Direct3D 12 Graphics Pipeline

SYiee·2023년 2월 1일

Graphics

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What is Graphics Pipeline?

The Graphics Pipeline is a sequence of processes, called Stages, that run on graphics hardware. We push data into the pipeline which runs the data through these stages to get a final 2D image representing the 3D scene.

⇒ 3차원 환경을 2차원 이미지로 표현하기 위한 stage

Fixed Function : the pipeline stages can be configured
Programmable : the pipeline stages can be programmed

`Input Assembler (IA) Stage`

fixed function stage → we do not do the programming to implement it
정점 데이터를 읽는 방법을 알 수 있도록 IA에 Input Layout을 제공
primitives로 data를 assemble한 후 pipeline에 이 primitives를 공급
string의 형태의 system generated values를 primitives에 부착 → 이러한 value를 Semantics라 함

D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC layout[] =
{
    { "POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0, D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },  
};

→ IA that each vertex in the vertex buffer has one element

`Vertex Shader(VS) Stage`

이전의 입력 어셈블러로부터 받은 정점을 처리하여 변환하거나 정점별로 조명을 적용하는 등, 정점별로 작업을 수행하는 단계

programmable stage
transformation, scaling, lighting, displacement mapping for textures and stuff like that
VS는 프로그램의 vertex를 수정할 필요가 없더라도 파이프라인이 작동하기 위해 항상 구현되어야 함 → 가장 간단한 형태의 VS는 그냥 다음 담계로 vertex position을 넘겨준다

float4 main(float4 pos : POSITION) : SV_POSITION
{
    return pos;
}

Tesselataoion Stages

the Hull Shader, Tessellator, and the Domain Shader stages는 tesselation을 만들기 위해 함께 일한다.

Tesselation이 하는 일은 primitive object(삼각형, 선)를 여러 개의 작은 부분으로 나누어 모델의 디테일을 증가시키며 매우 빠르다

screen에 보여지기 전에 GPU에 생성하고 메모리에 저장되지 않는다.
→ 메모리에 저장이 되어야만 하는 CPU에서 생성하는 것보다 많은 시간이 절약된다.

tesselation을 사용하여 low poly model → highly detailed polly

테셀레이션은 표면을 일정한 형태의 기하도형으로 나눠야 하는데, 입력으로 들어온 삼각형이나 선에 해당하는 기하 도형을 생성하는 단계

`Hull Shader(HS) Stage`

the first of Tesselation Stages & programmable stage
primitive 를 더 디테일하게 만들기 위해 새로운 vertices를 추가하는 방법과 위치를 계산하는 단계
그 후 data를 the Tessellator Stage and the Domain Shader Stage로 전송한다.

`Tessellator (TS) Stage`

기하 도형을 나타내는 도메인의 샘플링 패턴을 만들고, 더욱 작은 삼각형이나 점 혹은 선과같은 개체 집합을 생성하여 샘플을 연결하는 단계이다.

the second stage of Tesselation process & Fixed Function stage
primitive들을 더 작게 나누는 것
도메인(사각형, 삼각형 또는 선)을 여러 개의 더 작은 개체(삼각형, 점 또는 선)로 세분화하는 것

`Domain Shader (DS) Stage`

각 도메인 샘플에 해당하는 정점의 위치를 계산하는 단계이다.

the third stage of Tesselation process & Programmable Function stage
Hull Shader Stage로부터 새 vertices의 위치를 취하고, Tesselator Stage로 vertices를 변환하여 더 상세하게 만든다.

`Geometry Shader (GS) Stage`

Programmable Function Stage
accept primitives as input → 3 vertices for triangles, 2 for lines, and one for a point.
create or destroy primitives, where the VS cannot → We could turn one point into a quad or a triangle with this stage, which makes it perfect for use in a particle engine for example

`Stream Output (SO) Stage`

Geometry Shader Stage or Vertex Shader Stage가 없는 경우 pipeline에서 vertex data를 얻기 위해 사용
SO에서 메모리로 보내진 vertex data는 하나 이상의 buffer에 저장됨
SO로부터의 Vertex data output : lists (line lists or triangle lists)
Incomplete primitives are NEVER sent out
→ Incomplete primitives are primitives such as triangles with only 2 vertices or a line with only one vertex.

`Rasterizer Stage (RS)`

3D 그래픽을 실시간으로 구성하기 위해 벡터 정보를 픽셀로 구성되는 래스터 이미지로 변환하는 단계이다.
During rasterization
- 입력으로 들어온 primitive 들은 pixel로 변환이 되며 각각의 정점별 값을 보간하게된다.
- clipping vertices to the view frustum, performing a divide by z to provide perspective, mapping primitives to a 2D viewport, and determining how to invoke the pixel shader
- While using a pixel shader is optional, always performs
  → clipping
  → a perspective divide to transform the points into homogeneous space
  → maps the vertices to the viewport.

✔clipping
→ 화면에 보이지 않는 부분은 그리지 않는 것

`Pixel Shader (PS) Stage`

Programmable stage & optional stage
픽셀별 조명 및 후처리와 같은 화면에 표시되는 각 픽셀을 계산하고 수정하여 풍부한 음영 기술을 사용할 수 있게 하는 단계
Pixel shader
constant variables, texture data, interpolated per-vertex values와 다른 데이터를 조합하여 per-pixel 출력을 산출하는 프로그램
- 1:1 mapping
하는 일 : 각 픽셀 조각의 최종 색상을 계산하는 것
- pixel fragment : 스크린에 그려질 잠재적 pixel
  ex) 원 뒤에 사각형 픽셀이 있을 때, 최종적으로 화면에 표시되는 것은 depth가 더 작은 원의 픽셀이다.

`Output Merger (OM) Stage`

OM은 파이프라인 상태, 픽셀 셰이더에서 생성된 픽셀 데이터, 렌더링 대상의 내용 및 깊이/스텐실 버퍼의 내용을 조합하여 최종 렌더링된 픽셀 색을 생성합니다.

pixel fragments and depth/stencil buffer 를 사용하여 최종적으로 렌더링 대상에 기록되는 픽셀 색을 생성
OM Stage는 표시되는 픽셀(depth-stencil testing 포함)을 결정하고 최종 픽셀 색을 혼합하기 위한 마지막 단계
render target은 OM에 바인딩하는 Texture 2D 리소스이다.

Depth-Stencil Testing

texture resource로 생성되는 depth-stencil buffer는 depth data와 stencil data를 모두 포함

depth data : 카메라에 가장 가까운 픽셀을 결정하는 데 사용

stencil data : 업데이트할 수 있는 픽셀을 마스크하는 데 사용

⇒ output-merger stage는 depth & stencil values data을 모두 사용하여 픽셀을 그려야 하는지 여부를 결정. 다음 다이어그램에서는 Depth-Stencil Testing를 수행하는 방법을 개념적으로 보여 준다.