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깊이(Depth)

Vulkan Spec 의 다양한 부분에서 depth 라는 용어가 사용되고 있습니다. 이 장은 Vulkan 에서 사용되는 다양한 "깊이(depth)" 용어에 대한 개요를 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 장을 최대한 활용하려면 3D 그래픽스에 대한 기본적인 지식이 필요합니다.

Note	스텐실은 깊이와 밀접한 관련이 있지만, 이 장에서는 API 이름 영역 밖의 내용을 다루지 않습니다.

• 그래픽스 파이프라인(Graphics Pipeline)

• 깊이 포맷(Depth Formats)

• VkImage의 깊이 버퍼(Depth Buffer)

  • 레이아웃(Layout)

  • 정리(Clearing)

• 래스터화 전(Pre-rasterization)

  • 프리미티브 클리핑(Primitive Clipping)

    • 사용자 정의 클리핑 및 컬링

    • OpenGL로부터 포팅

  • 뷰포트 변환(Viewport Transformation)

    • 깊이 범위(Depth Range)

• 래스터화(Rasterization)

  • 깊이 바이어스(Depth Bias)

• 래스터화 후(Post-rasterization)

  • 프래그먼트 쉐이더(Fragment Shader)

    • 보수적인 깊이(Conservative depth)

  • 샘플별 처리 및 커버리지 마스크(Per-sample processing and coverage mask)

    • 깊이 버퍼 처리(Resolving depth buffer)

  • 깊이 경계(Depth Bounds)

  • 깊이 테스트(Depth Test)

    • 깊이 비교 연산(Depth Compare Operation)

    • 깊이 버퍼 쓰기(Depth Buffer Writes)

    • 깊이 클램핑(Depth Clamping)

그래픽스 파이프라인(Graphics Pipeline)

"깊이(depth)" 개념은 graphics pipelines 에만 사용되며 드로우콜이 제출될 때까지 적용되지 않습니다.

VkGraphicsPipelineCreateInfo 내부에는 depth 와 관련된 다양한 제어 가능한 값들이 있습니다. 일부 상태는 dynamic 이기도 합니다.

깊이 포맷(Depth Formats)

몇 가지 깊이 형식이 있으며, 구현에 따라 Vulkan에서 지원되는 형식이 노출될 수 있습니다.

깊이 이미지에서 읽기(reading)에 필요한 포맷은 샘플링이나 블릿 연산을 통한 읽기를 지원하기 위한 VK_FORMAT_D16_UNORM 과 VK_FORMAT_D32_SFLOAT 뿐입니다.

깊이 이미지에서 쓰기(writing)를 하려면 VK_FORMAT_D16_UNORM 이 지원되어야 합니다. 여기에서 (VK_FORMAT_X8_D24_UNORM_PACK32 또는 VK_FORMAT_D32_SFLOAT) 및 (VK_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT 또는 VK_FORMAT_D32_SFLOAT_S8_UINT) 중 적어도 하나를 지원해야 합니다. 따라서 깊이와 스텐실이 모두 같은 포맷으로 필요한 경우 사용할 포맷을 착이 위해 여분의 로직이 필요합니다.

// 쿼리 로직 예시
VkFormatProperties properties;

vkGetPhysicalDeviceFormatProperties(physicalDevice, VK_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT, &properties);
bool d24s8_support = (properties.optimalTilingFeatures & VK_FORMAT_FEATURE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT);

vkGetPhysicalDeviceFormatProperties(physicalDevice, VK_FORMAT_D32_SFLOAT_S8_UINT, &properties);
bool d32s8_support = (properties.optimalTilingFeatures & VK_FORMAT_FEATURE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT);

assert(d24s8_support | d32s8_support); // 적어도 하나를 항상 지원

깊이 버퍼를 VkImage로 사용

"깊이 버퍼" 라는 용어는 그래픽스에 대해 이야기할 때 많이 사용되지만, Vulkan에서는 VkFramebuffer 가 그리기 시점에 참조할 수 있는 VkImage/VkImageView 에 불과합니다. VkRenderPass 를 생성할 때 pDepthStencilAttachment 값은 프레임버퍼의 깊이 첨부(attachment)를 가리킵니다.(attachment : (주로 이미지) 버퍼 데이터를 원하는 용도로 장치가 사용할 수 있게 제공)

pDepthStencilAttachment 를 사용하려면 VkImage 는 VK_IMAGE_USAGE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT 로 작성되어 있어야 합니다.

이미지 장벽이나 정리(Clearing) 등 VkImageAspectFlags 가 필요한 작업을 수행할 때, VK_IMAGE_ASPECT_DEPTH_BIT 는 깊이 메모리를 참조하는 데 사용됩니다.

레이아웃(Layout)

VkImageLayout 를 선택할 때 이미지에 대한 읽기 및 쓰기를 모두 허용하는 레이아웃이 있습니다:

• VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL

• VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_ATTACHMENT_STENCIL_READ_ONLY_OPTIMAL

• VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_ATTACHMENT_OPTIMAL

뿐만 아니라 이미지를 읽을 수 만 있는 레이아웃도 지원합니다:

• VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_READ_ONLY_OPTIMAL

• VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_READ_ONLY_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL

• VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_READ_ONLY_OPTIMAL

레이아웃 전환을 수행할 때 깊이 이미지 읽기 및 쓰기에 필요한 적절한 깊이 액세스 마스크를 설정해야 합니다.

// 정의되지 않은 레이아웃에서 읽고 쓸 수 있는 깊이 첨부로 변경하는 예시

// 핵심 Vulkan 예시
srcAccessMask = 0;
dstAccessMask = VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_READ_BIT | VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT;
sourceStage = VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT;
destinationStage = VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT | VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT;

// VK_KHR_synchronization2
srcAccessMask = VK_ACCESS_2_NONE_KHR;
dstAccessMask = VK_ACCESS_2_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_READ_BIT_KHR | VK_ACCESS_2_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT_KHR;
sourceStage = VK_PIPELINE_STAGE_2_NONE_KHR;
destinationStage = VK_PIPELINE_STAGE_2_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT_KHR | VK_PIPELINE_STAGE_2_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT_KHR;

Note	애플리케이션에 초기 또는 후기 프래그먼트 테스트 중 하나만 사용할지 확실하지 않은 경우 둘 다 사용하세요.

정리(Clearing)

깊이 버퍼를 지우는 것은 loadOp 을 VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR 로 설정하여 패스 시작 시 수행하는 것이 언제나 좋지만, vkCmdClearDepthStencilImage 를 사용하여 렌더링 패스 밖에서도 깊이 이미지를 지울 수 있습니다.

정리할 때, VkClearValue 는 유니온이며, 색상 지우기 값 대신 VkClearDepthStencilValue depthStencil 을 설정할 필요가 있는 것에 주의해 주세요.

래스터화 전(Pre-rasterization)

그래픽스 파이프라인에는 래스터화할 프리미티브를 생성하는 일련의 래스터화 전 쉐이더 단계가 있습니다. 래스터화 단계에 도달하기 전에 래스터화 전 마지막 단계의 최종 vec4 위치(gl_Position)는 고정 함수 정점 포스트 프로세싱을 통해 실행됩니다.

다음은 래스터화 전에 수행되는 다양한 좌표명과 연산에 대한 개괄적인 개요입니다.

프리미티브 클리핑(Primitive Clipping)

프리미티브가 view volume 외부에 있는 경우, VK_EXT_depth_clip_enable의 depthClipEnable 를 사용하지 않는 한 클리핑은 항상 수행됩니다. Vulkan에서는 깊이에 대해 다음과 같이 표현됩니다.

0 <= Zc <= Wc

정규화된 장치 좌표(NDC)를 계산할 때, [0, 1] 을 벗어나는 것은 모두 잘립니다.

Zd 가 Zc/Wc 의 결과인 몇 가지 예시:

• vec4(1.0, 1.0, 2.0, 2.0) - not clipped (Zd == 1.0)

• vec4(1.0, 1.0, 0.0, 2.0) - not clipped (Zd == 0.0)

• vec4(1.0, 1.0, -1.0, 2.0) - clipped (Zd == -0.5)

• vec4(1.0, 1.0, -1.0, -2.0) - not clipped (Zd == 0.5)

사용자 정의 클리핑 및 컬링(User defined clipping and culling)

ClipDistance 및 CullDistance 내장 배열을 사용하여 래스터화 전 쉐이더 단계 에서 사용자 정의 클리핑 및 컬링을 설정할 수 있습니다.

마지막 래스터화 전 쉐이더 단계에서 이 값은 프리미티브 전체에 걸쳐 선형 보간되며 보간된 거리가 0 보다 작은 프리미티브 부분은 클립 볼퓸 외부로 간주됩니다. 이후 프래그먼트 쉐이더에서 ClipDistance 또는 CullDistance 를 사용하는 경우, 이 선형 보간된 값이 포함됩니다.

Note	ClipDistance 와 CullDistance 는 GLSL에서는 gl_ClipDistance[] 와 gl_CullDistance[] 입니다.

OpenGL로부터 포팅(Porting from OpenGL)

OpenGL에서는 view volume 는 다음과 같이 표현됩니다.

-Wc <= Zc <= Wc

[-1, 1] 의 바깥쪽에 있는 것은 클립됩니다.

VK_EXT_depth_clip_control 확장을 추가하여 Vulkan 위에 OpenGL을 효율적으로 레이어링할 수 있습니다. VkPipeline 을 생성할 때, VkPipelineViewportDepthClipControlCreateInfoEXT::negativeOneToOne 을 VK_TRUE 로 설정하면 OpenGL [-1, 1] 뷰 볼륨을 사용할 수 있습니다.

VK_EXT_depth_clip_control 을 사용할 수 없는 경우, 현재 회피책을 사용하여 래스터화 전 쉐이더에서 변환을 수행합니다.

// [-1,1] to [0,1]
position.z = (position.z + position.w) * 0.5;

뷰포트 변환(Viewport Transformation)

뷰포트 변환은 뷰포트 사각형과 깊이 범위를 기준으로 정규화된 장치 좌표에서 프레임버퍼 좌표로 변환하는 것입니다.

파이프라인에서 사용 중인 뷰포트 VkPipelineViewportStateCreateInfo::pViewports 로 표현되며, VkPipelineViewportStateCreateInfo::viewportCount 는 사용 중인 뷰포트의 수를 설정합니다. VkPhysicalDeviceFeatures::multiViewport 가 활성화되지 않은 경우 뷰포트는 1개만 있어야 합니다.

Note	뷰포트 값은 VK_DYNAMIC_STATE_VIEWPORT 또는 VK_EXT_extended_dynamic_state 의 VK_DYNAMIC_STATE_VIEWPORT_WITH_COUNT_EXT 를 사용하여 동적으로 설정할 수 있습니다.

깊이 범위(Depth Range)

각 뷰포트에는 뷰포트의 "깊이 범위"를 설정하는 VkViewport::minDepth 및 VkViewport::maxDepth 값이 있습니다.

Note	이름과 상관없이 minDepth 는 maxDepth 보다 작든, 같든, 크든 문제없습니다.

minDepth 와 maxDepth 는 0.0 에서 1.0 사이로만 설정하도록 제한되어 있습니다. VK_EXT_depth_range_unrestricted를 활성화하면 이 제한이 사라집니다.

프레임버퍼 깊이 좌표 Zf 는 다음과 같이 표시됩니다:

Zf = Pz * Zd + Oz

• Zd = Zc/Wc (프리미티브 클리핑을 참조하세요)

• Oz = minDepth

• Pz = maxDepth - minDepth

래스터화(Rasterization)

깊이 바이어스(Depth Bias)

다각형의 래스터화에 의해 생성된 모든 프래그먼트의 깊이 값은 해당 다각형에 대해 계산된 단일 값으로 오프셋할 수 있습니다. 그리기 시점에 VkPipelineRasterizationStateCreateInfo::depthBiasEnable 이 VK_FALSE 인 경우 깊이 바이어스가 적용되지 않습니다.

VkPipelineRasterizationStateCreateInfo 의 depthBiasConstantFactor, depthBiasClamp, depthBiasSlopeFactor 를 사용하여 깊이 바이어스 를 계산할 수 있습니다.

Note	VkPhysicalDeviceFeatures::depthBiasClamp 기능이 지원되어야 하며, 그렇지 않으면 VkPipelineRasterizationStateCreateInfo::depthBiasClamp 가 0.0f 여야 합니다.

Note	깊이 바이어스 값은 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_BIAS 또는 VK_EXT_extended_dynamic_state2의 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_BIAS_ENABLE_EXT 를 사용하여 동적으로 설정할 수 있습니다.

래스터화 후(Post-rasterization)

프래그먼트 쉐이더(Fragment Shader)

내장된 FragCoord 입력은 프레임 버퍼 좌표입니다. Z 성분은 프리미티브의 보간된 깊이 값입니다. 이 Z 성분 값은 쉐이더가 쓰지 않으면 FragDepth 에 기록됩니다. 쉐이더가 동적으로 FragDepth 에 쓰는 경우, DepthReplacing 실행 모드를 선언해야 합니다(glslang과 같은 툴에서 이 작업을 실시합니다).

Note	FragDepth 와 FragCoord 는 GLSL에서 gl_FragDepth 와 gl_FragCoord 입니다.

Note	SPIR-V에서 OpTypeImage 를 사용하면 Vulkan에서는 Depth 피연산자가 무시됩니다.

보수적인 깊이(Conservative depth)

DepthGreater, DepthLess, DepthUnchanged 실행 모드를 사용하면 프래그먼트 전에 실행되는 초기 깊이 테스트에 의존하는 구현의 최적화가 가능해집니다. GLSL에서는 gl_FragDepth 를 적절한 레이아웃 수식자로 선언하는 것으로 간단하게 수행할 수 있습니다.

// 어떤 식으로든 수정될 수 있다고 가정
layout(depth_any) out float gl_FragDepth;

// 값이 증가만 하도록 수정될 수 있다고 가정
layout(depth_greater) out float gl_FragDepth;

// 값이 감소만 하도록 수정될 수 있다고 가정
layout(depth_less) out float gl_FragDepth;

// 수정되지 않는다고 가정
layout(depth_unchanged) out float gl_FragDepth;

이 조건을 위반하면 정의되지 않은 동작이 발생합니다.

샘플별 처리 및 커버리지 마스크(Per-sample processing and coverage mask)

다음 래스터화-후 작업은 "샘플별" 작업으로 이루어집니다. 즉, 컬러 첨부가 있는 멀티샘플링을 수행할 때, 사용되는 모든 "깊이 버퍼" VkImage 도 동일한 VkSampleCountFlagBits 값으로 생성되어 있어야 합니다.

각 프래그먼트에는 해당 프래그먼트 내의 샘플이 해당 프래그먼트를 생성한 프리미티브의 영역 내에 있는 것으로 판단되는 커버리지 마스크가 설정되어 있습니다. 프래그먼트 조작 결과 커버리지 마스크의 모든 비트가 0 이면 프래그먼트는 파기됩니다.

깊이 버퍼 처리(Resolving depth buffer)

Vulkan에서는 VK_KHR_depth_stencil_resolve 확장 기능(1.2 버전에서 코어로 승격)을 사용하여 멀티샘플링된 깊이/스텐실 첨부를 컬러 첨부와 비슷한 방식으로 서브패스로 해결할 수 있습니다.

깊이 경계(Depth Bounds)

Note	VkPhysicalDeviceFeatures::depthBounds 기능이 지원되어야 합니다.

VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo::depthBoundsTestEnable 을 사용하면, 깊이 첨부의 각 Za 를 가져와 VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo::minDepthBounds 및 VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo::maxDepthBounds 에 의해 설정된 범위 내에 있는지 확인합니다. 값이 경계 내에 있지 않은 경우, 커버리지 마스크는 0으로 설정됩니다.

Note	깊이 경계 값은 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_BOUNDS 또는 VK_EXT_extended_dynamic_state의 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_BOUNDS_TEST_ENABLE_EXT 를 사용하여 동적으로 설정할 수 있습니다.

깊이 테스트(Depth Test)

깊이 테스트는 프레임버퍼 깊이 좌표 Zf 를 깊이 첨부의 깊이값 Za 와 비교합니다. 테스트에 실패하면 프래그먼트는 파기됩니다. 테스트에 통과하면 깊이 첨부는 프래그먼트 출력 깊이로 업데이트됩니다. 파이프라인에서 VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo::depthTestEnable 를 사용하여 테스트를 활성화/비활성화 할 수 있습니다.

다음은 깊이 테스트에 대한 개괄적인 개요입니다.

깊이 비교 연산(Depth Compare Operation)

VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo::depthCompareOp 은 깊이 테스트에 사용되는 비교 함수를 제공합니다.

depthCompareOp == VK_COMPARE_OP_LESS (Zf < Za) 예시

• Zf = 1.0 | Za = 2.0 | test passes

• Zf = 1.0 | Za = 1.0 | test fails

• Zf = 1.0 | Za = 0.0 | test fails

Note	depthTestEnable 및 depthCompareOp 값은 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_TEST_ENABLE_EXT 와 VK_EXT_extended_dynamic_state의 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_COMPARE_OP_EXT 를 사용하여 동적으로 설정할 수 있습니다.

깊이 버퍼 쓰기(Depth Buffer Writes)

깊이 테스트에 통과하더라도 VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo::depthWriteEnable 이 VK_FALSE 로 설정되어 있으면, 깊이 첨부에 값이 써지지 않습니다. 그 주된 이유는 깊이 테스트 자체가 특정 렌더링 기법에 사용될 수 있는 커버리지 마스크를 설정하기 위해서입니다.

Note	depthWriteEnable 값은 VK_EXT_extended_dynamic_state의 VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_WRITE_ENABLE_EXT 를 사용하여 동적으로 설정할 수 있습니다.

깊이 클램핑(Depth Clamping)

Note	VkPhysicalDeviceFeatures::depthClamp 기능이 지원되어야 합니다.

깊이 테스트 전, VkPipelineRasterizationStateCreateInfo::depthClampEnable 이 활성화되면 샘플의 Zf 를 Za 와 비교하기 전에 Zf 가 [min(n,f), max(n,f)] 로 클램핑되며, 여기서 n 과 f 는 각각 이 프래그먼트에서 사용하는 뷰포트의 minDepth 와 maxDepth 의 깊이 범위 값입니다.