3D 버텍스를 2D 화면 위에 렌더링하는 소프트웨어 개발 (외부 라이브러리 없이)

개요

기본적으로 3D 화면을 모니터 위에 렌더링하기 위해서는 각 정점 정보들을 2D 화면위에 투영하는 과정을 거쳐야 한다.. 프로젝션 처리를 위해서 다양한 수학 계산과 행렬 처리가 진행되는데 대표적으로 이러한 처리를 해주는 라이브러리 (그래픽 라이브러리)는 DirectX 와 OpenGL, Vulkan 등이 있다. 이러한 그래픽 라이브러리는 소프트웨어 렌더링뿐만이 아니라, 하드웨어 단 렌더링을 지원하기 때문에 실제 리얼 타임 게임 등에서 자주 애용되는 그래픽 라이브러리이기도 하다. 나는 이러한 라이브러리 사용 없이 오로지 수식 계산을 통해 2D 캔버스 위에 직접 3D 그림을 그려보기로 하였다. 이 과정을 통해서 3D 렌더링의 워크 플로우를 대략이나마 이해할 수 있었다.

패키지 구조

기본적으로 3D 렌더링을 위해 메시를 로드하고, 메시 버텍스를 보관, 페이스를 구성하는 클래스를 별도로 만들었다. 메쉬에 대한 변환 행렬을 처리하는 클래스는 만들지는 않았고 테스트 및 공부 용도이기 때문에 0,0,0 을 중심으로 개발하였다. 즉 월드 좌표 = 로컬 좌표로 보고 작업을 진행했으며, 월드 좌표를 카메라 행렬에 넣어 카메라 반영을, 그 결과를 프로젝션 행렬에 넣어 프로젝트를, 이를 뷰포트 행렬에 넣어 비로소 화면에 출력하는 과정을 거쳤다. 이는 실제 GL 등의 워크 플로우랑은 미세하게 다르며, 야매로 해결한 부분이 존재한다.

웬만한 작업들은 모두 행렬로 처리하였으며, 행렬을 처리하는 클래스를 별도로 만들었다.

행렬을 처리하는 클래스에서는 전치 행렬, 행렬 곱 등을 처리할 수 있도록 하였으며, 벡터화도 가능하게 하였다.

벡터 클래스는 벡터간의 연산을 지원하게끔 개발하였으며, 기본 연산, 길이 계산, 노말라이즈, 내적, 외적 연산 등을 구현하였다. 외적 연산 원리는 정확히 헷갈려서 수식을 참고하였다.

이외 .obj 파일을 직접 읽어와 내가 만든 클래스인 Vector3D 등으로 변환하고 Mesh 계열로 표현할 수 있게끔 로더도 간단하게 개발하였다. 버텍스만 사용하며 별개 인덱스 버퍼 등은 지원하지 않는다.

이외 프로젝션 행렬, 카메라의 이동 행렬, 회전 행렬등을 월드에 반영하여 최종 Matrix를 연산한다.

실제 자바 내에서의 캔버스 영역이다. 단순 2D 그리는 부분에서 수학 계산을 통과하고 와서 연산된 좌표를 출력한다.

출력 결과

Blender 소프트웨어 내에 있는 기본 원숭이 메시와 기둥 메시를 obj로 추출후 구현한 로더로 버텍스들을 로드했다.