[GPU프로그래밍] 14. Particle Systems and Animation

jungizz_·2024년 6월 13일

GPU Programming

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애니메이션 연산을 GPU(shader)에서해서 빠르게 하기
- vertex position의 계산 및 transform
다음 프레임에 업데이트 되는 버텍스 데이터를 전달하기 위해 정보를 저장해야함
- shader의 output을 바로 buffer에 저장할 수 있는 Transform feedback 사용

Animating a surface

vs에서 시간에 따른 함수로 vertex position을 계산하여 transform
- xz평면의 쿼드의 y좌표를 시간에 따른 sine wave로 계산
- 이에 따라 바뀌는 노멀벡터도 편미분으로 계산

OpenGL Application

xz평면에 여러개로 쪼개진(tesselated) 평면 데이터 세팅
- 삼각형이 많을수록 (많이 쪼갤수록) 애니메이션이 자연스럽다
시간 및 sine함수의 매개변수를 uniform 변수로 설정

vertex shader

해당 vertex에 대한 시간에 따른 y값 계산

GPU의 데이터가 CPU에 필요한 경우

예를 들어 collision detection의 경우, 모든 버텍스의 updated position을 사용해 매 프레임마다 추가적인 계산이 필요 -> CPU에서 계산해야함

GPU의 데이터를 버퍼 등에 저장해서 CPU 전달해줘야함

Particle

형태가 고정되지 않은 것들을 시뮬레이션할 때 사용 (fuzzy things - smoke, luquid spray, fire, ...)
각 파티클은 포인트GL-POINTS를 사용
- 시뮬레이션 시 크기는 고려하지 않음
- 보통 transparency를 가지는 single,textured,camera-facing quad로 렌더링해서 형태를 만듦
lifetime을 가짐 (born->animates->dies)
- 시간/위치에 도달함에 따라 dead 결정
- dead 파티클은 recycle될 수 있음
lifetime동안 보여지는 방식(shape, transparency)을 바꿀 수 있음
파티클끼리의 인터렉션과 빛 반사는 가정안함 (적어도 이번 챕터에서는..)
파티클은 basic kinematic equations(속도, 가속도 등)에 따라 애니메이션되고, 외부 요인(바람, 마찰 등)도 고려

1. Particle fountain

한 지점으로 부터 분수형태로 파티클 뿜어내기
- 파티클 recycle은 안하고 시간 지나면 사라짐
- 각 파티클의 시작 위치는 같고, 약간의 시간차/속도차를 두고 생성된다

Instancing ✨

gs에서 파티클을 생성하는게 아니라서 Instancing 사용
한 파티클은 6개의 버텍스로 이루어진 쿼드로 나타나는데, 모든 파티클마다의 버텍스를 버퍼에 저장하는게 아닌, 6개의 버텍스만 저장하고 glDrawArrayInstanced로 그 버퍼가 파티클 개수만큼 반복해서 그려지도록 한다
한 파티클마다 6번의 vs가 실행되고, vs에서 파티클 위치를 기준으로 쿼드의 버텍스 위치를 계산 (offset)
- 근데 강노에서는 버텍스 버퍼가 필요업다하고, 저 함수는 버퍼를 반복해서 그린다하고... 모르겠음!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
particle의 position이 저장된 버퍼의 attribute index는 한 Instance가 그려지면 증가
- attribute index 증가 = index advance
- 한 Instancing = 6번의 vertex shader 실행
이를 세팅하기 위해 glVertexAttribDivisor로 divisor값을 설정
- divisor=n: n번의 instance 후 index advance
- divisor=0: 한 vertex shader 실행될 때마다 index advance (default)

glDrawArrayInstanced와 glVertexAttribDivisor의 예시

📃 Code

OpenGL Application

2개의 버퍼 (초기 속도, 시작 시간)
- 속도와 시간으로 파티클의 위치 계산할 것
초기 속도 버퍼는 특정 범위(cone) 내에서의 랜덤 방향과 랜덤 크기로 결정
시작 버퍼는 각 파티클이 생성될 시간의 간격을 구한 뒤, 몇번째 파티클인지에 따라 i를 곱해서 시간 결정
Instancing 설정으로 파티클 개수만큼 해당 Vertex Array가 그려지도록 한다
두 버퍼의 divisor는 1로 설정해서 한 instance가 그려져야 index가 증가되도록 설정
transparancy를 사용하기 위해 blend enable

vertex shader

해당 vertex가 한 particle에서 몇 번째인지 gl-VertexID를 통해 알아낸 뒤, 해당하는 index의 offset과 texcoord 정보를 적용
particle이 살아있을 때, 위치와 투명도 정보를 계산

fragment shader

texture 및 투명도 설정

시간에 따라 파티클에 주어지는 힘이 달라진다면 운동 방정식에서의 a에 변화가 생기는 것으로, 직전 프레임의 데이터가 필요하다
-> Transform feedback

Transform feedback

vs, gs의 output을 버퍼에 저장해서 다음 pass에서 사용하는 방법
- 파티클과 같은 discrete simulaton에 적합 (연속적인 과정을 시간 단계로 나눠 업데이트하는 방식)
vs에서 계산한 파티클의 위치를 버퍼에 저장하고, 이 값을 다음 pass의 input으로 사용해 위치를 update (이 과정을 반복)

Euler method

현재 프레임의 파티클 정보로 다음 프레임의 파티클을 계산하기 위해 euler method 사용

Buffer ping-ponging

euler method를 사용하여 다음 프레임 데이터를 계산하기 위해 2개의 버퍼가 필요하고, 2pass를 거친다
1pass (Update pass)
- no rasterization (그림을 그리는게 아닌, position 계산이 목적이므로)
- A버퍼로 계산한 다음 프레임 데이터를 output으로 B버퍼에 저장
2pass (Render pass)
- 1pass에서 계산 완료된 B버퍼를 사용해 렌더링
다음 프레임에서는.. B버퍼가 1pass의 input이 되고, A버퍼에 output이 저장

Store Shader output to Vertex Buffer

shader의 output을 vertex buffer에 담아야 다음 프레임에서의 shader input으로 사용할 수 있음
- 이 과정을 transform feedback이 해줌
glTransformFeedbackVarying: (numbering된) 각 attribute에 해당하는 buffer와 shader의 output을 연결
- 각 attribute에 해당하는 버퍼에 numbering은 glBindBase로 설정
렌더링 과정에서는, glBeginTransformFeedback과 glEndTransformFeedback 사이에 shader input으로 사용할 vertex array 바인딩해서 point primitive를 그림

❗위 내용은 아래 코드 보고 오는게 이해 더 잘 될 듯!

📃 Code

OpenGL Application

attribute가 3개이므로, 3개 쌍의 버퍼 생성
- attribute: 파티클 위치, 속도, 시간(나이)
- 나중에 계산되므로 처음에 만들 때는 넣어줄 값이 없어서 크기만 지정(age만 지정해줌)
한 쌍의 vertex array도 만들고, 버퍼 한 세트씩 묶기
shader의 output이 알맞는 attribute의 버퍼로 연결될 수 있도록 numbering
- ageBuf의 초기값은 전부 음수, 초기 속도는 랜덤 설정 (전체 코드 참고)
numbering된 각 attribute에 해당하는 buffer와 shader의 output을 연결
Render함수에서 pass에 따른 세팅
- pass1 -> rasterizer를 disable, TransformFeedback으로 shader output을 버퍼에 연결, divisor=0으로 설정(particle별 계산이니까), 다 끝나면 rasterizer enable
- pass2 -> divisor=1로 설정, buffer swap

Vertex shader

pass1에서는 이전 프레임 데이터를 사용해서 파티클의 새로운 위치, 속도, 나이 값 계산
pass2에서는 위치와 투명도 계산

shader output을 저장하기 위해 image load/store 또는 shader storage buffer objects 등을 사용할 수도 있다

compute shader를 사용하면 1pass로도 가능하다

Query

사용자가 요청한 특정 데이터를 보여달라는 요청
ex) TransformFeedback의 결과를 쿼리하고 싶을 때
- 쿼리 오브젝트 생성
- TransformFeedback 수행 전 glBeginQuery 로 어떤걸 쿼리할지 지정
  - TransformFeddback으로 생성된 primitive의 개수
- TransformFeedback이 완료된 후 glEndQuery
- 쿼리 오브젝트에 답변이 저장되고, 그 데이터를 받아와 출력해서 확인

Instanced meshes

점 대신 mesh data를 Instance
- glDrawArraysInstance 대신 glDrawElementsInstanced
메시를 인스턴싱 하는거므로 더 많은 정보 필요 -> 6개의 attribute
- 파티클 버퍼 4개쌍
- 메시를 그리기 위한 메시의 버텍스 버퍼 2개

Attributes	data	Divisor
0	Mesh vertex position	0
1	Mesh vertex normal	0
2	texture coordinate (필요한 경우)
3	particle position	rendering때는 1, update때는 0
4	particle velocity	rendering때는 1, update때는 0
5	particle age	rendering때는 1, update때는 0
6	particle rotation	rendering때는 1, update때는 0

4개의 버퍼쌍: 파티클 위치, 속도, 나이, 회전
메시의 각 버텍스마다의 위치와 노멀 attribute도 필요 -> divisor=0

vertex shader

Rotation의 x는 회전되어있는 정도(회전각), y는 매 프레임마다 회전할 정도(속도?)
ParticleRotation도 정확하진 않지만 x가 회전각, y는 회전 속도
회전각에 회전할 정도 더해서 새로운 회전 각 계산하고, 그 값으로 cos, sine값을 계산하여 얻은 rotation matrix를 mesh 위치/노멀에 곱한다