모바일 그래픽스 라이브러리들: 크로노스 그룹의 표준을 중심으로 Mobile Graphics Libraries: Focusing on the Standards from Khronos Group
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50 한국콘텐츠학회 제8권 제2호 모바일 그래픽스 라이브러리들: 크로노스 그룹의 표준을 중심으로 Mobile Graphics Libraries: focusing on the standards from Khronos Group 백낙훈 (경북대학교), 이환용 (㈜휴원 CTO, 경북대학교 박사과정) 차 례 1. 서론 2. OpenGL ES 3. OpenGL SC 4. OpenVG 5. 결론 1. 서론 전력 소모가 낮은 기기를 채택할 수 밖에 없는 것이다. 액정뿐만 아니라, 모든 컴퓨팅 자원들이 궁극적으로 전 컴퓨터는 그 출현 이후, 계속해서 그 크기를 줄여 왔고, 력 문제에 민감하여야 하고, 이 때문에, 제한된 기능만을 현재는 휴대폰, 네비게이터, 휴대용 게임기 등의 형태로 제공할 수 밖에 없는 상황이다. 모바일 컴퓨팅 환경을 제공하고 있다. 모바일 컴퓨팅 환 경의 대두와 함께, 이를 이용한 그래픽스 출력이 요구되 었고, 모바일 환경에서의 그래픽스 기능을 의미하는, 모 바일 그래픽스 환경이 구축되었다. 이 글에서는 현재의 모바일 그래픽스 환경 중에서도 특히 표준 라이브러리들 에 대해 이야기하고자 한다. 지난 10여년 사이에 모바일 그래픽스 분야는 눈부신 발전을 이루었다. 가장 대표적 인 기기인 휴대폰을 기준으로 본다면, 최초에 나온, 저해 상도에 흑백의 투박한 액정을 가진 모델이 불과 몇 년 사 이에 상당한 수준의 컬러 액정을 가진 제품으로 변했고, 3차원 그래픽스를 지원하는 특별한 하드웨어 칩들을 사 (a) 저해상도 2D (b) 3D 용하는 것도 이상하지 않은 상황이 되었다. 이에 따라, 소프트웨어 기술들도 눈부시게 발전하여, 그림 1에서 보 는 바와 같이, 2차원 저해상도에서 3차원 화면을 거쳐, 거의 PC 화면에 필적하는 수준의 고해상도 3차원 화면 이 급속히 사용되고 있다. 모바일 그래픽스 환경은 태생 상, 기존의 데스크 탑 또는 그 이상의 고급 기종들에 비 해, 상대적으로 열등한 하드웨어 환경을 제공할 수 밖에 없다. 가장 문제가 되는 것은 제한된 용량의 전원, 즉 배 터리의 수명을 고려해야 한다는 점이다. PC급의 고해상 (c) 하드웨어로 가속되는 3D 도 액정이 기술적으로 문제가 있는 것이 아니라, 채택하 ▶▶ 그림 1. 모바일 그래픽스 분야의 발전 과정 게 되면 겪게 될 짧은 배터리 수명 때문에, 저해상도의 모바일 그래픽스 라이브러리들: 크로노스 그룹의 표준을 중심으로 51 이러한 제약은 모바일 그래픽스 시장이 기존의 데스크 시장의 방향에 따라 미리 표준을 준비하는 등, 관련 분야 탑 그래픽스 시장과는 조금 다른 양상을 띠게 만들었다. 전반을 선도하는 역할을 충실히 수행하고 있다. 이는 그 데스크 탑 시장에서 우위를 점하고 있던 마이크로소프트 림 2에 나온 것과 같이, 모바일 그래픽스는 물론, 모바일 의 다이렉트 X가 플랫폼의 문제와 다른 요인들로 별다 미디어에 관련된 거의 모든 업체가 크로노스 그룹의 회 른 우위를 점하지 못하고 있고, 하드웨어 측면에서는 원이고, 많은 업체가 적극적인 활동을 통하여 적절한 시 nVIDIA나 ATI의 그래픽스 칩들이 그다지 매력적이지 기에 표준을 제정하는, 순순환 구조를 잘 이루고 있기 때 않은 상황이 벌어지고 있다. 애플의 아이폰(iPhone)이 문이다. 현시점에도 삼성, LG, SKT, 휴원, 엠텍비젼 등 출시되기 이전에는 심지어 그래픽스 전용 프로세서 의 많은 국내 업체들도 여기에 참여하고 있으며, 경북대, (GPU)의 채택이 필요한 지에 대해서도 논란이 벌어질 서울대, 한양대 등의 국내 대학들도 아카데믹 멤버로 활 여지가 있는 상황이었으나, 아이폰이 보여준 GUI의 품 동하고 있다. 질을 통해, 역설적으로 모바일 그래픽스 기술에 대한 요 크로노스 그룹(Khronos Group)은 2000년 1월에 임베 구가 커졌고, 하드웨어나 소프트웨어 기술들도 한층 업 디드 시스템 분야에서 로열티가 필요 없는 공개 API 표 그레이드되는 시점에 와 있다. 준들을 제정하려는 목표로 설립된 산업체 컨소시엄이다. 모바일 그래픽스에 사용되는 GPU 시장은 아직까지 "산업체에 의한, 산업체를 위한 표준"을 지향하며, 회원 절대 강자가 없으며, 관련 기업들 간의 인수합병이 경쟁 사들의 상업적 성공을 뒷받침하기 위해, 로열티를 받지 적으로 이루어지고 있는 상황이다. 2010년 상반기의 현 않는, 완전 공개된 표준을 제공하는 것이 주요 임무이다. 시점에는 표 1에서와 같이, 대략 4~5개의 주요 GPU 업 제공하는 표준을 통해서 어떤 상업적 가치를 창출하기 체들이 주축을 이루고 있고, Vivante, DMP, Nexus 등 보다는, 이를 공개해서, 회원사를 비롯한 산업계 전체가 의 기타 군소 업체들이 가세해 있는 상황이다. 공동 이익을 창출한다는 이념으로 운영되고 있고, 현재 까지 성공적인 비즈니스 모델로 평가 받고 있다. 표 1. 주요 GPU 생산 업체 업체명 GPU 라인 특징 AMD 모바일 사업부를 QualComm Adreno 인수 ARM Mali Falanx사를 인수 nVIDIA Tegra 우수한 성능 Imagination SGX 라이센싱에 성공적 Samsung AP 자체 core 개발 ▶▶ 그림 3. 크로노스 그룹에서 제공하는 표준들의 계층 구조 크로노스 그룹은 이제까지 그림 3에서와 같이, 레이어 별로 다양한 표준들을 제공하고 있다. 각 표준에 대한 간 ▶▶ 그림 2. 크로노스 그룹 회원 현황 단한 설명은 표 2에 제시되어 있다. 크로노스 그룹은 이 러한 표준을 제정할 뿐만 아니라, 표준을 구현한 결과에 현재 모바일 그래픽스 관련 하드웨어나 소프트웨어를 대한 검증도 담당하고 있다. 즉, 각 표준 별로 적합성 테 제공하는 거의 모든 업체들은 예외 없이 크로노스 그룹 스트 (conformance test suites, CTS)를 제공하고 있으 (Khronos Group)[1]의 API 표준을 채택하고 있다. 사 며, 이를 통과한 구현 결과에 대해서만 크로노스 표준의 실상 이 분야에서는 크로노스 그룹이 표준을 제정하고, 명칭이나 로고의 사용을 허용하고 있다. 각 적합성 테스 52 한국콘텐츠학회 제8권 제2호 트는 다양한 종류의 예제 프로그램들로 구성되어 있으며, 지는 않는다는 것이다. 데스크탑 기반의 OpenGL에서는 새로 구현한 라이브러리는 해당 예제 프로그램들을 수행 하위 호환성을 유지하려는 노력이 절대적이지만, 한 결과를 적합성 테스트에서 규정한 결과와 비교하여, OpenGL ES의 입장에서는 임베디드 기기들에서 가능한 표준의 준수 여부를 검증하게 된다. 현재 크로노스 그룹 한 적은 자원을 차지하려는 노력이 더 강해서, 하위 호환 에서 제공하는 표준들 중에서 모바일 그래픽스에 직접 을 보장하는 대신, 기기의 종류나 목적에 따라, 1.1 또는 관련된 것들로는 OpenGL ES, OpenGL SC, OpenVG 2.0 표준을 선택적으로 사용하도록 하였다. 등을 들 수 있다. 다음 절부터는 각각에 대해서 설명하고, OpenGL ES 1.0의 제정 시에는 이미 산업계 표준으로 결론 부분에서는 모바일 그래픽스 분야의 표준들에 대한 쓰이고 있는 OpenGL의 영향을 강하게 받아, OpenGL 전망을 보이겠다. 1.3의 일부 함수들만 모은 부분 집합 형태에서 출발했지 만, 실제 제정된 표준에는 임베디드 시스템의 하드웨어 표 2. 크로노스 표준들의 분류 및 소프트웨어 특성을 반영하기 위해 OpenGL과는 다른 표준명 다루는 내용 특성들도 상당수 포함하고 있다. 예를 들어, 기존의 OpenGL 데스크 탑에서의 3D 그래픽스 가속 OpenGL이 고성능의 부동소수점 연산(floating-point OpenCL 병렬 처리 가능한 CPU, GPU의 통합 운용 operation)을 기반으로 개발되었음에 비해, OpenGL ES OpenGL ES 임베디드 시스템에서의 3D 그래픽스 가속 OpenGL SC 고신뢰도를 요구하는 시스템에서의 3D 그래픽스 가속 는 정수 연산만 가능한 하드웨어를 채택하는 중저가 임 EGL 장치와 무관한 window system 기능을 제공 베디드 시스템을 위해 고정소수점 연산(fixed-point COLLADA 3D asset의 이동을 담당 OpenKODE 크로노스 표준들 간의 통신을 담당 operation)만을 사용하여 3차원 그래픽스 기능을 제공할 OpenVG 2D 벡터 그래픽스 가속 수 있다. OpenGL ES 1.1에서는 이에 따라, 부동소수점 OpenMAX 미디어 코덱의 가속 과 고정소수점 연산 모두를 사용할 수 있는 Common OpenSL ES 오디오 API의 가속 OpenWF 로우-레벨 윈도우 시스템 가속 Profile과 고정소수점 연산만을 사용하는 Common-Lite OpenML 디지털 미디어 교환 및 동기화 지원 Profile의 2가지 세부 표준을 제공한다. OpenGL ES 1.1에서 사용하는 고정소수점 표현은 32 비트 정수 자료형을 변형한 방식으로, 그림 3에서 보는 2. OpenGL ES 바와 같이, 전체 32비트 중에서, 상위 16비트를 정수 부 OpenGL ES [2] 는 휴대폰, 게임용 콘솔, 차량용 장치 분으로 할당하고, 하위 16비트를 실수 부분으로 사용하 등을 포함하는 다양한 임베디드 시스템에서 2차원 및 3 는 방식이다[6]. 이 방식은IEEE 754[7]와 같은 부동소수 차원 그래픽스 기능들을 완벽하게 제공하기 위한 목적으 점 표현에 비해서 표현할 수 있는 숫자의 범위가 좁다는 로 제정된 API 표준이다. OpenGL ES는 근본적으로 임 단점을 가지지만, 소수점의 위치가 고정됨으로써, 정수 베디드 시스템에서의 3차원 그래픽스 성능을 가속하기 연산만 가능한 하드웨어에서도 빠른 처리가 가능하다는 위한 저수준(low-level) 인터페이스를 담당한다. 장점을 가진다. OpenGL ES 1.0 표준[3]은 OpenGL 1.3 표준을 기반 OpenGL 2.0의 발표 이후에 제정된 OpenGL ES 2.0 으로, 2003년 7월에 발표되었다. 이 표준은 임베디드 시 의 경우는shader language의 채택이 가장 중요한 변화 스템에 적용된 최초의 3차원 그래픽스 표준이라는 점에 가 될 것이다. vertex shader와 fragment shader가 완 서 큰 의의를 가지지만, 보완이 필요하여, 2004년 8월에 전히 지원되고, 대신 1.1에서 제공하던 고정된 파이프라 OpenGL 1.5 표준을 기반으로 하는 OpenGL ES 1.1 표 인 함수들을 대폭 삭제하였다. OpenGL ES 2.0 표준의 준[4]이 발표되었다. 또한, 기존의 그래픽스 하드웨어들 제정은 시간적으로 OpenGL 2.1의 발표와 거의 비슷한 에 프로그래머블 파이프라인(programmable pipeline) 시기가 되었고, 이 무렵에는 OpenGL 표준에도 크로노 을 도입한OpenGL 2.0의 발표에 맞추어, 2005년 8월에 스 그룹이 깊이 관여하기 시작하여, OpenGL에서 최신 는 OpenGL ES 2.0 [5]이 제정되었다. 기능으로 채택된 framebuffer object extension[8]이 주의할 점은 OpenGL과는 달리, OpenGL ES 2.0에서 OpenGL ES에서는 extension이 아니라, core 기능으로 는 OpenGL ES 1.1에서 제공하는 기능들을 모두 제공하 들어가는 등의 영향을 받게 된다. shader language 측 모바일 그래픽스 라이브러리들: 크로노스 그룹의 표준을 중심으로 53 면에서도 GL shader language의 시행 착오를 반영하 로운 표준이 OpenGL ES 2.1이 될지, 3.0이 될지는 아직 여, ES shader language는 프로그래밍 언어 자체의 완 미정이지만, geometry shader를 비롯한 최신 기능의 추 성도를 한층 높였고, shader language를 지원하는 하드 가 등이 논의되고 있다. 웨어에 대한 세부 요구 조건도 더욱 강화되었다. 이러한 변화는 나중에 OpenGL 3.0 표준의 제정에 긍정적인 영 향을 미쳐, 서로간의 선순환 구조를 만들게 된다. (a) 고정소수점 표현 방식: OpenGL ES용의 16.16 형식 ▶▶ 그림 5. OpenGL ES 1.1 하드웨어의 벤치마크 프로그램 (b) 부동소수점 표현 방식: IEEE-754 ▶▶ 그림 4. 부동소수점 및 고정소수점 표현 방식 현재 OpenGL ES의 사용은 크게 OpenGL ES 1.1과 OpenGL 2.0이 공존하고 있지만, 임베디드 시스템에서 는 향후 수년간은 OpenGL ES 1.1의 사용이 월등히 많 을 것으로 예상하고 있다. 이는 2.0 표준에서 프로그래머 블 파이프라인을 채택하면서, 고정소수점을 위한 ▶▶ 그림 6. OpenGL ES 2.0 하드웨어의 벤치마크 프로그램 Common-Lite Profile을 포기해야 했고, 이에 따라, 2.0 표준은 부동소수점 계산을 위한 별도의 하드웨어를 가진, 비교적 고가의 임베디드 시스템에서만 사용 가능하다는 3. OpenGLSC 제약을 가지기 때문이다. 2010년 상반기의 현 시점에서 는 아직까지 OpenGL 2.0 하드웨어를 본격적으로 채택 OpenGL SC(safety critical)는 3차원 그래픽스를 사 한 휴대폰 모델이 매우 드물다는 점도 고려해야 한다. 현 용해야 하는 환경들 중에서, 안정성에 대한 고려가 특별 재 시장에서 인지도가 높은 아이폰과 안드로이드 모두 히 필요한 경우를 위해 제정된 표준[10]이다. 이러한 요 아직까지 1.1 표준을 기준으로 하고 있다. 구가 가장 크게 대두된 곳은 항공기용 기기들이다. 아날 그림 5와 6은 각각 OpenGL ES 1.1과 2.0의 벤치마크 로그 계기들이 지배하던 시대에서, 디지털 기기들이 출 테스트[9]에 사용되는 프로그램들의 화면인데, 둘의 시 현하면서, 최첨단 기기들이 장착되는 항공기 시장에서도 각적 완성도 차이를 느낄 수 있을 것이다. 즉, 그림 5에서 디지털 기기들로의 교체가 활발히 진행되었고, 이의 정 는 전형적인 3차원 그래픽스의 출력이 주였다면, 그림 6 점에는 디지털 계기판의 등장이 있다.