CPU로 3D 래스터라이저를 밑바닥부터 만들어보는 튜토리얼 시리즈

• 대학에서 OpenGL 강의하는 개발자가 "GPU가 해주는 래스터라이제이션, 직접 CPU로 구현하면 어떨까?" 하는 가려움을 참지 못하고 시작한 프로젝트임. 삼각형 하나 그리는 데 성공했더니 "이거 풀 렌더링 엔진으로 키워볼까?" 하는 두 번째 가려움이 왔고, 결국 튜토리얼 시리즈로 문서화하기로 함

• CPU 래스터라이저가 실용적이냐고? 당연히 아님. 하지만 정당한 이유는 있음:

  • GPU가 내부적으로 뭘 하는지 진짜 이해하게 됨
  • Nanite 같은 컴퓨트 셰이더 기반 소프트웨어 렌더링의 사전 학습으로 좋음
  • FPGA로 자작 GPU 만들기 전 스테핑 스톤
  • 그리고 뭐니 뭐니 해도 재밌음

• 첫 번째 파트는 "화면 지우기"부터 시작함. SDL2로 윈도우 만들고, 드로우 버퍼(서피스) 생성하고, 고정 색상으로 채우는 것까지가 목표임. 아주 겸손한 시작

드로우 버퍼 설계

• SDL2 윈도우 서피스에 직접 쓰는 대신 자체 RGBA8 서피스를 만들어서 복사하는 방식을 선택함. 이유는 윈도우 서피스의 포맷을 컨트롤할 수 없기 때문 (시스템마다 다름)
• SDL_SetSurfaceBlendMode으로 자동 블렌딩도 꺼버림. 렌더링 엔진을 직접 만드는 마당에 블렌딩까지 SDL한테 맡길 순 없다는 철학

API 설계 철학

• OpenGL이나 Vulkan을 그대로 구현할 수도 있었지만, 기존 API들은 두 부류로 나뉨:

  • 오래돼서 수십 년 된 설계 결정의 기이함을 80% 시간 써서 처리해야 하거나
  • 지나치게 장황해서 스펙 맞추는 글루 코드가 80%이거나

• 그래서 제3의 길을 선택: 자체 API 설계. 기존 그래픽스 API를 참고하되 더 심플하고 깔끔하게 만드는 방향

• 기본 타입부터 정의함. color4ub (RGBA 각 1바이트), vector4f (부동소수점 4D 벡터), image_view (픽셀 배열 + 가로세로 크기) 같은 구조체를 만들고, clear() 함수 하나로 시작

성능 측정

• 1920x1080 해상도 기준, clear 호출은 약 0.3ms, SDL 블리팅은 약 3.3ms, 전체 프레임은 약 3.7ms로 약 270 FPS가 나옴
• clear는 꽤 빠르지만 블리팅이 느린 편. 플랫폼 동기화 오버헤드가 있을 듯
• 물론 이게 CPU 래스터라이저니까 640x480 정도에서 간단한 씬이 아니면 60 FPS 유지가 힘들 거라는 경고도 미리 해둠. GPU한테 감사해야 하는 이유를 체감하게 될 거라는 거임