WebGL에서 텍스쳐 사용하기

앞 단원의 예제에서 회전하는 3차원 정육면체를 만들어봤습니다. 이번에는 정육면체의 각 면에 단색으로 색을 칠하는 대신에 텍스쳐를 입혀 보겠습니다.

텍스쳐 로딩

가장 먼저 해야할 일은 텍스쳐를 읽어오는 것입니다. 이번 예제에서는 동일한 하나의 텍스쳐를 회전하는 정육면체의 6개의 면에 입혀볼 것입니다. 여러개의 텍스쳐를 각 면에 입힌다고 해도 하나를 입히는 것과 동일한 방법을 적용하면 됩니다.

Note: 텍스쳐를 외부에서 읽어올 때는 크로스 도메인 규칙(cross-domain rules)에 유의해야 합니다. CORS(Cross Origin Resource Sharing)승인을 받을 수 있는 도메인에 있는 텍스쳐만 읽어올 수 있습니다. 자세한 내용은 크로스 도메인 텍스쳐(Cross-domain textures)를 참고하세요.

텍스쳐를 읽어오는 코드는 다음과 같습니다:

function initTextures() {
  cubeTexture = gl.createTexture();
  cubeImage = new Image();
  cubeImage.onload = function() { handleTextureLoaded(cubeImage, cubeTexture); }
  cubeImage.src = "cubetexture.png";
}

function handleTextureLoaded(image, texture) {
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, texture);
  gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGBA, gl.RGBA, gl.UNSIGNED_BYTE, image);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MAG_FILTER, gl.LINEAR);
  gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR_MIPMAP_NEAREST);
  gl.generateMipmap(gl.TEXTURE_2D);
  gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, null);
}

initTextures() 루틴은 GL의 createTexture() 함수를 호출해서 GL의 텍스쳐 객체인 cubeTexture를 생성하는 걸로 시작됩니다. 그리고 Image 객체를 생성해서 텍스쳐로 사용하기 위해 로딩한 이미지 파일을 Image 객체에 저장합니다. handleTextureLoaded()  콜백 루틴은 이미지 로딩이 완료되면 실행됩니다.

텍스쳐를 실질적으로 생성하려면, 앞에서 새로 생성한 텍스쳐 객체를 gl.TEXTURE_2D에 바인딩해야 합니다. 그리고 나서 이미지 데이터가 로딩된 이미지 객체를 texImage2D()에 전달하여 호출하면, 이미지 데이터가 텍스쳐에 쓰여(write) 집니다.

Note: 텍스쳐의 너비와 높이는 거의 대부분의 상황에서 2의 거듭제곱 픽셀(1, 2, 4, 8, 16, 32, ...)이어야 합니다. 예외인 경우에 대해서는 아래의 "크기가 2의 거듭제곱 픽셀이 아닌 텍스쳐"를 참고하세요.

그 다음 두 라인은 텍스쳐를 위한 필터링을 준비합니다. 이 필터링은 이미지 크기가 변경될 때 이미지가 필터되는 방식을 제어합니다. 여기에서는 이미지를 확대할 때 선형 필터링을 사용하고, 이미지를 축소할 때 mipmap을 사용합니다. generateMipMap()을 호출해서 mipmap이 만들어지면 gl.TEXTURE_2D에 null을 바인딩시켜서, 텍스쳐를 다룰 준비가 끝났다는 것을 WebGL에게 알려줍니다.

크기가 2의 거듭제곱이 아닌 텍스쳐

일반적으로 너비와 높이가 2의 거듭제곱인 텍스쳐를 사용하는 것이 가장 이상적입니다. 왜냐하면 2의 거듭제곱인 텍스쳐는 비디오 메모리에 효율적으로 저장될 수 있고, 어떤 방식으로 사용되어야만 한다는 제약이 없기 때문입니다. 예술가들이 이미 작성한 텍스쳐는 너비와 높이가 2의 거듭제곱이 되도록 크기를 맞춰줘야 하며, 가능하다면 아예 만들때부터 2의 거듭제곱으로 만드는 것이 좋습니다. 너비와 높이는 2의 거듭제곱인 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 또는 2048 픽셀이어야 합니다. 전부는 아니지만 많은 디바이스가 4096 픽셀도 지원하고 있으며, 어떤 디바이스는 8192 픽셀 이상을 지원하기도 합니다.

2의 거듭제곱인 텍스쳐를 사용하기 곤란한 상황도 있을 수 있습니다. 텍스쳐의 소스가 되는 이미지를 써드파티에서 구한 것이라면, WebGL에 전달하기 전에 HTML5 캔버스를 이용해서 이미지 크기를 2의 거듭제곱으로 수정하는 것이 좋습니다. 이 때 UV 좌표값도 함께 조정해야 합니다.

2의 거듭제곱이 아닌(NPOT, Non Power Of Two) 텍스쳐를 꼭 써야만 하는 상황도 있을 것입니다. WebGL은 NPOT 텍스쳐도 제한적으로 지원합니다. 텍스쳐의 크기가 모니터 해상도와 똑같아야만 한다거나, 위의 단락에서 언급한 것처럼 2의 거듭제곱으로 수정하는 일이 단순히 귀찮을 때는 NPOT 텍스쳐가 유용할 수 있습니다. 하지만 NPOT 텍스쳐에는 제약 사항이 있습니다. NPOT 텍스쳐는 mipmapping을 할 수 없으며, 타일(tile) 또는 감싸기(wrap) 처럼 "반복"하는 방식으로 사용할 수 없습니다.

몇 개의 벽돌 이미지를 타일링 해서 벽돌로 된 벽을 만드는 것이 텍스쳐 반복의 한 사례 입니다.

bindTexture()를 이용해서 텍스쳐를 생성할 때, texParameteri() 메서드로 mipmapping과 UV 반복을 비활성화 시킬 수 있습니다.  이 비활성화를 통해 mipmapping, UV 감싸기, UV 타일링을 포기하고, 디바이스가 텍스쳐를 어떻게 처리할지 결정할 수 있는 제어권도 포기하는 대신 NPOT 텍스쳐를 사용할 수 있게 됩니다.

gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR); //gl.LINEAR 대신에 gl.NEAREST도 허용되지만, 둘 다 mipmap 될 수 없다.
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE); //s좌표계 감싸기(반복) 방지
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.CLAMP_TO_EDGE); //t좌표계 감싸기(반복) 방지

texParameteri() 메서드에 위와 같은 파라미터를 전달함으로써, WebGL을 지원하는 디바이스는 어떤 해상도의 텍스쳐든 처리할 수 있는 최대한의 해상도까지 자동으로 처리할 수 있게 됩니다. 위와 같은 설정을 해주지 않으면 WebGL은 NPOT 텍스쳐를 처리하지 못하고 rgba(0, 0, 0, 1)인 검은색을 반환합니다.

면에 텍스쳐 입히기

이제 텍스쳐 읽어오기는 완료되었고, 텍스쳐도 사용할 준비가 되어 있습니다. 하지만 텍스쳐를 사용하기 전에 텍스쳐의 좌표와 정육면체의 면의 정점을 매핑 시켜줘야 합니다. 이를 위해 initBuffers() 함수 안에 있던 정육면체 각 면의 색상을 설정하는 내용을 모두 아래와 같은 코드로 대체합니다.

cubeVerticesTextureCoordBuffer = gl.createBuffer();
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, cubeVerticesTextureCoordBuffer);
  
var textureCoordinates = [
  // 앞
  0.0,  0.0,
  1.0,  0.0,
  1.0,  1.0,
  0.0,  1.0,
  // 뒤
  0.0,  0.0,
  1.0,  0.0,
  1.0,  1.0,
  0.0,  1.0,
  // 위
  0.0,  0.0,
  1.0,  0.0,
  1.0,  1.0,
  0.0,  1.0,
  // 아래
  0.0,  0.0,
  1.0,  0.0,
  1.0,  1.0,
  0.0,  1.0,
  // 오른쪽
  0.0,  0.0,
  1.0,  0.0,
  1.0,  1.0,
  0.0,  1.0,
  // 왼쪽
  0.0,  0.0,
  1.0,  0.0,
  1.0,  1.0,
  0.0,  1.0
];

gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, new WebGLFloatArray(textureCoordinates),
              gl.STATIC_DRAW);

먼저 각 면의 텍스쳐 좌표를 저장할 GL 버퍼를 생성하고, 텍스쳐 좌표 배열에 바인딩 합니다.

textureCoordinates 배열은 정육면체 각 면의 정점에 해당하는 텍스쳐 좌표를 정의합니다. 텍스쳐 좌표값의 범위는 0.0 에서 1.0 사이라는 점을 기억해 주십시오. 텍스쳐 좌표의 너비값과 높이값은 실제 너비값이나 높이값과 관계 없이 언제나 0.0 에서 1.0 사이의 값으로 정규화(normalize) 됩니다.

텍스쳐 매핑 배열 설정이 끝나고 배열을 버퍼에 전달하면 GL이 텍스쳐 데이터를 사용할 수 있게 됩니다.

Note: WebKit 기반의 브라우저에서는 WebGLFloatArray 대신에 Float32Array를 사용해야 합니다. 

셰이더 수정

셰이더 프로그램과 셰이더를 초기화하는 코드들도 단색 색상 대신 텍스쳐를 사용할 수 있도록 수정해야 합니다.

먼저 initShaders() 안에 있는 아주 단순한 변경 사항을 알아 봅시다:

textureCoordAttribute = gl.getAttribLocation(shaderProgram, "aTextureCoord");
gl.enableVertexAttribArray(textureCoordAttribute);

정점 컬러 attribute 변수를 설정하던 코드가, 각 정점의 텍스쳐 좌표값을 설정하는 코드로 대체 되었습니다. 

정점 셰이더

다음으로 색상 데이터를 읽어오던 정점 셰이더를 텍스쳐 좌표를 읽어오도록 수정해야 합니다.

<script id="shader-vs" type="x-shader/x-vertex">
  attribute vec3 aVertexPosition;
  attribute vec2 aTextureCoord;

  uniform mat4 uMVMatrix;
  uniform mat4 uPMatrix;
  
  varying highp vec2 vTextureCoord;

  void main(void) {
    gl_Position = uPMatrix * uMVMatrix * vec4(aVertexPosition, 1.0);
    vTextureCoord = aTextureCoord;
  }
</script>

정점 색상 정보를 읽어오는 대신에 텍스쳐 좌표값을 읽어와서 설정한다는 점이 키 포인트 입니다. 위와 같이 정점과 텍스쳐 좌표값을 매핑하면, 각 정점이 텍스쳐의 어느 지점에 해당 하는지 알려줄 수 있습니다.

프래그먼트 셰이더

마찬가지로 프래그먼트 셰이더도 수정해야 합니다:

<script id="shader-fs" type="x-shader/x-fragment">
  varying highp vec2 vTextureCoord;
  
  uniform sampler2D uSampler;
  
  void main(void) {
    gl_FragColor = texture2D(uSampler, vec2(vTextureCoord.s, vTextureCoord.t));
  }
</script>

이렇게 하면 프래그먼트의 색상을 정하기 위해 직접 프래그먼트에 색상값을 할당하지 않고, 샘플러(sampler)가 판단하기에 프래그먼트의 위치에 가장 잘 맞아 떨어진다고 여겨지는 텍셀(texel, 텍스쳐 내부에 있는 픽셀)값에 따라서 프래그먼트의 색상값을 계산해냅니다.

텍스쳐를 입힌 정육면체 그리기

텍스쳐를 입힌 상태를 더 명확하게 확인할 수 있도록, 앞 단원의 예제에 포함되어 있던 정육면체의 이동을 제거한 것을 제외하면 drawScene() 함수의 수정은 간단합니다.

정점에 색상을 매핑하던 코드를 다음과 같이 면에 텍스쳐를 매핑하는 코드로 대체합니다:

gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, cubeTexture);
gl.uniform1i(gl.getUniformLocation(shaderProgram, "uSampler"), 0);

GL은 32개의 텍스쳐 레지스터를 제공합니다. 그 중 첫번째 레지스터는 gl.TEXTURE0 입니다. 텍스쳐를 사용하기 위해 전에 읽어온 텍스쳐를 gl.TEXTURE0에 바인딩하고, 셰이더 샘플러를 셰이더 프로그램에 명시되어 있는 uSampler로 설정합니다.

이제 앞 단원의 예제보다 더 보기 좋게 회전하는 정육면체를 볼 수 있을 것입니다. WebGL을 지원하는 브라우저라면 여기에서 실제 동작하는 예제를 확인할 수 있습니다.

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 이 페이지의 공헌자: fscholz, hanmomhanda
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