[Unity] Compute Shader를 활용해 텍스처의 그라디언트 구현하기

5 분 소요

먼저, GPU에서 실행될 Compute Shader 파일을 생성한다.

  #pragma kernel KernelFunctionA
  #pragma kernel KernelFunctionB

  RWTexture2D<float4> result;

  [numthreads(8,8,1)]
  void KernelFunctionA(uint3 dispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
  {
      float width;
      float height;

      result.GetDimensions(width, height);
      result[dispatchThreadID.xy] = float4(dispatchThreadID.x / width, dispatchThreadID.x / width, dispatchThreadID.x / width, 1);  
  }

  [numthreads(8,8,1)]
  void KernelFunctionB(uint3 dispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
  {
      float width;
      float height;

      result.GetDimensions(width, height);
      result[dispatchThreadID.xy] = float4(dispatchThreadID.y / height, dispatchThreadID.y / height, dispatchThreadID.y / height, 1);
  }

#pragma 지시어로 어느 함수가 compute shader의 커널로 컴파일될지를 지정한다.
텍스처 계산에 쓰일 커널 함수인 KernelFunctionA와 KernelFunctionB를 명시해 준다.
```
  #pragma kernel KernelFunctionA
  #pragma kernel KernelFunctionB
```
읽고 쓸 수 있는(RW) 2D 텍스처 버퍼 result를 선언한다. 이 버퍼는 RGBA값을 저장할 수 있는 float4형으로 구성되어 있다. 이렇게 해야 GPU에서 계산한 결과를 CPU 쪽으로 넘겨줄 수 있고, 스크립트에서 받아서 처리할 수 있다.
```
  RWTexture2D<float4> result;
```
커널함수 구현 시, numthreads attribute로 몇 개의 스레드가 이 커널을 실행할지를 3차원으로 지정해야 한다.
함수 파라미터는 필수적으로 Unity Compute Shader에 정의된 compute shader semantics 타입을 따라야 하며, 이름은 자유롭게 정의 가능하다.
semantics
- SV_GroupID (uint3)
  - 현재 커널을 실행하는 스레드가 속한 Group의 3차원 인덱스
- SV_GroupThreadID (uint3)
  - Group 내의 개별 Thread의 3차원 인덱스
- SV_GroupIndex (uint)
  - Group 내의 개별 Thread의 1차원 인덱스
- SV_DispatchThreadID (uint)
  - SV_GroupID * numthreads + GroupThreadID
  - 현재 커널을 실행하는 스레드의 global 인덱스 (전체 group을 통틀어, 전체 스레드 중 자신이 몇 번째인지를 나타냄)
```
  [numthreads(8,8,1)]
  void KernelFunctionA(uint3 dispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
  {
      float width;
      float height;

      result.GetDimensions(width, height);
      result[dispatchThreadID.xy] = float4(dispatchThreadID.x / width, dispatchThreadID.x / width, dispatchThreadID.x / width, 1);  
  }
```
KernelFunctionA는 SV_DispatchThreadID 타입의 파라미터 dispatchThreadID를 받는다.
Texture2D의 GetDimensions 메서드로 텍스처 버퍼의 너비와 높이를 받아와 width와 height에 저장한다.
dispatchThreadID의 x와 y값(uint2)을 가져와 텍스처 버퍼의 인덱스로 사용하고, 해당 인덱스의 요소에 float4 타입의 RGBA 값을 넣어준다.
- 그 값은 dispatchThreadID에 따라 결정되는데, R, G, B값은 dispatchThreadID.x / width로, 워크 그룹 수가 (텍스처 가로사이즈 / x차원 스레드 개수, 텍스처 세로사이즈 / y차원 스레드 개수, 1)일 경우 dispatchThreadID.x는 0~(텍스처 가로사이즈)의 값을 가지게 된다.
- 고로 스레드들은 dispatchThreadID.x에 따라 0~1의 값을 만들어내며, 같은 x값을 가진 텍스처 버퍼의 요소들은 같은 값으로 채워진다.
- 결과적으로 dispatchThreadID.x의 증가에 따라 RGBA 값이 (0, 0, 0, 1)에서 (1, 1, 1, 1)로 변화하며, 가로 방향 그라디언트(오른쪽으로 갈수록 흰색에 가까워짐)가 표현된다.
다음은 width와 height가 32이고 워크 그룹 수가 (4, 4, 1)일 때 스레드들에 대응되는 텍스처 버퍼 result의 요소들을 나타낸다.

KernelFunctionB의 로직은 KernelFunctionA와 동일하지만, dispatchThread.y / height를 RGB값에 대입함으로서 세로 방향 그라디언트(위쪽으로 갈수록 흰색에 가까워짐)를 만들어낸다.

  [numthreads(8,8,1)]
  void KernelFunctionB(uint3 dispatchThreadID : SV_DispatchThreadID)
  {
      float width;
      float height;

      result.GetDimensions(width, height);
      result[dispatchThreadID.xy] = float4(dispatchThreadID.y / height, dispatchThreadID.y / height, dispatchThreadID.y / height, 1);
  }

다음으로, C# 스크립트를 작성한다. 이 스크립트는 Compute Shader의 계산 결과를 가져와 텍스처에 적용하고, 그 텍스처를 게임오브젝트의 머티리얼에 적용한다.

  using UnityEngine;

  struct ThreadSize
  {
      public int X { get; set; }
      public int Y { get; set; }
      public int Z { get; set; }

      public ThreadSize(uint x, uint y, uint z)
      {
          X = (int) x;
          Y = (int) y;
          Z = (int) z;
      }
  }

  public class NewBehaviourScript : MonoBehaviour
  {
      [SerializeField] private GameObject planeA;
      [SerializeField] private GameObject planeB;

      [SerializeField] private ComputeShader computeShader;

      private RenderTexture _renderTextureA;
      private RenderTexture _renderTextureB;

      private int _kernelIndexA;
      private int _kernelIndexB;

      void Start()
      {
          // planeA의 텍스처 - 가로 방향 그라디언트
          _renderTextureA = new RenderTexture(512, 512, 1, RenderTextureFormat.ARGB32);
          _renderTextureA.enableRandomWrite = true;
          _renderTextureA.Create();

          _kernelIndexA = computeShader.FindKernel("KernelFunctionA");
          computeShader.GetKernelThreadGroupSizes(_kernelIndexA, out uint threadSizeX, out uint threadSizeY, out uint threadSizeZ);
          ThreadSize threadSizeA = new ThreadSize(threadSizeX, threadSizeY, threadSizeZ);

          computeShader.SetTexture(_kernelIndexA, "result", _renderTextureA);
          computeShader.Dispatch(_kernelIndexA, _renderTextureA.width / threadSizeA.X, _renderTextureA.height / threadSizeA.Y, _renderTextureA.depth / threadSizeA.Z);

          planeA.GetComponent<Renderer>().material.mainTexture = _renderTextureA;

          // planeB의 텍스처 - 세로 방향 그라디언트
          _renderTextureB = new RenderTexture(512, 512, 1, RenderTextureFormat.ARGB32);
          _renderTextureB.enableRandomWrite = true;
          _renderTextureB.Create();

          _kernelIndexB = computeShader.FindKernel("KernelFunctionB");
          computeShader.GetKernelThreadGroupSizes(_kernelIndexB, out threadSizeX, out threadSizeY, out threadSizeZ);
          ThreadSize threadSizeB = new ThreadSize(threadSizeX, threadSizeY, threadSizeZ);

          computeShader.SetTexture(_kernelIndexB, "result", _renderTextureB);
          computeShader.Dispatch(_kernelIndexB, _renderTextureB.width / threadSizeB.X, _renderTextureB.height / threadSizeB.Y, _renderTextureB.depth / threadSizeB.Z);

          planeB.GetComponent<Renderer>().material.mainTexture = _renderTextureB;
      }
  }

먼저, 하나의 그룹을 구성하는 스레드들의 수를 커널함수별로 저장해두기 위해 구조체를 하나 만든다.

  using UnityEngine;
    
  struct ThreadSize
  {
      public int X { get; set; }
      public int Y { get; set; }
      public int Z { get; set; }
    
      public ThreadSize(uint x, uint y, uint z)
      {
          X = (int) x;
          Y = (int) y;
          Z = (int) z;
      }
  }

그리고 텍스처를 적용할 게임오브젝트와 Compute Shader 에셋을 참조하기 위해 다음과 같이 MonoBehaviour를 상속받는 클래스 안에 필드를 선언한다. (인스펙터 상에만 노출되도록 SerializeField 어트리뷰트를 붙여주었다.)
```
  public class NewBehaviourScript : MonoBehaviour
  {
      [SerializeField] private GameObject planeA;
      [SerializeField] private GameObject planeB;
    
      [SerializeField] private ComputeShader computeShader;
    
```
다음으로 planeA, planeB에 적용할 텍스처를 선언한다. 이 텍스처는 Compute Shader의 텍스처 버퍼 result와 연결되며, 커널함수 KernelFunctionA와 KernelFunctionB의 실행(Dispatch)를 통해 계산된 값을 받아온다.

Dispatch와 버퍼 설정 등을 위해 커널의 인덱스를 저장해둘 int 필드를 두 개 선언한다.

      private RenderTexture _renderTextureA;
      private RenderTexture _renderTextureB;
    
      private int _kernelIndexA;
      private int _kernelIndexB;

커널함수의 실행과 텍스처 적용은 게임 시작 시 한 번만으로 충분하므로 Start 함수에 다음 코드를 작성한다.

   void Start()
      {
          // planeA의 텍스처 - 가로 방향 그라디언트
          _renderTextureA = new RenderTexture(512, 512, 1, RenderTextureFormat.ARGB32);
          _renderTextureA.enableRandomWrite = true;
          _renderTextureA.Create();
    
          _kernelIndexA = computeShader.FindKernel("KernelFunctionA");
          computeShader.GetKernelThreadGroupSizes(_kernelIndexA, out uint threadSizeX, out uint threadSizeY, out uint threadSizeZ);
          ThreadSize threadSizeA = new ThreadSize(threadSizeX, threadSizeY, threadSizeZ);
    
          computeShader.SetTexture(_kernelIndexA, "result", _renderTextureA);
          computeShader.Dispatch(_kernelIndexA, _renderTextureA.width / threadSizeA.X, _renderTextureA.height / threadSizeA.Y, _renderTextureA.depth / threadSizeA.Z);
    
          planeA.GetComponent<Renderer>().material.mainTexture = _renderTextureA;
    

먼저 _renderTextureA가 참조할 새로운 텍스처를 만드는데, width와 height를 지정하고(512) 포맷은 채널당 8bit를 사용하는 ARGB32로 설정한다. (2차원 텍스처이므로 depth는 1이다.)
- enableRandomWrite 프로퍼티에 true를 대입해 셰이더에서 텍스처에 접근하고 값을 수정할 수 있게 설정해준다.
- Create 메서드로 실질적인 텍스처를 생성한다.
Compute Shader에서 KernelFunctionA라는 이름의 커널함수를 찾아 _kernelIndexA에 캐싱해둔다.
그 다음, 얻은 인덱스를 통해 그 커널함수의 numthreads를 uint 변수 세 개로 받아오고, 아까 만든 Threadsize 구조체의 새 인스턴스 threadSizeA를 생성해 세 변수의 값으로 초기화해 둔다.
SetTexture 메서드로 KernelFunctionA 함수가 실행될 때 텍스처 버퍼 result에 _renderTextureA가 연결되도록 설정한 다음, Dispatch 메서드를 통해 커널을 실행한다.
워크 그룹의 수는 Dispatch 메서드를 실행할 때 결정하는데, 텍스처의 RGB값이 가로 방향으로 0에서 1까지 증가하도록 하기 위해서는 워크 그룹 수를 (텍스처 가로사이즈 / x축 스레드 수, 텍스처 세로사이즈 / y축 스레드 수, 텍스처 깊이 / z축 스레드 수(여기서는 별로 중요하지 않음))으로 설정해줘야 한다. 그래야 dispatchThreadID의 x와 y값이 0에서 512까지로 설정되기 때문이다.
커널함수가 실행되었으므로 _renderTextureA에는 계산 결과가 저장되었다. 이제 planeA의 렌더러 컴포넌트를 가져와 머티리얼의 메인 텍스처에 _renderTextureA를 집어넣으면, planeA의 텍스처는 Compute Shader에 의해 계산된 그라디언트로 표시된다.

두 번째 게임오브젝트 planeB에 적용할 텍스처를 위해 KernelFunctionB를 실행하는 과정도 A와 아주 유사한 과정을 거친다.

          // planeB의 텍스처 - 세로 방향 그라디언트
          _renderTextureB = new RenderTexture(512, 512, 1, RenderTextureFormat.ARGB32);
          _renderTextureB.enableRandomWrite = true;
          _renderTextureB.Create();
    
          _kernelIndexB = computeShader.FindKernel("KernelFunctionB");
          computeShader.GetKernelThreadGroupSizes(_kernelIndexB, out threadSizeX, out threadSizeY, out threadSizeZ);
          ThreadSize threadSizeB = new ThreadSize(threadSizeX, threadSizeY, threadSizeZ);
    
          computeShader.SetTexture(_kernelIndexB, "result", _renderTextureB);
          computeShader.Dispatch(_kernelIndexB, _renderTextureB.width / threadSizeB.X, _renderTextureB.height / threadSizeB.Y, _renderTextureB.depth / threadSizeB.Z);
    
          planeB.GetComponent<Renderer>().material.mainTexture = _renderTextureB;
      }
  }

빈 게임오브젝트를 만들고 만든 스크립트를 컴포넌트로 등록한 후, planeA와 planeB, Compute Shader에 각각 Plane 게임오브젝트들과 셰이더 에셋을 드래그 앤 드랍한다.
플레이 버튼을 눌러 실행하면 텍스처가 표시된다!

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지후

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참고

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