컴퓨터 그래픽스
Received: Oct. 28. 2019 Revised: Nov. 25. 2019 Accepted: Nov. 26. 2019
Corresponding Author: Tae-Gyu Kim(Kwangwoon University) E-mail: [email protected]
ISSN: 1598-4540 / eISSN: 2287-8211
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모바일 게임 환경의 ASTC 텍스쳐 포맷 효용성 연구1)
홍성찬*, 김태규*, 정원조**
광운대학교 스마트융합대학원 게임학과*, 굿게임스튜디오 [email protected], [email protected], [email protected]
A Study on the Efficiency of ASTC Texture Format in Mobile Game Environment
Seong-Chan Hong*, Tae-Gyu Kim*, Won-Joe Jung**,
Dept. of Game studies, Kwangwoon University*, Dept. of R&D, Goodgamestudio Corp**
요 약
본 연구는 모바일 Android OS에서 텍스쳐 포맷인 ASTC의 메모리 점유율, CPU 처리 속도, 평균 프레임 비교 검증을 진행하였다. 실험 환경 구성으로 가상의 게임 씬을 구현하여 Android 플랫폼으로 빌드하였다. 이를 바탕으로 비교 검증 데이터를 추출하였다. ASTC는 ETC보다 2D 텍스쳐의 메모리 사용량에서 36% 낮은 점유율을 보였다. CPU 연산 처리에서는 18% 빠른 처리 속도를 보였다. 평균 프레임은 58% 더 높은 54프레임을 확인하였다. 스마트 모바일 게임 환경 에서 ASTC는 ETC보다 비교우위의 결과를 확인하였다.
ABSTRACT
This study verified the memory occupancy, CPU processing speed, and average frame comparison of texture formats of ASTC and ETC in mobile Android OS. The virtual game scene was implemented as an experimental environment and built on the Android platform. Based on this, comparative verification data was extracted. ASTC has a 36%
lower share of memory usage of 2D textures than ETC. CPU processing speed was 18%
faster. The average frame confirmed 54 frames that was 58% higher. In the smart mobile game environment, ASTC confirmed the result of comparative advantage over ETC.
Keywords : Compression format(압축 포맷), Texture(텍스쳐), Optimization(최적화),
Mobile(모바일), Real-Time Render(실시간 렌더링)
1. 서 론
게임 구동 시 사용되는 메모리의 점유율을 낮추 는 작업은 개발 과정에서 필수로 요구되는 최적화 과정이다. 모바일 기반 게임 콘텐츠 기업에서는 게 임의 안정된 렌더링 프레임 유지를 위하여 메모리 사용량을 낮추는 최적화 연구를 진행하고 적용해 왔다. 스마트폰 모바일 게임시장 규모는 2019년 현재 PC 플랫폼 게임시장을 넘어 가장 큰 시장이 되었다. 대다수 게임 콘텐츠 회사가 모바일 플랫폼 기반의 게임을 개발 중이다. 모바일 게임 개발 핵 심중 하나로, PC 플랫폼 대비 스마트폰의 한정된 AP(Application Processor) 자원을 활용한 최적화 의 중요성이 크게 대두 되고 있다. 본 연구는 Android OS기반 게임 개발 시 손실 압축 기반의 ASTC 텍스쳐 포맷의 효용성을 검증하고 제안하 고자 한다.
텍스쳐링 포맷 설계는 게임에 사용되는 텍스쳐 1) (Texture)의 메모리 점유율을 낮추기 위하여 다양 한 이미지압축 기법을 적용한 최적화 방법론이다.
텍스쳐 포맷은 원본의 텍스쳐 이미지를 압축하여 원본과 비슷한 품질에 낮은 메모리를 사용하도록 하여 게임의 메모리 사용량을 줄이는 것이다. 게임 개발에 사용하는 텍스쳐 포맷은 플랫폼마다 서로 다른 포맷이 사용된다. 구글이 제공하는 Android OS기반 스마트폰은 제조사에 따라 AP내의 GPU 에 따른 렌더링 파이프라인 처리 기법이 다르기 때문에 텍스쳐 포맷의 호환성이 중요하였다. 구글 은 2010년 5월 20일에 공개한 Android OS 2.2 Froyo에서 OpenGL ES 2.0 2) 을 그래픽 API로 채 택하였다. OpenGL ES 2.0에서 Android 운영체제 에서 사용할 수 있는 텍스쳐 포맷인 ETC1을 표준 으로 삼았다 [1] . 하지만 ETC1은 메모리 점유율, 품 질, 알파(투명화)값을 지원하지 못해 Android OS 플랫폼 게임 최적화에 어려움을 주었다.
현재, ASTC는 ETC와 비교해 보았을 때, 개발 연 구만 되어있는 실정이다. 실제로 Android OS에서 ASTC를 적용했을 때의 비교 데이터를 검증 하고
자 본 연구를 진행하였다. 본 연구의 핵심은 Android OS 플랫폼에서 ASTC와 ETC의 메모리 점유율, CPU 연산 처리, 실시간 렌더링 프레임 수 를 비교 검증하여 ASTC의 효용성을 검증하는 것 이다. ETC와 ASTC의 비교 검증을 위해 PC 기 반의 게임 콘텐츠 제작 소프트웨어 유니티 엔진 (Unity Engine 5.6.1)으로 실험 환경을 구성하였 다. ETC와 ASTC 버전으로 각각 빌드하여 스마 트 모바일 디바이스에서 구동한 결과 값을 토대로 비교 검증을 진행하였다. 비교 검증을 위한 데이터 는 MemoryProfiler, Profiler, MiniProfiler를 이용 해 추출하였다.
2. 사전연구
게임 내 실시간 연산 처리 시, 게임 구동에 요 구되는 메모리 점유율을 낮추면 CPU와 GPU의 연산 과부화 부담을 낮출 수 있다. 이를 통해 게임 의 평균 프레임을 개선 할 수 있으며 게임의 메모 리 오버플로우(Overflow)에 의한 프로그램의 비정 상적인 종료를 사전에 예방할 수 있다. 따라서 개 발자들은 메모리 사용량을 줄이기 위하여 연구를 진행하였으며, 메모리를 점유율을 낮추기 위해 많 은 개발 기법들이 제안되고 적용되었다.
2.1 ETC 개요
ETC(Ericsson Texture Compression)는 2010 년 5월 20일에 Android Froyo 2.2부터 채택된 Android OS의 표준 텍스쳐 포맷이다 [2] . ETC1 텍 스쳐 포맷을 표준으로 삼기 전에는 Android OS를 사용하는 스마트폰 제조사마다 AP가 달라 텍스쳐 포맷의 파편화가 되어있었다. ETC1은 Android OS에서 사용하는 텍스쳐 포맷의 호환성 문제를 해결하였다. 2019년 10월 기준 전 세계에서 ETC1
1)
폴리곤으로 제작된 오브젝트에 덧씌워 색상과 질감을 표현하 는2D
이미지2)
모바일 디바이스를 위한 컴퓨터 그래픽스API
을 지원 하지 않는 Android OS 스마트폰은 전체 중 0.1% 이하다 [3] . 이를 바탕으로 현재 대부분의 게임 개발사는 ETC1 텍스쳐 포맷을 채택하여 개 발하였다.
ETC는 × 블록의 픽셀데이터를 64비트로 압 축하는 방식을 사용한다. 원본의 픽셀 당 24비트 RGB컬러의 6배 압축률을 보여주지만 픽셀 당 제 한된 4비트 컬러를 사용해 압축하기 때문에 디더 링(Dithering) 3) 현상이 발생하게 된다. 또한 알파 값 처리(투명화)를 지원하지 않아 텍스쳐 1장으로 알파 값을 표현하지 못한다. ETC1로 알파 값을 표현하기 위해서는 알파 값 처리를 위한 별도의 텍스쳐 1장을 더 추가해 2장의 텍스쳐를 사용하게 되고 그러면 2배의 메모리 용량이 요구되기도 한 다 [4] . 이에 대한 대안으로 알파 값을 표현하는 ETC2가 나왔지만, OpenGL ES 3.0 이상에서 사 용을 권장하기 때문에 호환성의 문제로 사용하지 못하였다. 2019년 10월 현재 OpenGL ES 3.0을 지원하는 전 세계 Android 스마트폰이 78.9%로 과반 넘게 지원함에 따라 ETC2도 사용하는 추세 로 바뀌고 있다. ETC는 유니티 엔진으로 Android OS 플랫폼으로 게임 개발 시 기본 텍스쳐 포맷으 로 세팅되어 있다. 알파 값을 포함한 RGBA컬러 텍스쳐는 ETC2로 압축 처리된다.
2.2 ASTC 개요
ASTC(Adaptive Scalable Texture Compression) 는 ETC의 단점을 보완한 텍스쳐 포맷이다. ASTC는 ARM(Advanced RISC Machines)에서 개발한 [5] 텍스쳐 포맷으로 OpenGL ES 3.0이상 지원하는 스마트폰에서 사용 할 수 있는 텍스쳐 포맷이다. 플랫폼과 관계없이 OpenGL ES 3.0을 지원하면 사용할 수 있기 때문 에 OpenGL ES 3.0을 지원하는 Android OS와 애플사의 iOS에서 사용할 수 있는 텍스쳐 포맷이 다. ASTC는 ETC1이 표현하지 못하는 알파(투명 화) 값을 지원한다.
ASTC는 ETC1, ETC2와 비교해 절반의 메모
리를 사용하며 사용자가 품질을 조절해 메모리 사 용량을 조절할 수 있다 [6] .
[Fig. 1] ETC1(Left), ASTC
×(Right)
[Fig. 1]은 ETC와 ASTC의 압축 방식을 표현 한 것으로 각 정사각형은 1 픽셀을 의미한다.
ETC는 텍스쳐 이미지를 × 블록(16픽셀)으 로 나누어 고정된 64비트(픽셀 당 4Bit)로 압축한 다. ASTC는 × 에서 × 까지 유동적으로 (총 14가지) 블록을 나누어 고정된 128비트로 압 축한다. 유동적인 압축 범위를 지원하는 ASTC는 ETC보다 더 많은 압축 비율을 제공 한다 [7] .
3. 실험 설계
본 연구는 ASTC의 효용성을 비교 검증하기 위 해 게임 콘텐츠 제작 소프트웨어인 유니티 엔진 (Unity Engine 5.6.1)으로 비교 검증 응용프로그 램을 제작하였다. ETC와 ASTC 포맷 구성은 Diffuse, Normal Map 텍스쳐링이 적용된 머티리 얼(Standard)을 설정하였다. 이를 기본으로 모델 링 데이터 텍스쳐링은 유니티 엔진에 제공된 3D오 브젝트 중 다수의 노말 벡터로 구성된 구체 (Sphere Object)를 채택하여 매핑 4) 처리 하였다.
비교 검증을 위한 총 3가지의 게임 콘텐츠 연출 상황(Performance Scene)을 실시간 렌더링 환경
3)
제한된 컬러 비트를 이용해 음영,
색을 표현하는 것으로 낟알이 많은 것처럼 다소 거칠게 이미지가 보이는 현상이다. 4)
가상의3
차원 물체의 표면에 세부적인 질감의 묘사를 하거나색을 칠하는 기법이다
.
으로 구현하였다. 이를 Android OS 플랫폼으로 빌드하였다. 스마트 모바일 디바이스 내 구동을 통 하여 3종의 실험 데이터를 추출하였다. 추출 데이 터는 ETC와 ASTC포맷 구성에 따른 메모리 점유 율, CPU 처리속도, 실시간 렌더링 프레임 수를 바 탕으로 비교 검증 실험을 진행하였다.
3.1 실험 설계 및 데이터 추출 방법
첫 번째 메모리 점유율(MB: Mega Byte) 실험 은 유니티 엔진의 메모리 사용량을 확인할 수 있 는 MemoryProfiler을 사용하였다. 워크스테이션 상의 유니티 엔진에서 실시간 메모리 점유율을 비 교 측정하였다. 두 번째 CPU 처리 속도(ms: Milli Second) 측정 실험은 유니티 엔진의 성능 최적화 툴인 Profiler를 사용하여 처리속도를 측정하였다.
apk파일 빌드 및 구동을 통한 모바일 디바이스 상의 CPU 처리속도를 산출하였다. 마지막 실험은 애플리케이션 구동 시 실시간 렌더링 프레임 수 (FPS: Frame per Second)를 MiniProfiler를 사용 해 측정하였다. apk파일 빌드 및 구동을 통한 모 바일 디바이스 상의 실시간 렌더링 구동 환경에서 의 초당 평균 프레임 수를 측정하였다.
3.2 비교 텍스쳐 포맷 변인 구성
[Fig. 2] Diffuse(Left), Normal Map(Right)
[Fig. 2]은 실험에 사용된 Diffuse, Normal Map의 예시 이미지다. 본 연구 실험에선 변인통 제 환경을 구축하기 위해 ETC와 ASTC가 공통 으로 지원하는 텍스쳐 종류인 Diffuse, Normal Map으로만 이루어진 머티리얼(Standard)을 적용 하였다. 본 연구 실험에서는 총 284개의 통일된
×
해상도의 텍스쳐를 사용했다. ETC 는 기본 압축 세팅 값인
× 블록 단위로 압축 하였으며 ASTC 또한 ARM이 권장하는 기본 압 축 세팅 값인
× 블록 단위로 압축하여 실험을 진행하였다. ETC는
× 블록(16픽셀) 기준 픽 셀 당 4비트를 적용하여 총 64비트로 압축하여 텍 스쳐를 구성한다. ASTC는
× 블록(36픽셀) 기준 픽셀 당 3.56비트를 적용하여 총 128비트로 압축하여 텍스쳐를 구성한다.
3.3 결과 데이터 추출 방법
[Fig. 3] Rendering Experiment
[Fig. 3]는 모바일 디바이스에서 실행한 텍스쳐 포맷 렌더링 실험 이미지이다. 테스트에 사용된 모 바일 디바이스는 2017년 출시된 삼성전자의 갤럭 시S8+(SM-G955)이다. [Table 1]은 실험에 사용 된 스마트 모바일 디바이스의 사양이다.
[Table 1] Hardware of SM-G955 Specification Galaxy S8+(SM-G955)
AP (Exynos
8895)
CPU
Exynos M2 (Quad Core) ARM Cortex-A53
(Quad Core)
GPU ARM Mali-G71 MP20
RAM 6GB LPDDR4X SDRAM
Display resolution 2960×1440
유니티 엔진에서 제작된 개발 프로그램을 Android OS 플랫폼으로 ETC와 ASTC로 각각 분리 빌드하여 게임 콘텐츠 연출 상황 (Performance Scene)을 스마트 모바일 디바이스 에서 구동하여 실험을 진행하였다. ETC와 ASTC 텍스쳐 포맷을 대조군과 비교군으로 설정하여 실 험 결과 데이터를 추출하였다.
[Fig. 4] Memory occupancy experiment
[Fig. 4]는 MemoryProfiler를 이용한 메모리 점 유율 검증 실험 환경 이미지다. MemoryProfiler를 사용해 현재 사용하는 메모리의 점유율을 실시간 으로 항목 별로 확인할 수 있다.
[Fig. 5] Unity Profiler
[Fig. 5]는 유니티 엔진에 내장되어 있는 Profiler다. 현재 구동중인 응용프로그램의 성능 모 니터링에 사용한다. 본 연구에서는 CPU 연산 처 리 시간을 확인 시 사용한다.
[Fig. 6] Average frame experiment
[Fig. 6] MiniProfiler를 사용한 실시간 렌더링 프레임 비교 실험의 이미지다. MiniProfiler를 이 용해 실시간 렌더링 평균 프레임을 비교 하여 실 험을 진행하였다.
4. 실험 및 결과
본 연구 실험에선 ETC와 ASTC의 메모리 점 유율, CPU 처리속도, 실시간 렌더링 프레임 수 비 교를 위해 애플리케이션을 각각 10회 실행하여 결 과 값을 비교 분석하였다. 메모리 점유율 실험은 ASTC가 ETC와 비교해 텍스쳐 메모리 사용량은 36.16% 총 메모리 사용량은 22.73% 낮게 측정 되 었다. CPU 처리 속도 실험은 ASTC가 ETC보다 18.41% 높은 처리 속도를 보여주었다. 실시간 렌 더링 프레임 수 비교 실험은 ASTC가 ETC보다 평균 20 프레임 높게 측정 되었다.
4.1 메모리 점유율 비교 실험
첫 번째 비교 검증 실험인 메모리 점유율 검증 실험은 ETC와 ASTC 머티리얼이 매핑된 구체를
×
배열로 유니티 엔진으로 구현된 씬
(Scene)에 배치하였다. MemoryProfiler 플러그인
을 이용해 실시간 렌더링 환경에서의 메모리 점유
율을 비교 검증하였다. [Table 2]는
MemoryProfiler를 사용하여 산출한 메모리 점유
율 비교 실험 결과표로 텍스쳐 2D 메모리 점유율
은 ASTC가 ETC보다 36.16% 낮으며 실험환경의
총 메모리 사용량은 22.73% 낮게 측정 되었다.
[Table 2] Memory share comparison test results
Item
2D Texture Memory Usage
(MB)
Total Memory Usage (MB)
ETC 390 550
ASTC 249 425
4.2 CPU 처리 속도 비교 실험
두 번째 CPU 처리 속도 비교 실험은 씬 전환 시 발생하는 CPU 연산 처리 시간을 비교하는 실 험이다. ETC와 ASTC 애플리케이션을 각각 10 회 실행하여 평균 결과 값을 비교 하였다.
100개의 구체가 배치된 씬에서 42개의 구체가 있는 씬전환 시의 CPU 연산 처리 시간을 측정하 였다. ETC와 ASTC 애플리케이션을 각각 10회 실행하여 평균 결과 값을 비교 하였다. [Table 3]
은 CPU 처리 속도 비교 실험 결과로 ASTC가 ETC와 비교해 CPU 의 연산 처리 속도가 평균 18.41% 빠른 처리 속도를 보여주었다.
[Table 3] CPU processing speed test result
Count ETC ASTC
1 2434ms 1795ms
2 2393ms 1934ms
3 2246ms 1865ms
4 2139ms 1884ms
5 2195ms 1858ms
6 2318ms 1871ms
7 2277ms 1861ms
8 2322ms 1876ms
9 2369ms 1930ms
10 2354ms 1930ms
Average 2304ms 1880ms
4.3 실시간 렌더링 프레임 수 비교 실험
세 번째 비교 실험인 실시간 렌더링 프레임 수 비교 실험은 MiniProfiler를 이용해 ETC와 ASTC의 실시간 렌더링 프레임 수를 비교하는 실 험이다. 구체들을 × × 배열로 총 300개를 배치한다. 매인 카메라를 월드 좌표 X축 기준
± 좌우로 10초 동안 반복 움직이게 하는 애니 메이션을 적용한다. 각 구체마다 Transform 컴포 넌트의 rotate 함수를 이용 하여 Fixed Update(매 프레임) 마다 1.0의 속도로 회전하도록 설정 하였 다. 실시간 렌더링 프레임 수 비교 실험을 ETC와 ASTC 각각 10회 실행하고 10분 경과 후 측정한 실시간 렌더링 프레임 수의 평균 결과 값을 비교 하였다.
[Table 4]는 1분 동안 실험을 진행한 모바일 스 마트 디바이스의 실시간 렌더링 프레임 수의 평균 결과 값이다. 실험을 진행한 10회 동안 ETC와 ASTC의 평균 프레임 수 차이는 동일한 평균 프 레임을 유지하고 있었다.
[Table 4] rendering average frame(1 minute)
Count ETC ASTC
1 55 55
2 52 55
3 53 54
4 46 53
5 56 54
6 53 53
7 53 54
8 55 52
9 54 54
10 53 52
Average 53 54
[Table 5]는 실험 진행 10분 후의 스마트 모바
일 디바이스상의 실시간 렌더링 평균 프레임 결과
값이다. ASTC가 ETC의 평균 34프레임 보다 58% 더 높은 평균 54 프레임을 유지하고 있었다.
[Table 5] rendering average frame(10 minute)
Count ETC ASTC
1 35 53
2 34 53
3 36 54
4 32 54
5 34 53
6 34 55
7 34 55
8 36 54
9 31 54
10 34 54
Average 34 54
5. 결 론
본 연구는 Android OS에서 기본 채택되어 사 용하는 ETC의 대체 텍스쳐 포맷인 ASTC의 효용 성을 비교 검증하는 것이다. ASTC는 ETC보다 2D텍스쳐의 메모리 사용량에서 36.16% 총 메모리 사용량은 22.73% 절약되었다. ASTC는 CPU 연 산 처리가 ETC보다 18.41% 높은 처리 속도를 보 여주었다. 실시간 렌더링 프레임 수 비교 실험에서 는 실험 진행 1분 동안은 차이가 없었지만 실험 진행 3분이 경과하자 ASTC가 ETC보다 158%
더 높은 평균 54프레임을 유지하고 있었다. 이 차 이는 모바일 게임 최적화에 도움되는 Data로 사료 된다.
[Table 6]본 연구에서 진행한 실험 결과를 기록 한 표다. 본 연구에서 동일한 환경에서 진행한 메 모리 점유율, CPU 처리 속도, 실시간 렌더링 프레 임 수 비교 검증 실험에서 ASTC는 ETC보다 비 교우위의 결과를 나타냈다.
[Table 6] Table of experimental results Item
ETC ASTC
Remarks (ASTC%
of ETC) Unit
Average 2D Texture Memory Usage
390 249 63.84%
MB Total memory
average usage 550 425 77.27%
MB CPU processing
speed 2304 1880 81.59%
ms rendering
average frame 34 54 158.82%
FPS
본 연구는 다음과 같은 한계점을 가지고 있다.
첫 번째 한계점은 플레이 규칙, 애니메이션, 서로 다른 모양의 3D오브젝트, 입자효과가 적용된 실제 게임 구동 환경과는 차이점을 가진다. 두 번째, 단 일 기종의 스마트 모바일 디바이스 환경에서만 실 험을 진행하였다. 따라서 디바이스 하드웨어 간 발 생하는 메모리 점유율 차이점을 밝히지 못한다. 추 후 이 한계점을 보완한 모바일 환경에서 메모리 점유율에 관한 연구가 진행 예정이다.
2019년 현재 대한민국 모바일 게임시장이 PC
게임 시장 보다 규모가 커짐에 따라 모바일 게임
의 최적화 개선을 위한 노력으로 다양한 방식의
최적화 기법이 개발, 적용 중이다. 본 연구 또한
Android OS 플랫폼 기반의 게임 콘텐츠 최적화를
위한 연구로서 향후 스마트 모바일 디바이스 환경
의 게임에 적용되는 텍스쳐 매핑 최적화 방법론이
되길 기대한다.
REFERENCES