HLSL 프로그래밍_7 DoubleSided과 Culling

Double Sided Rendering

게임에서 카메라를 움직여 가까이 가져갈 때, 내부를 통과할시 안쪽이 투명하게 보이는걸 볼 수 있는데, 그 이유가 바로 이것이다.

일반적으로 한 면만 렌더링 하기 때문에 양면 렌더링을 실시할 경우 내부도 보이게 된다.

Face Culling

컬링은 최적화 기법으로 카메라에 보여질 면을 선택하고 그 외는 렌더링 하지 않는 방법을 뜻한다.

//CullMode를 Enum 타입으로 가져온다.
[Enum(UnityEngine.Rendering.CullMode)] _cull("Culling",FLOAT) = 1;

Cull[_cull]

culling이 적용된 걸 확인할 수 있다.

Normal 방향 뒤집기

면의 안쪽을 보면 내부가 어둡게 나타난다.
이는 면의 방향 (normal vector)가 뒤집힌 상태이기 때문에 나타나는 결과이다.
이를 해결하기 위해선 해당 정점이 뒤집혔는지 확인해야 한다.

Fragment 단에서 해당 픽셀이 보고 있는 면 방향을 알려주는 시멘틱 FRONT_FACE_SEMANTIC

그리고 normalWS에 해당 정점의 정보를 가져와 뒤집어준다. (-1 또는 1을 곱해서)

lightingInput.normalWS = normalize(i.normalWS)  * IS_FRONT_VFACE(frontFace,1,-1);

내부에 조명이 적용되는걸 볼 수 있다.

그런데 한 가지 문제점이 또 생겼다.
바로 shadow ance가 발생한것.

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Back face Shadow ance 제거

이를 해결하기 위해선 해당 그림처럼 normal vector와 viewDir(광원 방향)간의 각도를 기준으로 90도 이상일시 뒤집어줘야 한다.

기존 LitPass에서는 FRONT_FACE_TYPE frontFace : FRONT_FACE_SEMANTIC 시멘틱을 통해 뒤집혀진 정점을 가져올 수 있었지만, Shadow pass에서는 vertex 단계에서 shadow position을 계산하기 때문에 fragment 단의 FRONT_FACE_SEMANTIC 시멘틱을 사용할 수 없다.

결국 직접 뒤집힌 정점을 구한 뒤, 해당 정점 위치에 대응되도록 Bias 값을 적용시킬 수 밖에 없다.

float3 FlipNormalBaseOnViewDir(float3 normalWS, float3 positionWS)
{
    float3 viewDirWS = GetWorldSpaceNormalizeViewDir(positionWS);
    // 카메라와 정점간의 거리 (viewPos - positionPos)

    return normalWS * (dot(normalWS,viewDirWS) < 0 ? -1 : 1);
    //dot 연산 결과가 0보다 작으면 각도가 90도 이상이므로 면을 뒤집어 줘야한다. -1값을 넣어준다.
    //결과를 바탕으로 normalFace를 뒤집은 후 발생한 shadow acne를 처리하기 위해
    //shadow bias 값을 반전시키기 위함이다.
}

normalWS = FlipNormalBaseOnViewDir(normalWS,positionWS);
//FlipNormalBaseOnViewDir() 함수를 통해 shadow depth에 사용됨

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shadow bias를 반전시키고 난 후.

이제 양면 렌더링을 적용시켰을 때 오버헤드를 줄여야한다.

이전 surface와 같이 FaceRenderType enum을 만들어 ShaderGUI단에서 선택할 수 있도록 해야한다.
아래와 같이 enum을 만들고 shader 파일에 있는 _FaceRenderingMode 프로퍼티와 연결하자

public override void OnGUI(MaterialEditor materialEditor, MaterialProperty[] properties)
    {
var faceProp = BaseShaderGUI.FindProperty("_FaceRenderingMode",properties, true);

faceProp.floatValue = (int)(FaceRenderType)
            EditorGUILayout.EnumPopup("FaceRendering Mode", (FaceRenderType)faceProp.floatValue);
}

FaceRenderType faceRenderingMode =
(FaceRenderType)material.GetFloat("_FaceRenderingMode");


        if (faceRenderingMode == FaceRenderType.FrontOnly)
            material.SetInt("_Cull", (int)CullMode.Back);
        else
            material.SetInt("_Cull", (int)CullMode.Off);

        if (faceRenderingMode == FaceRenderType.DoubleSided)
            material.EnableKeyword("_DOUBLE_SIDED_NORMALS");
        else
            material.DisableKeyword("_DOUBLE_SIDED_NORMALS");

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다음으로 shader 파일에 _FaceRenderingMode 프로퍼티 선언과 shader_feature 명령어를 정의해주자

[HideInInspector] _FaceRenderingMode("Face Render Mode",Float) = 0

SubShader
{
    Pass
    {
        Name "ForwardLit"
        #pragma shader_feature_local _DOUBLE_SIDED_NORMALS
    }
    Pass
    {
        Name "ShadowCaster"
        #pragma shader_feature_local _DOUBLE_SIDED_NORMALS
    }
}

shader 파일에 명령어 정의가 완료되면 ForwardLit 파일과 ShadowCaster파일에 아래와 같이 오버헤드가 발생할 부분에 명령어 #ifdef와 #endif 처리를 해주면 된다.