Welcome to OpenGL 4.3

본 포스팅은 필자가 공부한 바를 바탕으로 재구성한 것이며 틀린부분이 있을수 있습니다.

OpenGL 2.x
- 2.0, 2.1 (2004~2006)
- 여기부터 programmable shader 등장
OpenGL 3.x
- 3.0~3.3 (2008~2010)
- 많은 feature 를 deprecated 했다. fixed pipeline 의 것들을.
- Geometry shader 등장.
OpenGL 4.3
- 4.0~4.6 (2010~2018)
- tesselation shader 등장
- compute shader (atomic operation) 등장

일단 기존의 lagacy code 스타일 처럼 매트릭스 스택을 사용하거나 fixed render pipeline 을 사용하는 것이 불가능하다.(compatitibilty 때문에 가능은하지만 안하는것을 추천)

또한 OpenGL 에서 Profile 이라는 개념이 등장하면서 deprecated 된 함수를 쓸지말지 결정하는 방법이 있는데 가장 최신의 기능을 사용하고 호환성문제를 위해서는 새로 프로그램을 작성하는 중이라면 core profile 을 사용하는 것이 맞다고 생각한다.

먼저 기존의 lagacy code 에 익숙한 사람이라면 두가지 개념에 대해서 익혀야 할 것이다.

Buffer objects
1. glBegin,glEnd 가 제거됨에 따라 사용해야할 것들.
2. VAO,VBO 등…
Programmable shader
1. fixed pipeline 이 제거됨에 따라 사용해야할 것들.
2. Program vertex,fragment shaders(원한다면 geometry,tesselation shader까지)

VAO 와 VBO

이번 챕터에서는 Buffer Object 중 VAO 와 VBO 에 대해서 다루겠다.

이 두가지 개념에 대한 설명은 다음과 같다.

VBO : buffer for vertex data

Position,Normal,Vector,Color, etc.
즉 vertex data 를 표현하는 데이터를 직접적으로 저장하는 공간
VBO 에는 vertex 를 표현하는 데이터가 들어간다. 포지션 뿐만아니라 다양한 부차적인 데이터를 저장할 수 있다.

VAO : Special type of object that encapsulates all the vertex data

it holds references to the vertex buffers, index buffer
즉 vertex buffer 와 index buffer 의 래퍼런스를 저장하고 있는 공간.
VBO 와 index buffer 를 포인팅해준다고 생각하면 된다.
여러개의 VBO 를 가질 수 있지만 Index buffer 는 하나만 가질 수 있다.

이러한 관계를 그림으로 나타내면 다음과 같다.

하나의 VAO 는 element array buffer (index buffer) 하나를 가지고 있으며 16개의 VBO 의 래퍼런스를 담을 수 있는 공간을 가지고 있다. 꼭 16개를 모두사용할 필요는 없으며 각각의 자리에 VBO 가 맵핑된다고 생각하면된다.

Attribute pointer 의 갯수는 하드웨어에 따라 다른데

glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS, &n).

이렇게 확인하면 된다. 그런데 최소 16개 이므로 걱정하지 말자.

우리가 VAO & VBO 를 사용하는 이유는 물체(vertex data)를 랜더하기 위함이다. 랜더링을 하기위해서는 GPU로 vertex data 를 보내줘야하며 이를 매 프레임마다 보내주는 것은 굉장히 비효율적이다. 만약에 한 물체가 더이상 움직이지 않는다는 보장이 있다면 매번 vertex data 를 보내는 것은 더욱더 비효율적이다. 따라서 VBO 를 이용해서 GPU 에 버퍼의 내용을 보낸다.

그리고 이러한 래퍼런스 정보를 VAO 에 담아두게되고 현재 바인드 되어있는 VAO 의 VBO 정보를 그리는 것이다.

이제는 VAO 와 VBO를 사용하는 법을 알아보자.

VBO 생성

먼저 VAO 에 바인드할 VBO 를 생성하는 방법을 알아보자.

VBO 를 생성하는 방법은 다음과 같다.

GLuint buffer;
glGenBuffers(1,&buffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,buffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,1024*1024,NULL,GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

여기서 GL_ARRAY_BUFFER 는 vertex attribute 를 위한 버퍼이지만 아직은 VAO 에 바인드 되지 않았다는 것을 명심해야한다. 이전 2.x 버젼에서는 VAO 가 오로지 1개만 존재하였기 때문에 위의 코드를 통해 바인드가 되었다고하지만 이제는 VAO 를 여러개 선언할 수 있다. 따라서 실제로 VAO 의 state 의 변화는 VAO 를 직접 생성하고 이를 바인드한 상태에서 VBO 를 해당 VAO 에 바인드 시킬 때 일어난다.

glBufferData(GLenum target,
    GLsizeiptr size,
    const GLvoid* data,
    GLenum usage);

이 코드는 VBO 를 생성하고 그 내부에 data 를 집어넣는 코드이다.

target 은 Buffer object 타겟을 의미한다.
size 는 buffer object 에 저장할 데이터의 크기를 바이트 단위로 지정해주어야한다. 만약 저장할 데이터가 integer 10개라면 4*10 개가 될 것이다.
data 는 우리가 저장한 데이터의 포인터이다.
usage 는 주의해서 볼 필요가 있다.
- 여기에는 GL_STREAM_DRAW, GL_STREAM_READ, GL_STATIC_DRAW,GL_STATIC_READ,GL_DYNAMIC_DRAW 등 우리가 해당 데이터를 어떤 방식으로 처리할 예정인지를 넣는 항목이다.
- 따라서 우리가 넣을 데이터가 얼마나 자주 바뀔것인지, 랜더하는 용도인지, 단순히 읽히기 위해 저장하는 값인지, 등을 잘 지정해 주어야한다.
- 이 부분은 나중에 하나의 독립적인 포스팅을 통해 자료를 조사하여 다루도록 하겠다.

그렇다면 VBO 를 생성하는 방법에 대해 익혔기 때문에 VAO 와 함께 VBO 를 어떻게 바인드 시킬것인지 생각해보자.

VAO & VBO 사용법

static const GLfloat pos[] = {...}
static const GLfloat color[] = {...}

GLuint vao;
glGenVertexArrays(1,&vao);
glBindVertexArray(vao);
GLuint buffer[2];
glGenBuffer(2,buffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,buffer[0]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(pos),pos,GL_STATIC_DRAW);
glVertexAttribPointer(0,3,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,NULL);
glEnableVertexAttribArray(0);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,buffer[1]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(color),color,GL_STATIC_DRAW);
glVertexAttribPointer(1,3,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,NULL);
glEnableVertexAttribArray(1);

//unbind all
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);
glBindVertexArray(0);

먼저 VAO 를 생성하는 코드는 다음과 같은 문법을 사용했다.

GLuint vao;
glGenVertexArrays(1,&vao);
glBindVertexArray(vao);

그 후 VAO 에 바인딩 할 VBO 를 생성했으며 해당 VBO 를 glVertexAttributePointer 함수를 이용해서 VAO 의 자리에 맵핑시켰다. 그 코드는 다음과 같다.

glVertexAttribPointer(GLuint index,
  GLint size,
  GLenum type,
  GLboolean normalized,
  GLsizei stride,
  const GLvoid* pointer);

index 는 위치시킬 VAO 의 자리이다.
size 는 하나의 vertex 에 해당하는 데이터의 단위 사이즈이다.
type 은 데이터의 타입이다. 여기서는 GL_FLOAT.
normalized 는 해당 데이터를 노멀라이즈 시킬것인지 물어보는것.
stride 는 tight 하게 저장되어있는 경우는 0 이다. 아닌 경우는 그 다음 데이터는 몇칸 떨어진 위치에 있는지 설정하는 부분이다.
pointer 는 offset 포지션을 의미한다.

그리고 주의해야할 다음 코드의 뜻을 알아보자.

glEnableVertexAttribArray(index)

다음 코드의 명확한 뜻을 알기 위해 enable 하는경우와 disable 하는 경우를 생각해보자.

enable 하는 경우

glEnableVertexAttribArray(index) glVertexAttribPointer(loc, …);

단지 vertex attribute 를 array type 으로 enable 시키는 것이다. 이를 통해 각각의 vertex 에 array 안의 값을 사용할 수 있게 된다.

disable 하는 경우

glDisableVertexAttribArray(index) glVertexAttrib4f(loc, colR, colG, colB, colA);

vertex attribute 를 array로 enable 시키지 않았기 때문에 vertex attribute 로 array가 아니라 Vec1~4 중의 하나인 하나의 값으로 설정한다는 뜻이다. 이렇게 되면 모든 vertex 에 대해서 하나의 값을 사용한다는 뜻.

즉 enable 이라는 뜻에 사로잡혀 마치 이 함수가 attribute slot 을 사용하겠다는 것으로 받아드릴 수 있지만 이는 사실과 다르다.

단순히 attribute 를 array 타입으로 활성화시켜서 각각의 array value 를 각각의 vertex 에 전달 할 수 있게 하겠다는 뜻이다.

Draw VAO

이제 생성한 VAO 를 이용해서 직접 랜더링하는 방법에 대해 알아보자.

생성한 VAO 에 들어있는 VBO 를 랜더링 하는 방법에는 크게 두가지 방법이 있다.

Index 없이 그리기 : glDrawArrays
Index 를 이용해서 그리기 : glDrawElements

사실 개인적으로 index 없이 그리는 경우가 잘 없기도 하고 그려야할 물체가 복잡하고 클 수록 index 없이 그리는것은 굉장히 비효율적이라고 생각한다. 따라서 index 없이 그리는 것은 넘어가도록 하겠다.

그렇다면 index 를 이용해서 그리는 방법을 생각해보자.

index 를 이용한다고 했는데 지금까지 내용에서 Index 에 대한 내용은 거의 없었다. 앞의 그림에서는 살짝 찾아볼수는 있었지만 자세히 다루지는 않았다.

컴퓨터 그래픽스에서 물체는 보통 점과 선, 그리고 점과 선으로 이루어진 다각형의 집합이라고 할 수 있다. 이러한 물체에 대한 정보를 저장하고 표현하는 방법은 여러가지가 있지만 기본적으로는 다음과 같은 데이터를 저장하여 물체를 표현한다.

vertex position
어떤 vertex 끼리 묶여서 다각형이 되는가에 대한 정보 (index)
다각형의 normal
등…

만약 직육면체를 그린다고 가정해보자.

다음 직윤면체에서

점 8개 의 정보
면 6개
4개의 점이 1개의 면을 이룬다. (index)
- [ㄱ,ㄴ,ㄷ,ㄹ] : 1번 면
- [ㄱ,ㄴ,ㅁ,ㅂ] : 2번 면
- …

라는 정보를 바탕으로 직육면체를 표현할 수 있다. 여기서 [ㄱ,ㄴ,…,ㅇ] 를 index 라고 부른다.

만약에 직육면체를 면에 대한 정보(index) 를 이용하지 않고 표현한다면 굉장히 비효율적으로 데이터를 저장해야한다.

총 6개의 면이 있고
각 면은 4개의 vertex 로 이루어져 있으며
각 vertex 는 3개의 float 형 위치정보를 가지고 있기 때문에
643*sizeof(float) 만큼의 데이터를 가지고 있어야한다.

하지만 index 를 이용한다면

총 8개의 점의 정보 : 83sizeof(float)
index 정보 : 총 6개의 면, 각 면은 4개의 index(int) : 64sizeof(float)
83sizeof(float) + 64sizeof(float) 만큼의 데이터를 가지면 된다.

물론 이는 직육면체이기 때문에 차이가 심하지는 않지만 vertex 의 갯수가 많아지는 경우에는 훨씬 많은 저장공간의 차이가 발생하게된다.

이제 index 를 이용해 VAO 를 그리는 방법을 알아보자.

glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGED_SHORT, index_data);
- GL_TRIANGLES : draw 할 primitive type 은 삼각형이며
- 6 : 그려야할 element 의 갯수는 6개, 즉 6개의 삼각형을 그린다.
- GL_UNSIGED_SHORT : index 의 타입이 unsigned_short 이다.
- index_data : index 정보를 담은 변수의 포인터

를 이용해서 VAO 를 그린다.

index_data 에 담긴 정보를 바탕으로 삼각형을 그려나가게 된다.

그런데 VAO 에는 상단의 그림에서 보다시피 index pointer 라는 공간이 default 로 하나 마련되어 있다. 실제로 VAO 안에 있는 index pointer 를 이용하여 그리는 방법도 있는데 이를 이용하는 방법은 다음과 같다.

static const unsigned short index_data[] = {...};


glBindVertexArray(vao);
//위에서 생성한 VAO 를 바인딩해준 상태에서 진행한다.
GLuint indexId;
glGenBuffers(1,&indexId);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indexId);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,sizeof(index_data),index_data,GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,0);

glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indexId);
glDrawElements(GL_TRIANGLES,6,GL_UNSIGNED_SHORT,0);

따라서 이는 VAO 에 index pointer 공간에 index 정보를 담은 VBO 를 맵핑시켜주기 때문에 index 정보 또한 GPU 로 보내놓고 사용할 수 있다는 장점이 잇겠다.

VAO & VBO in OpenGL 4.3

Welcome to OpenGL 4.3

VAO 와 VBO

VBO 생성

VAO & VBO 사용법

Draw VAO

끝