게임 개발에서 셰이더 이해하기

### Unity의 셰이더 이해 실무 개요
* 🎨 셰이더는 게임 개발의 기본 요소로, **게임의 모든 것이 셰이더로 렌더링**됩니다.
* 셰이더는 기본적으로 GPU에서 실행되는 코드로, 특히 **화면에 그래픽을 렌더링하는 셰이더**에 중점을 둡니다.
* 🎮 셰이더는 입력 데이터를 받아 계산을 실행한 후 최종 이미지를 화면에 출력하는 **'레시피'**와 같습니다.
* 📊 셰이더는 **텍스처, 색상, 값, 메시 데이터 등 다양한 유형의 입력 데이터**를 사용할 수 있습니다.
* 🔺 버텍스 셰이더는 **메시의 각 버텍스에서 작동**하여 오브젝트의 지오메트리를 변형하고 조작할 수 있습니다.
* 🎨 픽셀 셰이더라고도 하는 **프래그먼트 셰이더**는 화면의 각 픽셀의 색상을 결정하여 최종 이미지의 모양을 제어합니다.
* 🛠 Unity 셰이더는 프로퍼티와 패스를 정의하는 데는 **ShaderLab**을, 실제 셰이더 코드를 작성하는 데는 **HLSL(하이레벨 셰이딩 언어)**을 사용하여 구조화됩니다.
* 📚 셰이더에 대해 배우려면 **셰이더 파일의 기본 구조, 프로퍼티, 서브셰이더 및 패스의 역할, 버텍스 및 프래그먼트 셰이더용 코드를 작성하는 방법**을 이해해야 합니다.

### Unity 셰이더: 종합 가이드
* 🎨 버텍스 셰이더는 **클립 공간에 버텍스를 배치**하고 MVP 매트릭스를 사용하여 변환합니다. 일반적으로 **버텍스 위치를 정의**하거나 조각 셰이더에 데이터를 전달하는 등 버텍스별 작업에 사용됩니다.
* 🔮 보간기는 **버텍스 셰이더에서 프래그먼트 셰이더로 데이터를 전달**하여 표면 전체에 걸쳐 값을 보간합니다. **버텍스 셰이더에서 정의**되고 **프래그먼트 셰이더에서 액세스**됩니다.
* 프래그먼트 셰이더는 각 픽셀의 색상을 설정합니다. 모든 셰이딩 및 렌더링 로직은 일반적으로 **프래그먼트 셰이더에서 구현**되므로 셰이더 파이프라인의 중요한 부분입니다.
* 🎚 Unity의 셰이더는 **프로퍼티, 서브셰이더, 패스**가 포함된 ShaderLab 파일을 사용하여 구조화됩니다. 머티리얼은 **셰이더 프로퍼티를 구성**하고 오브젝트에 셰이더를 적용하는 데 사용됩니다.
* 💡 셰이더에서 **'하프' 및 '고정'과 같은 낮은 정밀도 데이터 유형**은 성능을 개선하고 메모리 사용량을 줄이기 위해 자주 사용됩니다.
* 📦 프래그먼트 셰이더의 출력은 프레임 버퍼에 기록되는 색상입니다. **SV_Target 시맨틱은 출력 대상을 지정**합니다.
* 🌈 셰이더에서 컬러와 벡터는 모두 **최대 4개의 구성 요소**를 가진 부동 소수점 값으로 구성되므로 동일하게 취급됩니다.
* 🔄 스위즐링을 사용하면 **벡터 또는 색상의 컴포넌트를 재정렬하고 복제**할 수 있어 셰이더 데이터로 작업하는 데 편리합니다.

### 셰이더: 버텍스 셰이더, 프래그먼트 셰이더, UV 좌표, 노멀 이해 및 수학을 사용하여 효과 만들기
* 🎨 셰이더는 **버텍스 셰이더와 조각 셰이더**로 구성되며, **버텍스 셰이더는 정점을 처리**하고 **조각 셰이더는 조각 또는 픽셀의 최종 색상**을 결정합니다.
* 📐 UV 좌표는 텍스처가 적용되는 방식을 결정하는 메시의 2D 좌표이며, **노멀은 표면에 수직인 방향**을 정의하는 벡터입니다.
* 🔄 일반적으로 **버텍스 셰이더에서 계산을 수행**하는 것이 더 효율적습니다. 일반적으로 처리할 픽셀이 버텍스보다 많기 때문입니다.
* 🎚 채도` 함수는 **0과 1 사이의 값을 고정**하여 색상이 유효한 범위를 초과하지 않도록 합니다.
* 🔺 'abs` 및 '코사인'과 같은 수학 함수를 사용하여 UV 좌표를 조작하여 **삼각형 파동과 같은 효과**를 만들 수 있습니다.
* 🔌 셰이더의 프로퍼티를 사용하면 머티리얼별로 동적 데이터를 설정할 수 있으므로 **셰이더 코드를 변경하지 않고도 커스터마이징**이 가능합니다.
* 📝 셰이더의 구조에는 **셰이더 경로, 프로퍼티, 버텍스 및 조각 셰이더, 추가 함수 또는 계산**이 포함됩니다.

### Unity 셰이더 기초 버텍스 및 프래그먼트 셰이더, 블렌딩, 뎁스 버퍼, GPU 병렬 처리
* 🔢 Unity 셰이더는 **버텍스 셰이더와 프래그먼트 셰이더**로 구성되며, **버텍스 셰이더는 메시 위치**와 같은 버텍스별 데이터를 처리하고 **프래그먼트 셰이더는 보간된 값**을 기반으로 픽셀을 렌더링합니다.
* 🎨 셰이더는 사용자 지정 입력에 대한 프로퍼티를 정의하며, **서브 셰이더는 성능 특성이나 세부 수준**에 따라 여러 셰이더 변형 중에서 선택하는 데 사용됩니다.
* 🏷 패스 태그 및 서브셰이더 태그와 같은 셰이더 태그는 셰이더 동작을 구성하는 데 사용되며, 혼동을 피하기 위해 **이 둘을 구분하는 것이 중요**합니다.
* 💻 셰이더의 CG 프로그램에는 **HLSL 코드**가 포함되어 있으며, CG 범위 내의 모든 것이 **셰이더 코드**로 간주됩니다.
* 뎁스 버퍼는 다른 지오메트리 뒤에 있는 조각을 폐기하여 렌더링을 최적화하는 데 사용되며, **셰이더는 뎁스 버퍼 읽기 및 쓰기 작업**을 제어할 수 있습니다.
* ➕ 덧셈 혼합은 **소스 색상과 대상 색상을 더하여 결합**하는 반면 곱셈 혼합은 **두 색상을 곱하는 방식**입니다.
* 📏 셰이더의 버텍스 오프셋을 사용하면 **버텍스 위치를 수정**하여 GPU의 병렬 처리 성능을 활용하여 지오메트리를 효율적으로 변형할 수 있습니다.
* 🌊 버텍스 오프셋을 사용하면 **각 버텍스에 대해 셰이더 코드를 실행**하여 메시를 이동시켜 파도와 같은 효과를 만들 수 있습니다.

### 셰이더 텍스처, 밉맵 및 할당
* 🖌 셰이더를 사용하면 텍스처를 샘플링할 수 있으며, 기본값은 **"메인 텍스트"라는 2D 텍스처**입니다.
* 🔍 밉맵은 다양한 레벨에서 텍스처의 다운스케일 복사본으로, 추가 메모리를 차지하지만 **UV 좌표의 부분 도함수를 기반으로 적절한 레벨을 선택**하여 성능을 향상시킵니다.
* 📝 세션에서 다룬 주제에 따라 과제가 제공되며, **세션의 코드와 텍스처가 공유**됩니다.
* 🔒 Unity에서 **밉맵을 활성화 또는 비활성화**하고 필터링 모드를 선택하면 텍스처 품질과 성능에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
* 🌊 셰이더에서 텍스처를 샘플링할 때 특정 효과나 최적화에 유용한 **`tex2Dlod`를 사용하여 밉 레벨을 지정**할 수 있습니다.
* 🛠 셰이더를 실험하고 재미있게 사용하면서 **이해의 폭을 넓히는 것**이 중요합니다.
* 📦 코드와 과제는 접근을 원하는 사람들을 위해 **Discord에서 공유**됩니다.

셰이더는 GPU에서 실행되는 코드로, 위치, 텍스처, 색상과 같은 속성을 사용하여 게임에서 오브젝트가 렌더링되는 방식을 정의합니다.

Shader Basics, Blending & Textures • Shaders for Game Devs [Part 1]

Freya Holmér

셰이더 이해하기: 시각적이고 실용적인 접근법

셰이더는 화면에 그래픽을 렌더링하고 빛나는 텍스처부터 굴절 및 왜곡까지 다양한 효과를 만들 수 있으므로 게임 개발에서 필수적인 요소입니다.

셰이더는 파라미터, 값, 색상을 사용하여 수학적 연산을 수행하고 최종 시각적 결과물을 생성합니다.

또한 블렌딩 모드를 제어하여 요소가 배경과 결합하는 방식을 커스터마이징할 수 있습니다.

게임 개발에서 셰이더는 다양한 입력을 통해 원하는 시각 효과를 얻기 위해 다양한 상황에서 사용되는 다재다능하고 보편적인 요소입니다.

게임에서 시각 효과를 위한 셰이더 사용

셰이더는 게임 메시에서 마법 텍스처나 빛나는 애니메이션과 같은 특정 시각 효과를 만드는 데 사용됩니다.

또한 그림자, 특히 복잡하고 동적인 그림자를 렌더링하고 표면 아래 산란과 같은 피부의 고유한 속성을 시뮬레이션하는 데 필수적입니다.

또한 셰이더는 노멀 맵과 같은 기술을 통해 상세한 텍스처와 지오메트리 데이터를 제공하는 데 중요한 역할을 하며, 폴리곤 수를 늘리지 않고도 표면에 복잡성을 더할 수 있는 방법을 제공합니다.

프레넬 셰이더는 일반적으로 물체에 빛나는 윤곽선 효과를 만드는 데 사용되며, 표면의 각도가 빛의 강도에 영향을 미칩니다.

게임에서 셰이더는 사실적인 효과뿐만 아니라 오브라 딘의 귀환이나 켄터키 루트 제로와 같은 게임에서 볼 수 있듯이 예술적인 목적으로도 사용됩니다.

예산 삭감의 포털 로코모션 시스템이나 플로우스톰의 로켓 불꽃을 위한 VFX 셰이더처럼 특정 목적을 위해 특수 셰이더가 게임에서 사용됩니다.

언차티드와 같은 고사양 게임은 사실적인 수면과 기타 시각 효과를 만드는 데 있어 셰이더의 놀라운 기능을 보여줍니다.

VR 카메라 렌더링 및 셰이더 생성

VR 플레이어 카메라를 만들려면 뎁스 버퍼 해커 기법을 사용하여 머리용과 순간이동 비콘용 카메라 두 세트를 렌더링해야 합니다.

셰이더를 코딩할지 노드 기반 에디터를 사용할지는 사용 중인 렌더 파이프라인에 따라 결정되며, 셰이더 제작을 위해 아티스트 팀을 참여시킬 수도 있습니다.

노멀 및 변위 맵과 같은 맵을 생성하는 다양한 방법에는 조각, 3D 스캐닝, 서브스턴스 디자이너 및 서브스턴스 페인터와 같은 도구 사용이 포함됩니다.

Unity의 셰이더는 하나 이상의 패스를 포함하는 서브셰이더와 실제 셰이더 코드가 HLSL로 작성된 서브셰이더로 구성됩니다.

버텍스 셰이더는 메시의 각 버텍스에서 작동하며 주로 클립 공간에서 버텍스의 위치와 버텍스별 작업에 사용되며, 조각 셰이더는 각 픽셀 또는 조각을 반복하여 렌더링된 오브젝트의 최종 색상을 결정합니다.

버텍스 셰이더와 프래그먼트 셰이더 간의 통신은 단방향이며, 버텍스 셰이더는 주로 버텍스 위치를 설정하고 데이터를 프래그먼트 셰이더로 전달합니다.

Unity의 셰이더는 오브젝트를 렌더링하는 데 사용되며 프로퍼티와 머티리얼을 사용하여 구성됩니다.

머티리얼은 셰이더의 입력 파라미터에 대한 명시적 값을 포함하며 셰이더에 대한 레퍼런스를 가집니다.

여러 머티리얼이 서로 다른 입력 데이터와 함께 동일한 셰이더를 사용할 수 있습니다.

Unity의 셰이더 구조에는 입력 데이터용 프로퍼티, 렌더링용 패스가 포함된 서브셰이더, 버텍스 및 프래그먼트 셰이더용 셰이더 코드가 포함됩니다.

셰이더 코드에는 유니티 전용 함수를 위한 unity cg.

cg inc, 셰이더 입력 데이터의 프로퍼티 및 변수 정의, 버텍스 위치 및 UV 좌표와 같은 버텍스별 정보에 메시 데이터를 사용하는 것이 포함됩니다.

버텍스 셰이더의 메시 데이터와 보간기 이해하기

버텍스 위치, UV 좌표, 노멀, 탄젠트 방향을 포함한 메시 데이터는 셰이딩 및 텍스처 적용에 매우 중요합니다.

다양한 유형의 텍스처에 여러 UV 채널을 사용할 수 있으며, 메시에는 프로시저럴 생성을 위한 플로트 UV 채널 4개를 포함할 수 있습니다.

버텍스 셰이더의 보간기는 데이터를 조각 셰이더로 전달하는 데 사용되어 노멀 및 버텍스 색상과 같은 값을 메시 표면 전체에서 부드럽게 블렌딩할 수 있도록 합니다.

보간된 데이터는 렌더링되는 각 조각에 대해 계산되어 메시의 트라이앵글 전체에 걸쳐 값의 원활한 전환을 제공합니다.

셰이더 이해 버텍스 및 프래그먼트 셰이더

Unity의 셰이더는 버텍스 데이터를 메시 데이터 구조로 전달하는 작업을 자동으로 처리하므로 수동으로 처리할 필요가 없습니다.

버텍스 셰이더는 표면에 걸쳐 보간할 데이터를 지정하는 보간기를 반환하는 역할을 하며, Unity 오브젝트에서 클립 위치 함수를 사용하여 로컬 공간을 클립 공간으로 변환하는 작업도 처리합니다.

셰이더에는 플로트, 하프, 고정 등 다양한 정밀도 데이터 유형이 있으며, 각각 고유한 정밀도 수준을 가지고 있으며 일반적으로 필요한 정밀도와 배포 플랫폼에 따라 다른 용도로 사용됩니다.

셰이더에서 낮은 정밀도를 사용하면 계산 속도가 빨라지고 경우에 따라 메모리 사용량이 줄어들어 특히 저사양 플랫폼에서 성능에 유리할 수 있습니다.

일반적으로 가능하면 낮은 정밀도를 사용하는 것이 좋지만, 잠재적인 문제를 피하기 위해 신중을 기하고 필요한 경우에만 정밀도를 최적화하는 것이 중요합니다.

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셰이더 이해하기: 색상 및 벡터 조작의 기초

셰이더는 색을 표현하기 위해 rgba 구조를 사용하며, 일반적으로 알파 채널은 투명도를 위해 사용됩니다.

스위즐링은 셰이더에서 벡터 컴포넌트를 재정렬하고 액세스하는 데 유용한 기법으로, 색상을 유연하게 조작할 수 있습니다.

셰이더를 사용하여 다양한 색상을 출력할 수 있으며 알파 채널에 자동으로 값을 넣는 것은 어렵지만 셰이더 커뮤니티에서 이에 대한 논의가 계속되고 있습니다.

셰이더 프로그래밍에서 컬러 및 노멀 사용

컬러 프로퍼티는 머티리얼에서 설정하고 버텍스 셰이더와 프래그먼트 셰이더 모두에서 액세스할 수 있어 동적 컬러 구성이 가능합니다.

버텍스 셰이더에서 조각 셰이더로 노멀을 전달하면 각 픽셀의 노멀 방향을 시각화할 수 있으며, 오브젝트 공간에서 월드 공간으로 변환하는 옵션도 있습니다.

셰이더는 충돌이 발생하지 않도록 설계되어 음수 색상 값을 출력하고 1 이상의 값을 렌더링할 수 있으며 출력되는 위치에 따라 다른 효과를 적용할 수 있습니다.

Unity의 매트릭스 곱셈과 UV 조작

Unity의 include 파일에서 행렬 곱셈을 사용하면 오브젝트에서 월드 스페이스로의 공간 변환을 수동으로 수행할 수 있으며, 같은 목적으로 Unity 행렬 m을 사용할 수도 있습니다.

셰이더 최적화로 초점을 옮기면, 특히 노멀 및 기타 메시 데이터를 처리할 때는 조각 셰이더보다는 버텍스 셰이더에서 가능한 한 많은 작업을 수행하는 것이 좋습니다.

메시의 2D 좌표를 나타내는 Unity의 UV 좌표는 버텍스 셰이더에서 스케일링과 오프셋을 위해 쉽게 시각화하고 조작할 수 있어 그라데이션과 시각 효과를 제작하는 데 강력한 툴을 제공합니다.

Unity 셰이더에서 간단한 컬러 그라데이션 만들기

lerp 함수를 사용하면 셰이더 코드에서 UV의 x 좌표를 기준으로 두 가지 색상을 블렌딩할 수 있습니다.

역 러프 함수를 사용하면 UV의 x 좌표를 다른 범위로 다시 매핑하여 그라데이션의 시작과 끝을 변경할 수 있습니다.

그라데이션이 다른 색상으로 오버슈팅되지 않도록 하려면 셰이더 코드에서 프랙 함수와 채도를 사용하여 0과 1 사이의 값을 클램프하는 것이 중요합니다.

Satate는 셰이더 언어에 내장된 함수이며 Unity의 포함 기능에 포함되지 않습니다.

셰이더의 함수 스무딩 단계에는 역 러프보다 더 많은 기능이 포함되어 있으며 함수의 큐빅 스무딩이 포함됩니다.

셰이더에서 수학 함수를 사용하면 트라이앵글 웨이브 생성, 반복 패턴에 삼각 함수를 사용하는 등의 효과와 애니메이션을 생성할 수 있습니다.

Unity 셰이더는 주로 프로퍼티, 서브 셰이더 및 태그로 정의되며, 다양한 성능 요구 사항에 따라 여러 개의 서브 셰이더를 사용할 수 있는 옵션이 있습니다.

HLSL 코드에 해당하는 CG 프로그램에는 셰이더 코드가 포함되어 있으며, 버텍스 셰이더는 메시 데이터를 처리하고 프래그먼트 셰이더는 픽셀을 렌더링합니다.

셰이더를 사용하면 웨이브 패턴을 쉽게 조작할 수 있으며 다양한 효과를 위해 다른 좌표 공간에서 작동하도록 조정할 수 있습니다.

셰이더 코드를 사용하면 수직 위치를 기준으로 좌표를 오프셋하고 삼각법을 적용하여 대각선 웨이브 패턴을 만들 수 있습니다.

또한 셰이더는 내장된 시간 변수에 액세스하고 다양한 속도에 따라 다른 컴포넌트를 사용하여 시간에 따라 애니메이션을 적용할 수 있습니다.

또한 셰이더를 사용하면 페이드 효과를 만들 수 있으며 애디티브 블렌딩을 통해 조작하여 화려한 시각 효과를 만들 수 있습니다.

덧셈 블렌딩은 "소스 * 1 + 대상 * 1"로 공식을 설정하면 되고, 곱셈 블렌딩은 "소스 * 대상 + 대상 * 0"으로 공식을 설정하면 됩니다.

투명 오브젝트를 다룰 때는 적절한 렌더링을 위해 투명 오브젝트는 뎁스 버퍼에 쓰지 않아야 하므로 뎁스 버퍼와 쓰기 여부를 고려하는 것이 중요합니다.

여러 개의 투명한 오브젝트를 서로 앞에 렌더링하면 특히 복잡한 텍스처와 효과로 인해 높은 채우기 속도가 발생하면 무거워지고 성능 문제가 발생할 수 있습니다.

Unity의 빌트인 렌더 파이프라인에서 렌더 유형을 투명으로 설정하고 렌더 대기열을 투명으로 설정하는 것은 투명 오브젝트의 그리기 순서를 정의하고 올바르게 렌더링되도록 하는 데 매우 중요합니다.

Unity의 렌더 유형 및 셰이더 이펙트 이해하기

Unity의 렌더 유형은 포스트 프로세싱을 위해 렌더 파이프라인에 오브젝트의 유형을 알려줍니다.

대기열을 투명으로 설정하면 뎁스 버퍼 문제를 방지하기 위해 투명 오브젝트가 불투명 오브젝트 다음에 렌더링됩니다.

Unity의 셰이더는 수학, 컬러, 벡터를 조작하여 효과를 생성하므로 셰이더 프로그래밍을 위해서는 그 이면의 수학을 아는 것이 중요합니다.

Unity의 버텍스 셰이더는 버텍스의 위치를 변경할 수 있어 강력하며, 이 작업은 GPU에서 병렬로 효율적으로 처리되므로 CPU에서 동일한 작업을 수행하는 것보다 훨씬 효율적입니다.

병렬 데이터 처리를 위한 GPU 사용

GPU는 병렬 데이터 처리에 강력하므로 그래픽과 관련이 없는 작업에 유용합니다.

셰이더 코드를 작성하거나 셰이더를 계산하고 버퍼 또는 텍스처를 통해 데이터를 검색하여 GPU로 처리를 오프로드합니다.

중심까지의 거리를 사용하여 파동 함수에 적용하면 조각 셰이더에서 방사형 패턴을 생성할 수 있습니다.

Unity 셰이더에서 2D 텍스처 사용

"2d" 사양을 사용하면 텍스처가 샘플링을 위한 2D 텍스처로 설정됩니다.

Unity의 "main text" 변수는 표면 컬러 정보를 포함하며, 기본 텍스처 프로퍼티의 기본 이름입니다.

"tex2D" 함수는 텍스처에서 색상을 선택하는 데 사용되며, 일반적으로 0에서 1 사이의 정규화된 좌표 공간에서 UV 좌표가 이 용도로 사용됩니다.

Unity 셰이더에서 텍스처를 월드 좌표에 매핑하기

월드 좌표는 하향식 투영에서 텍스처를 매핑하는 데 사용할 수 있으므로 UV 좌표가 필요하지 않습니다.

이를 통해 텍스처가 월드 공간에서 반복될 수 있으며, 일반적으로 지형에 사용되어 UV 좌표를 지속적으로 업데이트하지 않아도 됩니다.

텍스처 매핑에 월드 좌표를 사용하면 지형과 같은 평평한 표면에 유용한 스트레칭 효과를 만들 수 있습니다.

이 기법은 셰이더 개발에 유연한 접근 방식을 제공하여 다양한 색상 및 좌표 매핑을 상호 교환할 수 있습니다.

셰이더에서 텍스처 믹싱과 밉맵 이해하기

텍스처를 서로 다른 공간에서 샘플링하고 Unity의 하향식 투영을 사용하여 블렌딩할 수 있습니다.

밉맵은 메모리에 저장된 텍스처의 다운샘플링 버전으로, 서로 다른 거리에서 텍스처를 샘플링할 때 성능을 개선하고 에일리어싱을 줄입니다.

이방성 필터링을 사용하면 특히 스쳐 지나가는 각도에서 텍스처 샘플링을 더 정밀하게 할 수 있지만 메모리를 더 많이 소비하고 게임 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

GPU의 텍스처 필터링에는 바이리니어, 포인트, 트라이리니어 필터링이 있으며, 각각 고유한 블렌딩 및 앤티 앨리어싱 특성을 가지고 있습니다.

밉 레벨은 특정 효과를 위한 텍스처 샘플링에서 매우 중요하며 다양한 수준의 디테일을 위한 라이팅 및 이미지 기반 라이팅에 일반적으로 사용됩니다.