벡터 그래픽스는 도형 드로잉을 수행하기 위해 수학 방정식을 이용하여 실시간으로 그림을 그리는 기술이다. 화소 데이터가 저장되어 있는 이미지와 다르게 수식을 통해 이미지 결과물을 동적으로 생성하기 때문에 해상도에 따른 화질의 저하가 발생하지 않는 특장점을 갖는다. 물론, 생성하고자 하는 이미지가 복잡할 수록 연산량이 더 많이 요구되는 단점이 있고 이미지 출력 대비 사용 방법도 복잡한 경향이 있지만, 사실상 벡터를 표현할 수 있는 여러 파일 포맷이 존재하고 최근 하드웨어는 비교적 무난한 성능을 보유하고 있기 때문에 일반적인 경우라면 벡터 그래픽스 사용은 더 이상 문제가 없다고 봐도 무방하다. 벡터 그래픽스는 근본적으로 텍스처 질감을 표현할 수 없기 때문에 이미지와 함께 벡터 그래픽스를 활용하면 훌륭한 UI 결과물을 만들어 낼 수 있다. 디자인 컨셉 상 복잡하고 화려한 것보다는 단조롭지만 정결한 디자인을 선호한다면 UI 출력에 있어서 벡터 그래픽스가 좋은 대안이 될 것이다.

렌더링에 있어서 드로잉의 원초적인 기능은 도형을 그리는 작업이다. 캔버스가 점, 직선, 곡선, 원, 다각형 등 도형을 그릴 수 있는 기능을 제공한다면 이러한 도형을 조합하여 어떠한 형태의 UI 이미지도 생성할 수 있다. 벡터 래스터라이저는 이러한 벡트 그래픽스를 구현한 드로잉 엔진에 해당되며 앞 장에서 살펴본 캔버스의 렌더링을 완성하는 가장 중요한 부분에 해당한다. 이번 장에서는 벡터 래스터라이저가 어떻게 구성되고 이를 통해 렌더링 단계에서 오브젝트가 어떻게 출력되는지 이해해 보는 시간을 가져보도록 하자.


1. 이번 장 목표

이번 장을 통해 다음 사항을 학습해 보자.

  • 벡터 그래픽스의 발전 역사를 살펴본다.
  • SVG 파일 포맷을 통한 벡터 그래픽스를 표현하는 방법을 이해한다.
  • 도형을 그리는 수식과 알고리즘을 이해한다.
  • 그래디언트 채우기, 스트로크의 기능과 구현 방법을 살펴본다.
  • 벡터 래스터라이저를 완성하고 캔버스 엔진과 연동한다.
  • RLE(Run-Length Encoding) 알고리즘을 적용한 최적화 기법을 살펴본다.


  • 2.벡터 그래픽스 개요

    초창기 컴퓨팅 시절 그래픽스 시스템은 벡터 그래픽스 시스템이 일반적이었다. 최초의 벡터 그래픽스 사용 사례를 조사해보면 군사 또는 특수 시스템을 위해 개발되었는데, 실제로 최초의 벡터 그래픽스 사용 사례는 미국의 SAGE 방공 시스템이었다. 벡터 그래픽스는 항공 시스템의 항공 경로 조작을 위한 출력장치에 적용되었고 1963년 컴퓨터 그래픽스 선구자인 MIT 이반 수더랜드(Ivan Sutherland) 박사는 TX-2 머신에서 벡터 그래픽스를 사용하기도 하였다.


    그림 1: 1950년대 항공 경로 레이더 시스템 (faanews)

    이후, 벡터 그래픽스는 실시간으로 구축 가능한 드로잉 명령어 리스트을 통해 순차적으로 렌더링을 수행하는 방식으로 전형화되었다. 이러한 방식은 Digital 사의 GT40 머신에 적용되었고 Vectrex 벡터 그래픽스 시스템을 탑재한 가정용 게임 시스템은 물론, 스페이스 워즈, 애스터로이드(Asteroids) 등의 게임에서도 벡터 그래픽스가 사용되었다. 90년대 초반 필자가 즐겨했던 도스 게임 중 하나인 어나더 월드(Another World)는 화면 전체가 벡터 그래픽스를 통해 실시간으로 출력된 벡터 그래픽스의 대표 게임 중 하나였다. 당시 어나더 월드는 벡터로 출력하기엔 믿기 어려울 만큼 멋진 배경과 부드러운 애니메이션으로 개발자의 큰 관심을 모았다. 특히 컴퓨터 하드웨어 사양 중 메모리 제약이 큰 시절인 만큼 어나더 월드는 메모리 공간을 많이 차지하는 이미지 리소스를 사용하지 않고 순수히 벡터 드로잉 명령만으로 멋진 게임 비주얼을 실시간으로 만들어 내는데 성공한 하나의 사례이다.


    그림 2: 어나더 월드 (1991)

    오늘날 벡터 그래픽스는 관행적으로 3D가 아닌 2D를 지칭하는 기술로 여긴다. 90년대 초반 컴퓨터 하드웨어 성능이 향상함에 따라 3D 그래픽스가 게임 및 일반 애플리케이션에 보편화되면서 벡터 그래픽스의 위치가 애매해진 이유가 있기도 하다. 사실상 3D 그래픽스 역시 개념적으로 벡터 그래픽스와 다를바 없지만 3D 그래픽스는 벡터 그래픽스보다 차원을 하나 더 표현하기 위해 훨씬 더 복잡한 연산과 렌더링 기술을 필요로 하는 고급 기술에 해당한다. 일찍이 3D 그래픽스를 지원하기 위한 하드웨어 그래픽스 칩셋이 발전하고 칩셋 제조사와 SW 산업 업계의 표준화 작업이 진행되면서 3D 그래픽스는 렌더링 파이프라인 및 셰이더 등의 3D 분야의 기술을 정립하였고 이제는 벡터 그래픽스와는 완전히 다른 기술로 간주되고 있다.

    벡터 그래픽스가 2D 영역에 자리잡음으로써 앱 UI나 일러스트 또는 다양한 산업 디자인 툴에서도 유용하게 사용된다. 실제로 실시간 데이터 기반의 그래프나 차트 UI는 사용자 데이터를 기반으로 실시간으로 UI 이미지를 생성해야 하기 때문에 벡터 그래픽스를 활용하기 좋은 경우이다.


    그림 3: 차트 & 그래프 디자인 (brusheezy.com)

    1999년 월드 와이드 웹 컨소시엄(W3C)에서는 웹에서 2D 벡터 그래픽을 표현하기 위해 SVG(Scalable Vector Graphics) 파일 포맷을 정의하였다. 오늘날 벡터 그래픽스의 사양 및 기술은 정형화되어 있으며 SVG는 그러한 기술 트렌드를 밑바탕으로 벡터 그래픽스의 표준화 작업을 진행해왔기 때문에 SVG를 이해하면 벡터 그래픽스를 이해하는데 큰 도움이 된다. SVG는 XML 기반이며 텍스트 형식에 데이터가 구조화되어 있어서 가독성 있으며 필요에 따라 데이터를 바이너리로 압축할 수도 있다. 하지만, 말이 텍스트 형식이지 실질적으로 데이터 자체는 벡터 드로잉을 위한 수식 인자의 정보 집합에 더 가까웠기 때문에 전문 디자인 툴을 다루지 않고서는 SVG를 직접 손으로 작성하기는 쉽지 않다. SVG를 제작할 수 있는 벡터 디자인의 대표 툴로는 어도비(Adobe)의 일러스트레이터(Illustrator)와 무료 소프트웨어인 그놈(Gnome) 프로젝트의 잉크스케이프(Inkscape)가 있으며 대부분의 인터넷 브라우저에서는 SVG 출력 기능을 지원한다.


    그림 4: 어도비 일러스트레이터(좌), 그놈 잉크스케이프(우)


    3. SVG (Scalable Vector Graphics)

    SVG는 벡터를 표현하기 위한 기본 도형 및 속성을 정의한다. 기본 출력 대상은 사각형, 원, 타원, 선, 폴리곤, 경로(Path), 그리고 텍스트 등이 있다. 추가로 이들을 출력할 때 적용할 효과에 대한 속성도 정의한다. 이러한 속성에는 스트로크(Stroke), 필터, 블러(Blur), 그림자, 그래디언트(Gradient)을 이용한 색상 채우기 등이 있다. 다음은 그래디언트 효과를 적용한 타원과 텍스트를 정의하는 SVG 예제이다.

    <!-- svg 선언, 기본 사이즈 세로:150, 가로:400 -->

    <svg height="150" width="400">

     <defs>

       <!-- 선형 그래디언트, 좌측에서 우측 방향 -->

       <linearGradient id="grad1" x1="0%" y1="0%" x2="100%" y2="0%">

         <!-- 그래디언트 지점 및 색상. 좌측 끝:노란색 -->

         <stop offset="0%" style="stop-color:rgb(255,255,0);stop-opacity:1" />

         <!-- 그래디언트 지점 및 색상. 우측 끝:빨간색 -->

         <stop offset="100%" style="stop-color:rgb(255,0,0);stop-opacity:1" />

       </linearGradient>

     </defs>

     <!-- 타원, 중심 좌표:(200, 80), 가로 반지름:85, 세로 반지름:55. 색상:grad1 참조 -->

     <ellipse cx="200" cy="70" rx="85" ry="55" fill="url(#grad1)" />

     <!-- 텍스트 SVG, 색상:흰색, 폰트 크기:45, 폰트명: Verdana, 위치 좌표:(150, 86) -->

     <text fill="#ffffff" font-size="45" font-family="Verdana" x="150" y="86">SVG</text>

    </svg>

    코드 1: SVG 그래디언트 예제


    그림 5: SVG 그래디언트 예제 출력 결과

    스트로크를 이해하기 쉽게 설명하면, 선을 그리는 붓터치 속성과 유사하다. 스트로크는 선을 그리거나 도형의 외곽 선을 표현하는데 사용된다. 스트로크를 통해 선의 두께 및 색상은 물론, 선이 실선인지 점선인지, 선의 연결점 및 끝지점은 어떻게 표현할지 등을 세부적으로 지정할 수 있다.

    <svg height="80" width="300">

     <!-- 이하 스트로크 동일 적용. 색상:검정, 스트로크 넓이:6 -->

     <g fill="none" stroke="black" stroke-width="6">

       <!-- 경로, 시작점:(5,20), 이동 거리:(215, 0), 스트로크 라인캡 스타일:butt -->

       <path stroke-linecap="butt" d="M5 20 l215 0" />

       <!-- 경로, 시작점:(5,40), 이동 거리:(215, 0), 스트로크 라인캡 스타일:round -->

       <path stroke-linecap="round" d="M5 40 l215 0" />

       <!-- 경로, 시작점:(5,60), 이동 거리:(215, 0), 스트로크 라인캡 스타일:square -->

       <path stroke-linecap="square" d="M5 60 l215 0" />

     </g>

    </svg>

    코드 2: SVG 스트로크 예제


    그림 6: SVG 스트로크 예제 출력 결과

    SVG에서는 정점을 연결하여 다각형을 정의한다.

    <svg height="210" width="500">

     <!-- 폴리곤, 정점 목록 (100,10), (40,198), (190,78), (10,78), (160,198) 채우기 색상:라임, 스트로크 색상:보라, 스트로크 넓이:5  -->

     <polygon points="100,10 40,198 190,78 10,78 160,198" style="fill:lime;stroke:purple;stroke-width:5;" />

    </svg>

    코드 3: SVG 폴리곤 예제


    그림 7: SVG 폴리곤 예제 출력 결과

    다음 예제는 보다 복잡한 벡터 출력 예제이다.

    <svg height="400" width="450">

     <!-- 경로 (A-B), 시작점:(100,350), 이동 거리:(150, -300), 스트로크 색상:빨강, 스트로크 넓이:3  -->

     <path d="M 100 350 l 150 -300" stroke="red" stroke-width="3" />

     <path d="M 250 50 l 150 300" stroke="red" stroke-width="3" />

     <path d="M 175 200 l 150 0" stroke="green" stroke-width="3" />

     <!-- 경로, 시작점:(100,350), 2차 베지어 곡선 P1:(150, -300), P2(300, 0) 스트로크 색상:파랑, 스트로크 넓이:5  -->

     <path d="M 100 350 q 150 -300 300 0" stroke="blue" stroke-width="5" />

     <!-- 이하 스트로크 동일 적용. 색상:검정, 스트로크 넓이:3 -->

     <g stroke="black" stroke-width="3" fill="black">

       <!-- 원(A): 중심 좌표:(100, 350), 반지름:3 -->

       <circle cx="100" cy="350" r="3" />

       <circle cx="250" cy="50" r="3" />

       <circle cx="400" cy="350" r="3" />

     </g>

     <!-- 이하 텍스트 동일 적용. 폰트 크기:30, 폰트명: sans-serif, 색상:검정, 정렬:가운데 -->

     <g font-size="30" font-family="sans-serif" fill="black" text-anchor="middle">

       <!-- 텍스트:A, 좌표:(100 - 30, 350) -->

       <text x="100" y="350" dx="-30">A</text>

       <text x="250" y="50" dy="-10">B</text>

       <text x="400" y="350" dx="30">C</text>

     </g>

    </svg>

    코드 4: SVG 베이지어 경로 예제


    그림 8: SVG 베이지어 경로 예제 출력 결과

    SVG를 통해서 도형 이상으로 복잡한 이미지 역시 표현 가능하다. 다음 그림은 SVG를 통해 보다 복잡한 이미지를 표현할 수 있다는 것을 증명한다.


    그림 9: SVG로 표현한 호랭이 (Ghostscript Tiger)

    그림 9은 무료 SVG 리소스 중 하나인, 매우 유명한 타이거 이미지이다. 위의 이미지를 배경의 투명 정보를 보유하기 위해 png 파일로 저장한다면, 512x512 크기 기준으로 약 156 KB의 메모리 공간이 필요하다. 더 나은 해상도를 위해 1024x1024크기로 저장한다면 두 배 이상인 약 356 KB의 메모리 공간이 필요하다. 다양한 기기, 다양한 해상도의 스케일러블한 UI를 지원하는 경우라면, png의 경우 각 해상도에 적합한 이미지를 여러벌 갖추고 있어야 하므로 실질적으로 사용하는 저장디스크의 공간은 더욱 커질 수 있다. 압축률이 뛰어난 대표적인 이미지 포맷인 jpeg 역시 상황은 별반 다르지 않다. 반면 SVG의 경우 위 타이거 이미지라면, 해상도에 상관없이 67 KB의 메모리 공간만 있어도 충분하다. SVG는 일반 이미지 포맷 대비, 다양한 해상도의 기기에서 단일 리소스만으로 퀄리티 저하 없는 이미지를 보여줄 수 있는 장점은 물론, 디스크 메모리 사용 측면에서도 더 효율적임을 보여준다.

    SVG 파일로부터 렌더링 결과물을 출력해주는 대표 오픈소스 라이브러리로 그놈 프로젝트의 librsvg가 있으므로 플랫폼 독자적인 SVG 벡터 드로잉 기능이 없다면 이 라이브러리를 활용할 수 있다. svg가 아닌, 보다 범용적인 목적의 오픈소스 벡터 드로잉 엔진으로는 카이로(Cairo)가 있으니 참고하길 바란다. SVG의 보다 자세한 기능과 명세서를 살펴보고 싶다면, SVG 공식 튜토리얼 사이트( www.w3schools.com/graphics/svg_intro.asp)를 참고하도록 하자.


    3. 벡터 기능 정의

    대표적으로 벡터 포맷인 SVG에 대해서 살펴보았지만, SVG 뿐만 아니라 다양한 벡터 리소스를 출력하기 위해서는 UI 엔진에서 벡터 드로잉 기능이 요구된다. 벡터 파일 데이터를 파싱하면 어떠한 벡터 요소가 출력되어야 하는지 알 수 있을 뿐, 실질적으로 벡터 렌더링 엔진에서는 그에 요구되는 드로잉 기능을 갖추고 있어야만 벡터 파일에서 정의하는 도형을 출력할 수 있다.

    벡터 렌더링 기능을 개발하기에 앞서, 벡터 렌더링 엔진이 제공할 기능 정의가 필요하다. 앞 절에서 설명한 대로 오늘날 벡터 그래픽스의 사양 및 기술은 정형화되어 있기 때문에 대표적인 SVG를 기반으로 벡터 그래픽스 기능을 분류해 보자. 크게 세 부분으로 나눌 수 있다.

  • 도형(Shape): 점(Point), 선(Line), 곡선(Curve), 경로(Path), 사각형(Rectangle), 둥근 사각형(Round Rectangle), 부채꼴(Pie), 원(Circle), 타원(Ellipse), 폴리곤(Polygon), 폴리스타(Polystar) 정도로 정의 가능하다. 사실 폴리곤 기능을 제공하면 이를 통해 삼각형, 사각형을 비롯한 임의의 다각형을 모두 표현 가능하다. 하지만, 그나마 많이 사용되는 사각형 및 둥근 테두리의 사각형, 스타 정도는 사용하기 쉬운 인터페이스를 정의하는 것도 좋은 방법이다. 추가로 텍스트 요소도 고려해야 하지만, 텍스트는 별도의 장에서 다루도록 한다.


  • 그림 10: 벡터 도형

  • 채우기(Fill): 도형의 색상을 지정할 수 있는 메커니즘이 필요하다. 기본적으로 단색과 그래디언트 효과를 많이 사용하며 이를 위해 채우기(Fill) 기능을 제공할 수 있다. 단색은 도형 내부의 색을 단일(solid) 색상으로 채운다. 그래디언트의 경우에는 두 가지 이상의 색상을 지정하여 도형 내 색상을 채운다. 지정한 복수의 색상 간에는 보간(Interpolation)이 발생하며, 수식을 통해 도형 내 채울 색상을 결정할 수 있다. 그래디언트 채우기는 수직(linear-vertical) 또는 수평(linear-horizontal) 방향으로 동작하며 추가로 원형(radial) 또는 앵귤러(angular) 그래디언트 방식을 제공할 수도 있다. 일반적인 UI에서는 수직, 수평, 원형 그래디언트를 많이 사용한다. 필요에 따라 채우기 옵션에 텍스처를 입히는 기능을 제공할 수 있다. 텍스처는 도형의 질감을 표현하며 예쁜 벽지처럼 도형 내에 특정 무늬를 반복해서 출력하는 타일 효과를 기대할 수 있다. 하지만 타일 매핑이 아닌, 기하 텍스처 매핑 수준을 고려한다면 과대 기능은 아닌지 다시 한번 검토해 볼 필요가 있다. 텍스처의 경우 이미지 리소스를 사용하므로 화질 저하 없이 다양한 해상도를 지원할 수 있는 벡터 그래픽스의 장점에 반하는 디자인 요구에 해당된다. 도형에 이미지를 채워야 한다면, 이미 만들어진 도형 이미지 자체를 출력하는 것이 성능이나 기능 구현 면에서 더 바람직하다.


  • 그림 11: 그래디언트 채우기


    그림 12: 이미지 타일 채우기

  • 스트로크(Stroke): 스트로크는 선 또는 도형의 외곽 선을 그리는데 영향을 준다. 도형의 채우기 색상과 별개로 스트로크 스스로 색상을 가지며 두께를 지정할 수 있다. 스트로크를 통해 실선 혹은 점선을 표현할 수 있으며 추가로 선의 연결점(Join)과 끝지점(Linecap)을 어떻게 표현할 지를 지정 가능하다. 연결점은 미터(miter), 라운드(round), 베벨(bevel)이 있으며 선의 끝지점은 버트(butt), 라운드(round), 스퀘어(square) 속성을 정의한다.


  • 그림 13: 스트로크 조인(Join) 속성


    그림 14: 스트로크 라인캡(Linecap) 속성

  • 스트로크에서 대쉬(dash) 패턴을 통해 점선을 표현한다. 패턴은 고정일 수도 있지만 가변적일 수도 있다. 가변적인 경우, 사용자가 패턴 값을 입력하면 해당 패턴에 맞춰 점선이 출력될 것이다. 예를 들면, 사용자가 {4, 3} 패턴을 입력했다면, 4픽셀 길이의 선과 3픽셀 여백의 점선이 출력될 수 있다. {5, 2, 3, 1} 패턴 값을 입력했다면, 5픽셀 길이의 선과 2픽셀 여백, 다음으로 3픽셀 길이의 선과 1픽셀 여백의 점선이 반복적으로 출력될 것이다.


  • 그림 15: 패턴값을 통한 점선 스타일 지정

    앞서 살펴본 기능을 토대로 우리는 벡터 오브젝트를 다음과 같이 정의한다. 기저 클래스를 정의하고 이를 확장하여 기능을 세분화 해보자.


    그림 16: UIShape를 확장한 다양한 도형 클래스

    UIShape는 기본적으로 UIObject의 특성을 물려받고 이하 사각형, 선, 폴리곤 등 실체가 존재하는 도형은 UIShape를 확장하여 구현한다. 공통된 특성을 UIShape에 정의함으로써 각 도형은 스트로크 및 채우기 기능과 자연스럽게 통합될 수 있다. UIShape 자체는 실체하지 않는 도형이기 때문에 추상 클래스로 선언하는 것이 바람직하다. UIShape 파생클래스는 각 도형을 그릴 수 있는 수식을 정의하고 필요한 인자를 외부로 노출하여 값을 입력받도록 한다. 전달받은 입력값을 토대로 각 도형의 update()와 render()에서는 드로잉 작업을 수행할 수 있다. 이와 관련된 부분은 3.4 절에서 하나씩 살펴보도록 하자.


    그림 17: UIShape, UIFill, UIStroke 클래스 다이어그램

    UIShape는 기본적으로 UIFill과 UIStroke를 통해 채우기 및 스트로크 정보를 전달받고 이와 관련된 작업을 수행한다. 개념적으로 채우기와 스트로크는 엔진에서 독립적으로 기능을 행사할 수 없으며 반드시 UIShape를 통해서만 작동한다. 채우기는 단일 색상 또는 선형, 원형, 앵귤러 그래디언트 등으로 세분화 되므로 UIFill 자체는 연결고리 역할만 수행하고 실제 구현은 이를 확장한 파생 클래스에서 처리할 수 있다.


    그림 18: UIFill 클래스 확장


    UIFill 클래스는 5절에서 구체적으로 살펴본다.


    4. 도형 그리기

    앞 절에서 살펴본 벡터 기능을 토대로 벡터 렌더러(Vector Renderer)를 구현해 보자. 벡터 렌더러는 캔버스에 추가된 오브젝트로부터 도형, 채우기 그리고 스트로크 정보를 전달받아 실제로 래스터라이즈 작업을 수행하는 기능을 담당한다. 캔버스 엔진은 오브젝트를 렌더링할 때, 드로잉 대상 버퍼로서 NativeBuffer를 전달하고 벡터 오브젝트의 경우에는 이를 벡터 렌더러에게 고스란히 전달한다. 이 후, 벡터 렌더러는 NativeBuffer를 통해 실제 픽셀 정보를 기록하는 작업을 수행할 수 있다.

    UICanvas.render() { /* 캔버스 버퍼에 UI를 그리는 작업을 수행한다. 이 로직이라면, 생성된 모든 오브젝트를 그리게 된다. 오브젝트가 그릴 대상 버퍼 외 필요한 인자도 전달한다. self.buffer가 기억이 안나면 2장을 참고하자. */ foreach(self.objs, obj) obj.render(self.buffer, ...); self.flush(); //그림 완료 신호를 보낸다. } /* UIObject로부터 파생된 UIRect 역시 벡터 렌더러로 NativeBuffer를 전달함으로써 드로잉을 완성할 수 있다. */ UIRect.render(buffer, ...) { ... UIVectorRenderer.drawRect(buffer, ...); ... }

    코드 5: UICanvas로부터 UIVectorEngine으로 NativeBuffer를 전달하는 과정

    도형 그리기에 앞서 미리 언급하자면, 실제 여러 실용 엔진에서는 보다 고성능의 벡터 래스터라이저를 위해 도형의 수식을 프로그래밍적 기교, 알고리즘 트릭, 심지어는 수식의 증명을 보다 단순화하여 로직을 최적화하고 병렬화를 통해 가속화를 수행할 수 있다. 추가로 하드웨어 가속을 활용하기 위해 하드웨어 인터페이스에 적합하도록 알고리즘을 변경하기도 한다. 기본적으로 래스터라이저는 그래픽스 하드웨어를 활용하지만 SIMD(Single Instruction Multiple Data) 벡터 연산을 수행할 수도 있다.

    사실상, 수학적 이해가 기반이 되어 있어야 트릭과 최적화도 가능하므로 여기서는 여러분의 기본 이해를 돕기 위해 도형의 기초 정석을 기반으로 도형 그리기를 완성한다. 보다 어렵고 난해한 대수학이 아닌, 고등 수준의 수학 지식으로도 충분히 잘 동작하는 알고리즘을 완성할 수 있다.


    4.1 사각형

    도형의 기본은 사각형이다. 사각형은 사각 영역에 색상을 채우는 매우 단순한 기능을 제공하지만, UI 앱의 여백을 채우는 가장 기본적인 기능을 제공하기도 한다.

    사각형은 위치(pos)와 크기(size) 정보를 통해 구성할 수 있다. 기본적으로 사각형의 좌측 상단 위치(pos)와, 크기(size)를 지정하여 사각형의 정보를 구한다. 크기를 알기 때문에 pos를 기준으로 루프를 돌며 색상을 채울 수 있다.

    /* * 사각형을 그리는 메서드 * buffer: NativeBuffer * rect: 드로잉할 사각 영역 (타입: Geometry) */ UIVectorRenderer.drawRect(buffer, rect, ...) { Pixel bitmap = buffer.map(); //버퍼 메모리 접근 //bitmap의 가로 한 줄의 크기를 구한다. => buffer width * sizeof(Pixel) Var lineLength = buffer.lineLength(); //bitmap에 그리기 위한 시작 위치를 찾아간다. bitmap += (rect.y * scanLineSize) + rect.x; //여기가 사각형을 그리는 실제 로직! 색상은 임의로 흰색으로 지정했다. for (y = 0; y < rect.h; ++y) { for (x = 0; x < rect.w; ++x) bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; } }

    코드 6: 사각형 드로잉 메서드

    매우 기본적인 사항이지만, 사각형의 드로잉 영역이 유효성을 검증하는 작업은 필수이다. 올바르지 않은 사각형의 위치 및 크기로 인해 NativeBuffer로부터 얻어온 bitmap 메모리의 영역을 벗어난다면 데이터 훼손이 발생하거나 최악의 경우 프로세스가 중단될 수도 있다. 예를 들면, 사각형의 위치가 음수 영역이거나 사각형의 크기가 캔버스 버퍼 크기보다 클 경우에 해당된다. 이 경우에는 벗어난 영역을 잘라내는 작업을 수행한다. 사각형과 캔버스 버퍼 두 영역을 비교하여 겹치는 영역, 즉 교집합을 구하여 사각형의 새로운 위치 및 크기를 구하는 작업이 반드시 선행되어야 한다. 전문 용어로 이러한 작업을 클리핑(Clipping)이라고 한다.

    /* * 두 사각 영역의 교집합 계산을 계산 후 반환 * rect1: 사각 영역 1 (타입: Geometry) * rect2: 사각 영역 2 (타입: Geometry) */ clipRects(rect1, rect2) { Geometry result; result.x = max(rect1.x, rect2.x); result.y = max(rect1.y, rect2.y); result.w = min(rect1.x + rect1.w, rect2.x + rect2.w); result.h = min(rect1.y + rect1.h, rect2.y + rect2.h); return result; } UIVectorRenderer.drawRect(buffer, rect, ...) { //사각형이 그려질 영역 재계산. 이후 rect 대신 clipped를 이용한다. Geometry clipped = clipRects(rect, Geometry(0, 0, buffer.width(), buffer.height())); ... }

    코드 7: 클리핑 계산 로직

    한편, 사각형의 위치와 크기가 오브젝트 영역을 벗어나면 어떠할까? 기본적으로 오브젝트 영역을 드로잉 사각 영역과 일원화 하는 것도 하나의 방법이며 다른 방편으로는 사각 영역과 별개로 오브젝트 영역을 클립(clip) 영역으로 활용할 수도 있다.

     클리핑과 컬링


    그래픽스 시스템에서 클리핑과 컬링은 드로잉 영역을 최적화하여 성능을 향상시키는 목적으로 사용된다. 두 기법 간 궁극적인 목적이 동일하기 때문에 둘 간의 차이가 간혹 애매모호하기도 하지만 분명한 기술적 차별점이 존재한다. 클리핑(clipping)은 보통 래스터라이제이션 단계 직전에 드로잉 대상 영역이 가시영역 즉, 뷰포트(Viewport)를 벗어난 경우를 판단하고 벗어난 영역을 잘라내어 드로잉 영역을 최소화 한다. 알고리즘의 핵심은 잘려진 영역을 계산하고 실제 보이는 부분을 추려내기 때문에 드로잉 대상 객체의 폴리곤 정보를 토대로 작업을 수행한다. 방금 전에 학습한 clipRects()도 클리핑의 작업에 해당한다. 반면, 컬링(culling)은 좀 더 추상적인 오브젝트 단위로 계산을 수행한다. 해당 오브젝트가 뷰포트 또는 카메라의 가시 영역에 존재하는지 여부를 판단하고 드로잉 결정 여부를 판단하기 때문에 응용 또는 변환 단계에서 작업을 수행한다. 일반적으로 3D 그래픽스 시스템에서는 프러스텀(Frustum), 오클루전(Occlusion) 그리고 후면(Back-face) 컬링 세 기법을 기본적으로 적용한다. 프러스텀 컬링은 드로잉 대상 객체가 카메라의 가시 영역에 존재하는지를 식별한다. 반면 오클루전 컬링은 대상 객체가 다른 객체에 의해 완전히 가려졌는지 여부를 판단한다. 후면 컬링은 폴리곤을 구성하는 정점 순서가 시계방향(cw) 또는 반시계 방향(ccw)인지를 판단하여 객체가 뒤집힌 면인지 아닌지를 판단할 수 있으며 이를 통해 컬링 작업을 추가로 수행하기도 한다. 메쉬(Mesh), 즉 부피가 있는 오브젝트인 경우 뒷면은 보이지 않는게 당연하다. UI 엔진에서는 2장에서 살펴본 씬그래프 기법을 활용한다면 해당 씬이 그려질 대상인지 아닌지 사전에 판단하여 드로잉 작업을 추려낼 수 있으며 이는 프러스텀 컬링 기법에 해당된다고 볼 수 있다. 이 후의 장에서 컬링 기법을 적용하는 방법에 대해서 자세히 다루도록 한다.


    사실, 정답이 없는 개념 문제이기 때문에 여기서는 오브젝트 영역을 클립 영역으로 활용하기로 하자. 이 경우, 드로잉 영역이 오브젝트 영역을 벗어나지 않도록 제한하는 것이 개발 관점에서 더 유리하다. 객체의 출력 결과물을 오브젝트의 경계로 제한한다면 오브젝트의 출력 영역 일관성이 확보되기 때문에 계산이 용이하고 결과물 예상 관점에서 보다 이해하기가 쉽다. 그렇지 않다면, 어떤 오브젝트의 출력 이미지가 해당 오브젝트 영역을 벗어나 다른 오브젝트 위에 겹쳐 그려질 수 있으며, 최악의 경우에는 오류가 발생했을 때 어떤 이미지의 출력 결과물이 어떤 오브젝트로부터 비롯된 것인지를 예측하기가 어려워진다. 오브젝트의 위치와 크기는 오브젝트가 출력할 이미지의 영역을 반드시 확보해야 한다.

    클리핑을 수행하기 위해 오브젝트 자체 영역을 클립(clipper) 영역으로 벡터 렌더러에 추가로 전달하여 영역 계산에 활용한다.


    그림 19: 클리핑 후 드로잉 영역

    /* * 사각형을 그리는 메서드 * buffer: NativeBuffer * rect: 드로잉할 사각 영역 (타입: Geometry) * clipper: 클립 영역 (타입: Geometry) */ UIVectorRenderer.drawRect(buffer, rect, clipper, ...) { //사각형이 그려질 영역 재계산. 버퍼 영역과 사각영역 수행. Geometry clipped = clipRects(rect, Geometry(0, 0, buffer.width(), buffer.height())); //오브젝트 영역에 대해서도 수행한다. 이후 rect 대신 clipped를 이용한다. Geometry clipped = clipRects(clipped, clipper); ... } UIRect.render(buffer, ...) { ... //UIRect는 드로잉 사각 영역과 오브젝트 영역을 벡터 렌더러에게 모두 전달한다. UIVectorRenderer.drawRect(buffer, self.rect, self.geometry(), ...); ... }

    코드 8: 드로잉 영역 계산

    사실 오브젝트와, 도형 그리고 버퍼 세 영역 간의 교집합을 구하는 작업은 여러 드로잉 과정에서 빈번히 발생하기 때문에 원한다면, 세 개의 사각 영역의 교집합을 구하는 clipRects(rect1, rect2, rect3);와 같은 로직을 추가하여 코드를 조금 더 최적화할 수 있다.

    앞으로 구현하는 모든 도형에는 이러한 드로잉 영역의 유효성을 검증하고 좌표를 재계산하는 클리핑 작업이 모두 동일하게 적용되어야 한다. 예시로, 사각형과 직선에 대해서만 적용 방법을 보여준다.


    4.2 직선

    직선의 방정식을 이용하면 픽셀을 그릴 위치를 정확하게 계산할 수 있다. 직선을 그리기 위해서는 선분이 지나치는 두 점 pt1(x1,y1), pt2(x2,y2)의 정보만 알면 된다. 두 점을 이용해 기울기 m을 구한 후, x 좌표값에 곱하여 y 좌표값을 구할 수가 있다.


    그림 20: 직선의 방정식


    구현부에서는 x1 ~ x2 사이의 x 값을 1씩 증가하면서 그림 20 수식에 대입한다. 그러면 x에 해당하는 y 값을 구할 수 있으며 이 때의 x, y의 값은 벡터 렌더러가 그려야할 선의 픽셀 위치에 해당한다.

    /* * 직선의 방정식을 이용한 직선 드로잉 * pt1: 선의 시작점 (타입: Point) * pt2: 선의 끝점 (타입: Point) */ UIVectorRenderer.drawLine(buffer, pt1, pt2, Geometry clipper, ...) { ... Var m = (pt2.y - pt1.y) / (pt2.x - pt1.x); /* 주의: 여기서는 x값을 인자로 y값을 도출한다. 만약 직선이 y축에 더 가깝다면 x값을 도출해야 한다. */ //x축 클리핑 계산 Var sx = pt1.x < clipped.x ? clipped.x : pt1.x; Var ex = pt2.x > (clipped.x + clipped.w - 1) ? (clipped.x + clipped.w - 1) : pt2.x; for (x = sx; x < ex; x++) { /* 정수형의 경우 반올림(rounding) 처리에 주의하자. */ Var y = m * (i - pt1.x) + pt1.y; //y축 클리핑 계산 if (y < clipped.y || y >= (clipped.y + clipped.h)) continue; bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; } }

    코드 9: 직선 드로잉 로직

    코드에서 표현하지 않았지만, 선의 방향이 x축에 가까운지 아니면 y축에 가까운지에 따라 for ()문의 기준을 다르게 해야 한다. 이는 absolute(pt2.x - pt1.x) - absolute(pt2.y - pt1.y); 로 판단할 수 있다. 선이 y축보다 x축에 더 가깝다면 즉, 수평으로 더 긴 직선이라면 x 값을 하나씩 증가하면서 그에 해당하는 y값을 구하고 반대의 경우 y값을 증가하면서 x값을 도출해야 한다. 그렇지 않으면 픽셀을 손실하여 점선과 같은 출력 결과가 나타날 수 있다. 직선 역시 클립 영역 내서만 드로잉을 수행한다.


    4.3 원

    원은 원의 중심(cx, cy)과 반지름(r)을 통해 원의 둘레의 좌표를 구할 수 있다.


    그림 21: 원의 방정식

    선을 제외한 도형을 그릴 때는 y축을 기준으로 x좌표 값을 도출한다. 이유는 추후에 다룰 RLE 캐싱 메커니즘을 보다 용이하게 구축하기 위한 것도 있지만 기본적으로 CPU가 메모리에 접근하는 방식과도 관련이 있다. 물리적으로 메모리는 1차원 선형 공간을 띄며 y좌표를 구한 후 x좌표를 반복하며 색상을 채워나가는 방식이 캐싱 적용률이 훨씬 뛰어나다.

    여기서 재미있는 사실은 원은 중점으로부터 사대면 대칭인 특성이 있다. 달리 말하면, 방정식을 통해 한면의 둘레 좌표를 구하는 것만으로 원의 전체 둘레를 모두 계산할 수 있으며 이는 비교적 부하가 큰 루트 연산을 피할 수 있으므로 효율적이다.

    1사분면의 둘레를 구했다면, 2사분면은 1사분면의 현재 x값으로부터 원의 중심 좌표 cx값까지 거리를 구한 후, 그 값의 두배를 더함으로써 구할 수 있으며 3사분면은 x가 아닌 y값을, 4사분면은 x, y 모두 동일한 방식을 처리함으로써 둘레의 위치값을 구할 수 있다.

    /* * 원의 방정식을 이용한 원 드로잉 * center: 원의 중심 좌표 (타입: Point) * radius: 원의 반지름 */ UIVectorRenderer.drawCircle(buffer, center, radius, ...) { ... //1사분면에 한하여 반복 for (y = center.y - radius; y < center.y; y++) { Var x = sqrt((radius * radius) - pow(y - center.y, 2)) + cx; Var sx = x + (cx - x) * 2; //x축 대칭 위치 Var sy = y - (y - cy) * 2; //y축 대칭 위치 bitmap[sy * lineLength + x] = 0xffffffff; //1사분면 bitmap[sy * lineLength + sx] = 0xffffffff; //2사분면 bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; //3사분면 bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; //4사분면 } }

    코드 10: 원 드로잉 로직

    타원은 원과 크게 다를바가 없으며, 원 드로잉 로직에 타원의 공식을 적용하기만 하면 된다.


    그림 22: 타원의 방정식


    4.4 부채꼴

    부채꼴을 그리는 방식은 앞서 살펴본 라인과 원을 조합하여 구현할 수 있다. 부채꼴을 그리기 위해서는 원의 중심과 반지름, 시작 각도와 끝 각도 이 네 정보가 필요하다. 이들의 정보를 알면, 원의 둘레가 어떤 점에서 시작해서 어떤 점에서 끝나는지 알 수 있으며 이 둘레가 원의 몇사분을 차지하는지 계산이 가능하다. 계산한 사분을 통해 그려야할 둘레를 구하고 그 둘레의 시작점과 끝점을 각각 원의 중심과 연결한 직선을 그리면 실제로 부채꼴이 완성된다.


    그림 23: 부채꼴 수식

    angle1을 가리키는 꼭지점은 원의 중심을 원점으로 angle1을 가리키는 반지름의 길이의 벡터를 통해 구할 수 있으며 angle2 - angle1 사이각 만큼 vStart 벡터를 원의 중심을 기준으로 회전하여 angle2를 가리키는 벡터 vEnd를 구한다. 벡터는 2차원 회전 행렬을 곱하여 구할 수 있다. 회전을 위해 코사인(cos), 사인(sin) 값 도출은 물론, 각도를(degree)를 라디안(radian)으로 변환해야 하는데 이를 위해 Math 함수집단에서 유틸리티 함수를 제공하면 편하다. 범용적인 시스템에서는(POSIX를 포함하여) 수학 처리를 위한 cos, sin, tan와 같은 삼각함수를 제공하므로 따로 작성할 필요가 없다.

    UIMath.PI = 3.141592653589; /* * 각도를 라디안 값으로 변환 */ UIMath.degreeToRadian(degree) { return degree / 180 * PI; } /* * 라디안을 각도로 변환 */ UIMath.radianToDegree(radian) { return radian * 180 / PI; }

    코드 11: 각도 <-> 라디안 변환 함수

    한편, 벡터와 변환은 추후 여러 그래픽스 처리 작업에 활용가능하므로 기본 클래스를 제공하는 것도 나쁘지 않다. 여기서는 당장 필요한 기능만 확인한다.

    /* * 2D 벡터의 회전. 앞서 작성한 수학 함수를 이용한다. */ UIVector2.rotate(angle) { Var radian = UIMath.degreeToRadian(angle); self.x = UIMath.cos(radian) * self.x - UIMath.sin(radian) * self.y; self.y = UIMath.sin(radian) * self.x + UIMath.cos(radian) * self.y; }

    코드 12: 회전을 위한 2D 벡터 클래스

    다음은 부채꼴을 그리는 로직이다. 코드가 다소 복잡해 보이지만 실제 로직 자체는 그렇지 않으니 집중해서 읽어보자.

    /* * 부채꼴 드로잉 * center: 원의 중심 좌표 (타입: Point) * radius: 원의 반지름 * angle1: 시작 각도 * angle2: 끝 각도 */ UIVectorRenderer.drawArc(buffer, center, radius, angle1, angle2, ...) { ... //만약 시작과 끝 각도의 차가 360이상이면 원과 동일하다... if (angle2 - angle1 >= 360) return UIVectorRenderer.drawCircle(buffer, center, radius, ...); //angle1과 angle2가 가리키는 꼭지점을 구한다. Vector2 vStart = {0, -center.y}; Vector2 vEnd = vStart; vEnd.rotate(angle2 - angle1); //부채꼴의 시작과 끝 각도를 통해 원의 둘레가 위치하는 사분면의 차를 구한다. Var squad; //부채꼴이 시작하는 사분면 if (angle1 >= 0 && angle1 < 90) squad = 1; else if (angle1 >= 90 && angle1 < 180) squad = 1; else if (angle1 >= 180 && angle1 < 270) squad = 2; else if (angle1 >= 270 && angle1 < 360) squad = 3; Var equad; //부채꼴이 끝나는 사분면 if (angle2 >= 0 && angle2 < 90) equad = 1; else if (angle2 >= 90 && angle2 < 180) equad = 1; else if (angle2 >= 180 && angle2 < 270) equad = 2; else if (angle2 >= 270 && angle2 < 360) equad = 3; Var diff = equad - squad; if (diff < 0) diff += 4; /* 이제 squad에서 시작해서 시계방향으로 diff 크기만큼 사분면을 드로잉한다. diff가 0이면 하나의 사분면 내에서 원의 둘레가 존재하고, 1이면 두 사분면에 걸쳐 원의 둘레가 존재, 3이면 네 사분면에 대해서 원의 둘레를 구한다. */ /* 스캔할 y값의 범위를 결정한다. 만약 부채꼴이 1,2 사분면에만 걸쳐있다면 원의 상단, 3, 4사분면에만 걸쳐있다면 원의 하단이 범위가 된다. */ var yStart, yEnd; if (squad =< 2 || equad =< 2) yStart = center.y - radius; else yStart = center.y; if (squad > 2 || equad > 2) yEnd = center.y + radius; else yEnd = center.y; //드로잉 시작. 원의 y축을 스캔 for (y = yStart; y < yEnd; y++) { Var x = sqrt((radius * radius) - pow(y - center.y, 2)) + cx; Var sx = x + (cx - x) * 2; //x축 대칭 위치 //거쳐가야할 사분면을 확인하면서 x, y 위치에 매칭하는 점을 그린다. for(i = 0; i < diff + 1; i++) { var quad = (squad + i) % 4; //현재 사분면 /* 부채꼴이 시작하는 사분면 (A 영역)*/ if (i == 0) { //1사분면 if (quad == 0 && y < center.y) { //드로잉 영역이 1사분면에서 끝남 if (diff == 0 && (x >= vStart.x && x < vEnd.x)) bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; //드로잉이 다음 사분면까지 이어진다. else if (x >= vStart.x) bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; //2사분면 else if (quad == 1 && y < center.y) { //드로잉 영역이 2사분면에서 끝남 if (diff == 0 && (sx >= vStart.x && sx < vEnd.x)) bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; //드로잉이 다음 사분면까지 이어진다. else if (sx >= vStart.x) bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; } //3사분면 else if (quad == 2 && y >= center.y) { //드로잉 영역이 3사분면에서 끝남 if (diff == 0 && (sx < vStart.x && sx >= vEnd.x)) bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; //드로잉이 다음 사분면까지 이어진다. else if (sx < vStart.x) bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; } //4사분면 else if (quad == 3 && y >= center.y) { //드로잉 영역이 4사분면에서 끝남 if (diff == 0 && (x < vStart.x && x >= vEnd.x)) bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; //드로잉이 다음 사분면까지 이어진다. else if (x < vStart.x) bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; } } /* 부채꼴 시작과 끝 사이에 존재하는 사분면. 이 영역은 분리되지 않기 때문에 어느 사분면인지만 판단하여 그려넣자. (B 영역) */ if (i > 0 && i < diff) { switch (quad) { 0: bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; break; 1: bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; break; 2: bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; break; 3: bitmap[y * lineLength + sx] = 0xffffffff; break; } } /* 부채꼴이 끝나는 사분면 (C영역) */ if (i == diff) { //이하 생략. 부채꼴이 시작하는 사분면과 로직이 크게 다르지 않다. } } } //마지막으로, 원의 중점과 둘레의 두 꼭지점을 선으로 연결한다. UIVectorRenderer.drawLine(buffer, center, Point(vStart.x, vStart.y), ...); UIVectorRenderer.drawLine(buffer, center, Point(vEnd.x, vEnd.y), ...); }

    코드 13: 부채꼴 드로잉 로직

    부채꼴 드로잉의 핵심은 부채꼴이 원의 네 사분면 중 어느 사분면에서 시작하여 어느 사분면에서 끝나는지를 확인하는 것이다. 그것을 판단하면, 원의 y축 최상단에서 최하단까지 루프를 돌며 원의 방정식을 통해 현재 y에 해당하는 x좌표를 구한다. 이 x, y 좌표는 원의 둘레의 한 지점을 가리키는데 이 점이 부채꼴의 범위 내에 포함되는지 판단하여 드로잉 여부를 결정한다. 이해를 돕기 위해 다소 코드를 풀어서 작성하였지만, 굳이 y축의 범위를 모두 스캔하지 않고 기존 원 드로잉과 마찬가지로 한 사분면 범위만 루프를 돌면서 부채꼴을 완성할 수 있을 것이다. 또다른 최적화 방법으로는 1, 2 사분면과 3, 4사분면을 나눠서 별도로 처리한다. 애초에 1,2 사분면 영역에서 3, 4분면의 드로잉 가능성 여부를 확인할 필요가 없으며 반대 상황 역시 마찬가지이다. y축을 기준으로 원의 영역을 상단과 하단으로 분리하면, 드로잉 대상을 점검하는 과정 역시 상, 하단으로 분리되어 보다 효율적일 것이다.


    그림 24: 부채꼴 드로잉 도식화


    4.5 둥근 사각형

    다행히도 둥근 사각형은 기존 사각형과 원의 각 사분면을 그리는 로직을 그대로 활용해도 구현이 가능하다. 둥근 사각형에서 새롭게 고민해야 할 부분은 오로지 사각형의 각 모서리의 지름을 결정하는 것뿐이다.


    그림 25: 둥근 사각형 드로잉 도식화

    사각형의 각 모서리에 위치한 가상의 원의 지름을 통해 사각형 모서리의 완만한 정도를 결정한다. 이 원의 지름 d는 사각형의 넓이 w 대비 비율값으로도 결정할 수 있다.

    /* * 둥근 사각형을 그리는 메서드 * rect: 드로잉할 사각 영역 (타입: Geometry) * cornerRadius: 모서리에 위치한 원의 지름 비율 [0 ~ 1] */ UIVectorRenderer.drawRoundRect(buffer, rect, cornerRadius, ...)

    코드 14: 둥근 사각형 메서드 프로토타입

    각 모서리의 원은 사각형 내 최소 네 개가 동일한 크기로 배치된다. 실제 사각형 크기 대비 원의 크기가 너무 커서 원이 서로 교차한다면 둥근 사각형의 외양은 훼손된다. 이 경우 지름 크기에 제약이 필요하다. 사각형의 높이가 가로 크기보다 작은 경우에도 문제가 될 수 있다. 사각형의 짧은 한 면의 길이가 원의 지름보다 짧은 경우 원의 지름은 사각형의 길이가 짧은 면을 기준으로 값이 1로서 재조정되어야 한다. 실제로 diameterRate가 1이면 둥근 사각형의 외양은 원과 완전히 동일하다.

    둥근 사각형은 각 네 모서리와 사각형 몸체 두 부분으로 나눠서 드로잉을 수행할 수 있다. 특히 각 모서리의 부채꼴의 합은 하나의 완성된 원과 동일하다. 그러므로 원의 각 사분면을 나눠서 그리되 각 중심 위치만 바꿔주면 된다. 이는 앞서 배웠던 원 드로잉의 로직과 거의 다를 바가 없다. 한편, 그 외의 사각 영역은 모서리를 제외한 영역을 그려야 하는데 사각 영역을 크게 상, 중, 하 세 부분으로 나눈다면 매우 쉽고 빠르게 사각 영역을 완성할 수 있다. 다음 그림은 이를 도식화 한다.


    그림 26: 둥근 사각형 부분 드로잉 도식화

    둥근 사각형의 구현부는 앞서 살펴본 원과 사각형 드로잉 로직의 조합과 다를바 없으므로 여기서는 생략한다.


    4.6 곡선

    곡선을 구하는 방식은 여러 있다. 쉽게는, 제한적이지만 앞서 배운 타원의 일부 구간을 통해서 곡선을 구할 수도 있고 사인, 코사인 등의 수식을 응용해도 부드러운 곡선을 표현할 수 있다. 만약 일정 구간별로 위치 정보를 가지고 있다면 각 구간별로 다항식 보간(Interpolation)을 이용하여 스플라인 곡선을 구할 수 있으며 , B-스플라인, Nurbs(Non-Uniform Rational B-Spline), 에르미트(Hermite) 또는 큐빅(Cubic) 스플라인 보간법 등이 주로 활용된다. 추가로, 시작과 끝점 그리고 두 개의 제어점을 이용하는 베지어(Bezier) 곡선 역시 널리 알려진 곡선 표현 방법 중 하나이다. 특히 베지어 곡선은 트루타입(Truetype) 폰트 표현 및 김프(Gimp) 툴 등에서 실제로 사용되는 등 컴퓨터 그래픽스에서 대표적으로 활용되는 곡선 표현 방법에 해당한다.


    그림 27: 스플라인 보간 곡선 표현 (tools.timodenk)

    대표적으로 스플라인 곡선을 살펴보면, 보간을 통해 구간별 지점을 통과할 수도 있지만 지점을 근사하게 지나칠 수도 있다. 두 경우 모두 곡선을 생성하는 점에서는 동일하지만, 구간을 지나치는 보간의 경우 곡선의 예상 결과가 보다 직관적인 부분은 존재한다.

    스플라인 보간의 핵심은 각 구간을 다항식으로 정의하고 구간 지점에서의 양쪽 함수의 값이 같아야 한다. 또한, 매끄러운 곡선에 불연속성이 없다고 가정했을 때 시작과 끝점을 제외한 내부 점에서의 도함수 값이 동일하다는 가정하에 다항식으로부터 미지수를 구할 수 있으며 시작과 끝점은 그 점의 위치 특성상 2차 도함수 값이 0이라고 전제한다.


    그림 28: 2차 스플라인 곡선 함수

    스플라인은 세 점 이상의 위치 값이 주어졌을 때 위 함수로부터 각 구간별 계수를 구할 수 있으며 x값을 증가시키면서 y값을 도출 가능하다.

    베지어 곡선은 시작점(Start point)과 끝점(Endpoint) 그리고 두 제어점(Control point)을 통해서 구한다. 제어점은 시작점과 끝점으로부터 접선을 이루어 곡선의 기울기를 결정한다.


    그림 29: 베지어 곡선

    베지어와 관련된 수학 풀이는 온라인을 통해 학습할 수 있으며 이미 수식을 정리한 3차 베지어 곡선의 함수는 다음과 같다.


    그림 30: 베지어 곡선 함수

    네 개의 점 P0 ~ P3의 위치와 선의 선형 위치값 t를 통해 x, y값을 구할 수가 있다. t는 정규된 값을 의미하기 때문에 t가 0인 경우는 시작점을 의미하고 1인 경우는 끝점을 의미한다. 우리는 긴 축을 중심으로 루프를 돌면서 x, y를 구하며 그 점을 선으로 이어서 곡선을 완성할 수 있다.

    위 수식을 기반으로 베지어 곡선 함수를 코드로 구현하면 다음과 같다.

    /* * 베지어 곡선을 그리는 메서드 * start: 시작점 * end: 끝점 * control1: 제어점 1 * control2: 제어점 2 */ UIVectorRenderer.drawCurve(buffer, start, end, control1, control2, ...) { ... //긴 축을 찾아서 그 길이만큼 루프를 돈다. Var sx = absolute(end.x - start.x); Var sy = absolute(end.y - start.y); Var segment = sx > sy ? sx : sy; Point prv = start; //이전 좌표 Point cur; //현재 좌표 for (t = 1; t < segment; t++) { //계수 구하기 Var a = pow((1 - t), 3); Var b = 3 * pow((1 - t), 2) * t; Var c = 3 * pow((1 - t), 2) * pow(t, 2); Var d = pow(t, 3); cur.x = a * start.x + b * control1.x + c * control2.x + d * end.x; cur.y = a * start.y + b * control1.y + c * control2.y + d * end.y; drawLine(buffer, prev, cur, ...); prev = cur; } }

    코드 15: 베지어 곡선 드로잉

    참고로, 연산의 부담을 줄이기 위해 2차 다항식의 베지어 곡선을 사용하는 것도 가능하며 실제 MS의 트루타입 폰트가 이를 이용하는 사례에 해당한다.


    4.7 경로와 폴리곤

    사실상 여기까지 학습을 하였다면, 도형을 그리기 위한 원시적인 요소는 모두 확인한 셈이다. 하지만 추가로 연속된 곡선과 직선 집합을 이용한다면 우리는 보다 길고 복잡한 경로를 표현할 수 있다. 이 경로의 첫 지점과 끝 지점이 연결된 닫힌 형태이면 사실상 폴리곤으로 간주할 수도 있다. 경로를 표현하기 위해서는 기존의 벡터 드로잉 기능을 명령 집합으로써 묶는다면 가능하다. 가령 다음 코드를 보면 이해가 쉽다.

    /* 일반적으로 경로는 이전 명령어를 원점으로 새로운 경로를 추가하여 구축한다. moveTo()를 통해 원점을 이동한다면 새로운 경로가 시작된다. */ UIPath path; //패스 객체 생성 path.moveTo(x, y); //시작 지점을 x, y로 이동 path.lineTo(x2, y2); //x2, y2까지 직선 그리기 path.curveTo(ctrlPt1, ctrlPt2, endPt); //x2, y2 에서 endPt까지 곡선 그리기 /* close()를 호출하면 마지막 지점에서 처음 x, y까지 자동으로 선이 연결되어 닫힌 도형이 완성된다. close()를 호출하지 않으면 직전 위치에서 경로로써 끝난다. */ path.close(); path.show();

    코드 16: 경로 구축 예


    그림 31: 경로를 이용한 도형 완성 (예시)

    경로 클래스에서 제공하는 경로 명령어는 실제로 앞서 살펴본 선, 곡선 등의 메서드와 1:1 매칭되기 때문에 이들의 명령어를 명령어 집합으로 구축한 후, update()나 render() 시점에 명령어를 하나씩 확인하면서 그에 해당하는 도형 드로잉 메서드를 호출하면 된다. 경로 자체가 가지는 고유한 드로잉 알고리즘은 존재하지 않으므로 moveTo(), lineTo(), curveTo(), arcTo() 와 같은 커맨드(Command)를 리스트나 스택으로 구축하고 이들을 디스패치(dispatch)하는 과정이 경로의 핵심에 해당한다.

    /* * 벡터 드로잉 요소 커맨드 집합 */ UIPath extends UIShape { list commands; //커맨드 목록 ... /* * 이하 moveTo(), lineTo()와 같은 커맨드 추가 메서드 */ moveTo(x, y) { ... self.commands.append(UIPathCommandMoveTo(x, y)); } lineTo(x, y) { ... self.commands.append(UIPathCommandLineTo(x, y)); } curveTo(control1, control2, end) { self.commands.append(UIPathCommandCurveTo(ctrl1, ctrl2, end); } close() { self.commands.append(UIPathCommandClose()); } ... /* * 큐잉(queueing)된 커맨드를 하나씩 디스패치하며 드로잉을 수행한다. */ render(buffer, ...) { Point cur = begin = {0, 0}; Point cur = begin; foreach(self.commands. cmd) { switch(cmd.type()) { UIPathCommand.MoveTo: begin = cur = cmd.get(); break; UIPathCommand.LineTo: to = cmd.get(); UIVectorRenderer.drawLine(buffer, cur, to, self.geometry(), ...); cur = to; break; UIPathCommand.CurveTo: ctrl1, ctrl2, end = cmd.get(); UIVectorRenderer.drawCurve(buffer, cur, end, ctrl1, ctrl2, self.geometry()), ...); cur = end; break; UIPathCommand.Close: UIVectorRenderer.drawLine(buffer, cur, begin, self.geometry(), ...); break; ... } } } /* * 벡터 커맨드를 구축하고 디스패치(dispatch)하는 기능을 제공한다. * UIPathCommand는 구현부가 없는 인터페이스에 해당하며 어떤 커맨드를 제공하는지 타입을 * 정의한다. * UIPathCommand를 구현하는 이하 클래스에서는 해당하는 데이터와 get()를 구현한다 */ UIPathCommandCurveTo extends UIPathCommand { Point ctrl1, ctrl2, end; // CurveTo에 해당하는 데이터 constructor(ctrl1, ctrl2, end) { self.ctrl1 = ctrl1; self.ctrl2 = ctrl2; self.end = end; super(UIPathCommand.CurveTo); } /* CurveTo에 해당하는 데이터를 반환한다. */ get() { return self.ctrl1, self.ctrl2, self.end; } }

    코드 17: UIPath 클래스 핵심 구현부

    경로를 이용하면, svg와 같은 벡터 리소스에 기록되어 있는 여러 도형 조합을 하나의 입력 시퀀스로서 구축할 수 있기 때문에 보다 효율적이다. 이는 벡터 리소스 출력물을 하나의 결과물로서 간주할 수 있으며 사용자는 여러 도형을 일일히 구축하거나 조작할 필요가 없으며 어떤 속성 변환을 경로 내에 존재하는 모든 도형에 공통적으로 적용할 수도 있다. 실제로 UI 앱 개발자가 벡터 드로잉 인터페이스를 직접 호출하여 화면을 구성하기 보다는 벡터 리소스로부터 데이터를 읽어오는 것이 구현 관점에서 더 바람직하기 때문에 벡터 리소스 파일을 불러오는 기능을 제공하는 것이 필요하다.


    그림 32: UIPath를 통한 SVG 벡터 드로잉 수행

    이론적으로, Vector 클래스는 SVG 파서를 이용하여 SVG 원시 데이터로부터 유효한 데이터를 가공한 후, 이를 UIPath의 커맨드로 입력할 수 있다. 이는 SVG 뿐만 아니라 다양한 벡터 리소스에 대해서도 동일하게 적용가능하다. UIVector는 사용자가 직접 구축해야할 다양한 벡터 도형을 감추고 하나의 벡터 리소스를 불러올 수 있는 인터페이스 제공함으로써 벡터 결과물을 출력할 수 있도록 도와준다. UIVector 클래스는 파일을 지정하는 path() 메서드를 기본적으로 제공한다.

    한편, 폴리곤을 그리기 위해서는 완성한 경로를 이용하여 색상을 채우는 작업이 필요하다. 폴리곤은 기하학적인 형태를 구성하고 있기 때문에 다른 도형과 같이 수식을 통하여 그리기는 어렵다. 가장 단순하지만 효율적인 방법은 경로의 y축 최상단부터 최하단까지 반복하면서, 가로로 도형을 그려나가는 방법이다. 각 선을 왼쪽에서 오른쪽으로 그리는 과정에서 현재 픽셀의 위치가 도형의 내부인지 외부인지를 판단할 수 있다. 한 선이 시작되면, 해당 선의 y 위치를 포함하는 선들을 우선 간추려낸다. 이 때, y 위치에 해당하는 x 값을 도출할 수 있으며 이들을 정렬하면 우리는 해당 선의 어디서부터 어디까지 색상을 채워야 하는지를 결정할 수 있다. 가장 먼저 교차하는 선은 도형의 외곽선에 해당하기 때문에 여기서 픽셀을 그리기 시작한다. 이 후 x 값을 증가시키다가 두 번째 선과 교차한다면, 이제는 도형을 벗어나기 때문에 픽셀 그리기를 멈추고 이 후 다시 다른 선과 교차한다면 다시 도형에 진입하기 때문에 색상을 채울 수 있다. 이를 반복하면 다음 그림과 같이 도형을 완성할 수 있다.


    그림 33: 충돌탐지를 이용한 기하 도형 드로잉 예시

    그림 33의 경우 앞서 언급한 방식을 이용한다면 높이 y에서의 드로잉을 수행할 영역은 (x1 ~x2) , (x3 ~ x4), (x5 ~x6) 세 부분으로 정할 수 있다. 여기서 문제는, 우리에게 주어진 인수는 y값에 해당하므로 경로의 각 커맨드에서는 y값으로부터 x값을 도출할 수 있는 기능이 필요하다. 이는 앞서 살펴본 수식의 역산에 해당된다.

    다음 코드는 이 방식의 핵심 로직의 뼈대를 보여준다.

    /* * 폴리곤을 그리는 메서드 * commands: UIPathCommand */ UIVectorRenderer.drawPolygon(buffer, commands, ...) { ... //도형의 시작과 끝 y좌표 Var startY, endY; foreach(commands. cmd) { //각 커맨드가 도달할 수 있는 y의 min,max 값을 도출하여 startY, endY를 구한다. ... } for (y = startY; y < endY; y++) { list xList; //a. 현재 y위치에서 충돌하는 선들의 x좌표값을 구한다. xList = findIntersects(commands); //b. a에서 구한 x 좌표값을 오름차순으로 정렬한다. sortAscending(xList); //c. b에서 준비된 x좌표값을 이용하여 드로잉을 수행한다. for (i = 0; i < xList.size() - 1; i+=2) { Var xStart = xList[i]; Var xEnd = xList[i+1]; //(x, y)에 해당하는 픽셀을 그린다. for (x = xStart; x < xEnd; x++) bitmap[y * lineLength + x] = 0xffffffff; } } }

    코드 18: UIPath 클래스 핵심 구현부

    위 코드는 정상적으로 동작은 하지만, x, y의 충돌위치를 구하는 작업은 다소 비효율적인 부분에 해당된다. 도형의 형태가 변하지 않는다고 가정하면 x, y의 충돌위치는 캐싱하는 것이 바람직하며 이후에는 캐싱된 좌표를 UIVectorRenderer에 바로 전달함으로써 별다른 오버헤드 없이 래스터라이징을 수행할 수 있다. 이러한 방식은 이후에 살펴볼 RLE(Run Length Encoding) 알고리즘 구현에 해당되므로 여기서는 설명을 생략하도록 한다.

    여기까지 우리는 도형을 그리는 기본 수식과 구현 로직에 대해서 살펴보았다. 트릭과 최적화보다는 기본 구현 방식에 충실하였기 때문에 성능 개선 부분에 대해서는 고민할 여지가 남아있다. 추가로, 앨리어싱(Anti-Aliasing)은 렌더링 퀄리티에 큰 영향을 미치는 부분에 해당하므로 이 역시, 반드시 개선해야 할 부분에 해당된다. 앨리어싱은 흔히 계단 현상으로 불리며 보간을 통해 픽셀 사이의 중간 픽셀을 생성하여 보다 부드러운 모서리를 생성하는 안티 앨리어싱 기법을 적용하면 이 역시 개선이 가능하다.


    그림 34: 안티앨리어싱을 통한 렌더링 품질 향상 (좌:미적용, 우:적용)

    안티 앨리어싱 기법에 대해서는 이후에 별도로 다루도록 한다.

    잘 알려진 Bresenham의 알고리즘을 이용하면 정수 연산으로도 도형을 완성할 수 있는 최적화된 구현이 가능하다. Bresenham은 화면에 매핑될 픽셀이 정수라는 점에 기안하며 수학적 계산으로부터 픽셀 배치의 패턴을 정규화하여 보다 빠른 픽셀 위치 계산이 가능하다. Bresenham의 알고리즘은 안티 앨리어싱 효과까지 표현이 가능하다. Bresenham의 구현법이 궁금하면 다음 링크를 참조하자. http://members.chello.at/~easyfilter/bresenham.html


    5. 채우기

    5.1 단색 채우기

    도형 그리기를 완성하면 이제 색상을 채울 차례다. 색상을 채우는 메커니즘은 크게 단색과 그래디언트 두 부분으로 나눌 수 있다. 단색은 지정된 하나의 색상을 도형 전체에 적용하기 때문에 특별한 구현이 필요가 없다. 사용자가 지정한 색상을 얻어와서 드로잉 단계에서 적용하기만 하면 된다. 색상을 지정하기 위해 UIFilllSingleColor와 같은 클래스를 제공할 수 있으며 생성한 객체를 UIShape에 전달해 준다면 UIShape는 드로잉 시점에서 UIFillSingleColor로부터 색상 정보를 전달받을 수 있을 것이다.

    //사각형 생성 UIRect shape; shape.geometry(100, 100, 200, 200); shape.show(); //도형을 채울 색상을 지정 UIFillSingleColor fill; fill.color(UIRGBA(100, 100, 255, 255)); //도형에 색상 지정 shape.setFill(fill);

    코드 19: 채우기 사용 예제

    fill.color()에 지정한 색상은 R, G, B, A 각 채널별 값을 직접 지정할 수도 있지만, 범용적으로 사용되는 색상에 대해서는 UIRGBA.Blue, UIRGBA.SkyBlue 등의 이름을 미리 정의하여 편의를 제공할 수도 있다.

    UIRect.render(buffer, ...) { ... //UIRect는 드로잉 사각 영역과 오브젝트 영역을 벡터 렌더러에게 모두 전달한다. UIVectorRenderer.drawRect(buffer, self.rect, self.geometry(), self.fill(), ....); ... } /* * 사각형을 그리는 메서드 * buffer: NativeBuffer * rect: 드로잉할 사각 영역 (타입: Geometry) * clipper: 클립 영역 (타입: Geometry) * fill: 채우기 색상 (타입: UIFill) */ UIVectorRenderer.drawRect(buffer, rect, clipper, fill, ...) { ... /* 여기가 사각형을 그리는 실제 로직! 픽셀 색상은 fill로부터 얻어온다. 보다 나은 성능을 위해서 색상을 루프 밖에서 미리 구할 수도 있다. */ for (y = 0; y < rect.h; ++y) { for (x = 0; x < rect.w; ++x) bitmap[y * lineLength + x] = fill.color(); } }

    코드 20: 채우기 구현 로직

    보다 복잡한 부분은 그래디언트 채우기에 있다. 여러 그리기 툴에서 팔레트를 보았다면 조금 더 이해가 쉬울 것이다. 그래디언트는 연속된 이웃 색깔을 특정 영역 내에 채우는 효과를 보여주는데 여기서는 주로 많이 사용되는 선형과 원형 그래디언트를 구현해 보도록 한다.


    그림 35: 그래디언트 효과 대표적인 예 (Corel Painter)


    5.2 선형 그래디언트

    선형 그래디언트(Linear Gradient 또는 Axial Gradient)는 그래디언트 효과가 펼쳐질 공간의 두 꼭지점 그리고 보간할 다수의 색상의 정보가 필요하다. 일단은 이해를 쉽게 하기 위해 오른쪽 방향의 두 색상을 보간하는 그래디언트를 생각해 보자. 이 경우 그래디언트의 시작점과 끝점(p1, p2) 그리고 두 색상 정보 (C1, C2)가 주어진다. 두 색상을 선형 보간하기 위해서는 시작 지점부터 현재 그릴 픽셀의 위치(p3)에 해당하는 이동지점 0 ~ 1 사이의 정규값(p)을 구한 후, 이 값을 이용하여 색상을 보간한다(C3).


    그림 36: 선형 그래디언트 보간 수식

    문제를 조금 더 응용해 보자. 임의의 방향을 이루는 선형 그래디언트의 경우에는 어떻게 해야 할까? 이 경우, 현재 그리는 픽셀 위치(p4)로부터 정규값(p)을 구하는 것이 핵심이다. 컴퓨터 명령어 처리 방식과 메모리의 구조 상 픽셀값을 기록하는 방향의 우선 순위는 일반적으로 가로축에 해당한다. 이를 고려한다면, 정규값을 구하기 위해서는 현재 픽셀 위치로부터 벡터(V1)을 구한 후, 이를 그래디언트 방향의 방향 벡터(V)에 투영하여 도출한 벡터(V2)로부터 실질적인 위치 p3를 구할 수 있다. 그리고 앞서 살펴본 선형 그래디언트 구현식을 통해 정규값과 색상 값을 구할 수 있다. p3에 위치한 색상 값은 우리가 구하고자 하는 현재 픽셀 위치의 색상 값과 사실상 동일하다.


    그림 37: 선형 그래디언트 구현식

    참고로, cosA 값은 두 벡터의 내적으로부터 추론할 수 있다.


    그림 38: 벡터의 내적

    세 개의 색상을 조합하기 위해서는 앞서 두 색상을 보간하는 방식을 반복적으로 수행하면 된다. 그래디언트를 채울 공간은 동일하게 하나지만, 개입하는 색상의 정보가 늘어나기 때문에 각 색상이 개입할 위치 정보 역시 추가적으로 필요하다. 이러한 개입되는 색상의 위치는 좌표 값으로 지정할 수도 있지만 정규값으로 지정하는 것도 가능하며 이론상 개입할 수 있는 색상의 개수는 제한이 없다.

    //둥근 사각형 도형 생성 UIRoundRect shape; shape.geometry(0, 0, 200, 150); shape.cornerRadius(0.075); shape.show(); //도형을 채울 선형 그래디언트 UIFillLinearGradient fill; //선형 그래디언트의 영역 지정 (시작점, 끝점) fill.region(0, 0, 200, 150); /* 선형 그래디언트의 색상 지정 (위치, RGBA 색상). 각 색상의 위치값을 주의깊게 보자. 위치는 0 ~ 1 사이의 범위로 제한한다. */ fill.addColorStop(0.0, UIRGBA(100, 100, 255, 255)); fill.addColorStop(0.5, UIRGBA(255, 255, 255, 255)); fill.addColorStop(1.0, UIRGBA(255, 255, 0, 255)); //도형에 채우기 지정 shape.fill(fill);

    코드 21:선형 그래디언트 채우기 사용 예제


    그림 39: 세 개의 색상이 개입된 선형 그래디언트 출력 도식화


    그림 40: 그래디언트 방향에 따른 출력 결과


    그림 41: 개입 색상 수에 따른 출력 결과


    세 개 이상의 색상이 그래디언트에 개입하는 경우, 인접한 두 색상끼리 색상 보간을 수행한다. 그림 39의 경우에는 {Stop1, Stop2}과 {Stop2와 Stop3} 이렇게 두 쌍의 선형 보간이 발생한다. 이 때 그래디언트 방향 벡터는 공유하되 정규값의 대상은 그래디언트 전체 공간이 아닌 두 점 사이가 된다. 결과적으로, 선형 그래디언트에서 한 픽셀의 색상을 구하기 위해서는 다음과 같은 로직을 구현한다.


    그림 42: 복수 색상의 선형 그래디언트 구현식

    /* * 사각형을 그리는 메서드 * buffer: NativeBuffer * rect: 드로잉할 사각 영역 (타입: Geometry) * clipper: 클립 영역 (타입: Geometry) * fill: 채우기 색상 (타입: UIFill) */ UIVectorRenderer.drawRect(buffer, rect, clipper, fill, ...) { ... /* 여기가 사각형을 그리는 실제 로직! 픽셀 색상을 구하기 위해 그릴 위치 좌표를 추가로 전달한다. */ for (y = 0; y < rect.h; ++y) { for (x = 0; x < rect.w; ++x) bitmap[y * lineLength + x] = fill.color(x, y); } } /* * 선형 그래디언트 픽셀값 구하는 메서드 */ UIFillLinearGradient.color(x, y) { //예외처리: 개입하는 색상이 한 개이므로 이경우 단일 색상과 동일하다. if (self.colorStop.length() == 1) return self.colorStop[0].color; //그래디언트 방향 벡터 (V) UIVector2 vecDir = UIVector2(self.end - self.start); vecDir.normalize(); // (x, y) / Square Root(x * x + y * y) //구하고자 하는 픽셀의 벡터 (V1) UIVector2 vecCur = UIVector2(x - self.start.x, y - self.start.y); //벡터 투영을 통해, 그래디언트 방향 벡터로부터 V1의 위치를 구한다. Var cosA = (vecDir.x * vecCur.x + vecDir.y * vecCur.y); cosA /= (vecDir.length() * vecCur.length()); vecCur = (vecDir / vecDir.length()) * (vecCur.length() * cosA); Var progress = vecCur.length() / UIVector2(self.end - self.start).normalize(); //루프를 돌며 vecCur가 속한 색상의 세그먼트를 찾아서 최종 색상을 계산한다. for (idx = 0; idx < self.colorStop.length() - 1; idx++) { UIFillColorStop stop1 = self.colorStop[idx]; UIFillColorStop stop2 = self.colorStop[idx + 1]; //vecCur가 속한 색상 세그먼트인지? if (progress < stop1.pos || progress >= stop2.pos) continue; //색상 세그먼트 공간에서의 p 값을 구한다. UIVector2 vecSegment = (vecDir * stop2.pos) - (vecDir * stop1.pos); vecCur -= (vecDir * stop1.pos); Var p = vecCur.length() / vecSegment.length(); //두 색상을 보간한 값을 반환 return {stop1.color.r * p + stop2.color.r * (1 - p), stop1.color.g * p + stop2.color.g * (1 - p), stop1.color.b * p + stop2.color.b * (1 - p), stop1.color.a * p + stop2.color.a * (1 - p)}; } }

    코드 22: 선형 그래디언트 픽셀 계산 로직


    앞서 살펴본 수학적 풀이를 그대로 코드로 작성하고 있으므로 이해하기는 쉽지만 매 픽셀마다 코드 22와 같은 로직을 수행하기엔 다소 부담스러울 수도 있다. 여유가 된다면 캐싱 및 여러 최적화 기법을 검토해 볼 수 있지만 여기서는 원초적인 방법을 이해하는 것으로 일단 만족하도록 하자.


    5.3 원형 그래디언트

    선형 그래디언트를 이해하면 원형 그래디언트는 더 이상 어려운 문제가 아니다. 원형 역시 선형과 마찬가지로 그래디언트 방향 벡터와 현재 픽셀 위치로부터 정규값을 구하기만 하면 된다. 다만 선형과 달리 원형은 원을 중심으로 360도 전 방향으로 그래디언트가 펼쳐지는 차이가 있으며 원형 그래디언트의 방향 벡터는 원형 그래디언트의 초점(focal)로부터 현재 픽셀 위치 좌표의 차를 구해주는 것만으로도 구할 수 있기 때문에 어려운 계산은 딱히 존재하지 않는다. 대신, 매 픽셀마다 독립적인 방향 벡터를 구해야 하며, 초점으로부터 현재 픽셀까지의 거리를 구한 뒤 픽셀이 어느 색상 세그먼트에 속한지를 계산해야 한다. 이 후 선형 그래디언트와 똑같이 해당 세그먼트에 걸쳐 있는 두 색상을 이용하여 보간을 수행한다.


    그림 43: 원형 그래디언트 구현식


    그림 44: 초점 변화에 따른 출력 결과

    //원 도형 생성 UICircle shape; shape.position(200, 200); shape.radius(100); shape.show(); //도형을 채울 원형 그래디언트 UIFillRadialGradient fill; //원형 그래디언트의 초점. 그래디언트 공간 내 (0 ~ 1, 0 ~ 1) 사이의 범위로 제한한다 fill.focal(0.5, 0.5); //원형 그래디언트의 반경 fill.radius(100); /* 원형 그래디언트의 색상 지정 (위치, RGBA 색상). 각 색상의 위치값을 주의깊게 보자. 위치는 0 ~ 1 사이의 범위로 제한하며, 0은 초점, 1은 원형의 외곽 경계점을 가리킨다. */ fill.addColorStop(0.0, UIRGBA(100, 100, 255, 255)); fill.addColorStop(0.5, UIRGBA(255, 255, 255, 255)); fill.addColorStop(1.0, UIRGBA(100, 100, 255, 255)); //도형에 채우기 지정 shape.fill(fill);

    코드 23: 원형 그래디언트 채우기 사용 예제

    /* * 원형 그래디언트 픽셀값 구하는 메서드 */ UIFillRadialGradient.color(x, y) { //예외처리: 개입하는 색상이 한 개이므로 이경우 단일 색상과 동일하다. if (self.colorStop.length() == 1) return self.colorStop[0].color; //구하고자 하는 픽셀의 벡터 UIVector2 vecCur = UIVector2(x - self.focal.x, y - self.focal.y); //방향 벡터 UIVector2 vecDir = vecCur.Normalize(); Var progress = vecCur.length() / self.radius; //루프를 돌며 vecCur가 속한 색상의 세그먼트를 찾아서 최종 색상을 계산한다. for (idx = 0; idx < self.colorStop.length() - 1; idx++) { UIFillColorStop stop1 = self.colorStop[idx]; UIFillColorStop stop2 = self.colorStop[idx + 1]; //vecCur가 속한 색상 세그먼트인지? if (progress < stop1.pos || progress >= stop2.pos) continue; //색상 세그먼트 공간에서의 p 값을 구한다. UIVector2 vecSegment = (vecDir * stop2.pos) - (vecDir * stop1.pos); vecCur -= (vecDir * stop1.pos); Var p = vecCur.length() / vecSegment.length(); //두 색상을 보간한 값을 반환 return {stop1.color.r * p + stop2.color.r * (1 - p), stop1.color.g * p + stop2.color.g * (1 - p), stop1.color.b * p + stop2.color.b * (1 - p), stop1.color.a * p + stop2.color.a * (1 - p)}; } }

    코드 24: 원형 그래디언트 픽셀 계산 로직


    6. 스트로크

    원래 스트로크 용어는 붓터치 기법에서 유래한다. 유화 캔버스에서 붓터치 기법을 통해 얼마나 다양한 효과를 표현할 수 있는지 이해하고 있다면 벡터 그래픽스 엔진에서의 스트로크는 명색이 다소 초라할 수준일 수도 있다. 실제로 일반 벡터 그래픽스 엔진에서는 정형화된 몇 가지 패턴을 제공함으로써 도형의 외곽선을 부각하는 정도로 사용된다. 하지만 어도비 포토샵, 코렐 페인터 등의 전문 드로잉 툴에서 제공하는 실생활 미술에 가까운 다양한 붓터치 효과는 앱 자체 또는 별도의 엔진을 통해 제공하는 것으로 보인다. 붓터치 효과는 특수 페인팅 기술에 가깝기 때문에 UI 벡터 엔진에서 이를 제공하는 것은 그다지 효율적이지 못하다.


    그림 45: 다양한 붓 터치 효과 (Corel Painter)

    UI 벡터 엔진에서 스트로크를 사용하기 위해서는 스트로크 객체를 생성하고 관련 옵션을 지정한 후 그리고자 하는 도형에 생성한 스트로크를 연결해 줌으로써 가능하다. 우선 빠른 이해를 위해 스트로크 사용자 코드를 살펴보자.

    UILine line; //선 생성 line.from(100, 100); //시작점 line.to(150, 150); //끝점 line.show(); UIStroke stroke; //스트로크 객체 생성 stroke.width(10); //스트로크 두께 stroke.join(UIStroke.JoinMiter); //스트로크 연결점 (그림 13 참조) stroke.lineCap(UIStroke.LineCapButt); //스트로크 끝지점 (그림 14 참조) stroke.color(UIRGBA.Black); //스트로크 색상 line.stroke(stroke); //스트로크를 도형에 적용 //이 후 fill 설정 ...

    코드 25: 스트로크 사용 예

    실제로 도형, 채우기 그리고 스트로크 이 세 가지 요소가 벡터 드로잉 구성 요소로서 하나의 컨텍스트를 갖춘다. 카이로와 같은 이미디어트 모드의 벡터 엔진의 경우, 채우기와 스트로크 등의 드로잉 정보를 사용자가 직접 드로잉할 시점의 대상에 맞게 변경해 주면서 컨텍스트를 관리해야 하는 반면, 리테인드 모드를 모방하는 본 예제는 최초 대상 객체에 한번 지정해 주는 것만으로 충분하다.

    스트로크 드로잉은 사실상 선 구현의 연결선 상에 존재한다. 앞서 살펴본 선 드로잉 로직 기반으로 선의 두께, 조인, 대쉬 스타일과 정렬 기능을 확장한다면 스트로크의 기본은 완성된다. 다행히도 이러한 부분은 앞서 살펴본 도형 그리는 기법에서 벗어나지 않기 때문에 여기서는 선의 두께를 표현하는 방법에 좀 더 집중한다.

    스트로크 드로잉의 알고리즘은 Bresenham의 기법을 더 연구한 후 응용할 수 있다. 다른 접근법으로는 도형 그림을 먼저 완성한 후, 도형이 그려진 드로잉 버퍼를 스캔하면서 색상이 존재하는 픽셀과 존재하지 않는 픽셀, 즉 도형의 외곽선을 기준으로 스트로크를 추가로 덧대어 구축할 수도 있다. 하지만 여기서는 앞 절에서 살펴본 각 도형을 그리는 단계에서 도형의 테두리는 스트로크를 적용하여 별도로 처리하는 방식으로 접근해 보고자 한다.

    스트로크를 그리기 위해 선의 두께를 표현하는 방법을 일단 살펴보자. 직선 드로잉에서 살펴본 1픽셀 두께의 직선을 그리는 방법을 이해했다면 그렇게 어렵게 다가오지 않을 수도 있다. 가장 쉬운 접근법은 연속된 좌표로부터 위치를 바꿔가며 동일한 직선을 여러번 그림으로써 두께가 존재하는 직선을 표현하는 방법이다. 예를 들자면, 두께가 2인 선을 그리는 작업은 두께가 1인 선을 두 번 그리는 것과 동일하다. 하지만, 두께가 점점 증가한다면?

    선을 여러겹 출력하여 두께를 표현하는 방식에서는 선의 시작점과 끝점을 잘 계산하는 것이 중요하다. 하지만, 선의 각 꼭지점을 단순 평행 이동 하는 것만으로는 안된다는 점에서 다소 회의적이다. 특히 곡선에서 이러한 제약은 쉽게 드러난다.


    그림 46: 선 두께 표현 결과 (상: 단순 평행 이동, 하: 실제 원하는 결과)


    그림 47: 두께를 표현하기 위한 곡선(점선)의 단순 평행 이동 결과

    그림 46 상단 출력 결과를 보면, 단순 평행 이동으로는 선의 끝지점이 잘린 것처럼 표현될 수 있기 때문에 적절히 균형을 맞추며 수직, 수평으로 번갈아 이동하면서 선을 여러번 출력하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다. 하지만 그림 47을 보면 곡선의 경우 단순 패턴을 통한 위치 계산은 결코 깔끔하게 마무리 되기 어렵다. 심지어, 이러한 접근법은 경우의 수에 따라 로직이 훨씬 더욱 복잡해 진다. 물론, 경우의 수를 모두 보완하면 충분히 기능적으로 완성 가능하지만, 또다른 문제는 선의 두께가 두꺼울 수록 성능은 그다지 효율적이지 않게 된다는 점에 있다. 우리는 가급적 메모리 캐시(Cache) 효율을 활용할 수 있는 픽셀 출력 방식을 고민해야 하고 특히 대쉬 선의 경우, 선은 더이상 선이 아닌 연속된 도형의 집합에 가까워진다.


    그림 48: 두께가 있는 대쉬 선


    결국, 여기서 짚어볼 핵심은 우리는 두께가 존재하는 선을 선이 아닌 또다른 다각형으로 간주할 수 있다는 점이다.

    그림 48는 점선의 한 조각을 확대해서 보여준다. 점선의 각 조각을 하나의 폴리곤으로 간주한다면 어떨까? 조각의 외곽선 정보를 추출할 수 있다면, 네 개의 직선으로 구성된 UIPath를 만들고 이를 폴리곤으로서 도형을 완성할 수 있다. 만약, 이러한 직선이 대각선이 아니라 수직 또는 수평선이라면 점선 조각은 정확히 사각형과 일치하기 때문에 사각형의 네 꼭지점을 찾는 것은 매우 간단하다. 그리고 직사각형(또는 정사각형)을 중심으로 회전 각도를 구할 수 있다면 대각선의 최종 꼭지점의 좌표도 계산을 통해 구할 수 있다.

    우선은 이를 확인하기 위해 대쉬 스타일은 배제한 채, 하나의 직선을 구현해 보자. 코드 25는 넓이 10, 길이가 70.71 (정확히는 70.710678. 두 점의 사이의 거리를 구하는 식을 통해 계산)인 사각형에 해당한다. 이 사각형의 중심을 원점으로서 각 꼭지점의 상대 위치를 구할 수 있으며 실제 그리고자 하는 대각선을 가리키는 벡터를 투영과 내적 수식을 통해 사이각 A도 구할 수 있다. 사이각을 구하면, 회전 행렬을 이용하여 각 꼭지점의 회전 후 위치 좌표를 구한다.


    그림 49: 회전 사각형의 꼭지점 좌표 구하기

    사이각의 경우, 각도가 시계 방향 또는 반시계 방향인지에 대한 정보가 없기 때문에 이 경우 내적하고자 하는 V3 또는 V4 벡터의 x 좌표값이 양수인지 음수인지를 통해 구분하도록 하자. 이와 관련된 구현부는 단순한 수식의 표현에 그치지 않으므로 여기서는 생략한다.

    곡선의 경우를 살펴보자, 원이나 부채꼴의 둘레는 중점으로부터 반지름의 값을 조정함으로써 쉽게 구할 수 있다. 하지만 베지어, 스플라인 곡선의 경우에는 원래 곡선으로부터 부피를 표현하는 곡선의 양변을 구해야 한다. 이는 곡선의 방향 벡터로부터 법선 벡터 또는 90도 회전 벡터를 통해 가능하며 이 법선 벡터에 선의 두께를 반영하면 곡선의 각 변에 위치한 점을 정확히 찾을 수 있다.


    그림 50: 곡선의 방향 벡터로부터 변을 가리키는 법선 벡터 (V1 ~ Vn)

    이 때 양 변에 위치한 점을 구하기 위해 이를 계산하는 시점과 횟수를 결정하기 위한 간격(interval)을 결정할 필요가 있는데 간격이 좁을수록 두 변의 정확도는 증가하지만 그만큼 계산양도 많아진다. 하지만, 일반적인 환경이라면 매 1픽셀마다 변의 위치를 계산해도 별 무리가 없다. 다만 곡선의 진행 방향에 있어서 방향 벡터가 변하지 않은 경우에는 이러한 계산을 생략하는 것도 최적화에 도움이 된다. 계산을 통해 구한 각 변의 점을 연결하면 곡선의 테두리는 완성된다.

    /* 곡선의 정확한 표현을 위해서는 interval를 더 낮게 설정한다. 여기서는 0.01로 가정.*/ for (i = 0; i < 1; i += interval) { /* 베지어 곡선 공식(그림 30 참조)을 이용하여 곡선의 전체 구간 0 - 1 중 인자로 전달한 구간의 좌표 값을 반환 받는다. */ Point p1 = bezierCurvePos(i); Point p2 = bezierCurvePos(i + interval); /* 두 점으로부터 방향 벡터를 계산한다. */ Vector dir = p2 - p1; dir.normalize(); /* 방향 벡터을 90회전하여 법선 벡터를 구한다. */ v * mRotate; v.normalize(); /* 법선 벡터를 선 두께의 절반만큼 증가시키면 변에 위치한 점을 구할 수 있다. 이 벡터를 뒤집으면 정확히 반대편 변을 가리킨다. */ v *= (lineWidth * 0.5); /* 현재 곡선의 위치에서 구한 양변 점의 위치. v1, v2를 이전 루프의 v1, v2와 각각 연결해 나가면 두께가 존재하는 곡선이 완성된다. */ v1 = p1 + v; v2 = p1 - v1; }

    코드 26: 곡선의 변을 찾기 위한 주요 로직

    대쉬 스타일이 적용된 선의 경우, 선의 연속된 지점의 끝 즉, 생략 구간을 파악하는 것이 중요한데 선 전체 길이를 0 ~ 1 사이로 정규화시키면 계산이 보다 간단해진다.

    대쉬 스타일은 스타일을 미리 규격화하는 대신 사용자가 임의의 패턴을 자유롭게 지정할 수 있도록 인터페이스를 제공하는 것이 더욱 유연하다.

    /* 대쉬 패턴은 배열을 통해 사용자가 임의로 만들 수 있다. */ dashPattern = {50.0, //선 구간 10.0, //생략 구간 10.0, //선 구간 10.0}; //생략 구간 /* 스트로크에 적용, 4는 dashPattern 요소 길이 */ stroke.dash(dashPattern, 4);

    코드 27: 스트로크 대쉬 스타일 적용 예


    그림 51: 코드 27 출력 결과

    대쉬 선을 구현하기 위한 엔진 코드는 여기서는 생략한다. 핵심은 대쉬 패턴으로 지정한 값의 단위가 픽셀이라고 가정하고 전체 길이 중에서 어느 구간이 선이고 어느 구간이 생략 구간인지를 계산하는 것이다. 이를 계산한 후, 앞서 살펴본 개념에 적용하여 직선과 곡선의 대쉬 패턴을 구현하는 것이 가능하다.

    경로를 구축하는 과정에서 스트로크의 연결지점을 표현하는 방법으로 조인 속성을 지정할 수 있다. 그림 3.13을 확인해 보면 대표적인 조인 속성으로 miter, round, bevel이 있으며 이러한 특성을 시각적으로 표현하기 위해서는 스트로크 두 선의 끝 모서리를 연결하는 방식에 집중해야 한다.


    그림 52: 조인 특성에 따른 스트로크 연결 결과

    miter는 두 선이 교차하는 지점까지 선을 확장한다. 연결된 두 스트로크 선의 방정식을 이용하여 두 선이 만나는 지점을 찾은 뒤, 그 구간까지 선을 확장하여 miter를 위한 도형 조각을 완성해야 한다. 그림 3.52 miter의 비어있는 영역이 추가로 그려야 할 도형에 해당하며 스트로크를 우선 그린 후, miter를 위한 폴리곤을 추가로 그린다.

    round의 경우, 두 선의 끝 외각 꼭지점을 토대로 부채꼴을 추가로 완성하면 된다. 앞 절에서 살펴본 부채꼴 그리는 로직을 그래도 활용가능하다. 원래 두 선이 끝나는 점을 원의 중심으로 하여 선의 넓이의 절반을 원의 반지름으로 지정한다. 원의 중심으로부터 두 꼭지점을 가리키는 벡터를 통해 부채꼴이 그려야할 각도를 계산한다. 스트로크를 그린 후에는 round를 위한 부채꼴을 추가로 그린다.

    마지막으로 bevel은 두 선 끝 외각 꼭지점을 직선으로 그래도 연결해 준다. miter와 마찬가지로 bevel을 위한 도형 조각을 추가로 완성해야 하는데 기존 폴리곤 로직을 그래도 활용할 수 있다.

    조인의 구현 방식을 이해한다면 라인캡 역시 크게 다를바 없기 때문에 여기서는 별도로 다루지 않도록 한다.

    스트로크는 도형을 그는 과정에서 수행가능하다. 여기서는 도형의 합병에 대해서 언급하진 않았지만 만약 여러 도형간 합병(merge)이 발생하면 스트로크의 경로도 달라질 수 있다. 각 도형마다 스트로크를 그리는대신 합병으로 완성된 최후의 폴리곤을 대상으로 스트로크가 완성되어야 한다. 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 도형의 조작은 오브젝트의 update() 시점에 미리 처리하고 가공된 정보를 유지함으로써 렌더링의 성능을 높일 수 있다.

    마지막으로 다음은 코드 17를 보강하여 벡터 드로잉에서 스트로크를 추가로 그리는 로직을 의사 코드 수준으로 보여준다. 대표적으로 UIPath에 적용해 보자.

    UIStroke.update(UIShape shape) { List pathList; /* stroke가 적용된 shape의 타입(사각형, 원, 곡선, 경로 등)을 토대로 stroke 폴리곤을 구축한다. 폴리곤 정보를 UIPathCommand로 구축하되, 앞서 살펴본 개념을 기반으로 대쉬, 조인, 라인캡 등의 특성을 반영하고 최종적인 UIPathCommand를 구축하여 반환한다. */ ... return pathList; } UIPath.update() { /* 도형(UIPath)가 업데이트되는 시점에 stroke로부터 그려야할 스트로크 폴리곤 커맨드를 구축한다. 이 커맨드 목록은 render()에서 UIVectorRenderer로 전달되며, 또다른 폴리곤으로서 도형 위에 추가로 그리기 위한 리소스로 활용된다. 전 프레임과 비교하여 UIPath 또는 UIStroke의 정보가 변경되지 않았다면, strokeCmdList도 다시 갱신할 필요가 없다. */ self.strokeCmdList = self.stroke.update(this); } UIPath.render(buffer, ...) { //UIPath 도형 자체를 우선 그린다. drawPolygon()은 코드 18를 참고하자. UIVectorRenderer.drawPolygon(buffer, self.commands, clipper, fill, ...); /* strokesCmdList로부터 스트로크를 그리기 위한 벡터 커맨드 리스트를 얻어와 드로잉을 수행하며 drawPolygon() 메서드를 그대로 이용한다. */ foreach(self.strokeCmdList, strkCmds) self.drawPolygon(buffer, strkCmds, clipper, self.stroke.fill(), ...); }

    코드 28: 스트로크를 추가한 드로잉 로직


    7. RLE 최적화

    RLE(Run-Length Encoding)은 데이터 압축 기법 중 하나로 연속된 동일 데이터를 하나의 데이터와 그 횟수로만 기입한다. 예를 들면, ‘aaaabbbbbccccddd’ 라는 14개의 연속된 데이터를 RLE 방식으로 압축하면 ‘a4b5c4d3’와 같이 변환되며, 이는 8개의 데이터로서 원본 대비 절반가량의 데이터 크기를 갖는다. RLE은 압축 방식 중에서도 알고리즘이 단순하여 적용하기도 쉽고 비손실이라는 특성을 가지고 있기 때문에 원본 훼손이 없는 장점을 지니고 있다. 이 압축 방식은 극단적으로 데이터가 무한히 반복될 경우 최대 99퍼센트의 압축률을 보여줄 수도 있지만, 데이터가 세 번 이상 반복되는 경우가 없다면 실질적으로 압축의 효과가 없거나 반대로 데이터가 더 커질 수도 있기 때문에 사용이 다소 제약적이다. 특히 원본 데이터에 패턴이 없고 불특정한 경우에는 RLE는 사용하기 적절하지 않다.

    벡터 그래픽스에서 RLE는 사용성이 다분하다. 최근 UI에서 벡터 그래픽스로 출력한 이미지들은 텍스처가 단순하여 동일한 색상의 픽셀이 반복되는 경향이 있는데 이러한 특성은 RLE 압축과 잘 부합한다.


    그림 53: RLE를 이용한 이미지 압축 

    그림 53은 가로 620 크기 벡터 이미지에서 특정 라인의 픽셀 데이터를 RLE를 이용하여 압축한 결과를 도식화한다. 1픽셀의 크기가 4바이트 인 경우 620 * 4 = 2480 바이트를 요구하는 반면 RLE 압축을 할 경우 12 * 4 = 48바이트로 감소하며 이는 0.01% 크기로 메모리를 절약한 셈이다.

    그럼 우리가 앞서 이야기한 벡터 렌더링 엔진에서 RLE을 어떻게 활용할 수 있을까? 벡터 UI의 경우 복잡한 계산을 통한 실시간 이미지를 생성한다는 점에서 계산량이 많을 수 있다. 만약, 한번 계산한 도형 이미지를 RLE로 저장하여 재활용한다면, 동일한 도형을 다시 그리는 과정에서 계산을 건너뛸 수 있으므로 성능 향상에 도움이 된다. 물론 생성한 벡터 비트맵 이미지를 그대로 캐싱할 수도 있다. 이 경우에는 성능상 얻는 이점도 있지만 그만큼 많은 메모리를 필요로 하기 때문에 다소 절충점이 필요하다. 특히 앱 화면에 벡터 UI 요소가 많다면 메모리 사용량은 크게 증가할 수 있다.

    사실 벡터 렌더링 엔진에서 RLE가 절대 해답은 아니다. 특히 그래디언트 채우기를 적용하는 경우라면, 도형의 매 픽셀마다 다른 데이터 정보가 필요하기 때문에 RLE는 적절하지가 않다. 대신 여기서는 벡터 엔진의 하나의 최적화 방법으로서 RLE을 적용할 수 있음을 보여주며, 그래디언트 채우기가 아닌 단색 도형의 경우, 또는 그래디언트 채우기 일지라도 색상 정보를 제외한 도형의 형태 정보만 저장함으로써 이 RLE 기법은 유효하다. 실제로 폰트의 글리프를 생성하는 프리타입(FreeType) 벡터 엔진에서도 RLE를 적용한 벡터 글리프를 드로잉하고 있으며 경우에 따라 RLE를 다른 최적화 알고리즘과 함께 잘 버물려 응용한다면 더욱 막강한 효과를 보여줄 수 있을 것이다.

    그림 53의 벡터 이미지의 경우 사실 하나의 이미지를 위해 크게 세 부분의 벡터 요소(배경, 구름, 태양. 설명을 단순화 하기 위해 태양 주위의 광선은 생략한다. )가 존재함을 알 수 있다. 달리 말하면, 배경을 위한 하나의 사각형과 두 개의 폴리곤을 이용하는데, 각 도형마다 RLE를 적용할 수 있다. (물론 사각형의 경우에는 도형 계산이 원래 단순함으로 RLE 적용을 생략하는 것이 더 효율적이다.)

    여기서는 하나의 예로서 구름을 대상으로 살펴보자. 색상 정보를 제외하고 도형의 지오메트리 자체를 기록하기 위해 매 라인마다 도형의 시작점과 끝점 정보가 필요하다. 하나의 라인 정보를 RLESpan으로서 정의하면 하나의 RLESpan은 시작점(x)와 그 길이 정보(length)를 보유하게 된다. 이러한 RLESpan은 y축으로 연속적이기 때문에 y 정보는 필요하지 않으며 대신 RLESpan을 배열을 보유하는 RLEPolygon이 y와 y축 길이 정보를 보유한다. 단색이라는 가정 하에, RLEPolygon은 해당 폴리곤의 색상 정보도 추가로 보유할 수도 있다.


    그림 53: RLE를 이용한 하나의 도형 정보 구축


    Span 기반으로 도형의 이미지 정보를 구축하면 실제 도형이 위치 정보만을 기록하기 때문에 일반 이미지와 달리 불필요한 여백 정보(그림 54의 회색 영역)를 따로 기록할 필요가 없다. 여기서는 이해를 위해 생략하였지만, 하나의 Span이 기록해야할 도형 영역은 반드시 하나라고 가정할 수 없기 때문에 RLESpan은 가변 개수의 영역을 기록할 수 있어야 한다.

    마지막으로, RLE를 벡터 렌더링 엔진에 적용하기 위해서 데이터를 인코딩하고 디코딩하는 핵심 로직을 살펴보도록 하자.

    /* * 기존 폴리곤을 그리는 메서드를 수정하여 RLE를 적용한다. * RLEData를 구축하는 것이 핵심이다. */ UIPath.update() { /* 도형에 변화가 없다면 update()를 수행할 필요가 없다. 불필요한 계산을 막는다. UIPath의 command에 변화가 있었다면 changed의 값은 true일 것이다. */ if (self.changed == false) return; /* 1. UIPath 도형 */ //도형의 시작과 끝 y좌표 Var startY, endY; foreach(commands. cmd) { //각 커맨드가 도달할 수 있는 y의 min,max 값을 도출하여 startY, endY를 구한다. ... } //RLE Data 구축 RLEData rleData; rleData.y = startY; rleData.length = endY - startY; //RLESpan을 구축한다. for (y = startY, i = 0; y < endY; y++, i++) { list xList; //a. 현재 y위치에서 충돌하는 선들의 x좌표값을 구한다. xList = findIntersects(commands); //b. a에서 구한 x 좌표값을 오름차순으로 정렬한다. sortAscending(xList); //c. b에서 준비된 x좌표값을 이용하여 Span을 구축한다. for (i = 0; i < xList.size() - 1; i+=2) { RLESpan span; span.x = xList[i]; span.length = xList[i + 1] - xList[i]; rleData.spans[i].append(span); } } self.rleShapeData = rleData; /* 2. 스트로크 커맨드 */ //동일한 방법으로 스트로크 RLE 데이터를 추가로 구축한다. ... self.rleStrokeData = rleData; self.changed = false; } /* * update()에서 구축한 RLEData를 UIVectorRenderer로 전달한다. */ UIPath.render(buffer, ...) { //UIPath 도형 자체를 우선 그린다. UIVectorRenderer.drawRLE(buffer, self.rleShapeData, clipper, fill, ...); //다음으로 UIPath의 스트로크를 그린다. UIVectorRenderer.drawRLE(buffer, self.rleStrokeData, clipper, self.strokefill(), ...); } /* * RLE 데이터로부터 드로잉을 수행하는 메서드 * buffer: NativeBuffer * rleData: RLE 데이터 (타입: RLEData) * clipper: 클립 영역 (타입: Geometry) * fill: 채우기 색상 (타입: UIFill) */ UIVectorRenderer.drawRLE(buffer, rleData, clipper, fill, ...) { Var startY = rleData.y; Var endY = startY + rleData.length; //y 영역에 대해서 클리핑을 수행 ... for (y = startY; y < endY; y++) { //Span을 가져와 드로잉을 수행한다. foreach (rleData.spans[y - rleData.y], span) { Var startX = span.x; Var endX = startX + span.length; //x 영역에 대해서 클리핑을 수행 ... //(x, y)에 해당하는 픽셀을 그린다. for (x = xStart; x < xEnd; x++) bitmap[y * lineLength + x] = fill.color(x, y); } } }

    코드 29: RLE을 적용한 UIPath 드로잉


    8. 정리하기

    벡터 그래픽스는 UI 엔진의 기본 핵심 기능으로서 UI를 구성하는 기본 도형부터 기하학적인 다각형을 출력하는 메커니즘을 수행한다. 이러한 도형을 조합하면 다양한 형태의 UI를 생성할 수 있는데, 보다 화려한 효과를 제공하기 위해 도형의 색상을 채우는 기능은 물론 선과 도형의 외곽선 스타일을 지정하는 기능도 제공한다.

    이번 장에서는 벡터 그래픽스의 역사와 컨셉을 살펴보았고 그동안 산업 표준으로 사용된 SVG 포맷의 스펙을 간략히 살펴보았다. 비록 SVG는 여기서 다룬 내용보다 더 광범위한 스펙을 제공하지만, 사각형, 원, 선, 곡선 등 주요 도형을 출력하기 위한 수식과 원리를 이해하였고 이들을 직접 코드로 옮겨봄으로써 SVG는 물론, 벡터 렌더링을 구현할 수 있는 기반을 다졌을 것으로 생각한다. 그뿐만 아니라, 도형의 색상을 채우기 위한 단일 색상 채우기, 선형, 원형 그래디언트 채우기 기법을 살펴보았고 스트로크를 통해 선의 스타일 및 도형의 외곽선을 출력하는 방식도 살펴보았다. 마지막으로, 보다 나은 벡터 렌더링 성능을 위해 RLE 압축 기법을 이용하여 한번 생성한 도형 정보는 캐싱하고 이를 재활용하여 출력하는 기법도 배웠다.



    Tool: Corel Painter, Wacom INTUOS ART

    캔버스(Canvas)란 회화 표면에 유화를 그릴때 쓰이는 평직물을 뜻한다. 이와 유사한 개념으로 UI 엔진에서 캔버스는 UI 엔진에서 UI 객체를 화면에 출력하기 위한 드로잉 영역으로서 활용된다. 하지만 단순히 드로잉 영역을 제공하는 평직물 이상으로, UI 엔진에서의 캔버스는 이보다 훨씬 더 복잡한 기능을 제공한다. 특히 리테인드(Retained) 그래픽 시스템의 캔버스의 경우 앱 화면을 구성하는 UI 객체의 라이프 사이클을 관리하고 이들이 적절한 시점에 화면에 출력될 수 있도록 도움을 준다. 그뿐만 아니라, UI 객체를 캔버스 내부에서 관리하기 때문에 최적의 렌더링을 위한 복잡한 알고리즘을 내부적으로 수행하기도 한다. 추가로 UI 객체를 관리하는 역할 특성상, 단순히 그래픽 출력 뿐만 아니라 사용자 이벤트 처리 방식까지 관여를 하게 되며 캔버스에 배치된 UI 객체가 사용자와 상호작용을 수행할 수 있도록 도와준다.

    이처럼 캔버스는 UI 엔진에서 매우 중요한 역할을 수행한다. 개발자로서 UI 캔버스의 내부 동작을 이해한다면 UI 프레임워크의 전반적인 동작 이해에 큰 도움이 된다. 그뿐만 아니라, 앱 개발 관점에서도 앱 개발 중 발생한 UI 동작 오류는 물론, 보다 최적의 앱을 구현할 수 있는 고급 지식과 이해를 갖추는데 도움이 된다. 이번 장에서는 UI 엔진의 핵심인 캔버스 모델을 자세히 살펴보고 캔버스가 제공하는 기본 기능은 물론, 핵심 기능 구현 방법도 살펴보도록 하자. 이번 장을 학습하고나면 UI 객체가 화면에 출력되는 과정을 전반적으로 이해하는데 도움이 될 것이다.


    1. 이번 장 목표

    이번 장을 통해 다음 사항을 학습해 보자.

  • 렌더링의 개념과 동작 구조를 이해한다.
  • 리테인드 모드와 이미디어트 모드의 차이를 이해한다.
  • 캔버스 모델의 특징과 캔버스 엔진의 핵심 기능을 구현한다.
  • UIObject 모델을 이해하고 핵심 기능을 구현한다.
  • 씬그래프 기반의 캔버스 렌더링 메커니즘을 이해한다.
  • 레이어를 통한 객체의 렌더링 순서를 조정하는 방안을 살펴본다.


  • 2. 렌더링의 이해

    렌더링(Rendering)이란 컴퓨터 프로그램을 이용하여 입력 데이터로부터 최종 영상을 만들어내는 과정을 의미한다. UI 엔진 역시 UI 요소를 화면에 출력하기 위해 렌더링 엔진을 요구한다. 보다 복잡한 화면 구성일수록 렌더링 과정 역시 복잡하다. 벡터 그래픽스나 3차원 그래픽스처럼 기하학 정보로부터 최종 픽셀을 생성하는 과정의 경우 렌더링 과정에서 많은 연산이 필요하기 때문에 그래픽스 하드웨어 장치의 도움을 받기도 하며 최근의 시스템에서는 UI 출력 역시 그래픽스 하드웨어 장치를 활용하여 렌더링을 수행하기도 한다. 우선은 이해하기 쉽게 단순한 시나리오로 전체적인 맥락을 짚어 보자. UI를 화면에 출력하기 위해 어떠한 렌더링 절차가 필요할까? 다음 그림은 렌더링 과정을 하나의 예로서 간략하게 도식화한다.


    그림 1: UI 렌더링 과정

    UI 렌더링 엔진의 기능과 설계 방식에 따라 구조 및 동작 방식에 차이가 있을 수 있지만 일반적으로 UI 렌더링 엔진은 그림 1와 같이 이미지를 출력하는 이미지 렌더러(Image Renderer), 텍스트를 출력하는 텍스트 렌더러(Text Renderer), 벡터 드로잉을 수행하는 벡터 렌더러(Vector Renderer) 크게 세 부분의 렌더링을 수행한다. 이 세 렌더링 과정을 거치면, 이들이 만들어낸 결과물을 조합(Composition)하여 최종 결과물을 화면에 출력할 수 있다.

    이미지 렌더러는 jpeg, png 포맷과 같은 이미지 파일로부터 데이터를 읽어와 비트맵 이미지를 생성하는 역할을 담당하며 이미지 스케일링(Scaling), 변환(Transform), 색상 모델(Colorspace) 변환 등을 추가로 수행한다. 이 때 이미지 포맷에 따라 데이터 구성 및 디코딩 방식이 다르며 이미지를 불러오는 과정도 다르다. 이미지 로더에서 수행하는 디코딩 작업은 이미지 포맷에 의존하며, 디코딩 작업의 로직도 복잡한 편이다. 그렇기 때문에, 이미지 로더를 UI 렌더링 엔진에서 직접 구현하기 보다는 각 포맷에 해당하는 외부 모듈로 구성하는 것이 더 효율적이다.

    텍스트 렌더러는 폰트 데이터로부터 폰트 정보를 읽어와 글리프(Glyph)를 생성하며 이러한 글리프를 조합/배열하여 출력할 텍스트를 완성한다. 글리프는 텍스트를 구성하는 하나의 문자 이미지를 가리킨다. 글리프를 생성하는 폰트 엔진은 폰트 정보가 저장되어 있는 폰트 파일로부터 폰트 그래픽 디자인은 물론 위치, 문자 사이의 자간 정보 등을 해석하여 최종 텍스트 이미지를 완성한다. 대중적인 폰트 포맷으로 OTF(Open Type Format), TTF(True Type Format), Fnt(Font) 등이 있다. 일반적으로 폰트 엔진 역시 벡터 렌더링을 수행하며 그 자체로도 방대한 기능을 완성하기 때문에 UI 렌더링 엔진과는 별개의 모듈로서 구성하는 것이 설계 관점에서 더 바람직이다. 참고로 프리타입(freetype) 오픈소스 프로젝트는 텍스트를 출력하는 안정적이고 성능이 우수한 무료 소프트웨어를 제공한다.


    그림 2: 폰트 파일에는 글리프(문자)를 그리기 위한 벡터 정보가 기록되어 있다. (FontForge)


    벡터 렌더러는 선, 원, 다각형의 이미지를 그리는 역할을 수행하며 대표적으로 SVG와 같은 벡터 리소스 데이터를 이용하거나 사용자가 입력한 기하 정보로부터 수식을 통해 이미지를 실시간으로 생성한다. UI를 완성하기 위해 이미지와 텍스트를 이용할 수도 있지만 벡터 드로잉 방식을 이용하면 해상도에 영향을 받지 않는 최적의 이미지를 생성할 수 있으며 리소스 데이터 역시 이미지에 비해 매우 작은 편이다. 게다가, 이미지로는 구현하기 어려운 다소 복잡한 형상의 애니메이션을 동적으로 만들어 낼 수 있는 장점도 있다. 다만 벡터 드로잉은 이미지를 생성하는 연산 과정에서 부하가 발생하기도 한다. 이를 보완하기 위해 그래픽스 하드웨어 도움을 받는 것도 고려할 부분이다. 안드로이드의 머티리얼(Material) UI가 벡터 기반 UI의 대표적인 예이다.


    그림 3: 안드로이드 머티리얼 UI

    안드로이드 머티리얼 UI도 이에 해당되지만, 최근에는 마이크로 인터렉션(Micro Interaction) UX 개념이 유행하면서 과거에 비해 벡터 그래픽스가 여러 시스템에서 범용적으로 활용되고 있다. 최근에는 벡터 기반의 애니메이션을 지원하기 위해 바디무빈(Bodymovin)으로 불리는 json 포맷이 활용되고 있으며 이 포맷을 출력하기 위해 에어비엔비(Airbnb)에서 제작한 로띠(Lottie)라는 오픈소스도 존재한다. 기본적으로 바디무빈 데이터는 어도비(Adobe)의 애프터이펙트(After Effect) 툴에서 작업한 벡터 데이터를 추출한 결과물이다.


    그림 4: Airbnb의 오픈소스 프로젝트 Lottie

    사실상, 그동안 업계에서는 벡터 UX의 애니메이션을 지원하기 위한 별다른 표준 포맷이 존재하지 않았다. SVG의 Smil이라는 확장 포맷이 있었지만 이는 SVG의 공식 포맷이 아니었기 때문에 여러 UI 시스템에서 범용적으로 활용되지 못했다. 반면, 바디무빈은 Hernan Torrisi이라는 개인 개발자가 개발한 포맷이며 로띠 프로젝트를 통해 커뮤니티가 매우 잘 활성되었다. 실제로 LottieFiles 사이트에만 가더라도 무료로 활용할 수 있는 벡터 애니메이션 샘플 리소스를 다운받을 수 있으며 마이크로 인터렉션 디자인 트렌드와 함께 안드로이드, iOS, 자마린 등 여러 플랫폼에서 지원하기 시작했다.


    그림 5: LottieFiles에서 다운받을 수 있는 방대한 벡터 애니메이션 리소스

    UI 렌더링 엔진은 호출자에서 요구한 UI 구성 정보 내지 드로잉 구성 정보를 재해석하여 각각의 렌더러로 작업을 전달하며 각각의 렌더러는 요청한 이미지를 생성한다. 생성된 이미지는 사용자가 입력한 UI의 위치, 크기 정보를 토대로 재배치, 조합하여 최종 결과물을 만들어내는 컴퍼지션 작업을 거치게 된다. 완성된 결과물은 32비트 비트맵으로서, 비트맵을 구성하는 각 픽셀(점) 정보는 RGBA(24비트의 경우 RGB) 색상 정보를 갖춘다. 예를 들어, 400x400 크기 이미지의 비트맵이라고 가정하면 400x400x32비트 크기의 비트맵이 필요하며 여기서 하나의 픽셀 데이터 크기는 32비트이다. 이 한 픽셀은 다시 R(적색), G(녹색), B(청색), A(알파) 채널 정보로 구성되는데 각 채널당 8비트의 크기를 구성하며 이는 28 크기에 해당되므로 한 채널당 0 ~ 255의 색상 정보를 보유할 수 있다. 0 ~ 255 값의 각 채널을 조합하면 실제로 하나의 픽셀이 나타낼 수 있는 색상의 수는 16,581,375개가 된다. 결국 이러한 픽셀은 모니터 화소에 1:1로 매핑됨으로서 하나의 색상 점으로서 출력되며 최종 결과물인 비트맵을 생성하는 과정까지가 렌더링 엔진이 담당한다. 이 후의 비트맵은 디스플레이 출력을 담당하는 드라이버로 전달됨으로로써 최종적으로 화면에 보여질 수 있다.


    그림 6: 비트맵을 구성하는 픽셀 도식화

    비트맵을 구현하기 위해서는 일련의 메모리 공간을 필요로 하는데, 비트맵에 기록하는 각 픽셀의 채널 순서는 시스템 환경에 따라 다르게 지정될 수도 있다. 일반적으로 픽셀 채널은 R, G, B, A 순으로 구성한다.

    /* bitmap은 4바이트 크기의 데이터 타입 배열이라고 가정하자. 이 경우, 가로 10, 세로 10 크기의 비트맵 데이터를 가리킨다. */
    bitmap[10][10];
    bitmap[0][0] = 0xff0000ff;   //첫 번째 라인의 첫 번째 픽셀 색상은 적색
    bitmap[0][1] = 0x00ff00ff;   //첫 번째 라인의 두 번째 픽셀 색상은 녹색
    bitmap[0][2] = 0x0000ffff;   //첫 번째 라인의 세 번째 픽셀 색상은 청색
    ...
    bitmap[1][0] = 0xffff00ff;   //두 번째 라인의 첫 번째 픽셀 색상은 황색
    bitmap[1][1] = 0xff00ffff;   //두 번째 라인의 첫 번째 픽셀 색상은 보라색
    bitmap[1][2] = 0xffffffff;   //두 번째 라인의 세 번째 픽셀 색상은 흰색
    ...
    bitmap[7][9] = 0x000000ff;   //열 번째 라인의 여덟 번째 픽셀 색상은 검정
    bitmap[8][9] = 0x00ffffff;   //열 번째 라인의 아홉 번째 픽셀 색상은 청록색
    bitmap[9][9] = 0xffffffff;   //열 번째 라인의 열 번째 픽셀 색상은 흰색
    
    코드 1: 비트맵에 직접 색상 값을 채우는 예

    UI를 출력하기 위한 렌더링은 앱의 호출에 의해 발생할수도 있지만 보다 고급의 엔진에 가깝다면 UI 엔진 스스로 렌더링을 호출하기도 한다. 전자의 경우를 이미디어트(Immediate) 렌더링이라고 하고 후자는 리테인드(Retained) 렌더링이라고 한다. 이미디어트 렌더링은 리테인드 렌더링과 비교하면 보다 원초적으로 동작하는데 그만큼 앱이 렌더링에 더 많은 것을 관여할 수도 있다. 이미디어트 렌더링의 경우 앱이 드로잉 커맨드를 호출할 때마다 실제로 드로잉 대상 버퍼에 드로잉 작업이 수행되기 때문에 드로잉 호출에 보다 신중해야 한다. 앱은 불필요한 드로잉을 피해야 하며, 윈도우 시스템에 의해 무효(Invalid) 영역이 발생했을 때 화면을 새로 갱신하기 위한 드로잉 컨텍스트 관리 작업 등이 필요하다.


    그림 7: 이미디어트 렌더링

    /*
     * 이 예제에서는 이미지를 교체하고 버튼의 위치를 이동한다.
     * 버튼과 이미지의 인스턴스는 이전에 이미 생성, 초기화 되었다고 가정하자. 
    */
    update()
    {
        ...
    
        //새 버튼 이미지를 불러온다.
        img.open(NEW_IMG);
    
        //이미지를 화면에 다시 그리기 위해 무효 영역을 설정한다.
        invalidateArea(img.geometry());
    
        //버튼의 변화를 위해 이전 영역을 무효 영역으로 설정한다.
        invalidateArea(btn.geometry());
    
        //버튼의 위치가 (200, 200)에서 (300, 300)으로 이동하였다고 가정하자.
        btn.position(300, 300);
    
        //버튼의 새로운 위치를 기준으로 화면을 다시 그려야 한다.
        invalidateArea(btn.geometry());
    
        //무효 영역을 모두 지정한 이후, 화면을 갱신하기 위한 렌더링을 요청한다.
        render();
    
        //이 시점에서 화면에서 이미지와 버튼 위치가 바뀐 것을 확인할 수 있다.
        ...
    }
    
    코드 2: 이미디어트 렌더링 사용 예

    전통적인 그래픽스 시스템인 그놈(Gnome)의 GTK+, 마이크로소프트의 GDI, GDI+가 이미디어트 렌더링 엔진을 제공하며 3차원 그래픽스 인터페이스인 OpenGL과 Direct3D 역시 기본적으로 이미디어트 렌더링을 제공한다. 모바일 플랫폼인 안드로이드 역시 이미디어트 렌더링을 수행한다. 이미디어트 렌더링의 경우 호출자가 비교적 렌더링에 적극적으로 관여할 수 있기 때문에 할 수만 있다면 보다 복잡하고 최적화된 렌더링도 구현이 가능하다. 하지만 그만큼 구현이 복잡해지는 단점도 존재한다. 특히 게임과 같이 특수 효과 및 최적화가 중요 요소인 경우 자유도가 높은 이미디어트 모드의 렌더링이 보다 용이할 수도 있다.

    반면, 리테인드 렌더링의 경우 엔진 스스로 많은 작업을 알아서 처리해 준다. 차폐된 렌더링 객체를 걸러내고 클리핑(Clipping)을 통해 드로잉 영역을 최소화하면서 적절한 시점에 렌더링을 수행한다. UI 요소의 컨텍스트를 내부적으로 보유하고 있기 때문에 윈도우 시스템에 의해 무효 영역이 발생하더라도 엔진 스스로 해당 영역을 다시 그리는 작업을 수행할 수 있다. 이러한 이유로 앱 개발자는 드로잉과 관련된 작업보다 앱의 순수 로직에 더 집중하여 개발할 수 있는 장점을 제공한다. 동시에 같은 이유로, 드로잉과 관련된 전반적인 컨텍스트 관리는 물론 UI 요소들의 정보를 엔진이 내부적으로 유지하고 있어야 하기 때문에 이미디어트 모드에 비해 엔진 구현이 보다 복잡하고 어려운 편이다. 이는 곧, 엔진 내부적으로 드로잉과 관련된 모든 정보가 은닉되어 있어서 앱 개발자는 드로잉과 관련된 작업에 직접적인 관여를 하기가 어렵다. 하지만 최근 기본 리테인드 모드의 그래픽스 시스템을 살펴보면 리테인드 렌더링 뿐만 아니라 이미디어트 렌더링 기능도 추가로 제공한다. 리테인드 모드 그래픽스 시스템에서의 이미디어트 렌더링 기능은 필요에 따라서 이미지 캡처 및 디버깅 등의 목적으로 활용될 수 있다. 마이크로소프트의 WPF와 그보다 최신인 UWP 그리고 애플의 IOS는 리테인드모드를 제공한다. 타이젠에 탑재된 Enlightenment Foundation Libraries(EFL) 역시 마찬가지이다.


    그림 8: 리테인드 렌더링

    /*
     * 이 예제에서는 이미지를 교체하고 버튼의 위치를 이동한다.
     * 버튼과 이미지의 인스턴스는 이전에 이미 생성, 초기화 되었다고 가정하자. 
    */
    update()
    {
        ...
        
        //새 버튼 이미지를 불러온다.
        img.open(NEW_IMG);
    
        //버튼의 위치가 (200, 200)에서 (300, 300)으로 이동하였다고 가정하자.
        btn.position(300, 300);
    
        /* 이미디어트 렌더링에 비해 코드가 매우 간소하다. 렌더링을 직접 요청하지도 않는다.
           하지만, 이 시점에서 화면에서 이미지와 버튼 위치가 바뀌었을까?... 
           앱 개발자 입장에서는 알 수가 없다. */
        ...
    }
    
    코드 3: 리테인드 렌더링 사용 예


    3.캔버스 엔진

    캔버스는 렌더링의 상위 개념이다. 우리는 캔버스 엔진 학습에 있어서 이미디어트보다 더 고급 개념인 리테인드 방식의 캔버스 엔진에 집중할 것이다. 리테인드 방식의 캔버스는 렌더링 대상인 UI 객체를 다루면서 필요시 렌더링을 수행한다. 일반적으로 하나의 출력 영역을 갖는 앱은 하나의 캔버스를 가지며 캔버스는 출력 영역에 그려질 화면을 생성한다. 1장에서 살펴보았듯이, 전통적인 시스템의 UI 앱은 윈도우를 통해 출력 영역을 확보하며 윈도우에 자신이 출력할 캔버스의 출력 버퍼를 매핑한다.


    그림 9: 캔버스 출력 버퍼 윈도우 매핑 도식화

    캔버스 엔진을 구현하기에 앞서, 우선 UI앱의 윈도우가 생성될 경우 윈도우와 매핑될 캔버스를 생성하고 초기화하는 구현부를 구축해보자. 현재 캔버스는 블랙박스인 채로 이해해도 무방하다.

    /* * UIWindow는 앱의 출력 영역을 결정하는 객체이다. * UIWindow 내부적으로 캔버스를 생성하고 초기화한다. * 생성한 캔버스는 UI엔진과 연동한다. * UIWindow의 동작은 윈도우 관리자의 관리를 받기 때문에 일반 UIObject와는 다른 * 방식으로 동작을 수행해야 한다. */ UIWindow { /* * 생성할 윈도우 타입을 정의한다. 윈도우 관리자는 윈도우 타입에 따라 관리 정책을 * 다르게 적용한다. 일부 선택 옵션은 앱의 권한에 따라 허용이 불가할 수 있다. * * Basic: 일반 UI앱을 위한 윈도우 * Desktop: 윈도우 관리자가 데스크탑 화면을 출력하기 위한 윈도우 * Popup: 임시적으로 컨텍스트 전환을 위한 윈도우. 다른 윈도우보다 우선순위를 높다. * Notification: 사용자에게 어떤 정보를 알리기 위한 윈도우 * ... * 필요에 따라 그 외 다른 타입의 윈도우를 정의/설계한다. */ UIWindowType = {TypeBasic, TypeDesktop, TypePopup, TypeNotification, ... }; UIWindowType type; //윈도우 타입 UICanvas canvas; //윈도우에 매핑된 캔버스 객체 /* 윈도우 시스템에서 제공하는 네이티브 윈도우 객체. 윈도우 관리자와 데이터를 주고받는 등의 통신을 수행하기 위한 포트(Port) 역할을 수행하며 윈도우 상태를 요청하거나 전달받는다. */ NativeWindow window; /* * 생성자. * 앱 개발자는 윈도우를 생성할 때 윈도우의 타입을 결정할 수 있다. * 윈도우 타입의 기본 값 설정은 BASIC이다. */ constructor(type = UIWindow.TypeBasic) { //type의 유효성 검사 ... //네이티브 윈도우의 타입을 결정한다. NativeWindowType windowType; switch(type) { UIWindow.TypeBasic: UIWindow.TypeDialog: UIWindow.TypeDock: UIWindow.TypeView: UIWindow.TypeDesktop: windowType = NativeWindow.TypeTopLevel; break; UIWindow.TypeMenu: UIWindow.TypeNotification: UIWindow.TypePopup: UIWindow.TypeTooltip: windowType = NativeWindow.TypeMenu; break; UIWindow.TypeDnd: windowType = NativeWindow.TypeDnd; break; default: windowType = NativeWindow.TypeDefault; } //네이티브 윈도우를 생성한다. 네이티브 윈도우는 내부적으로 캔버스를 생성한다. self.window = new NativeWindow(windowType); /* 윈도우 관리자에 의해 네이티브 윈도우의 상태가 변경될 수 있으므로 이 경우 이벤트를 등록해 UIWindow의 상태도 동시에 변경해야 한다. */ self.window.addEventCb(NativeWindow.EventResize, //EventResize 이벤트 발생 시 아래 코드가 수행된다. lambda(NativeWindow window) { ... } ); self.window.addEventCb(NativeWindow.EventShow, //EventShow 이벤트 발생 시 아래 코드가 수행된다. lambda(NativeWindow window) { ... } ); self.window.addEventCb(NativeWindow.EventHide, //EventHide 이벤트 발생 시 아래 코드가 수행된다. lambda(NativeWindow window) { ... } ); //그 외에 더 많은 이벤트가 존재한다. ... //캔버스를 생성한다. self.canvas = UICanvas(); //캔버스 엔진을 초기화한다. 매핑할 윈도우의 정보를 전달한다. self.canvas.setupEngine(self.window, ...); //캔버스를 엔진과 공유한다. UIEngine.canvas(self.canvas); } /* * 윈도우의 크기를 변경하면 캔버스의 크기도 변경한다. * 캔버스는 출력 버퍼의 크기를 최신의 크기로 재조정한다. */ size(w, h) { //캔버스의 크기를 변경한다. self.canvas.size(w, h); //윈도우 시스템에게 윈도우 버퍼 크기 변경 사실을 알려야만 한다. self.window.requestSize(w, h); ... } /* * 윈도우를 화면에 보인다. */ show() { //윈도우 시스템에게 윈도우가 화면에 나타나도록 요청한다. self.window.requestShow(); ... } /* * 윈도우를 화면에서 감춘다. */ hide() { //윈도우 시스템에게 윈도우가 화면에서 사라지도록 요청한다. self.window.requestHide(); ... } ... }

    코드 4: 캔버스를 생성하는 윈도우

    코드 4를 보면 UIWindow 내부적으로 NativeWindow가 존재한다. NativeWindow는 윈도우 시스템 인터페이스를 구현하며 서버 역할을 수행하는 윈도우 관리자/컴퍼지터와 통신을 수행하는 포트(Port) 역할을 담당한다고 가정한다. NativeWindow는 UI앱과 윈도우 관리자/컴퍼지터간의 통신 규약을 준수하며 동작 신호를 주고 받을 수 있다. 실제로 리눅스 시스템에서는 윈도우 시스템으로서 X Window와 Wayland을 대표적으로 활용한다.


    그림 10: NativeWindow와 윈도우 관리자 사이의 메시지 통신

     X Window와 Wayland


    X Window는 1984 MIT대학에서 고안한 윈도우 시스템으로 현재 버전 11까지 개발되었으며 긴 역사만큼 많은 기능들을 소화한다. 그에 반에 Wayland는 2012년 릴리즈한 윈도우 시스템으로인 만큼 최신 트렌드 기능 중심으로 X Window보다 경량화된 윈도우 시스템이다. 특히 불편하고 복잡한 인터페이스를 개선하고 X Window 시스템에서 사용되지 않은 불필요한 요소를 제거하여 릴리즈 시 여러 시스템 개발자들로 하여금 많은 관심을 모았다. Wayland는 클라이언트와 컴퍼지터간 캔버스 버퍼를 직접 공유하고 IPC의 보안 취약 요소를 제거하여 보다 안정적이고 효율적이다. 최근 몇 년간 많은 시스템이 X Window시스템으로부터 Wayland 시스템으로 전환하였으며 GNOME, KDE, EFL 등의 리눅스 UI 시스템 역시 Wayland를 지원한다.


    코드 4의 92번째 라인을 보면, UIWindow는 화면 출력을 위해 UICanvas 인스턴스를 하나 생성하여 UIEngine에 전달해 준다. UIEngine은 전달받은 UICanvas를 이용하여 적절한 시점에 렌더링을 요청한다.

    /* * UIEngine은 UI 엔진을 구동하는 클래스. UI 앱의 메인루프를 구동하며 시스템, 사용자 * 이벤트를 처리하고 캔버스를 통해 렌더링이 발생할 수 있게 한다. 하나의 프로세스(앱)은 * 반드시 하나의 UIEngine을 구동한다. 그렇기 때문에 UIEngine은 싱글턴(singleton) 또는 * 정적 객체로 구현하는 것이 가능하다. */ UIEngine { bool stop = true; //엔진 동작 여부 UICanvas canvas; //캔버스 객체 ... /* * 렌더링을 수행할 UICanvas를 지정한다. */ canvas(canvas) { /* 기존에 이미 캔버스가 설정되어 있는 경우 별다른 처리가 필요하다. 하나의 엔진이 반드시 하나의 캔버스가 보유해야 할까? 사실 여러 개의 윈도우를 보유한 앱이 존재할 수도 있다... */ if (self.canvas != null) ... self.canvas = canvas; //멤버변수로 캔버스 객체를 전달한다. } /* * 엔진 초기화 작업을 수행한다. */ init() { self.stop = false; self.canvas = null; ... } /* * 엔진을 구동한다. 앱의 메인루프에 해당하는 무한루프가 발생하며 일렬의 작업을 * 지속 수행한다. 그림 1.14 참고 */ run() { repeat {

    //stop()이 호출되면 메인루프도 종료

    if (self.stop == true) break;

    //이벤트 대기 ... //이벤트 처리 ... //캔버스 업데이트 self.canvas.update(); //캔버스 렌더링 수행 self.canvas.render(); } } /* * 엔진 가동을 중지한다. */ stop() { self.stop = true; ... } /* * 엔진 리소스를 정리하는 작업을 수행한다. */ term() { self.canvas = null; ... } }

    코드 5: 엔진의 캔버스 렌더링 수행 코드

    캔버스는 기본적으로 윈도우에 매핑할 출력 버퍼를 생성하고 초기화하는 작업을 수행한다. UI앱의 캔버스 버퍼는 컴퍼지터와 공유되므로 단순히 프로세스에 종속된 메모리 이상으로, 공유 메모리의 특성을 가져야 한다. 다음 코드는 UICanvas에서 버퍼를 초기화하는 과정이다.

    /* * UICanvas은 UI 객체의 라이프사이클은 물론 동작을 통제한다. 동시에 렌더링할 * 대상의 버퍼를 설정하고 씬그래프(Scene-Graph)를 통해 활동 중인 객체를 렌더링 * 한다. 캔버스에 입력된 사용자 입력을 좌표값 및 포커스를 통해 올바른 UI 객체로 * 전달한다. 하나의 UICanvas 인스턴스는 UIWindow 인스턴스와 1:1로 매핑된다. */ UICanvas { /* 캔버스 엔진 정보... */ NativeDisplay displayInfo = null; //디스플레이 정보 NativeWindow window = null; //네이티브 윈도우 NativeSurface surface = null; //윈도우 서피스 (네이티브 윈도우에 종속) NativeBuffer buffer = null; //캔버스 버퍼 (서피스에 종속) RenderContext ctx = null; //렌더링 컨텍스트 Size size = {1, 1}; //캔버스의 크기 var rotation; //화면 회전 각도 var depth; //화면 깊이 정보 bool alpha; //알파 채널? /* 이하 생략... */ ... /* * 캔버스 화면 출력 */ flush() { /* 그림을 완성했다고 컴퍼지터에게 신호를 보낸다. 신호를 받은 컴퍼지터는 해당 윈도우의 버퍼를 이미지로서 컴퍼지팅할 수 있다. */ self.window.commit(NativeWindow.CommitAsync); } public: /* * 캔버스 엔진을 설정한다. 전달받은 디스플레이 정보는 출력 형식 정보를 제공하며 * 이를 토대로 캔버스 버퍼를 생성한다..

    * window: NativeWindow */ setupEngine(window, ...) { self.displayInfo = window.displayInfo(); self.window = window; self.surface = window.createSurface(...); /* 새로운 크기로 버퍼를 할당한다. 전달받은 displayInfo는 출력장치 정보를 제공하며 이를 토대로 캔버스 버퍼를 생성한다고 가정하자. */ self.buffer = NativeBuffer(self.surface, self.width, self.height, RGBA32, IO_WRITE + IO_READ ...); /* NativeBuffer는 공유하는 기능을 제공한다. 인터페이스에 맞춰 여러 설정 작업을 수행한다. */ self.buffer.shareInfo(IPC_PRIVATE | IPC_CREAT | 0600, ...); // 아래 코드는 현재 중요하지 않다... self.ctx = self.surface.context(...); self.rotation = window.rotation(); self.depth = self.surface.depth(); self.alpha = self.surface.alpha(); ... } /* * 캔버스 크기 설정. 주어진 크기로 버퍼를 할당한다. */ size(width, height) { self.size.w = width; self.size.h = height; /* 새로운 크기로 버퍼를 재할당한다. 캔버스 버퍼는 더이상 유효하지 않으므로 이 후 반드시 드로잉을 다시 수행해야 할 것이다. */ self.buffer.realloc(width, height); ... } /* * 캔버스 업데이트. 렌더링을 수행하기 전에 캔버스에 존재하는 UI 객체를 대상으로 * 어떠한 사전 준비를 수행한다. */ update() { //TODO: 캔버스에 존재하는 UI객체를 업데이트한다. } /* * 캔버스 렌더링 수행. 캔버스 버퍼에 UI를 그리는 작업을 수행한다. */ render() { //TODO: 캔버스 버퍼에 UI를 그리는 작업을 수행한다. self.flush(); //그림 완료 신호를 보낸다. } }

    코드 6: UICanvas 초기화 코드

    코드 6은 캔버스 엔진이 UI객체를 그릴 버퍼를 할당하고 이와 관련된 부수적인 초기화 작업을 수행한다. 이 과정은 setupEngine()에 구현되어 있으며 전달받은 NativeWindow를 통해 필요한 정보를 요청할 수 있다. NativeWindow는 윈도우 관리자/컴퍼지터 사이의 통신 프로토콜 역할을 수행하면서도 UICanvas의 버퍼를 위한 NativeSurface를 제공한다. NativeSurface는 실제로 윈도우 관리자/컴퍼지터와 공유되는 자원으로서 실제 버퍼는 NativeBuffer를 통해 접근이 가능하다. 본 예제에서는 NativeBuffer라는 리소스를 정의하였지만, 실제로 이같은 공유 자원은 각 그래픽스 시스템에서 제공하는 리소스 타입으로 대처할 수 있다. 일반적으로 임베디드 시스템에서는 openGL ES를 활용하여 드로잉 작업을 수행하며 eglSurface를 통해 드로잉 대상을 지정한다. eglSurface가 가리키는 실제 버퍼 메모리는 다른 프로세스와 공유하여 불필요한 메모리 복사 과정을 줄인다. 이는 앞서 살펴본 NativeSurface/NativeBuffer와 개념적으로 동일하다.

    UICanvas.flush()가 발생하면, UI앱(클라이언트)는 윈도우 윈도우 관리자/컴퍼지터로 그림을 완성했다는 메세지를 보낸다. 윈도우 관리자/컴퍼지터 공유받은 버퍼를 기반으로 추가적으로 윈도우 효과를 적용하거나 다른 윈도우 화면과 함께 최종적으로 디스플레이에 출력을 한다. 앞서 살펴본 코드에서 캔버스와 컴퍼지터 사이의 버퍼의 공유 구조를 도식화 하면 다음과 같다.


    그림 11: UI앱과 컴퍼지터 사이의 캔버스 버퍼 공유 구조

    사실상 앱 개발자는 캔버스의 생성/소멸, 렌더링 여부를 확인하기가 어렵다. 불필요한 코어 기능 노출은 사용자로 하여금 치명적인 오류를 유발할 기회를 제공하므로 이와 관련된 일련의 작업은 윈도우 및 엔진 클래스로 감추었다. 이러한 구현 컨셉은 리테인드 렌더링 특성에 부합하기도 하다. 엔진 및 윈도우는 프레임워크 기본 구조를 바탕으로도 다르게 설계할 수 있다. 대표적으로 안드로이드 시스템의 경우에는 윈도우 관리지와 더불어 서피스플링거(SurfaceFligner)가 컴퍼지터 역할을 수행하며 각 UI 앱의 화면을 조합하여 최종적으로 화면에 출력한다.

    출력 버퍼 설정을 완료했다면, 캔버스는 실제로 그림을 그리기 위한 도구 준비를 마친 셈이다. 하지만 캔버스가 그려야 할 대상은 무엇일까? 캔버스가 렌더링을 수행하기 위해서는 렌더링할 정보가 필요하다. 그 정보는 캔버스에 거주하는 UI 객체에 저장되어 있다. 캔버스는 생성된 UI 객체를 대상으로 렌더링을 수행할 수 있으며 실제로 앱에서 생성한 UI 컨트롤 객체 역시 캔버스가 내부적으로 관리하며 적절한 시점에 이들을 이용해 렌더링을 수행한다.

    기본적으로 UICanvas는 생성된 객체를 리스트로 관리하며 이들의 상태를 추적하며 렌더링을 할지 말지를 결정할 수 있다. 캔버스는 수시로 화면 갱신(보통 초당 60번)을 해야 하므로 객체를 관리하는 방식 역시 가급적 효율적이어야 한다. 특히나 UI앱의 특성 상, 화면을 구성하는 UI가 수시로 변경될 가능성이 크기 때문에, UI 객체 역시 생성/삭제가 빈번히 발생한다는 점을 염두해야 할 것이다. 보통 캔버스에 거주할 객체의 개수는 런타임 시 결정되므로, 객체를 리스트 형태로 구성하는 것도 무난하다.


    그림 12: UI 객체를 대상으로 렌더링을 수행하는 캔버스

    UICanvas { ... List<UIObject> objs; //생성된 오브젝트 목록 /* * 캔버스에 새로운 오브젝트를 추가한다. */ addObj(obj) { /* 오브젝트가 캔버스 외부에서 삭제되는 것을 방지하기 위해 참조되고 있다는 사실을 기록한다. */ obj.ref(); self.objs.append(obj); } /* * 캔버스에서 기존 오브젝트를 제거한다. */ removeObj(obj) { self.objs.remove(obj); obj.unref(); //더 이상 참조되지 않는다. } /* * 소멸자 */ destructor() { ... //소멸되기 전 역시 오브젝트 참조를 해제한다. foreach(self.objs, obj) obj.unref(); ... } public: /* * 캔버스 업데이트. 렌더링을 수행하기 전에 캔버스에 존재하는 UI 객체를 대상으로 * 어떠한 사전 준비를 수행한다. */ update() { //캔버스에 존재하는 UI객체를 업데이트한다. foreach(self.objs, obj) obj.update(); } /* * 캔버스 렌더링 수행. 캔버스 버퍼에 UI를 그리는 작업을 수행한다. */ render() { /* 캔버스 버퍼에 UI를 그리는 작업을 수행한다. 이 로직이라면, 생성된 모든 오브젝트를 그리게 된다... */ foreach(self.objs, obj) obj.render(); self.flush(); //그림 완료 신호를 보낸다. } }

    코드 7: UIObject를 다루는 UICanvas 코드

    UICanvas의 update()와 render()를 보면, 생성된 모든 객체에 대해 처리하는 것을 볼 수 있다. 실제로 UI앱의 구현에 따라, 캔버스에 추가된 객체의 개수는 상당히 많을 수 있다. 생성된 객체가 실제로 화면에 모두 보인다고 가정하기 어렵기 때문에 앞선 구현 로직은 다소 비효율적으로 보인다. 하지만, 렌더링 로직은 추후에 개선하도록 하고 일단은 여기서는 UICanvas와 UIObject가 어떻게 연동되고 이들 간의 렌더링이 어떻게 호출되는지 이해하는 것만으로도 충분하다.


    4. 오브젝트 모델

    캔버스 버퍼가 화면에 UI를 출력하기 위한 도화지라면, 2.3절의 구현을 통해 UICanvas는 화면에 무언가를 그릴 조건을 갖춘 셈이다. 실제로 UIEngine은 UICanvas.render()를 호출하여 그리는 작업을 수행할 것이다. 하지만 화면에 존재하는 수많은 UI 객체를 효율적으로 그리기 위해서는 데이터를 체계화 할 필요가 있다.

    오브젝트 모델은 UI 객체의 데이터를 구조화 한다. HTML의 도큐먼트 오브젝트 모델 트리(Document Object Model Tree)처럼 오브젝트를 부모-자식 관계로 연결하고 오브젝트 사이의 관계 및 특성을 타입별로 구분할 수 있다면 오브젝트를 탐색하고 업데이트하며 렌더링을 보다 안정적이고 빠르게 처리할 수 있다.


    그림 13: HTML 도큐먼트 오브젝트 모델 트리 (W3C)


    UICanvas가 UI 객체를 엔진 내부적으로 동일하게 처리할 수 있도록 뼈대에 해당하는 기반 클래스를 제공한다면, 추후 다양한 타입의 UI 컨트롤을 쉽게 확장해 나갈 수 있을 것이다. 이는 UICanvas의 수정없이 UI 컨트롤을 확장할 수 있기 때문에 설계 관점에서 고려할만한 사항이다 . 그뿐만 아니라, 다양한 UI 객체의 공통 특성 및 동작을 재사용할 수 있으며, 앱 개발자 역시 다양한 UI 객체를 동일한 방식으로 구현하여 앱의 UI를 구현할 수 있다. 실제로 많은 UI 시스템에서는 UI 컨트롤를 상속구조로 확장/구현한다. IOS의 경우 NSObject라는 기저 클래스를 구현하고 이를 상속하여 다양한 UI 컨트롤을 확장한다.



    그림 14: IOS Cocoa 클래스 상속 구조 (일부)

    본 시스템에서의 UIObject는 UI 컨트롤의 기본 클래스로서 UI 객체가 수행해야할 기본 동작의 인터페이스를 제공한다. UIObject를 구현함으로써 다양한 타입의 UI 객체를 확장하여 정의할 수 있다. 1장의 예제로서 잠깐 활용했던 UISearchbar 및 UIButton 역시 UIObject의 자식 클래스로 확장 가능하다.



    그림 15: UIObject 클래스 상속 예

    그림 15는 UIObject와 하위 UI컨트롤 사이의 관계의 복잡도를 최대한 단순화시킨 예이지만, 앞으로 살펴볼 UIObject가 어떤 위치에 있는지를 명확하게 보여준다.

    다음 그림은 UICanvas에서 동작하는 UIObject의 클래스 다이어그램이다. 주요 속성과 동작만 정의해 보자.


    그림 16: UIObject 클래스 다이어그램

  • type: 오브젝트 타입 이름. UIButton의 경우 type은 “UIButton” 을 보유한다.
  • refCnt: 현재 객체에 접근하고 있는 참조 횟수.
  • geom: 위치, 크기 지오메트리 정보
  • layer: 레이어 위치. 레이어의 값이 클수록 상단에 표시된다.
  • canvas: 오브젝트가 종속된 UICanvas의 인스턴스
  • parent: 부모 UIObject
  • children: 자식 UIObject 리스트
  • visible: 가시 상태 여부 (화면에 보이는가?)
  • changed: 내부 상태 변화가 발생했는지 여부
  • deleted: UICanvas로부터 삭제 요청을 받은 경우 true이며 이 경우, 객체는 더 이상 유효하지 않다. deleted가 true인 상황에서 객체에 접근이 발생할 경우, 에러 메시지를 출력할 수 있다. C 언어와 같은 저수준 프로그래밍 언어처럼 안전한 메모리 접근 메커니즘을 제공하지 않는 경우에는 태그 식별자를 이용하여 메모리의 유효성을 추가로 검증할 수 있다.

  •  레이어(layer)


    쉽게 포스트잇 용지를 생각하면 이해하기 쉽다. 어떤 용지가 최상단에 위치하고 있는가? 화면 상에 겹겹이 쌓인 UI 객체의 경우, 레이어의 값을 통해 스택 순서를 결정한다. 레이어의 값을 상향 또는 하향 조율하여 객체의 위치를 변경할 수 있다.



     태그(tag) 식별자


    프로그래밍 언어가 런타임으로 동작하는 비교적 안전한 메모리 관리 메커니즘을 제공하더라도 UICanvas 스스로 UIObject의 메모리를 꼼꼼하게 통제하고 싶다면 tag는 유효하다. tag는 오브젝트의 특정 필드에 유니크한 값을 기록하고 이후 오브젝트의 메모리에 접근할 때 마다 이 필드의 값을 확인하여 메모리가 유효한지 검증한다. 메모리가 유효하지 않다면 엔진 레벨에서 오브젝트 접근을 방지할 수 있다. UI 시스템 독자적인 메모리 공간(Memory Pool)을 사용하는 경우에는 메모리 공간이 보장되기 때문에 이러한 방지가 가능하다. 하지만 태그 식별자를 사용하더라도 엔진 독자적인 메모리 공간을 사용하지 않는다면 간헐적으로 앱의 메모리 사용 위반에 문제가 발생할 수도 있다. 특히 가상 메모리 시스템에서는 이미 해제된 사용자 영역의 메모리일지라도 커널 레벨에서의 해당 주소의 페이지가 보존되고 있다면 해당 메모리 접근 시 세그멘테이션 폴트(Segmentation Fault)가 발생하지 않는다. 이 경우, 태그 식별자를 통해 메모리 접근 오류 메시지를 출력할 수 있다. 반면, 페이지가 삭제되어 더이상 존재하지 않는 메모리 주소인 경우에는 커널은 세그먼테이션 폴트를 발생시킨다. 이 경우 프로세스가 바로 중단되기 때문에 프로세스가 크래시(crash)로부터 더 이상 안전하지 않다. 이러한 동작 여부는 커널의 메모리 관리 유닛(MMU)에 달려있으며 이로 인해 발생하는 일관적이지 않는 동작은 오히려 문제를 감추거나 앱 개발자를 혼란에 빠뜨릴 수도 있다.



    여기서는 지면상 단순한 클래스를 구성했다는 점을 알아두자. 보다 확장이 용이하고 유지보수가 쉬운 실질적인 UI 엔진을 개발한다면, UIObject를 구성하는 기능을 특성별 엔티티(Entity)로 구성하고 인터페이스를 여러 집합으로 분리하는 것이 고려되어야 한다.그뿐만 아니라 UIObject 자체는 실체가 존재하지 않기 때문에 이를 추상 클래스로 정의하여 UIObject 객체 자체를 생성하는 것도 방지해야 한다.

    다음은 UIObject 구현부이다.

    /* * UIObject는 모든 UI 컨트롤의 기저(base) 클래스에 해당하며 UI 객체의 기본 동작 및 * 속성을 구현한다. UICanvas에 종속되며 여기서 보여주는 예시는 모델을 매우 간소화하여 * 핵심만 보여주고자 함을 이해하자. */ abstract UIObject { //friends 지정으로 UICanvas는 UIObject의 내부 기능에 접근 가능하다. friends UICanvas; String type; Var refCnt = 0; Geometry geom = {0, 0, 0, 0} Var layer = 0; UICanvas canvas; UIObject parent; List<UIObject> children; Bool visible = false; Bool changed = true; Bool deleted = false; /* * 생성자 * canvas: UIObject가 종속된 캔버스 * type: 객체의 타입 이름 * parent: 생성할 UIObject의 부모 객체. 지정하지 않으면 최상위 객체이다. */ constructor(canvas, type, parent = null) { self.canvas = canvas; self.type = type; //캔버스에 오브젝트를 추가한다. canvas.addObj(self); self.parent(parent); //부모를 지정한다. } /* * 레퍼런스 카운팅 메커니즘을 흉내낸다. 자바처럼 가비지 컬렉터 위에 레퍼런스 * 카운팅이 내장되어 있는 경우 따로 구현할 필요가 없다. ref()는 컴파일러의 * 해석으로 객체를 생성하거나, obj = obj2; 와 같이 객체 레퍼런스 복사가 발생할 때 * 호출된다고 가정한다. */ ref() { //이미 삭제를 요청받은 인스턴스이다. 더 이상의 레퍼런스는 허용하지 않는다. if (self.deleted == true) return; ++refCnt; } /* * 레퍼런스 카운팅 메커니즘을 흉내낸다. 자바처럼 가비지 컬렉터 위에 레퍼런스 * 카운팅이 내장되어 있는 경우 따로 구현할 필요가 없다. unref()는 컴파일러의 * 해석으로 obj = null; 처럼 객체를 제거하거나 스택 영역이 종료될 때 호출된다고 * 가정한다. */ unref() { --refCnt; //더 이상 레퍼런스가 존재하지 않는다. dispose()로 제거하자. if (refCnt == 0) dispose(); } /* * 부모를 재지정한다. * parent: 지정할 부모 객체. null인 경우 현재 객체는 독립한다. */ parent(UIObject parent) { if (self.deleted == true) return; //부모와 이 객체의 캔버스가 다르다? 허용하지 않는다! if (parent && parent.canvas != self.canvas) ... //기존 부모로부터 현재 객체를 제거한다. if (self.parent) self.parent.removeChild(self); //새로운 부모가 null일 수도 있다!! if (parent) parent.addChild(self); self.parent = parent; self.changed = true; } /* * 자식 객체를 추가한다. * child: 추가할 자식 객체 */ addChild(UIObject child) { if (self.deleted == true) return; //child가 null인 경우 예외처리가 필요하다. null은 허용하지 않는다. if (self.children.exists(child) == true) return; self.children.add(child); child.parent(self); self.changed = true; } /* * 자식 객체를 제거한다. * child: 제거할 자식 객체 */ removeChild(UIObject child) { if (self.deleted == true) return; //child가 null인 경우 예외처리가 필요하다. null은 허용하지 않는다. self.children.remove(child); child.parent(null); self.changed = true; } /* * 이 객체를 캔버스에 그리는 작업을 수행한다. */ render() { if (self.deleted == true) return; //TODO: 어떻게?... } /* * 이 객체의 상태를 새로 갱신하다. */ update() { if (self.deleted == true) return; //변경된 사항이 없다. if (self.changed == false) return; //TODO: 어떻게?... } public: /* * 화면(캔버스)에 보인다. */ show() { if (self.deleted == true) return; self.visible = true; self.changed = true; } /* * 화면(캔버스)에서 감춘다. */ hide() { if (self.deleted == true) return; self.visible = false; self.changed = true; } /* * 객체의 위치를 지정한다. * x: x 좌표값 * y: y 좌표값 */ move(x, y) { if (self.deleted == true) return; self.geom.x = x; self.geom.y = y; self.changed = true; } /* * 객체의 크기를 지정한다. * w: 가로 크기값 * h: 세로 크기값 */ size(w, h) { if (self.deleted == true) return; self.geom.w = w; self.geom.h = h; self.changed = true; } /* * 레이어의 값을 변경한다. * layer: 새 레이어 값 */ restack(layer) { if (self.deleted == true) return; self.layer = layer; self.changed = true; } /* * UI 객체가 더 이상 필요없는 경우 호출하여 캔버스로부터 제거한다. */ dispose() { if (self.deleted == true) return; self.deleted = true; --refCnt; //부모가 있는 경우, 부모로부터 연결을 끊는다. if (self.parent) self.parent.removeChild(self); self.children.clear(); //자식이 있는 경우 자식도 제거한다. //캔버스에서 오브젝트를 제거한다. self.canvas.removeObj(self); /* 더 이상 사용하지 않는 인스턴스이므로 Memory Management Unit에게 메모리 반환을 요청한다. 예시로 보여줄 뿐, 자바의 가비지 컬렉터처럼 메모리 관리 시스템이 따로 있는 경우 이러한 구현은 필요없다. */ if (refCnt <= 0) System.MMU.retrieve(self); } /* * 부모 객체를 반환 */ const parent() { if (self.deleted == true) return; return self.parent; } /* * 자식 목록을 반환 */ const children() { if (self.deleted == true) return; return self.children; } /* * 객체의 지오메트리 값을 반환한다. */ const geometry() { if (self.deleted == true) return; return self.geom; } }

    코드 8: UIObject 클래스

    2절에서 설명했던 이미지, 텍스트, 벡터 출력 역시 역시 UIObject를 확장하여 구현하며 실제로 UIObject는 모든 UI 객체의 기반이 되는 동작을 수행하므로 반드시 눈여겨 보도록 하자.

    하나의 UIObject 객체는 다수의 자식을 보유할 수 있는데, 실제로 하나의 UI 컨트롤은 이미지, 텍스트 등 여러 요소가 모여서 하나의 컨트롤을 구성한다. 그림 1.3의 검색 상자의 경우에도 검색 상자를 표현하는 배경 이미지, 가이드 텍스트 그리고 아이콘 등 다수의 UIObject가 모여서 하나의 컨트롤을 구성할 수 있다.


    그림 17: UISearchBar 계층 구성도

    UIObject는 다수의 자식을 보유함으로써 트리(tree)를 구축한다. UIObject가 내부적으로 parent와 children를 구현하고 있는 이유이다. 이를 위해 parent(), addChild(), removeChild()를 구현한다. 부모는 자식을 소유함으로써 자식 객체의 위치 및 크기는 물론, 자식 고유의 동작도 제어하고 관리할 수 있다. 만일 자식에 해당하는 UI 객체의 인스턴스를 UI앱이 직접 접근할 수 있다면, 부모 객체와 UI앱 둘 모두 자식 객체에 접근이 가능하므로 동작 충돌에도 염두해야 한다. 예를 들면, UI앱이 UISearchbar의 아이콘을 멋대로 변경하거나 삭제해 버린다면 UISearchbar 본연의 기능을 제대로 보여주지 못할 수도 있다. 프레임워크 개발 관점에서는 이러한 예외 가능성을 염두하여 UI 컨트롤의 인터페이스를 디자인하거나 내부 동작을 구현시 다양한 가능성을 염두하여 오류가 최대한 발생하지 않도록 주의해야 한다.

    기본적으로 UIObject는 dispose()를 통해 캔버스로부터 제거되며 레퍼런스 카운트가 0이 될때야 비로소 메모리로부터 삭제된다. 이는 안전한 메모리(safe memory) 메커니즘을 모방하고 프로세스의 크래시(crash)를 방지하기 위한 자체적인 방편이다. 만약 dispose()가 요청되었음에도 불고하고 레퍼런스 카운트가 0보다 크다면 deleted만 태깅한 후, 레퍼런스(refCnt)가 0이 될 때까지 삭제를 보류한다. 이 후 어디선가 해당 인스턴스의 기능에 접근한다면 그 어떠한 동작도 수행하지 않도록 방어한다. 이를 위해 다음과 같은 코드를 UIObject의 메서드에 추가한 것을 확인할 수 있다.

    if (self.deleted == true) return;

    코드 9: 지연 삭제를 위한 방어 코드

    사실 이미 dispose()가 요청된 인스턴스에 어떤 기능 요청이 발생한다면 이것은 프로그래밍 로직의 오류에 해당한다. 개발자에게 이러한 사실을 알려준다면 프로그램 개발에 큰 도움이 될 것이다. 기본적으로 오류 메시지를 출력하거나, 보다 강건한 프로그램을 작성해야 한다면 abort()를 발생시킬 수도 있다.

    if (self.deleted == true) { //개발 단계에서만 동작한다. #if DEVEL_MODE System.printError(“This object is invalid! please debug your program! …”); abort(); #endif return; }

    코드 10: 지연 삭제를 위한 보다 용이한 방어 코드

    이러한 코드를 매 메서드마다 추가하기보다는 시스템의 로깅 또는 디버깅 시스템을 구축한 후 일괄 적용하는 것이 더 바람직하다.

    if (self.deleted == true) { /* SystemLog는 요청한 메시지를 파일 내지 콘솔에 출력하거나, 심지어 네트워크를 통한 메시지를 전달할 수 있는 기능을 구현한다. 로그 레벨로(1, 2, 3 ...) abort() 여부를 결정할 수 있으며 해당 프로세스와 관련된 부가 정보 및 콜스택 정보도 같이 출력하여 개발자의 디버깅 작업에 도움을 줄 수 있다. 제품 릴리즈시에는 내부 동작을 비활성화 시킬 수 있는 옵션도 제공 가능하다. */ SystemLog.printError(SystemLog.LOG_LEVEL1, “This object is invalid! please debug your program! …”); return; }

    코드 11: 개발자를 위한 로그 시스템 활용

    UIObject 자체는 화면 출력을 위한 비주얼 정보를 보유하고 있지 않으므로 update()와 render()는 별다른 구현이 존재하지 않는다. 대신 폴리모피즘 특성을 활용, update()와 render()를 오버라이드하거나 자식의 update()와 render()를 통해 비주얼 정보를 보여줄 수 있다.


    5. 씬그래프

    씬그래프(Scene-Graph) 또는 장면 그래프라고도 하며 일반적으로 하나의 가상 공간에서 여러 객체를 순차적으로 렌더링할 때 응용할 수 있는 하나의 자료 구조이다. 씬그래프는 각 객체(노드)를 통해 객체의 지역 공간 내 장면을 구축하고 이러한 객체들의 조합하여 최종 스크린을 생성하기 위한 하나의 메커니즘으로서 활용된다. 씬그래프의 트리 구조는 부모-자식 특성상 연관이 있는 노드끼리 연결되어 있기 때문에 탐색에도 효율적이다. 예를 들면, 어떤 이벤트가 발생했을 때도 이벤트를 전달할 대상을 찾기 위해서는 하나의 노드는 자식 노드만을 대상으로 이벤트를 전달하기만 하면 되며 형제(sibling) 간의 검색은 고려하지 않아도 된다. 이는 자식 노드가 부모 노드의 위치 및 크기 등의 영향 범위 내에 위치하고 있기 때문인데 이와 관련된 자세한 사항은 이후에 살펴보면서 이해하기로 한다.

    UIObject 하나의 객체가 자신만의 뷰(View) 또는 룩(Look)을 구성한다면, UICanvas도 씬그래프 기법을 활용하여 이러한 객체들을 조합, 최종 장면을 구축할 수 있다. 이해를 돕기 위해, 1장에서 보았던 크롬 브라우저의 구글 페이지를 다시 살펴보자.


    그림 18: 크롬 브라우저 구글 페이지

    그림 18의 구글 페이지 화면을 씬그래프로 구성한다면 다음과 같다.


    그림 19: 크롬 브라우저 구글 페이지 씬그래프

    그림 19의 씬그래프 예제는 편의를 위해 눈에 보이지 않는 여러 계층을 생략하거나 하나의 요소로 합쳐서 표현하였기 때문에 실제 구글 페이지의 내부 구성과 다를 수 있지만 일반 UI 앱을 구현하는데 있어서 씬그래프를 활용한 화면 구성과 개념적으로는 다르지 않다. UIWebView는 보유하고 있는 자식들을 순회하면서 각 자식 객체의 비주얼 결과물 혹은 뷰를 조합하며 최종적으로 그림 18과 같은 크롬 브라우저 화면을 표현할 수 있다.

    이러한 개념을 구현하기 위해 UIObject는 내부적으로 부모-자식 관계를 구축하고 update(), render()를 오버라이딩 가능하도록 인터페이스를 설계함으로써 씬그래프(Scene-Graph)를 구현한다.

    객체지향 관점에서 씬그래프를 위한 별도의 인터페이스 또는 클래스를 UIObject로부터 분리하여 정의하는 것이 관리 및 확장 측면에서 더 효율적이기 때문에 실제로 UIObject 모델을 다음과 같이 조정한다.


    그림 20: UIObject로부터 씬그래프 분리

    UISGNode의 멤버를 UIObject에게 개방함으로써 UIObject는 parent 및 children에 직접 접근이 가능하도록 하고 최소한의 메서드만 추가했다. 사실, 이들의 접근 제한자를 private로 지정하였다면 이들 멤버에 접근하기 위한 보다 많은 메서드가 요구되었을 것이다. 너무 많은 예제 코드의 분량은 맥락을 이해하는데 걸림돌이 될 것 같아서 접근 제한을 낮추고 구현도 생략하였다. 하지만, 본질적으로 독립적이면서 안정적인, 재사용이 가능한 UISGNode를 설계하기 위해서는 디자인 원칙에 기반하여 접근 제한자를 지정해야 한다.

    본 예제에서는 UISGNode를 UIObject의 상속(is-a) 관계로 설계하였지만 사실 소유(have) 관계로 구축하더라도 나쁘지 않아 보인다. 사실 객체지향에서 상속은 폴리모피즘(Polymorphism)의 특성을 그대로 활용할 수 있는 반면, 클래스를 기능 단위별로 잘 분리하지 않는다면 확장한 클래스의 기능이 불필요하게 방만해질 수 있기 때문에 주의해야 한다. OOP 개념적으로 믹싱(mixing)과 같은 실용적인 확장 메커니즘도 존재하지만, 완벽한 디자인 설계를 하자면 이야기가 너무 방대해지므로, 여기서는 설계자의 심사숙고한 디자인 철학에 맡기도록 하고 대신 엔진에 가까운 핵심만 짚고 넘어가도록 한다.

    /* * UISGNode: UI Scene-Graph Node * 씬그래프 트리를 구축한다. * 부모와 자식들 간의 접근을 통해 트리를 순회할 수 있다. * UISGNode에 연결된 객체 타입은 템플릿 형식으로 지정하여 실제 객체와 UISGNode간의 * 상호 의존성을 제거한다. */ template <class T> UISGNode { T parent = null; List<UISGNode> children; /* * 노드의 상태를 초기화 한다. */ reset() { //부모가 있는 경우, 부모로부터 연결을 끊는다. if (self.parent) self.parent.removeChild(self); //자식이 있는 경우 자식도 제거한다. self.children.clear(); } public: /* * 부모를 재지정한다. * parent: 지정할 부모 객체. null인 경우 현재 객체는 독립한다. */ parent(T parent) { //기존 부모로부터 현재 객체를 제거한다. if (self.parent) self.parent.removeChild(self); //주의: 새로운 부모가 null일 수도 있다!! if (parent) parent.addChild(self); self.parent = parent; } /* * 자식 객체를 추가한다. * child: 추가할 자식 객체 */ addChild(T child) { //child가 null인 경우 예외처리가 필요하다. null은 허용하지 않는다. if (self.children.exists(child) == true) return; self.children.add(child); child.parent(self); } /* * 자식 객체를 제거한다. * child: 제거할 자식 객체 */ removeChild(T child) { //child가 null인 경우 예외처리가 필요하다. null은 허용하지 않는다. self.children.remove(child); child.parent(null); } }

    코드 12: UISGNode(UI Scene-Graph Node) 구현부

    UISGNode 클래스를 정의하였으므로 이제 UIObject는 씬그래프 트리와 관련된 기능을 UISGNode에게 위임하기만 하면 된다.

    /* 신그래프 노드를 확장한다. UISGNode를 통해 부모와 자식에 접근 가능하며 코드 7에서 UIObject가 구현하고 있던 트리 기능을 UISGNode의 기능으로 대체한다. */ UIObject extends UISGNode<UIObject> { String type; Var refCnt = 0; Geometry geom = {0, 0, 0, 0} Var layer = 0; UICanvas canvas; Bool visible = false; Bool changed = true; Bool deleted = false; ... }

    코드 13: UIObject로부터 씬그래프 기능 분리(멤버 선언부)

    본래 UIObject에서 구현하던 parent, children 멤버는 UISGNode로 대처하였기 때문에 UIObject에서 직접 보유하던 parent, children은 더 이상 필요가 없다. 반면 이들을 위한 일부 메서드는 다음과 같이 수정한다.

    abstract UIObject extends UISGNode<UIObject> { ... /* * 생성자 * canvas: UIObject가 종속된 캔버스 * type: 객체의 타입 이름 * parent: 생성할 UIObject의 부모 객체. 지정하지 않으면 최상위 객체이다. */ constructor(canvas, type, parent = null) { self.canvas = canvas; self.type = type; //주의: 이 코드는 더이상 필요없다. 대신 parent() 코드를 보자. //canvas.addObj(self); self.parent(parent); //부모를 지정한다. } /* * 부모를 재지정한다. * parent: 지정할 UIObject 부모 객체. null인 경우 현재 객체는 독립한다. */ parent(parent) override { //부모와 이 객체의 캔버스가 다르다? 허용하지 않는다! if (parent && parent.canvas != self.canvas) ... super(parent); /* 주의: 기본적으로 부모가 자식을 관리하지만, 부모가 없다면 캔버스에서 오브젝트를 관리한다. 부모가 없는 경우에만 캔버스에 추가하자. */ if (!parent) self.canvas.addObj(self); self.changed = true; } /* * 자식 객체를 추가한다. * child: 추가할 UIObject 자식 객체 */ addChild(child) override { super(child); self.changed = true; } /* * 자식 객체를 제거한다. * child: 제거할 UIObject 자식 객체 */ removeChild(child) override { super(child); self.changed = true; } /* * UI 객체가 더 이상 필요없는 경우 호출하여 캔버스로부터 제거한다. */ dispose() { if (self.deleted == true) return; self.deleted = true; --refCnt; //노드 상태를 초기화한다. self.reset(); //부모가 없다면, 캔버스에서 오브젝트를 제거한다. if (!self.parent) self.canvas.removeObj(self); /* 더 이상 사용하지 않는 인스턴스이므로 Memory Management Unit에게 메모리 반환을 요청한다. 예시로 보여줄 뿐, 자바의 가비지 컬렉터처럼 메모리 관리 시스템이 따로 있는 경우 이러한 구현은 필요없다. */ if (refCnt <= 0) System.MMU.retrieve(self); } /* * 부모 객체를 반환 */ const parent() { if (self.deleted == true) return; return self.parent; } /* * 자식 목록을 반환 */ const children() { if (self.deleted == true) return; return self.children; } ... }

    코드 14: UIObject로부터 씬그래프 기능 분리(메서드 구현부)

    실제로 씬그래프 기반으로 렌더링이 올바르게 수행되기 위해 우리는 UIObject의 update()와 render() 코드를 다음과 같이 확장한다. 구현 핵심은 부모가 자식들을 순회하면서 렌더링을 재귀적으로 호출할 수 있도록 알고리즘을 구현하는 것이다.

    /* * 이 객체를 캔버스에 그리는 작업을 수행한다. */ UIObject.render() { if (self.deleted == true) { SystemLog.printError(...); return; } //TODO: 해당 객체의 렌더링을 수행한다... 어떻게? //이어서, 자식들이 렌더링을 수행할 수 있도록 render()를 호출해 준다. foreach(self.children, child) { //기본적으로 visible 상태가 아니면 렌더링을 할 필요가 없다. if (child.visible) child.render(); } } /* * 이 객체의 상태를 새로 갱신하다. */ UIObject.update() { if (self.deleted == true) { SystemLog.printError(...); return; } //우선, 자식들의 상태를 업데이트 한다. foreach(self.children, child) child.update(); //변경된 사항이 없다. if (self.changed == false) return; //TODO: 렌더링 위한 준비작업 또는 객체 특성에 따른 무언가를 수행한다. }

    코드 15: UIObject의 render()와 update() 구현

    UIObject 클래스 자체는 어떠한 비주얼 결과물을 만들어내는 클래스가 아니기 때문에 아직은 render() 및 update()가 실제로 무엇을 처리하는 지 고민하지 말자. 다만, UIObject는 씬그래프를 통해 자식들을 재귀적 순회하면서 render() 및 update()를 호출한다.

    씬그래프의 구조는 그림 12의 캔버스의 오브젝트 리스트에도 변화를 가져온다. 이제는 모든 생성 객체가 캔버스의 리스트에 선형적으로 연결된 구조가 아닌, 최상단 부모만 캔버스의 오브젝트 리스트에 추가되며 자식들은 각 부모가 관리하는 구조로 바뀐다. 만약, 부모가 렌더링 대상이 아니라면 그 자식은 검토할 필요도 없는 문제이다. 이는 캔버스가 업데이트 및 렌더링을 위해 모든 객체를 스캔하는 부담을 줄일 수 있으므로 성능 차원에서도 큰 도움이 된다.


    그림 21: 씬그래프 기반의 데이터 연결 구조

    이제 UI 객체의 render()가 어떤 이미지 결과물을 만들어 낸다고 가정했을 때, 어떤 UI 객체의 render()를 호출할 경우 다음 그림처럼 트리를 순회하며 이미지를 완성할 것이다.


    그림 22: 씬그래프 기반 렌더링 수행

    그림 22의 각 화살표의 번호는 렌더링 순서를 가리킨다. 씬그래프 기반에서 오브젝트는 자식 트리를 전위순회(Pre-order Traversal)하면서 렌더링을 요청한다. 각 자식은 렌더러를 통해 드로잉을 수행하며 생성된 드로잉 결과물은 부모 객체의 렌더링 일부가 된다. 최종적으로 UICanvas가 직접 접근하는 오브젝트, 즉 최상위 부모는 완성된 하나의 렌더링 결과물을 생성할 수 있다.

    씬그래프의 렌더링 순서를 이해하면, 어떤 객체가 어떤 객체의 위에 그려지는 지 이해할 수 있다. 캔버스에 종속된 최상위 부모의 렌더링 순서는 캔버스의 UIObject List에 추가된 순서에 영향을 받으며 자식 객체들의 렌더링 순서는 부모의 children 리스트에 추가된 순서에 영향을 받는다. 최상위 부모의 객체 드로잉의 순서를 변경하고 싶다면, 레이어의 순서를 조절해야 한다. 앞서 UIObject 속성 중 layer 를 추가한 이유이기도 하다. 기본적으로 obj.layer(); 를 통해 레이어 순서를 지정할 수도 있지만, 특정 객체를 대상으로 위, 또는 아래를 지정할 수도 있을 것이다. 이를 위해 above(), below(), mostTop(), mostBottom()와 같은 유용한 메서드를 추가로 제공할 수 있다. 주의할 점은, 레이어의 영향 범위를 자신이 존재하는 공간으로 제한해야야 한다. 캔버스에 직접 추가된 객체는 UIObject List를 대상으로 레이어 순서를 경합하고 부모 객체의 children으로 추가된 객체는 해당 children을 대상으로 레이어 순서를 경합한다. 새로운 오브젝트를 추가할 때마다 레이어의 순서를 참고하여 각 리스트의 연결 순서를 지정할 수 있다. 이미 추가된 오브젝트의 레이어의 순서가 변경될 경우에는 리스트의 연결 순서를 중간에 바꿔야 한다. 레이어의 순서가 특별히 지정되지 않는 경우(기본 값인 경우)에는 리스트의 맨 끝에 추가함으로써 해당 공간에서의 최상단에 위치하게 할 수 있다.

    obj.above(obj2); //obj를 obj2 바로 위로 이동한다. obj.below(obj2); //obj를 obj2 바로 밑으로 이동한다. obj.top(); //obj의 레이어를 한칸 상승시킨다. obj.bottom(); //obj의 레이어를 한칸 하강시킨다. obj.topMost(); //obj를 가장 최상단으로 이동시킨다. obj.bottomMost(); //obj를 가장 최하단으로 이동시킨다.

    코드 16: UIObject의 레이어 변경(렌더링 순서 변경)


    그림 23: 레이어 순서 조절 결과

    코드 16의 실제 메서드 구현와 더불어, 레이어와 관련된 기능 구현은 생략한다. 개념적으로 이들은 연결 리스트의 노드 이동에 불과하며 구현 역시 크게 어렵지 않다.


    6. 정리하기

    이번 장에서 우리는 UI 렌더링의 개념과 캔버스 엔진을 살펴보는 시간을 가졌다. 캔버스는 UI 앱이 화면에 UI를 출력할 수 있는 기능을 제공하였다. 기본적으로 윈도우에 매핑될 출력 버퍼를 생성하고 생성된 버퍼가 출력 시스템과 연동될 수 있는 기본 설정 작업을 수행했다. 캔버스 엔진은 동작 컨셉에 따라 리테인드 혹은 이미디어트 렌더링 방식을 구현하며 이미디어트 방식은 사용자가 원하는 시점에, 원하는 영역에 UI를 그릴 수 있도록 인터페이스를 제공하였다. 반면, 리테인드 방식은 렌더링과 관련된 모든 기능을 감추고 백그라운드에서 렌더링을 알아서 수행하는 컨셉을 제공하였다. 리테인드 방식은 이미디어트 대비 렌더링과 관련된 섬세한 작업이 불가능하지만 앱 개발자가 렌더링에 깊은 이해가 없어도 쉽고 빠르게 앱의 UI를 개발할 수 있는 장점을 제공함을 알 수 있었다. 이러한 동작 컨셉을 위해 캔버스 엔진은 기본적으로 캔버스 상에 동작하는 UI 오브젝트 모델을 설계하며 이러한 모델을 기반으로 다양한 컨트롤을 확장할 수 있는 인터페이스를 구현하였다. 그뿐만 아니라, 캔버스 엔진은 캔버스에 추가된 UI 객체를 효율적으로 다루기 위해 씬그래프 데이터 구조를 통해 오브젝트 트리를 구성하였다. 캔버스 엔진은 씬그래프 트리를 주기적으로 탐색하면서 UI 객체의 상태를 업데이트하고 렌더링을 수행할 수 있음을 알 수 있었다. 마지막으로 UI 객체의 렌더링 순서를 조작하기 위해 레이어의 개념을 살펴보았다.