더욱 선명한 3D 렌더링을 위한 기술, 텍스처 필터링

3D 그래픽 세계에서, 게임 레벨, 시네마틱 씬, 애니메이션 시퀀스가 흐릿한 픽셀 덩어리로 보이지 않도록 뒤에서 조용히 일하는 영웅이 있습니다: 텍스처 필터링입니다. 이는 중요하지만 거의 주목받지 않는 기술적 주제 중 하나입니다. 오늘은 이 주제를 중심에 두고 살펴보겠습니다. 3D에 처음 발을 디딘 초보자든, 렌더링 파이프라인에 깊이 빠져 있는 전문가든, 텍스처 필터링이 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 고품질의 몰입감 있는 이미지를 생성하는 데 필수적입니다.

텍스처 필터링이란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

텍스처 필터링은 기본적으로 텍스처 맵(3D 모델에 적용된 이미지)이 다양한 거리, 각도, 해상도에서 렌더 될 때 어떻게 표시되는지 결정하는 과정입니다. 3D 표면에 텍스처를 매핑할 때마다 2D 텍셀 그리드(텍스처 픽셀)를 3D 오브젝트에 매핑한 후 이를 화면 픽셀로 표시하게 됩니다. 이 매핑은 항상 깔끔하게 맞지 않을 수 있습니다. 필터링이 없으면 두 가지 극단 중 하나를 겪게 됩니다: 블록 모양의 픽셀화된 텍스처나 세부 사항이 부족한 흐릿한 텍스처입니다. 필터링 방법은 텍스처를 급격한 각도나 먼 거리에서 볼 때에도 해당 텍셀에 기반해 단일 픽셀의 색상을 근사치화 함으로써 이 문제를 해결합니다.

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텍스처 필터링 유형: 이중선형, 삼중선형 및 이방성

3D 그래픽에서 가장 흔히 사용되는 세 가지 텍스처 필터링 방법을 살펴보겠습니다. 각 방법은 이전 방법보다 복잡성과 시각적 품질이 향상됩니다.

Nearest-Neighbor 필터링

nearest-neighbor 샘플링이라고도 불리는 이 방법은 가장 단순하고 빠른 방법입니다. 이 방법은 원하는 샘플링 지점과 가장 가까운 단일 텍셀을 선택하고 그 색상을 직접 사용합니다.

• 장점: 빠르고 GPU 부하가 최소화됩니다.    
• ‍단점: 날카롭고 톱니 모양의 가장자리를 생성하며, 일반적으로 “jaggies” 또는 블록 현상이라고 불립니다.

이중선형(Bilinear) 필터링

이중선형 필터링은 픽셀 주변의 가장 가까운 4개의 텍셀을 샘플링한 후 이 사이를 선형 보간하여 더 부드러운 결과를 생성합니다.

• 장점: 텍스처를 부드럽게 만들고, 확대 및 기본 축소 시 효과적입니다.  
• 단점: 텍스처를 비스듬한 각도에서 볼 때 여전히 흐림 현상이 발생합니다.

이 방법은 정면에서 보는 2D 텍스처에는 우수하지만, 깊이 또는 회전 시 성능이 떨어집니다.

삼선형 필터링

트리리니어(Trilinear) 필터링은 추가적인 단계를 추가합니다. 단일 mipmap 레벨에서 가장 가까운 두 텍셀 뿐만 아니라 두 mipmap 레벨 사이를 보간합니다. 이로 인해 서로 다른 세부 수준 간의 가시적인 전환이 크게 줄어듭니다.

• 장점: mipmap 팝핑 현상을 줄이고, 그라데이션 전환이 더 자연스러워집니다.  
• 단점: 이중선형 필터링보다 GPU 사용량이 더 많습니다.

이방성(Anisotropic) 필터링

이것은 텍스처 필터링의 최고급 버전입니다. 이방성 필터링은 시야각을 고려하여, 긴 복도나 멀리 뻗어 있는 도로처럼 급격한 경사각에서 텍스처를 더 선명하게  표시합니다.

• 장점: 극한의 각도에서도 높은 텍스처 선명도를 유지합니다.      
• 단점: GPU 비용이 가장 높지만, 현대적인 렌더링 엔진에서는 그 가치가 충분히 있습니다.

현재 대부분의 게임 엔진은 16배까지의 이방성 필터링을 지원하며, 이는 Direct3D와 OpenGL 파이프라인 모두에서 고품질 렌더링의 표준이 되었습니다.

GPU 효율성을 위한 Mipmapping 및 필터링 방법

Mipmap이란 무엇인가?

mipmap은 텍스처의 미리 계산된 축소 버전으로, 렌더링 성능을 향상시키고 앨리어싱(aliasing)을 줄이는 데 사용됩니다. 각 mipmap 레벨은 이전 레벨의 절반 크기의 버전입니다.    

예를 들어 2048x2048 텍스처를 가지고 있다고 가정해 보겠습니다. mipmapping 1x1까지의 더 작은 버전으로 이어지는 계층 구조를 생성합니다. 렌더링 시 GPU는 카메라로부터의 물체의 거리 기반으로 적절한 레벨을 선택합니다.

필터링 +  Mipmapping = 마법

필터링과 mipmap을 결합하면 화면상의 텍스처 크기를 줄이는 미니어처화(minification)를 훨씬 더 우아하게 관리할 수 있습니다.

• mipmap을 이용한 이중선형 필터링은 성능과 부드러움을 향상시킵니다.  
• 삼중 선형  필터링은 일관성을 높이기 위해 mipmap 레벨을 보간합니다.    
• 이방성 필터링은 화면 공간 왜곡을 기반으로 mipmap에서 선택적으로 샘플링합니다.

이방성 필터링이 시각적 품질을 개선하는 방법

이방성 필터링은 날카로운 시야각에서도 텍스처의 선명도를 유지하여 다른 방법들이 흐려지는 부분에서도 세부 사항을 선명하게 유지합니다. 예를 들어, 멀리까지 이어지는 타일 바닥을 상상해 보십시오. 이방성 필터링이 없으면 패턴이 번져 보입니다. 이방성 필터링을 사용하면 텍스처가 급격한 각도에서도 선명하게 유지됩니다. 이는 텍스처 데이터를 더 지능적으로 샘플링하여 aliasing을 줄이고, 그라데이션을 강화하며, 노멀 맵과  범프 맵의 표면 세부 사항을 개선합니다. 결과는 무엇일까요? 모든 각도에서 선명하고 깨끗한 렌더링입니다.

텍스처 필터링의 응용

비디오 게임

게임 엔진에서 텍스처 필터링은 게임 플레이 중 시각적 품질을 유지하는 데 필수적입니다. 이는 다음과 같은 역할을 합니다:

• 다양한 거리나 급격한 각도에서 텍스처를 부드럽게 처리합니다.    
• 특히 빠른 움직임 시 aliasing과 깜빡임을 줄입니다.    
• 표면 세부 사항을 선명하고 깨끗하게 유지하여 몰입감을 높입니다.

예를 들어, 자갈길을 걸을 때 anisotropic 필터링은 카메라 각도가 변해도 돌들이 흐려지거나 반짝이지 않도록 합니다.

건축, 제품 및 산업 시각화

건축 및 제품/산업 디자인 분야의 렌더링과 실시간 미리보기:

• 텍스처 필터링은 바닥 타일, 브러시드(brushed) 메탈 패널, 직물 텍스처와 같은 표면의 선명도를 유지합니다.    
• 다양한 시점과 줌 수준에서 재료가 일관되고 현실감 있게 표시되도록 보장합니다.    
• 제품의 클로즈업 샷이나 건축물의 와이드 앵글 플라이스루와 같은 상황에서 표면 특성을 정밀하게 강조하는 데 도움을 줍니다.

필터링은 프로토타입을 제시하고 사진 같은 시각적 효과로 이해관계자를 설득하는 데 특히 유용합니다.

애니메이션 및 영화 렌더링

사전 렌더 된 콘텐츠(예: 애니메이션 또는 시네마틱 시퀀스)에서:

• 필터링은 움직이는 텍스처의 시각적 품질을 향상시키며, 특히 캐릭터나 빠르게 움직이는 차량에 효과적입니다.    
• 카메라 이동 및 오브젝트 애니메이션 시 시각적 연속성을 유지합니다.    
• 현실감을 깨거나 시청자의 집중을 방해할 수 있는 아티팩트를 줄입니다.

가상 및 증강 현실(VR/AR)

몰입형 환경에서 텍스처 필터링은 편안함과 현실감을 위해 필수적입니다:

• 극한의 시야각에서 텍스처의 반짝임이나 왜곡을 방지합니다.    
• 성능을 과도하게 소비하지 않으면서 세부 사항을 선명하게 유지합니다.    
• 사용자에게 가까운 표면의 현실감을 높입니다.

결론

필터링은 제대로 작동할 때는 눈에 띄지 않지만, 그렇지 않을 때는 고통스럽게 드러납니다. 3D 아티스트에게 필터링을 마스터하는 것은 기술적 최적화만큼이나 미적 측면에서도 중요합니다. 렌더링을 시작할 때, 로컬에서든 렌더팜을 통해서든, 텍스처 필터링이 작업의 완성도를 결정짓는다는 점을 기억하십시오. 상류 단계에서 잘못된 필터링 선택은 후처리로도 완전히 수정할 수 없습니다.

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