프라인에 불러와 GPU에서 다양한 렌더링 작업을 수행하고 결과를 프레임버퍼로 전송한다. 매우 작은 타일을 사용할 수 있는데, 16×16 및 32×32 픽셀이 인기 있는 타일 크기로, 이는 내부 단계에서 필요한 메모리와 대역폭의 양을 작게 만든다. 또한 각 타일이 독립적이기 때문에 자연스럽게 간단한 병렬화가 가능하다.

일반적인 타일 렌더러에서는 먼저 기하학적 형상을 스크린 공간으로 변환하고 스크린 공간 타일에 할당해야 한다. 이를 위해서는 각 타일의 기하학적 형상 목록을 저장할 공간이 필요하다. 초기 타일 시스템에서는 CPU가 이 작업을 수행했지만, 모든 현대 하드웨어에는 이 단계를 가속화하는 하드웨어가 포함되어 있다. 기하학적 형상 목록은 전면에서 후면으로 정렬할 수도 있어, GPU가 은면 제거를 사용하여 다른 픽셀 뒤에 숨겨진 픽셀의 처리를 피할 수 있으므로 불필요한 텍스처 조회에 대한 메모리 대역폭을 절약할 수 있다.[26]

타일 방식의 주요 단점은 두 가지이다. 하나는 일부 삼각형이 여러 타일과 겹칠 경우 여러 번 그려질 수 있다는 것이다. 이는 전체 렌더링 시간이 즉시 모드 렌더링 시스템보다 길어질 수 있음을 의미한다. 또한 타일을 결합하여 완전한 이미지를 만들 때 발생할 수 있는 문제도 있지만, 이 문제는 오래전에 해결되었다. 해결하기 더 어려운 것은 일부 이미지 기법이 프레임 전체에 적용된다는 점인데, 이는 전체 프레임을 다루지 않는 것이 목적인 타일 렌더링에서 구현하기 어렵다. 이러한 절충점들은 잘 알려져 있으며, 그 장점이 유용한 시스템에서는 미미한 결과를 낳는다. 타일 렌더링 시스템은 휴대용 컴퓨팅 기기에서 널리 사용된다.

타일 렌더링은 인접한 픽셀을 메모리에서도 인접하게 만드는 타일형/비선형 프레임버퍼 주소 지정 방식과 혼동해서는 안 된다.[27] 이러한 주소 지정 방식은 타일 렌더러뿐만 아니라 다양한 아키텍처에서 사용된다.

2. 2. 장점 및 단점

타일 렌더링 방식은 메모리 및 대역폭 절약, 병렬 처리 용이성 등의 장점을 가지지만, 다음과 같은 단점도 존재한다.

  • 삼각형 중복 렌더링: 일부 삼각형이 여러 타일과 겹칠 경우, 해당 삼각형이 여러 번 렌더링될 수 있다. 이는 전체 렌더링 시간을 증가시키는 요인이 된다.[26]
  • 이미지 기법 구현의 어려움: 프레임 전체에 적용되어야 하는 일부 이미지 기법들은 타일 렌더링 방식으로 구현하기 어렵다. 타일 렌더링은 전체 프레임을 한 번에 처리하지 않기 때문이다.[26]


이러한 단점에도 불구하고, 타일 렌더링은 장점이 뚜렷하여 휴대용 컴퓨팅 기기와 같이 메모리와 대역폭이 제한적인 환경에서 널리 사용된다.[26]

타일 렌더링은 인접한 픽셀을 메모리에서도 인접하게 만드는 타일형/비선형 프레임버퍼 주소 지정 방식과는 다른 개념이다.[27] 타일형/비선형 프레임버퍼 주소 지정 방식은 타일 렌더러뿐만 아니라 다양한 아키텍처에서 사용된다.

2. 3. 타일 기반 주소 지정 방식과의 차이점

타일 렌더링은 인접한 픽셀을 메모리에서도 인접하게 만드는 타일형/비선형 프레임버퍼 주소 지정 방식과 혼동해서는 안 된다.[27] 이러한 주소 지정 방식은 타일 렌더러뿐만 아니라 다양한 아키텍처에서 사용된다.

3. 역사적 배경

타일 렌더링에 관한 초기 연구는 대부분 픽셀 플레인 5 아키텍처(1989)의 일환으로 수행되었다.[28][29] 픽셀 플레인 5 프로젝트는 타일 방식의 타당성을 입증하고 현재 타일 렌더러의 표준으로 여겨지는 많은 기술을 발명했으며, 이 연구는 해당 분야의 다른 논문들에서 가장 널리 인용되고 있다. 타일 방식은 소프트웨어 렌더링 역사의 초기에도 알려져 있었으며, 레이즈 렌더링 구현은 종종 이미지를 "타일 버킷"으로 나누었다.

데스크톱 GPU 개발 초기에 여러 회사들이 타일 아키텍처를 개발했지만, 시간이 지나면서 이들은 대부분 빠른 맞춤형 외부 메모리 시스템을 갖춘 즉시 모드 GPU로 대체되었다.

타일 렌더링 방식을 채택한 주요 사례는 다음과 같다.

제품명연도제조사칩셋비고
파워VR 렌더링 아키텍처1996파워VR래스터라이저는 32×32 타일로 구성, 드림캐스트 콘솔에 적용
워프 51997오크 테크놀로지타일링과 안티앨리어싱, 트릴리니어 밉맵 텍스처, 픽셀당 등의 고성능 렌더링 알고리즘 결합[30]
마이크로소프트 탈리스만1996마이크로소프트
드림캐스트1998파워VR
기가픽셀 GP-11999기가픽셀[31]
인텔 라라비 GPU2009인텔취소됨
PS 비타2011파워VR[32]
엔비디아 맥스웰 아키텍처 기반 GPU2014엔비디아이후 아키텍처 포함[33]
AMD 베가(GCN5) 아키텍처 기반 GPU2017AMD이후 아키텍처 포함[34][35]
인텔 젠11 GPU2019인텔이후 아키텍처 포함[36][37][38]



큰 온칩 버퍼를 사용하는 비타일 아키텍처의 예는 다음과 같다.

제품명연도제조사비고
엑스박스 3602005마이크로소프트GPU에 내장된 10MB eDRAM 포함[39]
엑스박스 원2013마이크로소프트GPU에 내장된 32MB eSRAM 포함[40]


3. 1. 초기 연구

타일 렌더링에 관한 초기 연구는 상당 부분 픽셀 플레인 5 아키텍처(1989)의 일환으로 수행되었다.[28][29] 픽셀 플레인 5 프로젝트는 타일 방식의 타당성을 입증하고 현재 타일 렌더러의 표준으로 여겨지는 많은 기술을 발명했다. 이 연구는 해당 분야의 다른 논문들에서 가장 널리 인용되고 있다.

타일 방식은 소프트웨어 렌더링 초창기에도 알려져 있었다. 레이즈 렌더링 구현은 종종 이미지를 "타일 버킷"으로 나누기도 한다.

3. 2. 소프트웨어 렌더링

타일 방식은 소프트웨어 렌더링 초창기에도 알려져 있었다. 레이즈 렌더링 구현은 종종 이미지를 "타일 버킷"으로 나눈다.[28][29] 타일 렌더링에 대한 초기 연구는 픽셀 플레인 5 아키텍처(1989)의 일환으로 수행되었다.[4][5]

픽셀 플레인 5 프로젝트는 타일 방식의 유효성을 입증했으며, 현재 타일 렌더러의 표준으로 간주되는 많은 기술을 발명했다. 이 연구는 해당 분야의 다른 논문에서 가장 광범위하게 인용되고 있다.

4. 상용 제품

데스크톱 및 콘솔, 임베디드 시스템 등 다양한 플랫폼에서 타일 렌더링 기술이 적용된 상용 제품들이 개발되었다. 데스크톱 GPU 개발 초기에는 여러 회사들이 타일 아키텍처를 개발했지만, 시간이 지나면서 대부분 빠른 맞춤형 외부 메모리 시스템을 갖춘 즉시 모드 GPU로 대체되었다.

임베디드 시스템의 경우, 상대적으로 낮은 외부 메모리 대역폭과 적당한 양의 온칩 메모리 요구 사항 때문에 타일 렌더링이 널리 사용되는 기술이 되었다.

비반트는 프레임 버퍼 메모리와 긴밀하게 결합된 모바일 GPU를 생산한다. Xbox 360 GPU와 유사하게 화면의 일부를 렌더링할 수 있지만, 렌더링된 영역의 크기가 커서 일반적으로 타일 기반 아키텍처를 사용한다고 설명하지는 않는다.

4. 1. 데스크톱 및 콘솔

데스크톱 GPU 개발 초기에는 여러 회사들이 타일 아키텍처를 개발했다. 시간이 지나면서 이들은 대부분 빠른 맞춤형 외부 메모리 시스템을 갖춘 즉시 모드 GPU로 대체되었다.

주요 사례는 다음과 같다.

회사 및 제품출시 연도비고
파워VR 렌더링 아키텍처1996년래스터라이저는 32×32 타일로 구성되었으며, 초기 PC 버전에서는 CPU에서 실행되는 디스플레이 드라이버가 타일링을 수행했다. 드림캐스트 콘솔에서는 하드웨어 부품이 타일링을 수행했다. 이는 지연 렌더링을 용이하게 하여 보이는 픽셀만 텍스처 매핑되어 셰이딩 계산과 텍스처 대역폭을 절약했다.
오크 테크놀로지 워프 51997년존 페디 어소시에이츠의 회장인 존 페디에 따르면, 타일링과 안티앨리어싱, 트릴리니어 밉맵 텍스처, 픽셀당 등의 다른 고성능 렌더링 알고리즘을 결합한 최초의 시장 제품이다.[30]
마이크로소프트 탈리스만1996년
드림캐스트 (파워VR 칩셋 탑재)1998년
기가픽셀 GP-11999년[31]
인텔 라라비 GPU2009년(취소됨)
PS 비타 (파워VR 칩셋 탑재)2011년[32]
엔비디아 맥스웰 아키텍처 및 이후 아키텍처 기반 GPU2014년[33]
AMD 베가(GCN5) 아키텍처 및 이후 아키텍처 기반 GPU2017년[34][35]
인텔 젠11 GPU 및 이후 아키텍처2019년[36][37][38]



큰 온칩 버퍼를 사용하는 비타일 아키텍처의 예는 다음과 같다.

제품출시 연도비고
엑스박스 3602005년GPU에 내장된 10MB eDRAM이 포함되어 있다. 이는 4배 멀티샘플 안티앨리어싱이 적용된 1280×720 이미지의 전체 래스터를 저장하기에 충분하지 않으므로, HD 해상도로 실행되고 4배 MSAA가 활성화될 때 타일링 솔루션이 추가된다.[39]
엑스박스 원2013년GPU에 내장된 32MB eSRAM이 포함되어 있으며, 이를 사용하여 이미지의 전체 또는 일부를 저장할 수 있다. 타일 아키텍처는 아니지만, 소프트웨어 개발자가 타일 렌더링을 에뮬레이트할 수 있을 만큼 유연하다.[40]


4. 2. 임베디드 시스템

상대적으로 낮은 외부 메모리 대역폭과 적당한 양의 온칩 메모리가 필요하기 때문에, 타일 렌더링은 임베디드 GPU에서 인기 있는 기술이다. 현재의 예는 다음과 같다.

'''타일 기반 즉시 모드 렌더링(TBIM):'''

'''타일 기반 지연 렌더링(TBDR):'''

참조

[1] 웹사이트 A Sorting Classification of Parallel Rendering https://www.cs.cmu.e[...] IEEE 2012-08-24
[2] 웹사이트 PowerVR: A Master Class in Graphics Technology and Optimization http://www.imgtec.co[...] Imagination Technologies 2014-01-11
[3] 웹사이트 How Video Cards Work http://www.x.org/wik[...] X.Org Foundation 2010-05-27
[4] 웹사이트 History http://www.cs.unc.ed[...] University of North Carolina at Chapel Hill 2008-08-04
[5] 서적 Proceedings of the 16th annual conference on Computer graphics and interactive techniques - SIGGRAPH '89 ACM 2012-08-24
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