SSAO and Kawase Blur

개인적으로는 SSAO 를 사용하지 않고 있고 이 전 프로젝트에서도 5년 전부터는 사용하지 않았습니다. 최근에는 GTAO 도 모바일 디바이스 게임개발 환경에서 자주 사용되고 있을 만큼 최적화가 되었습니다. 게다가 SSAO 를 아티스트나 아트디렉터분들이 별로 안좋아하더라고요... 시각적인 품질이 좀... ;

1주일 전쯤부터 유니티6 렌더그래프에 GroundTruth AO 피처를 추가 하는 과정에서 피처와 페스 업그레이드 때문에 살펴 보던 와중에...  간단히 서머리 해 보는 것도 나쁘지 않겠다 생각이 들었네요.

신입들을 만나게 되면 꼭 올드스쿨 이라고 해서 변천사를 좀 아는 것이 그 다음 5년 후의 변천과 미묘한? 연결점도 있다고 생각 합니다. 그리고 또 예전 기술의 일부는 여전히 쓰이고 있는 것도 사살 이거든요.

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Morgan 2011의 "Alchemy screen-space ambient obscurance algorithm"은 게임 엔진에서 사용되는 중요한 Screen Space Ambient Occlusion(SSAO) 알고리즘입니다. NVIDIA Research에서 발표된 이 알고리즘의 주요 특징은 다음과 같습니다:

 

The Alchemy Screen-space Ambient Obscurance Algorithm | Research

 

주요 시각적 효과

• 모서리, 균열, 주름의 어두워짐
• 근접 차폐(proximity darkening)
• 접촉 그림자(contact shadows)

 

핵심 기술적 특징

• 화면 공간 차폐(screen-space obscurance)의 새로운 유도 방식 사용
• visibility integral에서 falloff 함수를 사용하여 효율적인 연산 구현
• 깊이 버퍼와 노말 버퍼에서 샘플 포인트를 읽어 차폐도 추정

 

조절 가능한 4가지 파라미터

• World-space radius (월드 공간 반경)
• Bias (편향)
• Intensity (강도)
• Contrast (대비)

 

이 알고리즘은 현재 Unity URP의 SSAO 구현의 기반이 되었으며, 실시간 렌더링에서 효율적으로 주변 차폐 효과를 생성할 수 있는 방법을 제시했습니다.

이 알고리즘의 가장 큰 장점은 다양한 스케일의 지오메트리에서 차폐를 포착할 수 있고, 표면에 자연스럽게 순응하는 접촉 그림자를 만들 수 있다는 점입니다.

최적화를 위해(매우 보편적인) Blue Noise 텍스처를 사용하고 있으며 다운셈플링을 지원하고 최근 XR/VR 을 위한 Foveated 렌더링을 지원 합니다.

블러필터 옵션을 보면

• Bilateral Blur
• Gaussian Blur
• Kawase Blur

이렇게 3가지가 있습니다.

우리는 Kawase Blur 에 관심을 갖을 필요가 있습니다.

Bloom 을 최적화 할 때도 사용할 수 있기 때문입니다.

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// Kawase Blur
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// Developed by Masaki Kawase, Bunkasha Games
// Used in DOUBLE-S.T.E.A.L. (aka Wreckless)
// From his GDC2003 Presentation: Frame Buffer Postprocessing Effects in  DOUBLE-S.T.E.A.L (Wreckless)
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half KawaseBlurFilter( half2 texCoord, half2 pixelSize, half iteration )
{
    half2 texCoordSample;
    half2 halfPixelSize = pixelSize * HALF_HALF;
    half2 dUV = ( pixelSize.xy * half2( iteration, iteration ) ) + halfPixelSize.xy;

    half cOut;

    // Sample top left pixel
    texCoordSample.x = texCoord.x - dUV.x;
    texCoordSample.y = texCoord.y + dUV.y;

    cOut = SAMPLE_BASEMAP_R(texCoordSample);

    // Sample top right pixel
    texCoordSample.x = texCoord.x + dUV.x;
    texCoordSample.y = texCoord.y + dUV.y;

    cOut += SAMPLE_BASEMAP_R(texCoordSample);

    // Sample bottom right pixel
    texCoordSample.x = texCoord.x + dUV.x;
    texCoordSample.y = texCoord.y - dUV.y;
    cOut += SAMPLE_BASEMAP_R(texCoordSample);

    // Sample bottom left pixel
    texCoordSample.x = texCoord.x - dUV.x;
    texCoordSample.y = texCoord.y - dUV.y;

    cOut += SAMPLE_BASEMAP_R(texCoordSample);

    // Average
    cOut *= half(0.25);

    return cOut;
}

half4 KawaseBlur(Varyings input) : SV_Target
{
    UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input);

    half2 uv = input.texcoord;
    half2 texelSize = _SourceSize.zw * rcp(DOWNSAMPLE);

    half col = KawaseBlurFilter(uv, texelSize, 0);
    col = HALF_ONE - col;

    return half4(col, col, col, 1);
}

 

SSAO.hlsl 에 포함 된 카와세 블러 코드블럭 입니다.

KawaseBlurFilter 함수.

half KawaseBlurFilter(half2 texCoord, half2 pixelSize, half iteration)

4개의 이웃 픽셀을 샘플링한 후 블러 효과를 생성 합니다.

픽셀의 UV 좌표, 텍스처의 텍셀 크기 및 블러 이터레이션 회수를 매개변수로 갖습니다.

현재 픽셀을 중심으로 4개의 코너 픽셀을 샘플링 하고 각 샘플의 R 채널 값을 수집하여 평균을 낸 후 최종 블러값을 위해 0.25를 곱합니다.

 

KawaseBlur 함수.

half4 KawaseBlur(Varyings input) : SV_Target

KawaseBlurFilter를 실제로 적용하는 픽셀 셰이더 스테이지 입니다.

UV 좌표와 텍셀 크기 계산을 하고 KawaseBlurFilter 를 적용 합니다. 결과값을 반전하여 SSAO 에 적합한 형태로 변환 합니다. 이때 그레이스케일 값을 RGBA 로 확장 하여 반환 합니다. Kawase Blur 는 다른 블러 방식들에 비해 성능 측면에서 좋지만 품질은 낮은 특징이 있습니다. 모바일 디바이스 성능이 제한된 환경에서 유용 하며 품질이 낮은 부분을 Dual Filter 로 개선 할 수 있는 여지가 있습니다.

관심 있게 카와세 블러와 듀얼 카와세 블러 등으로 살펴볼 수 있습니다.

아래 git link 처럼

URP 카와세 블러

GitHub - tomc128/urp-kawase-blur: URP renderer feature enabling a blur effect.

UI 의 Blur 에도 주로 사용 됩니다.

 

듀얼 카와세 블러

GitHub - Baedrick/Dual-Kawase-Blur-Demo: URP implementation of the Dual Kawase Blur method described in SIGGRAPH 2015 by Marius

 

AMD 에서 오래 전 발표 한 아래 내용도 매우 좋은 참조자료가 됩니다.

https://community.arm.com/cfs-file/__key/communityserver-blogs-components-weblogfiles/00-00-00-20-66/siggraph2015_2D00_mmg_2D00_marius_2D00_slides.pdf

듀얼 필터링.