Graphics pipeline 정리

Mar 7, 2025

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Canonical view of graphics pipeline

그래픽스 파이프라인(렌더링 파이프라인)은 3D 공간의 정보(기하 정보, 환경 특성, 카메라 등)를 입력으로 받아, 여러 단계의 변환을 거쳐 2D 픽셀 버퍼를 만드는 과정으로 볼 수 있다. 그 목적에 따라 아키텍처는 다양하게 나뉠 수 있으나, Canonical하게 보면 일반적으로는 아래와 같은 4단계로 구성된다.

1. Application Stage

주로 CPU에서 실행되는, 엔진/게임 로직 위주의 단계로, Compute shader를 사용하는 일부 작업 등을 제외하면 그래픽스 API 바깥에서 이뤄지는 일들로 구성되어있다. 다음과 같은 작업들이 수행될 수 있는 단계이다.

Scene management: Culling, LOD, Visibility test 등.
게임/시뮬레이션 로직: 입력 처리, 물리, AI simulation, 애니메이션 계산 등.
Transformation 계산: 모델 행렬, 카메라 행렬, 투영 행렬 등.
리소스 관련 작업: 머티리얼/메시/텍스처/버퍼 바인딩 준비, 모델 로딩 등.

이 단계에서 렌더링할 지오메트리 목록과 각 지오메트리의 변환/머티리얼/셰이더 상태 등을 출력으로 Draw call을 시행한다.

2. Geometry Processing Stage

응용 단계에서 넘겨준 기하 데이터를 받아, 렌더링할 정보를 Vertex/primitive 단위로 계산한다. 주로 다음과 같은 작업들을 수행하게 된다.

입력받은 변환 행렬을 사용한 실제 계산 작업, MVP변환.
정점 셰이딩(Vertex Shading), 상황에 따라 광원 처리.
Visibility culling(frustum culling)
Screen mapping, NDC범위를 실제 뷰포트로 매핑하는 작업.

기하 처리 단계를 거치면 2D 스크린 공간에서의 삼각형 및 보간 정보가, 래스터라이저로 넘어간다.

3. Rasterization Stage

기하 처리 단계에서 입력받은 삼각형 정보를 받아 화면에 그려낼 픽셀로 변환하는 단게이다. 주로 다음과 같은 작업들이 수행된다.

Triangle Setup :전달된 정점 3개로 삼각형을 정의하고, 모서리 방정식/보간 계수 등을 준비.
Triangle Traversal: 스크린 공간에서 해당 삼각형이 덮는 픽셀을 스캔하면서, 각 픽셀 위치에 대해 fragment를 생성.
Pixel Shading: 정점에서 넘어온 속성(Color, UV, Normal …)을 픽셀 위치 기준으로 보간/적용, 텍스처 샘플링, 조명 처리, Post Processing 등을 수행한다.

래스터라이저 단계를 통해 화면상의 각 잠재적 픽셀에 대한 fragment 집합과, 그에 대응하는 보간된 속성들을 Display단계로 전달한다.

4. Display Stage

마지막 단계는 각 fragment를 실제 화면 픽셀로 보여주는 과정이다. 주로 다음과 같은 작업이 수행된다.

Depth/Stencil Test: fragment가 기존 픽셀보다 앞에 있는지, 스텐실 조건을 통과하는지 등을 판정한다.
Blending / Output Merger: 기존 프레임버퍼 값과 새로운 색을 alpha, add, multiply 등 블렌딩 규칙에 따라 합성.
최종 색이 프레임버퍼에 저장되고, 실제 디스플레이에 보여준다.

D3D11 그래픽스 파이프라인으로 보다 자세한 단계 확인하기

D3D10/11 programmable pipeline

보다 구체적인 아키텍처의 예시를 통해 실제 그래픽스 파이프라인 구성을 살펴보면 다음과 같은 단계들이 존재한다. 위는 D3D11의 파이프라인 단계 구성으로 D3D10의 구성을 포함한다. 다른 Graphics API역시 단계의 명칭이 다를 뿐 비슷한 방식으로 구성되어 있는 것이 많다.

Input Assembler

Vertex buffer/Index buffer에서 원시(primitive) 데이터(포지션, 법선, UV, 인덱스)를 읽어온다.
점/선/삼각형 등 primitive topology의 설정 등을 변경할 수 있다.

Vertex Shader

IA단계에서 받은 정보를 기반으로 Vertex당 이루어지는 연산을 처리한다.(Transformation, Skinning, Morphing …)

(D3D11 Optional) Tessellation Stages

Hull Shader, Tessellator, Domain Shader의 세 단계로 구성된 D3D11 런타임의 특수 단계. 폴리곤 수가 적은 저해상도 메시를 GPU차원에서 더 높은 디테일로 렌더링하기 위해 만들어진 Stage. 전송해야할 기하 정보를 줄이면서 퀄리티를 높이기 위한 목적으로 탄생하였다.