Kim Geon Woo Unreal Client

언리얼 엔진에서 제공하는 다양한 클래스들은 내부 GC(Garbage Collection)을 통해 메모리를 관리한다는 것을 지난 포스팅을 통해 알게되었습니다.

※ UE5 - Garbage Collection 

이에 추가적으로 레벨에 스폰된 액터가 언제 생성되며, 언제 사라지는지, 그리고 어떻게 더이상 사용하지 않는다 라고 판단하여 GC가 해당 액터를 소멸시키는지에 대해 조금 더 자세히 파악하고자 이번 포스팅을 작성하게 되었습니다.

이러한 이유로 UE5를 사용한 액터의 라이프사이클에 대해 알아보겠습니다.

액터 라이프사이클

액터 생성 단계 (Spawning)

1. 디스크에서 로드하기 (Load Map / Add to World)
   • 레벨을 변경하거나 불러올 시 언리얼 엔진 내부에서 호출되는 UnrealEngine::LoadMap이 발생하거나, UWorld::AddToWorld를 호출하는 경우같은, 이미 레벨에 있는 액터들에 대해 발생한다.
   • 패키지/레벨에 있는 액터가 디스크에서 로드되는 단계
   • 디스크에서 로드가 완료되면, 직렬화된 액터에서 PostLoad를 호출한다.
   • 호출된 해당 액터의 컴포넌트가 초기화 된 후, 레벨이 시작될 때 해당 액터의 AActor::BeginPlay()가 호출된다.
2. 에디터가 플레이 되는 경우 (Play in Editor)
   • 에디터의 액터가 새 월드에 복제된다.
   • UObject::PostDuplicate를 호출하여 해당 액터를 복제, 직렬화한다.
   • 해당 액터에 정의된 각 컴포넌트를 생성, 초기화한다.
   • 레벨이 시작될 때 AActor::BeginPlay()가 호출된다.
3. 스폰 (Spawn Actor)
   • 플레이를 위해 액터를 설정하기위해 호출된다.
   • 월드에 스폰된 후 직렬화 및 액터 및 액터의 컴포넌트 생성 및 변수를 초기화 한다.
   • 액터에 정의된 각 컴포넌트를 생성, 초기화, 호출한다.
   • AActor::BeginPlay()를 통해 호출된다.
4. 디퍼드 스폰 (Deferred Spawn)
   • Expose On Spawn (스폰 시 노출)로 설정된 프로퍼티가 존재한다면, 해당 액터는 디퍼드 스폰이 가능하다.
     • Deffered Spawn : 액터의 특정 설정을 초기화한 뒤, 활성화는 나중에 하는 방식.
     • 특정 이벤트가 발생시 호출하는 액터 또는 성능최적화를 할 때 사용한다.

게임 실행 단계 (Game Play)

• 액터가 배치된 레벨 및 어플리케이션이 실행되고 있는 단계.
• 해당 액터가 매 Tick(프레임)마다 호출되는 단계
• 또는 데미지 처리와 같은 상태 업데이트를 하는 단계
• 언리얼 엔진 GC에서 해당 객체들을 Mark하여 메모리 해제를 방지한다. 

액터 라이프사이클 종료 (End Play)

• Destory 함수에 대한 명시적 호출을 한다.
• 에디터에서 플레이가 종료된 경우
• 레벨 트랜지션 발생 시
• 액터의 수명이 만료될 경우
  • 수명이 다해가는것을 보장하기 위해 언리얼 엔진 내부에서 해당 엑터의 EndPlay를 여러곳에서 호출하여 검증한다. 
• 어플리케이션 종료 (모든 액터 소멸)

위와같이 라이프사이클 종료를 확인하기위해 여러개의 검증을 걸친 뒤, 액터를 더이상 사용하지 않는다 판단 할 시 액터는 내부에서 RF_PendingKill로 표시되어 언리얼 엔진이 해당 액터의 메모리 할당을 해제합니다.

※ EndPlay가 호출 되어도 트랜지션한 레벨에서 해당 액터가 사용된다면, 액터는 재사용 될 수 있다.

GC에 의한 오브젝트 제거 및 리소스 해제

• UObject::BeginDestroy : 오브젝트가 메모리를 해제하고, 게임 플레이가 아닌 기타 리소스들을 처리한다.
• UObject::IsReadyForFinishDestroy : 가비지 컬렉션에서 해당 오브젝트가 영구적으로 제거될 준비가 되었는지 확인하며, false 반환 시 다음 가비지컬렉션까지 소멸을 연기시킨다.
• UObject::FinishDestroy : 오브젝트가 실제로 소멸되며, 해당 함수 호출 뒤 메모리가 해제된다.

위의 4단계를 통해 액터가 생성되기에는 어떠한 방법이 있는지, 어떤 검증을 걸쳐 액터가 소멸된다고 판단하는지에 대해 알아보았습니다.

기존의 GC포스팅을 하였을 때 어떻게 엔진에서 소멸자를 담당하여 메모리를 효율적으로 사용하는지에 대해 알고 있었지만, 이번 포스팅을 통해 GC를 통해 마크 앤 스윕단계를 거치기 전에 액터의 생명주기를 알 수 있었습니다.

https://dev.epicgames.com/documentation/ko-kr/unreal-engine/unreal-engine-actor-lifecycle#%EC%95%A1%ED%84%B0%EB%9D%BC%EC%9D%B4%ED%94%84%EC%82%AC%EC%9D%B4%ED%81%B4%EC%A2%85%EB%A3%8C

개요

언리얼 엔진을 다루는 게임 클라이언트 개발자가 되기위해 학습을 하던 중, 콘텐츠 드로어에서 생성할 수 있는 다양한 클래스 들이 있었습니다.

폰, 액터, 캐릭터, 오브젝트와 같은 기본 클래스들이 있었으며, 각각 빙의할 수 있다, 걸어다닐 수 있다, 월드에 배치할 수 있다. 와 같은 기본적인 내용들만 적혀있었습니다.

또한 C++ 클래스를 작성하였을 때에는 UPROPERTY, UCLASS, UFUNCTION와 같은 자바의 어노테이션과 같은 상단에 적혀있는 매크로들이 존재하였습니다.

이와같이 다양한 클래스들과 매크로같은 기능들이 존재하였으며, 언리얼 엔진을 의도한대로 다루기 위해서는 기본적인 요소를 파악해야 한다고 생각하여 포스팅을 작성하게 되었습니다.

매크로

언리얼 엔진의 매크로는 클래스, 함수, 속성 등의 정보를 블루프린터,리플렉션과 같은 에디터와 런타임에서 사용할 수 있도록 메타데이터로 선언하는 기능입니다.

즉, 언리얼 엔진으로 프로그래밍시 언리얼 엔진이 새 클래스, 함수, 변수를 인식할 수 있게 도와주는 기능입니다.

특징

• 리플렉션(Reflection)
  • 매크로로 선언된 객체의 속성 정보들을 런타임시에 조회, 제어 할 수 있다.
• 블루프린트 연동
  • C++ 클래스에서 선언한 함수, 변수, 클래스들을 블루프린트에서 조회, 사용할 수 있다.
  • Ex) 변수에 UPROPERTY(VisibleAnywhere)를 선언함으로써, 블루프린트 내에서 조회 할 수 있다.

UCLASS()

• 클래스 선언부에 사용되며, 해당 클래스는 언리얼 엔진에서 추적하여 조회, 사용 할 수있게 선언한다.
• 런타임 환경에서 특정 클래스를 조회, 인스턴스 멤버 변수,함수를 호출할 수 있게 도와준다.
• 클래스 디폴트 오브젝트(Class Default Object, CDO)라는 하나의 오브젝트를 유지한다.
• 매개변수 Blueprintable, BlueprintType, NotBlueprintable, Abstract 등을 통해 접근 제어할 수 있다.
  • Blueprintable : 블루프린트에서 상속 가능하도록 선언한다.
  • BlueprintType : 블루프린트 변수로 사용할 수 있다.
  • NotBlutprintable : 블루프린트에서 상속할 수 없다.
  • Abstract : 추상 클래스로 선언한다. 객체를 직접 생성할 수 없다.

UFUNCTION()

• 함수 선언부에 사용되며, 함수에 대한 메터 데이터를 추가하여 블루프린트, 네트워크와 같은 기능들에 대해 제어한다.
• 매개변수 BlueprintCallable, BlutprintImplementableEvent, BlueprintNativeEvent, Server, Client, NetMulticast 등이 있다.
• BlueprintCallable : 블루프린트에서 함수를 호출할 수 있도록 한다.
• BlueprintImplementableEvent : C++ 에서 구현하지 않아도 블루프린트에서 구현 할 수 있는 이벤트를 정의한다.
• BlueprintNativeEvent : C++ 함수에서 구현하였지만, 블루프린트에서 재 구현이 가능하도록 한다.
• Server, Client, NetMulticast : 각각 서버, 클라이언트, 모든 클라이언트에서 실행하도록 한다.

UPROPERTY()

• 클래스 메버 변수에 메타데이터를 추가하여 언리얼 엔진에서 변수의 동작들을 제어하도록 도와준다.
• EditAnywhere : 언리얼 에디터에서 수정할 수있도록 도와준다.
  • Ex) 블루프린트에서 해당 멤버변수의 값을 수정한다.
• BlueprintReadWrite : 블루프린트에서 수정,사용할 수 있도록 선언한다.
• Replicated : 네트워크에서 동기화 한다.
• Transient : 변수를 저장하지 않고 런타임에서만 사용하도록 설정한다.

기본 클래스

언리얼 엔진에서 게임을 만들면 다양한 객체들이 있습니다.

플레이어, 주변환경(나무, 벽, 돌 등..), 장비(무기, 갑옷, 총알 등..)을 구현하게 되며, 그에 어울리게 구현되어있는 클래스들이 있습니다.

기본 클래스 중 가장 대표적인 Actor, Pawn, Character, Object들에 대해 알아보겠습니다.

UObject Class

• 언리얼 엔진 라이브러리 모든 클래스들의 최상위 부모 클래스.
• 컨텐츠를 구성하는 기본 단위
• UObject를 상속받는 클래스들은 GC를 통해 메모리 관리를 할 수 있다.
  • 언리얼 엔진의 GC를 통한 메모리 관리 방법
• 게임플레이에 필요한 로직, 데이터 구조와같은 게임에서 필요한 기본 기능들을 포함하고 있다.

AActor Class

• 게임 월드의 Transform을 가지는 객체들의 행동을 구현시에 사용하는 클래스
• 게임 내부의 물리적 충돌, 렌더링, 네트워크 등의 처리가 가능하다.
• 컴포넌트 기반으로 설계되어 메쉬, 라이트와 같은 다양한 구성 요소들을 추가할 수 있다.
• UObject를 상속받고 있다.
• 동적객체, 정적객체들을 구현시에 사용한다.
  • 동적 객체(총알, 미사일, 차량 등..), 정적 객체(건물, 나무 등..)

APawn Class

• 게임 월드에서 플레이어 혹은 AI에 의해 제어될 수 있는 Actor
  • PlayerController 또는 AIController을 통해 행동을 결정할 수 있다.
  • AActor클래스와 다르게 컨트롤러와 연결 할 수 있다.
• AActor 클래스를 상속받고있다.
• 카메라, 플레이어가 조작할 수 있는 탈것, AI를 통해 행동하는 캐릭터등에 사용한다.

ACharacter Class

• 캐릭터의 이동, 애니메이션을 담당하는 클래스
• APawn클래스를 상속받고 있다.
• Component기반으로 설계되어 캐릭터의 이동, 물리적 충돌, 외형등을 런타임 환경에서 제어할 수 있다.
  • Capsule Component : 캐릭터의 충돌을 처리
  • Character Movement Component : 캐릭터의 이동관련 처리
  • Mesh Component : 캐릭터의 외형(스켈레탈 메쉬 등)을 표현
• 플레이어 캐릭터, AI 캐릭터 등 이동이 필요한 것들

이상으로 클래스들에 필요한 기본적인 기능들에 대해 알아보았습니다.

다음 클래스 관련 포스팅은 객체(액터)가 언제 어떻게 생성되는지, 그리고 어떻게 사라지는지, 어떻게 관리하는지에 대한

언리얼 엔진의 객체 라이프사이클에 대해 알아보겠습니다.

렌더링 파이프라인은 CPU와 GPU의 자원을 사용하여 모델, 텍스처, 조명같은 3D 리소스들을 각각의 순차적인 과정을 통해 2D 이미지로 렌더링 하는 과정을 의미합니다.

언리얼 엔진에도 내부적으로 렌더링 파이프라인이 존재하며, 어떤 과정을 통해 이루어지는지에 대해 이번 포스팅을 통해 알아보겠습니다.

Frame

렌더링을 시작하기 전에 이전 프레임과 현재 프레임 사이에 어떤 변화가 일어났는지 확인합니다.

CPU에서 동작하며, 마지막 프레임에서 일어난 모든 변화를 확인합니다.

다음 렌더링을 시작하기전에 모든 것을 진행하는 과정입니다.

※ 프레임 : 연속적인 영상을 구성하는 개별적인 정지 이미지

Visibility Processes / Occlusion Culling

가시성을 이용한 렌더링을 통해 게임 퍼포먼스 최적화를 담당하는 영역입니다.

카메라 Frustum에는 존재하지만, 씬 안에있는 다른 액터에 의해 가려져있거나 숨겨져있는 액터를 제외하여 성능을 향상시킵니다.

 ※ Culling : 보이지않는 지오메트리들을 렌더링에서 제외, 최적화하여 퍼포먼스를 향상시키는 기술

• Distance Culling
  • 카메라와의 거리에 따라 렌더링 여부를 결정하는 기법
  • 설정한 거리외 오브젝트를 렌더링 하지 않음으로, GPU의 퍼포먼스 값을 향상시킬 수 있다.
  • 외부환경에서 내부환경으로 이동할 때 사용한다. (건물이나 구조물에 접근하기 전 내부가 보이지 않게)
• Frustum Culling
  • 보이는 카메라 스페이스 밖의 Asset들을 렌더링 하지않는다.
  • 게임 내 POV값을 조절하는데 사용하며, Freeze Rendering명령어를 통해 확인할 수 있다.
•  Precomputed Visibility
  
  • 가시성 데이터를 사전에 계산하여 런타임 환경에서 Occlusion Culling의 실시간 부하를 줄이는 기법
  • 화면에 표시할 필요가 없는 오브젝트들을 미리 계산하여 해당 레벨에서 GPU와 CPU의 렌더링 부하를 감소시킨다.
  • 고정된 시점(탑뷰, 2.5D게임)의 경우에서 효율적으로 사용할 수 있다.
• Nanite Culling
  • 언리얼5에서 추가된 기능
  • 대규모 Static Mesh들을 LOD 시스템을 자동으로 처리하여 폴리곤들을 효율적으로 렌더링하는 기법
  • Level의 모든 Mesh들을 로드가능한 작은 클러스터로 분해시키고 렌더링 할 필요가없는 데이터를 로드시키지 않는다.
  • Culling을 엔진에서 자동으로 처리한다. 별도의 LOD를 만들지 않아도 된다.
  • 애니메이션이나 Skeletal Mesh와 같은 동적 Mesh들은 지원하지 않는다.

Depth Pass

Frame, Visibility / Occlusion Culling을 통해 렌더링을 해야하는 대상들을 파악 후 렌더링을 하는 단계입니다.

• 카메라의 시점에서 각 픽셀까지의 거리(Depth)를 계산하여 Depth Buffer(Z-Buffer)의 텍스처에 저장하는 렌더링 단계.
• 화면의 각 픽셀들이 카메라에서 얼마나 떨어져 있는지에 대해 0.0 ~ 1.0의 정규화된 값으로 저장한다.

※ Buffer : 데이터를 효율적으로 전달하기위해 사용하는 메모리 영역

• Early Z-Pass
  
  • 기본적으로 활성화 되어있는 Pass
  • Depth 데이터를 먼저 계산하고 저장하여, 이후 색상 및 셰이더 계산을 최적화 하는 단계
  • 가려진 오브젝트, 픽셀들은 실행하지 않는다.

Base Pass

• 화면에 보이는 객체의 시각 정보를 카메라에 출력하기 위해 색상, 재질, 조명 정보를 계산하는 단계
• Base Color(색상), Roughness(표면의 거침 정도), Metalness(금속성), Specular(반사율)등을 G-Buffer에 저장한다. 
• Direct Lighting(직접 조명), Indirect Lighting(간접 조명)으로 나누어 계산, G-Buffer에 저장한다.
  • G-Buffer에 저장된 조명 값들은 Lighting Pass에서 처리한다. 
• UV좌표를 기반으로 텍스처 데이터를 불러온다.
• Texture의 복잡성을 낮추거나, 해상도를 조절하여 GPU 부하를 감소시키는 단계

Static Lighting

• 빌드시 Static Lighting 데이터를 생성한다.
• CPU 기반으로 실행되며, 반사, 그림자 등 정적 조명 효과를 계산한다.
• 정적 객체 및 조명에만 적용되며, 빌드 시 많은 계산을 요구하므로 Scene이 복잡할수록 빌드 시간이 길어진다.
• Static 객체, 조명을 배치, UV값 설정, 빌드를 담당한다.

Dynamic Lighting

• 조명과 객체들의 그림자, 반사, 색상 변화들을 실시간으로 처리한다.
• 동적, 정적 객체에 실시간으로 조명을 적용, 처리한다.
• 낮-밤의 전환, 폭발등의 동적인 환경을 담당한다.
• 런타임 환경에서 계산되어 GPU,CPU를 많이 사용하여 성능에 문제가 발생할 수 있다.
• Capsule Shadows : 스켈레탈 메시의 그림자를 가장 단순하게 처리하여 보여준다.
• Raytracing : 정확하게 렌더링된 프레임에 가장 가까운 결과물을 실시간으로 제공한다.
• Virtual Shadow Maps : 화면 크기에 따라 다른 해상도로 렌더링, 정확히 필요한 곳에서 높은 디테일 확보, 멀어질수록 최적화 하기위한 낮은 해상도로 예비 전환하는 역할

Reflections

• 빛이 물체 표면에서 반사되어 다른 물체로 전달되는 시각적 효과를 표현한다.
• 물, 유리, 금속 등 반사 특성이 강한 표면을 표현하거나 거울에 비친 캐릭터 등에 활용한다.
• Screen Space Reflection
  • 화면에 보이는 정보들을 기반으로 런타임 환경에서 반사값들을 계산하여 처리한다.
• Lumen 
  • Ray Tracing를 사용하여 실시간으로 전역 조명과 함께 반사값을 계산, 처리한다.
  • 씬의 복잡성과 관계없이 최적화된 성능을 제공한다.

Additional Features, Post Processing

• 렌더링 파이프라인에서 기본적인 렌더링 처리 외 더 세부적인 효과를 처리하는 단계
• Particle Effects, Bloom, Depth of Field 등의 기능들이 있다.
• 렌더링 파이프라인의 후처리를 통해 시각적 퀄리티를 향상시킨다.
• Post Processing이 D3DX 렌더링파이프라인의 Output Meger의 역할을 담당한다.

Performance

• 다양한 방식으로 씬을 최적화하거나, 다른 씬보다 비용이 많이 드는 씬을 실시간으로 확인하는 단계
• 성능에 문제가 되는 렌더링들을 모니터링 및 트러블슈팅을 확인할 수 있다.

Scalability Example

• 프로젝트 한가지 버전 빌드시 나머지 지원 플랫폼으로도 사용할 수 있게 처리하는 단계
• 저사양 모바일부터 차세대 플랫폼들에 대해 엔진에서 다양한 파라미터들을 확인, 수정할 수 있다.

Unreal Engine5 - Render : https://dev.epicgames.com/community/learning/tutorials/7BY6/unreal-engine-7eb4ec?source=Jke

Visibility and Occlusion Cuilling : https://dev.epicgames.com/documentation/ko-kr/unreal-engine/visibility-and-occlusion-culling-in-unreal-engine