렌더링 시스템

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1. 렌더링

렌더링이란, 컴퓨터 프로그램을 통해서 2D 또는 3D 모델의 이미지를 생성하는 프로세스를 말한다.

즉, 가상 세계의 다양한 표상(시각, 청각, 촉각 등)을 체험자의 감각 기관에 제공하기 위해 존재하는 디스플레이가 출력할 '이미지'를 생성하는 작업인 것이다.

이미지는 병렬 처리를 통해 작업되어야 효율적이기 때문에 일반적으로 CPU보다는 GPU의 성능을 활용하며, 렌더링 작업이 사실적인 속도로 이루어지면 이를 '실시간 렌더링'이라고 부른다.

가상 현실의 경우, 체험자의 움직임과 동작에 빠르게 반응할 수 있을 정도로 빠른 실시간 렌더링 성능을 요구한다.

일반적으로 렌더링이라는 용어는 시각 이미지를 생성하는 프로세스에 국한되어 사용되지만, 디스플레이의 사례와 마찬가지로, 렌더링에도 시각, 청각, 촉각 등 다양한 감각 기관에 맞는 다양한 렌더링이 존재한다.

또한 목표로 삼는 감각 기관의 종류에 따라서 요구되는 렌더링 속도가 달라진다.

시각 이미지를 렌더링 할 때는 일반적으로 24Hz 이상을 요구하며, 촉각에는 1000Hz, 청각은 8000Hz에서 44,100Hz까지를 요구하기도 한다.

 

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2. 렌더링 시스템의 하드웨어

렌더링 시스템의 1순위 목표는 최소 레이턴시 임계치 충족이다.

즉, 어떻게든 최대한 빨리 낮은 레이턴시로 렌더링 된 결과물을 체험자에게 제공해야 한다는 것이다.

렌더링 '시스템'이라는 단어 때문에 모든 렌더링이 디지털 컴퓨터 시스템으로만 처리되어야 한다고 생각할 수 있지만 사실은 그렇지 않다.

앞서 살펴보았던 패시브 햅틱 디스플레이나 4D 효과들은 어떠한가?

실제 소품을 활용하여 피드백을 제공하는 이러한 방식들은 디지털 컴퓨터 시스템이 활용되지 않았다고 해서 렌더링 시스템이라고 부를 수 없는 것일까?

전통적이고 아날로그적인 방법일지라도, 디지털 컴퓨터 시스템이 등장하기 전 시대일지라도 렌더링이라는 개념은 존재했다.

디지털 컴퓨터를 활용하는 방법이 등장하기 훨씬 전인 1968년에 개봉한 <2001 Space Odyssey> 작품이나, 아폴로 프로젝트를 위해서 비행 중에 촬영한 영상물과 모형으로 제작한 달 표면 등을 활용해 제작된 비행 시뮬레이션, LOLA(Apollo-era Lunar Orbit Landing Approach)가 대표적이다.

렌더링 시스템에 디지털 컴퓨터가 본격적으로 활용되기 시작한 것은 병렬 처리 작업에 유리한 GPU 성능의 향상과 그래픽 프로그래밍 개념이 등장한 이후부터였으며, 컴퓨팅 성능이 급속도로 발전한 현재에도 GPU가 렌더링 시스템 하드웨어의 중심축 역할을 담당하고 있다.

 

2.1. 씬(Scene)은 어디서 렌더링 되는가?

여기서 말하는 '어디서'라는 개념은 렌더링 시스템 하드웨어와 디스플레이가 독립적으로 존재할 수 있음을 전제 하에 다루어야 한다.

일반적인 PC 시스템을 예로 들자면, PC 하드웨어가 씬을 렌더링 하고, PC와 연결된 모니터가 렌더링 이미지를 출력할 것이다.

이 때문에 과거에는 열차 안이나 사무실 등에서 렌더링 작업을 계속 이어나가고 싶다면 고성능 노트북처럼 PC를 직접 이동시키는 방법뿐이었다.

하지만 이제는 네트워크 기술의 발달 덕분에 이 PC가 꼭 물리적으로(유선이나 근거리 무선 통신으로) 연결된 공간에 있을 필요가 없어졌다.

클라우드 컴퓨팅 시스템을 통해서 렌더링 작업은 다른 곳에 위치한 메인프레임 서버 컴퓨터에서 처리하고, PC는 그 결과만 받아서 출력하는 작업을 수행할 수 있게 된 것이다.

이는 PC 시스템으로 구축하기에는 너무 부담스러운 가격과 크기, 성능, 전력을 요구하는 렌더링 시스템을 보다 저렴한 가격에 다룰 수 있게 해 주었으며, 더 다양한 분야(클라우드 게이밍, VR/AR 등)에서 고성능 렌더링 결과물을 활용할 수 있게 되었다.

클라우드 게이밍 플랫폼인 XBOX Cloud가 대표적인 예시이며, HoloLens와 같은 HMD 기기처럼 체험자의 신체에 부착되는 방식의 소형화/경량화가 중요한 VR 장비 분야에서도 큰 혜택을 누리고 있다.

단, 이러한 시스템을 구축하기 위해서는 원활한 네트워크 연결이 보장되는 환경이 필수적이며, 그렇지 않다면 렌더링 시스템과 디스플레이가 물리적으로 연결된 환경에서 동작하는 방식보다 필연적으로 레이턴시가 높을 수 있다는 점을 고려해야 할 것이다.

 

2.2. 씬을 디스플레이로 전달하는 방법

생성된 이미지를 디스플레이와 체험자에게 전달하기 위해서는 아래의 세 가지 기본 메커니즘을 활용해야 한다.

- 유선 (Tethered)

- 내장형 (Contained)

- 전송형 (Transmitted)

현재 대부분의 장치들이 유선보다는 무선 연결 방식을 사용하고 있다.

경우에 따라서 렌더링과 디스플레이를 하나의 기기에서 전부 처리하는 올인원(All-in-one) 내장형 시스템을 구축하기도 하며, 앞서 언급한 것처럼 렌더링 시스템과 디스플레이를 물리적으로 '분리'해서 렌더링 결과물만 전송받는 전송형 방식을 사용하기도 한다.

다만 고정형 디스플레이를 사용하는 시스템은 유선 연결 방식을 그대로 사용하는 것이 더 단순하고 저렴하기 때문에 큰 변화 없이 그대로 사용되는 추세이다.

무선을 활용하는 연결 방식은 전파 간섭이나 전력 소모, 레이턴시 문제가 발생할 가능성이 높기 때문에 촉각 디스플레이나 극단적으로 높은 해상도의 시각 디스플레이처럼 이러한 문제에 매우 민감한 조건에서는 활용 시 주의가 필요하다.

 

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