WireframeOutlineRendering

윈도우 3D viewer를 모방해 obj 파일을 띄울 수 있는 viewer를 만들었고 그 결과는 아래와 같았다.
좌측이 윈도우의 것, 우측이 모방한 결과이다.

모방의 과정에서 와이어프레임을 별도의 패스로 다시 그리는 방식을 채택했으며 결국 동일한 geometry를
두 번 렌더링하게 된다. 우선 solid pass에서 채워진 폴리곤이 깊이 버퍼를 기록하고, 이후 wireframe
pass에서 같은 위치의 edge를 다시 그리게 되는데, 이때 거의 같은 depth를 가지게 된다. 따라서 픽셀의
선후 관계가 불분명해지는 z-fighting이 발생한다.

1. 왜 depth bias로는 부족한가?

depth bias는 이 같은 문제를 완화하기 위해 depth를 미세하게 앞으로 밀어내는 기법이다. depth bias는
일정한 상수 bias 또는 polygon slope에 따른 bias를 이용해 z-fighting을 완화하지만, 투영 상태·깊이
범위·면의 기울기·해상도 등의 영향으로 모든 상황에서 일관되게 안정적인 결과를 보장하지는 못한다.특히 곡면의
경우에는 내부 edge가 드러나거나 외곽선이 끊어지는 문제가 발생한다.

2. 그렇다면 무엇이 더 필요한가?

이 문제를 해결하는 접근은 목적에 따라 두 가지로 나뉜다.
하나는 화면에서 보이는 경계를 강조하는 방식이고,
다른 하나는 삼각형의 실제 edge를 표현하는 방식이다.
각각 먼저 screen-space edge detection이고, 그 다음은 barycentric coordinate 기반의 edge 구분이다.
이 기법은 geometry를 다시 그리지 않고, 이미 렌더링이 완료된 화면 정보를 기반으로 경계를 추출한다.

일단 그려보고 edge를 찾아내겠다

3. screen-space edge detection

최종 color buffer나 그 이전 단계에서 생성된 depth buffer와 normal buffer를 입력으로 사용하여,
각 픽셀 주변과의 차이를 분석함으로써 edge를 판단한다. 예를 들어 어떤 픽셀의 depth 값이 인접 픽셀과
급격히 달라진다면 이는 물체의 앞뒤 관계가 바뀌는 지점, 즉 실루엣이나 겹침 경계일 가능성이 높다.
또한 normal 값이 크게 변화하는 경우는 표면의 방향이 급격히 꺾이는 지점으로, 면과 면 사이의 경계로
해석할 수 있다. 이러한 기준을 바탕으로 픽셀 단위에서 임계값을 적용해 edge 여부를 판별하고, 해당 픽셀에
별도의 색을 덧입혀 선처럼 표현한다.

그러나 screen-space edge detection은 geometry의 실제 topology를 그대로 보여주는 방식은 아니다.
삼각형의 모든 edge를 정확히 표현하는 것이 아니라, 화면상에서 시각적으로 의미 있는 경계만을 추출한다.
따라서 내부 삼각형 구조를 모두 드러내는 디버깅 목적의 wireframe과는 성격이 다르다.

그러면 그건 실제 edge는 아니지 않은가?

4. barycentric coordinate

그렇다. 위의 방식은 렌더링 결과를 두고 edge를 찾아내는 것이므로 실제 버텍스들이 연결되어 만들어 내는 face와는
일치하지 않을 수 있다. barycentric 기반 방식은 mesh의 실제 triangle edge를 안정적으로 표시하는 데 적합하다.
다만 이는 외곽선만이 아니라 내부 triangulation까지 함께 드러낼 수 있다. 이 경우에는 픽셀 셰이더에서 edge
근처인 걸 파악하고 그 주변에서만 색을 바꾼다. 이 방식은 삼각형 내부에서 보간된 barycentric 좌표를 이용해 픽셀
단위에서 edge 근처를 판별한다. 따라서 geometry가 추가로 렌더링되지 않고, 동일한 depth 값을 공유하기 때문에
z-fighting이 발생하지 않는다.

5. 정리하자면

두 방식 모두 별도의 pss를 두어 wireframe geometry를 그리는 방식보다 z-fighting 문제에서 자유롭다.
screen-space edge detection은 후처리 기반의 screen-space 기법이고, barycentric 기반 wireframe은
삼각형 rasterization 중 보간된 barycentric 좌표를 이용해 edge를 판별하는 방식이라는 차이가 있다.

결론적으로, 단순히 외곽선이나 형태를 강조하는 것이 목적이라면
screen-space edge detection이 충분하다.
반면, 실제 mesh의 삼각형 구조를 정확히 표현해야 하는 경우에는
barycentric 기반의 wireframe 방식이 필요하다.