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WebGL - 래스터화 vs 3D 라이브러리

이 포스트는 WebGL 관련 시리즈의 부수적인 주제입니다. 첫 번째는 기초로 시작했는데요.

WebGL이 래스터화 API이고 3D API가 아니라는 제 주장이 일부 사람들의 신경을 건드렸기 때문에 이걸 작성하고 있습니다. 저는 WebGL을 래스터화 API라고 불렀고 왜 그들이 위협을 느끼는지 혹은 무엇이 그렇게 화나게 만드는지 모르겠습니다.

틀림없이 모든 건 관점의 문제일 겁니다. 칼이 식기류라고 말할 수 있고, 다른 누군가는 칼이 도구라고 말할 수 있지만, 또 다른 사람은 칼이 무기라고 말할 수 있습니다.

WebGL의 경우 래스터화 API라고 부르는 게 중요하다고 생각한 이유가 있는데, 구체적으로는 WebGL을 사용해 3D로 무언가를 그리기 위해 필요한 3D 수학 지식의 양 때문입니다.

저는 3D 라이브러리라고 부르는 모든 것이 여러분을 위한 3D 영역을 수행해야 한다고 생각합니다. 라이브러리에 3D 데이터, 머티리얼 매개변수, 조명을 제공할 수 있어야 하며 3D를 그릴 수 있어야 합니다. WebGL과 OpenGL ES 2.0+는 모두 3D를 그리는데 사용되지만 이 설명에는 맞지 않습니다.

비유를 위해, C++은 기본적으로 "process word"를 하지 않습니다. C++을 "word processor"라고 부르진 않지만 워드 프로세서가 C++로 작성될 수는 있습니다. 비슷하게 WebGL은 기본적으로 3D 그래픽을 그리지 않습니다. WebGL로 3D 그래픽을 그리는 라이브러리를 작성할 수는 있지만 그 자체로 3D 그래픽을 수행하진 않습니다.

추가 예제 제공을 위해, 조명과 함께 3D로 큐브를 그려야 한다고 가정해봅시다.

이를 표시하기 위한 three.js의 코드입니다.

  // WebGL 설정
  var c = document.querySelector("#c");
  renderer = new THREE.WebGLRenderer();
  renderer.setSize(c.clientWidth, c.clientHeight);
  c.appendChild(renderer.domElement);

  // 카메라 만들기 및 설정
  camera = new THREE.PerspectiveCamera(
      70, c.clientWidth / c.clientHeight, 1, 1000);
  camera.position.z = 400;
  camera.updateProjectionMatrix();

  // 장면 만들기
  scene = new THREE.Scene();

  // 큐브 만들기
  var geometry = new THREE.BoxGeometry(200, 200, 200);

  // 머티리얼 만들기
  var material = new THREE.MeshPhongMaterial({
    ambient: 0x555555,
    color: 0x555555,
    specular: 0xffffff,
    shininess: 50,
    shading: THREE.SmoothShading
  });

  // 지오메트리와 머티리얼 기반의 메시 생성
  mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);
  scene.add(mesh);

  // 조명 2개 추가
  light1 = new THREE.PointLight(0xff0040, 2, 0);
  light1.position.set(200, 100, 300);
  scene.add(light1);

  light2 = new THREE.PointLight(0x0040ff, 2, 0);
  light2.position.set(-200, 100, 300);
  scene.add(light2);

그리고 표시되는 건 다음과 같습니다.

다음은 조명 2개와 함께 큐브를 표시하는 OpenGL(ES 아님) 코드입니다.

  // 설정
  glViewport(0, 0, width, height);
  glMatrixMode(GL_PROJECTION);
  glLoadIdentity();
  gluPerspective(70.0, width / height, 1, 1000);
  glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
  glLoadIdentity();

  glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  glShadeModel(GL_SMOOTH);
  glEnable(GL_LIGHTING);

  // 조명 2개 설정
  glEnable(GL_LIGHT0);
  glEnable(GL_LIGHT1);
  float light0_position[] = {  200, 100, 300, };
  float light1_position[] = { -200, 100, 300, };
  float light0_color[] = { 1, 0, 0.25, 1, };
  float light1_color[] = { 0, 0.25, 1, 1, };
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light0_color);
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_color);
  glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light0_position);
  glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light1_position);
...

  // 큐브 그리기
  static int count = 0;
  ++count;

  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  glLoadIdentity();
  double angle = count * 0.1;
  glTranslatef(0, 0, -400);
  glRotatef(angle, 0, 1, 0);

  glBegin(GL_TRIANGLES);
  glNormal3f(0, 0, 1);
  glVertex3f(-100, -100, 100);
  glVertex3f( 100, -100, 100);
  glVertex3f(-100,  100, 100);
  glVertex3f(-100,  100, 100);
  glVertex3f( 100, -100, 100);
  glVertex3f( 100,  100, 100);

  /*
  ...
  ... 큐브의 다섯 면 더 반복
  ...
  */

  glEnd();

이런 예제들 중 어느 하나 3D 수학의 지식이 거의 필요하지 않음에 주목하세요. 이걸 WebGL과 비교해봅시다. WebGL에 대해 필요한 코드를 작성하진 않을 겁니다. 코드는 그다지 크지 않은데요. 필요한 줄 수에 관한 게 아닙니다. 필요한 지식의 양에 관한 것입니다. 두 3D 라이브러리에서 3D를 처리해주는데요. 여러분은 카메라 위치, 시야, 한 쌍의 조명, 큐브를 제공합니다. 나머지는 이들이 모두 처리하죠. 다시 말해 이들은 3D 라이브러리입니다.

반면에 WebGL은 행렬 수학, 정규화된 좌표, 절두체, 벡터 곱, 스칼라 곱, 베링 보간, 조명 반사 계산, 이외에도 수개월 또는 수년이 걸리는 모든 걸 이해해야 합니다.

3D 라이브러리의 핵심은 해당 지식들이 내장되어 있어서 지식을 필요로 하지 않고, 라이브러리에 의존하여 처리할 수 있다는 점입니다. 위에서 본 OpenGL 예제가 그렇습니다. three.js와 같은 다른 3D 라이브러리도 마찬가지입니다. OpenGL ES 2.0+나 WebGL에는 해당되지 않습니다.

WebGL을 3D 라이브러리라고 부르는 건 잘못된 것 같습니다. WebGL에 유입되는 사용자들은 "오, 3D 라이브러리다. 멋지다. 이걸로 3D를 할 수 있을 거야"라고 생각한 다음, 전혀 그렇지 않다는 걸 알아 냅니다.

한 걸음 더 나아갈 수도 있습니다. 다음은 캔버스로 와이어프레임 큐브를 그립니다.

그리고 여기는 WebGL로 와이어프레임 큐브를 그립니다.

코드를 살펴보면 지식량의 측면이나 코드조차도 큰 차이가 없음을 볼 수 있습니다. 최종적으로 캔버스 버전은 정점을 반복하고, 우리가 제공한 수식을 수행하며 2D로 일부 선을 그립니다. WebGL 버전은 우리가 제공한 수식이 GLSL에 있고 GPU에 의해 실행된다는 걸 제외하면 동일한 작업을 수행합니다.

마지막 데모의 요점은 WebGL이 사실상 Canvas 2D와 유사한 래스터화 엔진일 뿐이라는 걸 보여주는 겁니다. 물론 WebGL은 3D를 구현하는데 도움이 되는 기능들을 가지고 있는데요. WebGL에는 깊이 정렬을 훨씬 더 쉽게 만드는 깊이 버퍼가 있습니다. 또한 3D 수학을 처리하는데 유용한 수학 함수들이 내장되어 있지만 3D로 만드는 건 없습니다. 수학 라이브러리인거죠. 해당 수학이 1D, 2D, 3D인 것에 상관없이 수식에 사용합니다. 하지만 궁극적으로 WebGL은 래스터화만 하는데요. 그리려는 걸 나타내는 클립 공간 좌표를 제공해야 합니다. 물론 x,y,z,w를 제공하고, 렌더링하기 전에 W로 나누지만, 그걸로 WebGL을 3D 라이브러리로 한정하기엔 충분하지 않습니다. 3D 라이브러리에 3D 데이터를 제공하면 라이브러리는 3D에서 클립 공간 포인트를 계산합니다.

몇 가지 참고할만한 사항들을 더 드리자면, emscripten은 WebGL 위에서 돌아가는 OpenGL 에뮬레이션을 제공합니다. 해당 코드는 여기에 있는데요. 코드를 살펴보면 OpenGL ES 2.0에서 제거된 OpenGL의 오래된 3D 부분을 에뮬레이트하기 위해 셰이더를 생성하는 경우가 많습니다. 3D가 포함되지 않은 최신 OpenGL에서 3D가 포함된 오래된 OpenGL을 에뮬레이트하기 위해 NVidia가 시작한 프로젝트, Regal에서 동일한 걸 볼 수 있습니다. 또 하나의 예로, 여기 three.js가 3D를 제공하기 위해 사용하는 셰이더가 있습니다. 많은 것들이 진행되고 있음을 알 수 있는데요. 이 모든 것들 뿐만이 아니라 이를 지원하는 코드는 WebGL이 아닌 라이브러리에서 제공합니다.

제가 WebGL이 3D 라이브러리가 아니라고 말할 때 저의 관점을 조금이나마 이해하셨길 바랍니다. 또한 3D 라이브러리는 3D를 처리해야 한다는 걸 알아주셨기를 바랍니다. OpenGL이 그렇습니다. Three.js가 그렇습니다. OpenGL ES 2.0과 WebGL은 아닙니다. 따라서 이들은 "3D 라이브러리"라는 동일한 범주에 속하지 않습니다.

이 모든 것의 요점은 WebGL이 처음인 개발자에게 WebGL 핵심에 대한 이해를 제공하는 겁니다. WebGL은 3D 라이브러리가 아니고 모든 지식을 직접 제공해야 한다는 걸 알면, 다음 단계는 무엇인지 그리고 3D 수학 지식 추구할지 아니면 3D 라이브러리를 선택하여 처리할지 알 수 있습니다. 또한 어떻게 작동하는지에 대한 수많은 수수께끼를 없애줍니다.

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