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Materials

메터리얼은 그래픽 컴포넌트들(스프라이트, 타일맵, 폰트, GUI노트 등)을 어떻게 렌더링되어 표현하는지 Defold의 방식입니다. 이 매뉴얼은 메터리얼(materials), 쉐이더 상수(shader constants), 샘플러(samplers) 들이 어떻게 동작하는지 설명합니다.

Overview

메터리얼은 렌더링 할 오브젝트를 선택하기 위해 렌더링 파이프 라인(rendering pipeline)에 사용되는 정보인 Tags를 포함하고 있습니다. 또한 사용 가능한 그래픽 API를 통해 컴파일 된 후 각 프레임마다 컴포넌트가 렌더링될 때 그래픽 하드웨어에서 실행되는 쉐이더 프로그램에 대한 참조도 포함하고 있습니다. 버텍스 쉐이더(vertex shader)는 컴포넌트의 기하 구조(geometry)를 계산하며, 이는 오브젝트의 각 버텍스를 전달하기 전에 작업을 수행하게 됩니다. 계산 결과로 만들어진 기초 요소(primitives)는 래스터(rasterized)화 되거나 fragment(조각) 혹은 픽셀로 나눠지게 됩니다. 이들 각각의 프래그먼트들은 프래그먼트 쉐이더(fragment shader: 때로는 픽셀 쉐이더라고도 불림)를 통하여 실행됩니다. 이 프래그먼트 쉐이더의 목적은 결과 픽셀(resulting pixel)의 색상을 결정하는 것이며, 어떤 방식으로든 계산(calculation), 텍스쳐 조회(texture lookup), 조합(combinations)에 의해 수행될 수 있습니다.

Shaders in OpenGL

Defold는 모바일 장치에서 렌더링 하기 위해 OpenGL ES 2.0을 사용합니다. 데스크탑 환경에서는 보통 다른 버전의 OpenGL이 사용되지만, 요즘의 하드웨어와 드라이버는 적절하게 호환되고 있습니다. OpenGL ES 2.0 (임베디드 시스템을 위한 OpenGL) 과 OpenGL ES 쉐이딩 언어의 자세한 사양은 https://www.khronos.org/registry/gles/ 에서 볼 수 있습니다.

데스크탑 환경에서는 OpenGL ES 2.0 에서 지원되지 않는 기능을 사용하여 쉐이더를 만들고 컴파일 하는 것이 가능합니다. 다만 이렇게 하면 상호 호환이 깨질 수 있습니다.

Creating a material

자, 단순한 평면(지향성 빛(directional light)이 없는)이지만 질감이 있는 메터리얼(textured material)을 만들어 봅시다.

  1. Project Explorer 창에서 대상 폴더를 선택합니다.
  2. File > New…​ > Material File 메뉴를 선택합니다. (Project Explorer 창에서 오른쪽 클릭 후 New…​ > Material File을 선택해도 됩니다.)
  3. 새 메터리얼 파일의 이름을 지정합니다.
  4. 새 메터리얼을 Material Editor에서 엽니다.

Material editor

이제 버텍스(vertex)와 프레그먼트 쉐이더(fragment shader) 프로그램 파일을 만들어야 합니다. 현재 이 작업 단계는 좀 복잡합니다.

  1. File > New…​ > Script File 을 선택해서 스크립트 파일 만들기
  2. 이 스크립트 파일의 확장자를 “.vp” (Vertex Program)로 바꿉니다.
  3. 스크립트 파일을 하나 더 만듭니다.
  4. 이 스크립트 파일의 확장자를 “.fp” (Fragment Program)로 바꿉니다.

메터리얼의 아래 속성을 사용하여 서로 연관된 두 프로그램 파일을 지정합니다.

Shader files

Material tags

당신의 렌더 스크립트(render script)가 새 메터리얼을 사용하는 컴포넌트를 렌더링 할 수 있으므로 당신은 메터리얼을 위한 태그(tag)를 설정해야 합니다. 태그는 엔진에서 render.predicate()에 의해 함께 렌더링해야 하는 컴포넌트들을 수집하기위해 사용되며 비트마스크(bitmask)로 표시됩니다. 이를 수행하는 방법을 알고 싶다면 Rendering문서를 참고 바랍니다.

프로젝트에서 사용할 수 있는 최대 태그의 수는 32개 입니다.

Material tags

Constants

버텍스 쉐이더는 각 버텍스가 클리핑 공간(clipping space)으로 바뀔 수 있도록 메트릭스를 필요로 하며 두 개의 버텍스 상수(vertex constants)를 설정하면 됩니다.

  1. 상수 한 개는 "world"로 이름을 짓고 type을 CONSTANT_TYPE_WORLD 로 설정합니다. 이를 통해 엔진은 "world"가 월드 메트릭스를 포함하고 있다는 것을 알 수 있습니다.
  2. 두번째는 "view_proj"로 이름을 짓고 type을 CONSTANT_VIEW_PROJECTION 으로 설정합니다. 이를 통해 엔진은 "view_proj"가 프로젝션 메트릭스(projection matrix)와 곱해진 뷰 메트릭스(view matrix)를 포함하고 있다는 것을 알 수 있습니다.

Vertex constants

Shader programs

메터리얼이 동작하기 위해서, 우리는 버텍스와 쉐이더 프로그램을 수정해야 합니다.

Vertex shader (“flat.vp”)

// view_proj 와 world 는 버텍스 상수로 설정되며
// 우리는 버텍스 쉐이더 프로그램에서 이를 "uniform"으로 선언하여 엑세스함
//
uniform mediump mat4 view_proj;
uniform mediump mat4 world;

// position이 원래의 버텍스 포지션을 유지함
attribute mediump vec4 position;

// texcoord0 는 이 버텍스를 위해 텍스쳐 좌표를 가지고 있음
attribute mediump vec2 texcoord0;

// 버텍스 간의 텍스쳐 좌표를 보간하는 변수를 정의함
// 프레그먼트 쉐이더(fragment shader)는 이 값을 읽게됨
varying mediump vec2 var_texcoord0;

void main()
{
    // view, projection, world 메트릭스를 하나로 곱함
    mediump mat4 mvp = view_proj * world;

    // var_texcoord0에 이 버텍스의 위치인 texcoord0를 설정함
    var_texcoord0 = texcoord0;

    // 버텍스 위치를 mvp matrix로 이동(translate)함
    // vec4(position.xyz, 1.0) 는 이 위치의 w 컴포넌트가 항상 1.0임을 보장함
    gl_Position = mvp * vec4(position.xyz, 1.0);
}

Fragment shader (“flat.fp”)

// 이 프레그먼트의 텍스쳐 좌표는 버텍스 사이에 다양하게 있음
varying mediump vec2 var_texcoord0;

// 컴포넌트의 텍스쳐 데이터는 sampler2D를 통해 액세스됨
uniform sampler2D diffuse_texture;

void main()
{
    // 이 프레그먼트 좌표에서 텍스쳐의 색상을 찾고 이를 프레그먼트 색상으로 설정함
    gl_FragColor = texture2D(diffuse_texture, var_texcoord0);
}

Setting the material

각 그래픽 오브젝트의 타입은 Material 속성을 가지고 있으며 각 컴포넌트마다 특정 메터리얼을 설정할 수 있습니다. 메터리얼을 설정하지 않으면, 기본 메터리얼이 자동으로 선택됩니다. 직접 새로 만든 메터리얼을 사용하여 모델 렌더(model render)를 만들기 위해서는, Material 속성을 설정하여 메터리얼 파일을 참조하면 됩니다. Models 문서에서 어떻게 3D 모델을 Defold로 임포트 하는지 가이드를 볼 수 있습니다.

Set material

이제 모델의 결과 렌더링을 볼 수 있습니다. 상상한 만큼의 흥미로운 메터리얼은 아니지만, 경험을 쌓기엔 좋은 출발점이 될 것입니다. 만약 당신이 쉐이더 프로그래밍을 처음 시작한다면, 렌더링 파이프라인이 동작하는 방법을 이해하기 위해 이 간단한 샘플에 시간을 들여야 합니다.

Flat shaded model

Shader constants

유니폼(Uniforms)은 엔진에서 버텍스와 프레그먼트 쉐이더 프로그램으로 전달되는 값입니다. 이들은 쉐이더 프로그램에서 uniform 키워드로 선언되며 material 파일에서 vertex_constant 속성이나 fragment_constant 속성으로 정의되어야 합니다. 쉐이더 상수(shader constatns)는 각 렌더 패스(render pass)에서 일정하며 각 프레임당 한 번씩 발생합니다. 아래 타입을 사용할 수 있습니다.

CONSTANT_TYPE_USER

쉐이더 프로그램으로 보내려는 커스텀 데이터를 위해 사용되는 커스텀 상수(custom constant)입니다. 상수 정의(constant definition)에 있는 상수를 초기값으로 사용할 수 있지만 sprite.set_constant(), sprite.reset_constant(), tilemap.set_constant(), tilemap.reset_constant(), particlefx.set_constant(), particlefx.reset_constant() 함수를 통해 변경할 수 있습니다.

CONSTANT_TYPE_WORLD

월드 메트릭스(world matrix)

CONSTANT_TYPE_VIEW

뷰 메트릭스(view matrix)

CONSTANT_TYPE_PROJECTION

프로젝션 메트릭스(projection matrix)

CONSTANT_TYPE_VIEWPROJ

뷰와 프로젝션 메트릭스를 곱한 메트릭스

CONSTANT_TYPE_WORLDVIEW

월드와 뷰와 프로젝션 메트릭스를 곱한 메트릭스

Constant buffers

렌더링 파이프라인(rendering pipeline)이 그리기 작업을 할 때는 기본 시스템 상수 버퍼(default system constants buffer)에서 상수값들을 가져옵니다. 커스텀 상수 버퍼는 기본 상수값을 오버라이딩(override) 하는데 사용되며, 대신 렌더 스크립트(render script)에서 쉐이더 프로그램 변수를 프로그래밍 방식으로 설정할 수 있습니다. 그리고 나서 이들은 render.draw() 함수로 전달 됩니다.

self.constants = render.constant_buffer()                   [1]
self.constants.tint = vmath.vector4(1, 0, 0, 1)             [2]
...
render.draw(self.my_pred, self.constants)                   [3]
  • [1] 새로운 상수 버퍼를 만듬
  • [2] “tint” 상수를 밝은 빨강색으로 설정
  • [3] 우리의 커스텀 상수를 사용하여 predicate 그리기

버퍼의 상수 요소(element)는 Lua 테이블처럼 인덱스 될 수 있지만 pairs() 나 ipairs() 로 반복 할 수 는 없습니다.

Uniform texture samplers

선언된 sampler 2D는 자동적으로 그래픽 컴포넌트에 참조된 텍스쳐에 바인딩 됩니다. 현재는 메터리얼 파일에 샘플러를 지정할 필요가 없지만, 원하는 경우 샘플러를 설정할 수 있습니다. 아래를 참고 바랍니다.

Component texture

// 컴포넌트의 텍스쳐 데이터는 sampler2D를 통해 액세스됨
uniform sampler2D diffuse_texture;
...

// 이 프레그먼트 좌표에서 텍스쳐 색을 탐색하고
// 이 색으로 프레그먼트 색을 설정함
gl_FragColor = texture2D(diffuse_texture, var_texcoord0);
...

현재 Defold는 메터리얼 당 한 개의 텍스쳐만 지원합니다

Sampler settings

당신은 선택적으로 메터리얼 파일에 특정 샘플러를 설정할 수 있습니다. 샘플러에서 쉐이더 프로그램에서 사용된 이름을 따라 이름을 정하고 wrap과 filter를 원하는 대로 설정하면 됩니다.

Sampler settings

Wrap modes

wrap 모드는 U 및 V 축을 독립적으로 설정할 수 있습니다.

WRAP_MODE_REPEAT

[0,1] 범위 밖의 텍스쳐 데이터가 반복됨

WRAP_MODE_MIRRORED_REPEAT

[0,1] 범위 밖의 텍스쳐 데이터가 반복되지만 모든 두번째의 반복은 미러링됨

WRAP_MODE_CLAMP_TO_EDGE

1.0보다 큰 값의 텍스쳐 데이터는 1.0으로 설정되고 0.0보다 작은 값은 0.0으로 설정됨 (예를 들어 가장자리의 픽셀(edge pixel)은 가장자리로 반복됨)

Filter modes

확대(filter_mag)와 축소(filter_min)를 개별적으로 필터링 하기 위한 설정을 할 수 있습니다. Nearest 필터링은 Linear interpolation(선형 보간)에 비해 계산을 적게 하지만 계단 현상(aliasing artifacts)이 나타날 수 있습니다. Linear interpolation 필터링은 결과물을 부드럽게 만들어 줍니다.

FILTER_MODE_NEAREST

픽셀 중심에 가장 가까운 좌표의 텍셀(texel)이 사용됩니다.

FILTER_MODE_LINEAR

픽셀의 중심에 가장 가까이에 있는 텍셀의 2x2 배열의 가중 선형 평균(weighted linear average)을 사용합니다.

FILTER_MODE_NEAREST_MIPMAP_NEAREST

개별 밉맵(mipmap) 내에서 가장 가까운 텍셀 값을 선택합니다.

FILTER_MODE_NEAREST_MIPMAP_LINEAR

가장 가까운 밉맵 두 개에서 가장 가까운 텍셀(nearest texel)을 선택하여 이 두 값 사이를 선형적으로 보간합니다.

FILTER_MODE_LINEAR_MIPMAP_NEAREST

개별 밉맵 내에서 선형적으로 보간합니다.

FILTER_MODE_LINEAR_MIPMAP_LINEAR

선형 보간을 사용하여 두 맵을 각각 계산하고 이 두 값 사이를 선형적으로 보간합니다.

Vertex shader attributes

특성(attribute)은 개별 버텍스와 관련된 값입니다. 각기 다른 컴포넌트 타입은 각기 다른 특성 모음을 가지고 있습니다. 이 특성에 엑세스 하기 위해서는 쉐이더 프로그램에서 선언하기만 하면 됩니다.

// 이 버텍스를 위한 포지션과 텍스쳐 좌표
attribute mediump vec4 position;
attribute mediump vec2 texcoord0;
...

사용 가능한 특성은 아래와 같습니다.

Sprite

position, texcoord0

Tilegrid

position, texcoord0

Spine model

position, texcoord0

GUI node

position, textcoord0, color

ParticleFX

position, texcoord0, color

Mesh

position, texcoord0, normal

Font

position, texcoord0, face_color, outline_color, shadow_color

Translation by Kiman Kim