다음은 모델 로딩에 대한 번역본입니다. 원본 구조를 그대로 유지하려고 노력했습니다.
모델 로딩
소개
이제 프로그램이 텍스처가 적용된 3D 메시를 렌더링할 준비가 되었지만, 현재 vertices와 indices 배열에 있는 기하학적 구조는 아직 흥미롭지 않습니다. 이 장에서는 실제 모델 파일에서 정점과 인덱스를 로드하여 그래픽 카드에 실제 작업을 하도록 프로그램을 확장할 것입니다.
많은 그래픽 API 튜토리얼은 독자가 이러한 장에서 자체 OBJ 로더를 작성하도록 합니다. 이 방법의 문제는 어느 정도 흥미로운 3D 애플리케이션이 곧 이 파일 형식에서 지원하지 않는 기능, 예를 들어 골격 애니메이션과 같은 것들을 필요로 한다는 것입니다. 이 장에서는 OBJ 모델에서 메시 데이터를 로드할 것이지만, 파일에서 로딩하는 세부사항보다는 프로그램 자체와 메시 데이터를 통합하는 데 더 초점을 맞출 것입니다.
라이브러리
OBJ 파일에서 정점과 면을 로드하기 위해 tinyobjloader 라이브러리를 사용할 것입니다. 이 라이브러리는 stb_image처럼 단일 파일 라이브러리이기 때문에 통합하기 쉽고 빠릅니다. 위에 링크된 저장소로 가서 tiny_obj_loader.h 파일을 라이브러리 디렉토리의 폴더에 다운로드하세요.
Visual Studio
tiny_obj_loader.h가 있는 디렉토리를 Additional Include Directories 경로에 추가하세요.
Makefile
GCC의 include 디렉토리에 tiny_obj_loader.h가 있는 디렉토리를 추가하세요:
VULKAN_SDK_PATH = /home/user/VulkanSDK/x.x.x.x/x86_64
STB_INCLUDE_PATH = /home/user/libraries/stb
TINYOBJ_INCLUDE_PATH = /home/user/libraries/tinyobjloader
...
CFLAGS = -std=c++17 -I$(VULKAN_SDK_PATH)/include -I$(STB_INCLUDE_PATH) -I$(TINYOBJ_INCLUDE_PATH)
샘플 메시
이 장에서는 아직 조명을 활성화하지 않을 것이므로, 텍스처에 조명이 베이크된 샘플 모델을 사용하는 것이 도움이 됩니다. 이러한 모델을 찾는 쉬운 방법은 Sketchfab에서 3D 스캔을 검색하는 것입니다. 그 사이트의 많은 모델들이 관대한 라이선스로 OBJ 형식으로 제공됩니다.
이 튜토리얼을 위해 저는 Viking room 모델을 선택했습니다. 이 모델은 nigelgoh에 의해 만들어졌으며 (CC BY 4.0) 현재의 기하학적 구조를 대체할 수 있도록 모델의 크기와 방향을 조정했습니다:
원하는 모델을 사용할 수 있지만, 한 가지 재질만으로 구성되어 있고 크기가 약 1.5 x 1.5 x 1.5 단위인지 확인하세요. 만약 그보다 크다면, 뷰 행렬을 변경해야 합니다. 모델 파일을 shaders와 textures 옆의 새로운 models 디렉토리에 넣고 텍스처 이미지를 textures 디렉토리에 넣으세요.
프로그램에 모델 및 텍스처 경로를 정의하는 두 개의 새로운 구성 변수를 넣으세요:
const uint32_t WIDTH = 800;
const uint32_t HEIGHT = 600;
const std::string MODEL_PATH = "models/viking_room.obj";
const std::string TEXTURE_PATH = "textures/viking_room.png";
그리고 이 경로 변수를 사용하도록 createTextureImage를 업데이트하세요:
stbi_uc* pixels = stbi_load(TEXTURE_PATH.c_str(), &texWidth, &texHeight, &texChannels, STBI_rgb_alpha);
정점 및 인덱스 로딩
이제 모델 파일에서 정점과 인덱스를 로드할 것이므로, 전역 vertices 및 indices 배열을 이제 제거하세요. 클래스 멤버로서 비상수 컨테이너로 대체하세요:
std::vector<Vertex> vertices;
std::vector<uint32_t> indices;
VkBuffer vertexBuffer;
VkDeviceMemory vertexBufferMemory;
인덱스의 유형을 uint16_t에서 uint32_t로 변경해야 합니다. 왜냐하면 65535개 이상의 정점이 있을 것이기 때문입니다. vkCmdBindIndexBuffer 매개변수도 변경하세요:
vkCmdBindIndexBuffer(commandBuffer, indexBuffer, 0, VK_INDEX_TYPE_UINT32);
tinyobjloader 라이브러리는 STB 라이브러리와 같은 방식으로 포함됩니다. tiny_obj_loader.h 파일을 포함하고 링커 오류를 방지하기 위해 한 소스 파일에서 TINYOBJLOADER_IMPLEMENTATION을 정의하세요:
#define TINYOBJLOADER_IMPLEMENTATION
#include <tiny_obj_loader.h>
이제 메시의 정점 데이터로 vertices 및 indices 컨테이너를 채우기 위해 이 라이브러리를 사용하는 loadModel 함수를 작성할 것입니다. 이 함수는 버텍스 및 인덱스 버퍼를 생성하기 전 어딘가에서 호출되어야 합니다:
void initVulkan() {
...
loadModel();
createVertexBuffer();
createIndexBuffer();
...
}
...
void loadModel() {
}
모델은 tinyobj::LoadObj 함수를 호출하여 라이브러리의 데이터 구조로 로드됩니다:
void loadModel() {
tinyobj::attrib_t attrib;
std::vector<tinyobj::shape_t> shapes;
std::vector<tinyobj::material_t> materials;
std::string warn, err;
if (!tinyobj::LoadObj(&attrib, &shapes, &materials, &warn, &err, MODEL_PATH.c_str())) {
throw std::runtime_error(warn + err);
}
}
OBJ 파일은 위치, 법선, 텍스처 좌표 및 면을 포함합니다. 면은 위치, 법선 및/또는 텍스처 좌표를 인덱스로 참조하는 임의의 양의 정점으로 구성됩니다. 이를 통해 전체 정점뿐만 아니라 개별 속성도 재사용할 수 있습니다.
attrib 컨테이너는 attrib.vertices, attrib.normals, attrib.texcoords 벡터에 모든 위치, 법선 및 텍스처 좌표를 보유합니다. shapes 컨테이너는 모든 개별 객체와 그 면을 포함합니다. 각 면은 정점 배열로 구성되며, 각 정점에는 위치, 법선 및 텍스처 좌표 속성의 인덱스가 포함됩니다. OBJ 모델은 면마다 재질과 텍스처를 정의할 수도 있지만, 우리는 이를 무시할 것입니다.
err 문자열에는 파일을 로딩하는 동안 발생한 오류가 포함되어 있고, warn 문자열에는 재질 정의가 누락된 것과 같은 경고가 포함되어 있습니다. 로딩이 실패했다는 것은 LoadObj 함수가 false를 반환할 때만 해당됩니다. 앞서 언급했듯이, OBJ 파일의 면은 실제로 임의의 수의 정점을 포함할 수 있지만, 우리의 애플리케이션은 삼각형만 렌더링할 수 있습니다. 다행히 LoadObj는 이러한 면을 자동으로 삼각형화하는 선택적 매개변수를 제공하며, 기본적으로 활성화되어 있습니다.
파일의 모든 면을 단일 모델로 결합할 것이므로, 모든 형상에 대해 반복하면 됩니다:
for (const auto& shape : shapes) {
}
삼각형화 기능은 이미 면 당 세 개의 정점을 보장했으므로, 이제 정점을 직접 반복하고 우리의 vertices 벡터로 직접 넣을 수 있습니다:
for (const auto& shape : shapes) {
for (const auto& index : shape.mesh.indices) {
Vertex vertex{};
vertices.push_back(vertex);
indices.push_back(indices.size());
}
}
간단함을 위해 지금은 모든 정점이 고유하다고 가정하므로, 간단한 자동 증분 인덱스를 사용합니다. index 변수는 tinyobj::index_t 유형이며, vertex_index, normal_index, texcoord_index 멤버를 포함합니다. 이 인덱스를 사용하여 attrib 배열에서 실제 정점 속성을 찾아야 합니다:
vertex.pos = {
attrib.vertices[3 * index.vertex_index + 0],
attrib.vertices[3 * index.vertex_index + 1],
attrib.vertices[3 * index.vertex_index + 2]
};
vertex.texCoord = {
attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 0],
attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 1]
};
vertex.color = {1.0f, 1.0f, 1.0f};
불행히도 attrib.vertices 배열은 glm::vec3와 같은 것이 아닌 float 값의 배열이므로 인덱스에 3을 곱해야 합니다. 텍스처 좌표의 경우 각 항목마다 두 개의 텍스처 좌표 구성 요소가 있습니다. 0, 1, 2의 오프셋은 X, Y, Z 구성 요소 또는 텍스처 좌표의 경우 U와 V 구성 요소에 액세스하는 데 사용됩니다.
이제 최적화가 활성화된 상태로 프로그램을 실행하세요(예: Visual Studio의 Release 모드 및 GCC의 -O3 컴파일러 플래그). 그렇지 않으면 모델 로딩이 매우 느릴 것입니다. 다음과 같은 것을 볼 수 있어야 합니다:
훌륭합니다, 기하학은 정확해 보이지만 텍스처는 어떤가요? OBJ 형식은 수직 좌표 0이 이미지의 하단을 의미하는 좌표 체계를 가정합니다. 그러나 우리는 이미지를 Vulkan에 0이 이미지의 상단을 의미하는 상단에서 하단으로의 방향으로 업로드했습니다. 텍스처 좌표의 수직 구성 요소를 뒤집어 해결하세요:
vertex.texCoord = {
attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 0],
1.0f - attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 1]
};
이제 프로그램을 다시 실행하면 올바른 결과를 볼 수 있어야 합니다:
이렇게 힘든 작업이 이런 데모로 결실을 맺기 시작했습니다!
모델이 회전할 때 벽의 뒷면이 조금 이상하게 보일 수 있습니다. 이것은 정상이며, 단지 모델이 그 쪽에서 보기 위해 설계되지 않았기 때문입니다.
정점 중복 제거
불행히도 우리는 아직 인덱스 버퍼를 제대로 활용하고 있지 않습니다. vertices 벡터는 많은 중복된 정점 데이터를 포함하고 있습니다. 많은 정점들이 여러 삼각형에 포함되어 있기 때문입니다. 고유한 정점만 유지하고 나타날 때마다 인덱스 버퍼를 사용하여 재사용해야 합니다. 이를 구현하는 간단한 방법은 map 또는 unordered_map을 사용하여 고유한 정점과 해당 인덱스를 추적하는 것입니다:
#include <unordered_map>
...
std::unordered_map<Vertex, uint32_t> uniqueVertices{};
for (const auto& shape : shapes) {
for (const auto& index : shape.mesh.indices) {
Vertex vertex{};
...
if (uniqueVertices.count(vertex) == 0) {
uniqueVertices[vertex] = static_cast<uint32_t>(vertices.size());
vertices.push_back(vertex);
}
indices.push_back(uniqueVertices[vertex]);
}
}
OBJ 파일에서 정점을 읽을 때마다 이전에 동일한 위치와 텍스처 좌표를 가진 정점을 이미 본 적이 있는지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 vertices에 추가하고 uniqueVertices 컨테이너에 인덱스를 저장합니다. 그 후 새 정점의 인덱스를 indices에 추가합니다. 이전에 정확히 동일한 정점을 본 경우 uniqueVertices에서 인덱스를 조회하고 그 인덱스를 indices에 저장합니다.
현재 프로그램은 컴파일에 실패할 것입니다. 왜냐하면 해시 테이블에서 사용자 정의 유형인 우리의 Vertex 구조체를 키로 사용하
려면 두 함수를 구현해야 하기 때문입니다: 등가성 테스트와 해시 계산입니다. 전자는 Vertex 구조체에서 == 연산자를 재정의함으로써 쉽게 구현할 수 있습니다:
bool operator==(const Vertex& other) const {
return pos == other.pos && color == other.color && texCoord == other.texCoord;
}
Vertex에 대한 해시 함수는 std::hash<T>에 대한 템플릿 전문화를 지정함으로써 구현됩니다. 해시 함수는 복잡한 주제이지만, cppreference.com은 구조체의 필드를 결합하여 괜찮은 품질의 해시 함수를 생성하는 다음과 같은 접근 방식을 권장합니다:
namespace std {
template<> struct hash<Vertex> {
size_t operator()(Vertex const& vertex) const {
return ((hash<glm::vec3>()(vertex.pos) ^
(hash<glm::vec3>()(vertex.color) << 1)) >> 1) ^
(hash<glm::vec2>()(vertex.texCoord) << 1);
}
};
}
이 코드는 Vertex 구조체 외부에 배치되어야 합니다. GLM 유형에 대한 해시 함수는 다음 헤더를 사용하여 포함해야 합니다:
#define GLM_ENABLE_EXPERIMENTAL
#include <glm/gtx/hash.hpp>
해시 함수는 gtx 폴더에 정의되어 있으며, 이는 기술적으로 GLM에 대한 실험적 확장임을 의미합니다. 따라서 이를 사용하려면 GLM_ENABLE_EXPERIMENTAL을 정의해야 합니다. 이는 향후 GLM의 새 버전에서 API가 변경될 수 있음을 의미하지만, 실제로는 API가 매우 안정적입니다.
이제 프로그램을 성공적으로 컴파일하고 실행할 수 있어야 합니다. vertices의 크기를 확인하면 1,500,000에서 265,645로 줄어든 것을 볼 수 있습니다! 이는 평균적으로 각 정점이 약 6개의 삼각형에서 재사용된다는 것을 의미합니다. 이것은 확실히 많은 GPU 메모리를 절약합니다.