[Graphics] Clipping & Culling & Stencil buffer

Clipping

응용프로그램에 의해 정의되는 클리핑 또는 관측 공간 안에 들어가는 기본 요소나 그 일부분을 결정하는 과정

• 클리핑된 정점의 w 성분이 1이 아닌 경우 필요한 투시 계산 전에 수행됨
• Clipping Window를 벗어나면 잘라주어야 하고, 이 window는 viewport라고도 함
• 그려지는 순간에 어디 그려질지 결정되기 때문에, 그리는 순간 혹은 그리기 직전에 클리핑이 일어나야 함
• 픽셀로 바뀐 rasterize 이후에 일어남
  
• 어떤 부분이 보여질 것인지 정의하는 과정이기도 하고, 보이는 부분만 그리면 됨

어떻게 클리핑하는지?

1. Point clipping

• 내가 그리려는 점이 Viewport 안에 있으면 그리고 없으면 그리지 않는 것
• 월드좌표계 상에서의 좌표를 확인
• 확인을 한다는 액션 자체는 쉬운데, 래스터라이즈 된 모든 점에 대해서 체크를 해야해서 비효율적

2. Line clipping

• 기하학적 성질을 이용하여 선을 잘라내는 방식
• 직선의 방정식을 통해 직선을 나타낸 다음 교점을 찾고, 교점에 따라 직선을 자름
• 간단히 말해서 Point clipping과 비슷한데 창안에 있는 선은 유지하고, 창밖의 선은 잘라냄

3. Polygon clipping

• 왼쪽, 오른쪽, 위, 아래 순서대로 잘라냄
• Xmax, Ymax 가 있을 때 어떤 다각형의 한 점이 max보다 작으면 그리고, max보다 크면 해당 max까지만 그림
  

3D vs 2D clipping

• 3차원 클리핑은 할 필요가 없음
  정면에서 보이는 삼각형의 면만 자르면 됨

OpenGL에서는 어떻게 Clipping이 이루어지는지?

• normalized coordinate에서 발생해서 clipping coordinate라고도 불림
• Viewport 설정을 통해 실제 화면으로 맵핑함

glViewport(x,y,w,h)

• x,y는 시작 좌표이고, w,h는 너비, 높이임

Culling

Back-face culling

• 보이지 않는 면을 그리지 않도록 없애는 것 (면이 있어야 하므로 primitive assembly 이후에 발생)
• Fragment process의 마무리에서 발생하며, 삼각형 면은 Front face, Back face 둘 중 하나의 성질을 갖게 됨
• Front face는 카메라를 바라보고 있는 면, Back face는 카메라를 등지고 있는 면
• 한 면이 바라보는 방향 벡터가 있을 때 내 쪽을 바라보면 Front face, 나와 같은 방향을 바라보면 Back face
• 이 때 사용되는 방향 벡터는 Surface normal vector라고 하고 삼각형의 수직벡터로 정하게 됨
• 수직벡터는 삼각형의 두 엣지를 외적해서 구하는데, 외적하는 벡터의 순서가 바뀌면 반대 방향으로 노말벡터가 나오기 때문에 정점의 순서가 중요함
  삼각형이 앞면일 때 시계반대방향(CCW)로 나타내야 함

Stencil buffer

• 스텐실은 도화지에 구멍을 뚫어놓고 그 부분만 색칠하는 것을 말한다.
• 이전에 배웠던 Frame buffer, Depth buffer와 같이 또 하나의 버퍼임
• 거울이나 포탈같은 거 표현할 때 많이 사용되는데, 여러 물체들 중 거울에 비치는 것만 그리고 나머지는 그리지 않도록 막을 때 사용할 수 있음
  
  (출처 - https://www.ronja-tutorials.com/post/022-stencil-buffers/)

OpenGL에서는 어떻게 Stencil buffer를 사용하는지?

glStencilFunc(GLenum func, Glint ref, GLuint mask)

• func: GL_LEQUAL, GL_ALWAYS 등의 값으로 테스트 함수를 정의
• ref: 테스트를 위한 참조 값
• mask: ref와 stencil 에서 어떤 값을 사용할지 선택

glStencilMask(GLuint mask)

• 실제로 stencil 기법을 쓸 것인지(1) 말 것인지(0)를 정함
• 이 때 뎁스버퍼의 값을 바꿀 것인지에 대한 설정으로 glDepthMask()를 이용할 수 있고, 컬러마스크 이용을 위해 glColorMask()를 이용할 수도 있음

glStencilMaskSeparate(GLenum face, GLuint mask)

• Face: GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK
• 앞면만 바꿀 것인지, 뒷면만 바꿀 것인지에 대한 옵션 설정 가능

glStencilOp(GLenum sfail, GLenum dpfail, GLenum dppass)

• 스텐실 값을 어떻게 바꿀 것인지에 대한 액션을 정의
• GL_KEEP(원래 값 사용), GL_ZERO(0으로 설정), GL_REPLACE(특정값으로 변경), GL_INCR(1 더하는 것), GL_INCR_WRAP, GL_DECR(1씩 빼는 것), GL_DECR_WRAP(음수방지), GL_INVERT(1은 0으로, 0을 1로 바꾸는 것)
• sfail: glStencilFunc에서 ref값이 펑션을 만족시키면 성공인데 그렇지 않은 경우
• dpfail: stencil test는 패스했으나, depth test는 fail
• dppss: stencil test, depth test 모두 성공

glStencilOpSeparate(GLenum face, GLenum sfail, GLenum dpfail, GLenum dppass)

• 앞면과 뒷면에 대해 함수를 다르게 설정할 수 있음

PER-FRAGMENT PIPELINE

Input: Fragment + Associated Data
1. Pixel Ownership Test:
색깔이 화면에 그려질 것인지 아닌지를 결정
2. Scissor Test: 잘라낼 부분들을 잘라냄
3. Alpha Test: 투명한 것인지 불투명한 것인지
4. Stencil Test
5. Depth Test
6. Blending
7. Dithering
8. Logic Op
Output: Frame buffer로