카메라가 멀면 정점을 2%만 렌더링한다: LOD 전략

한 줄 요약

카메라가 건물에서 1km 떨어져 있는데 배관 디테일(10,000개 정점)을 렌더링할 필요가 있는가? LOD는 카메라 거리에 따라 정점을 원본의 2~15%만 사용한다. QEM 알고리즘(Garland & Heckbert, SIGGRAPH 1997)으로 시각적으로 중요한 모서리를 보존하면서 98%를 제거해도 실루엣이 유지된다.

10,000개 중 9,990개는 의미가 없다

10,000개의 정점으로 이루어진 기둥 모델을 생각해보자. 카메라가 1미터 거리에 있으면 10,000개 정점이 모두 의미가 있다. 기둥의 모서리, 곡면, 디테일이 화면에 크게 보이기 때문이다.

카메라가 1km 거리에 있으면? 이 기둥은 화면에서 겨우 몇 픽셀이다. 10,000개의 정점 중 9,990개는 화면에 아무런 차이를 만들지 않는다. 그러나 GPU는 여전히 10,000개를 모두 처리한다.

LOD는 같은 기둥에 대해 여러 버전을 준비한다:

• LOD 0 (원본): 10,000개 정점 — 가까이서 볼 때
• LOD 1: 1,500개 정점 (15%) — 중간 거리
• LOD 2: 500개 정점 (5%) — 먼 거리
• LOD 3: 200개 정점 (2%) — 매우 먼 거리

메쉬 단순화: QEM 알고리즘

LOD 각 단계를 생성하는 핵심 기술이 메쉬 단순화다. 가장 널리 사용되는 방법은 엣지 축소(Edge Collapse) — 엣지의 두 정점을 하나로 합치는 것이다.

핵심은 어떤 엣지를 먼저 합칠 것인가다. QEM(Quadric Error Metrics) 알고리즘(Garland & Heckbert, "Surface Simplification Using Quadric Error Metrics", SIGGRAPH 1997)은 각 엣지를 합쳤을 때 발생하는 기하학적 오차를 수학적으로 계산하고, 오차가 가장 작은 엣지부터 순서대로 합친다.

이 알고리즘은 메쉬 단순화의 업계 표준으로, glTF 생태계의 meshoptimizer와 gltf-transform에서도 채택하고 있다.

98% 제거해도 괜찮은 이유

QEM은 평평한 면의 정점을 먼저 제거하고, 건물의 윤곽선이나 모서리 같은 시각적으로 중요한 정점은 마지막까지 남긴다. 98%를 제거해도 "건물의 실루엣"은 유지된다. 그리고 정점 2%의 LOD는 카메라가 수백 미터~수 km 떨어져 있을 때만 사용되므로, 이 거리에서 10,000개든 200개든 시각적 차이가 없다.

geometricError: 언제 LOD를 전환하는가

3d-tiles-spec 노드에서 다뤘듯, geometricError는 각 타일이 원본 대비 얼마나 부정확한지를 미터 단위로 나타낸다.

root (geometricError: 500)        ← LOD 3 (2%)
└── children (geometricError: 100) ← LOD 2 (5%)
    └── children (geometricError: 10) ← LOD 1 (15%)
        └── children (geometricError: 0) ← LOD 0 (원본)

Cesium은 매 프레임 "이 타일의 geometricError가 화면에서 몇 픽셀로 보이는가"를 계산하여, 허용 임계값(기본 16픽셀)을 초과하면 더 정밀한 하위 타일을 로드한다.

geometricError 튜닝

geometricError 값을 결정하는 것은 단순화 비율에 비례하도록 설정하는 것이 출발점이다. 정점을 50%로 줄인 LOD의 geometricError는 2%로 줄인 LOD보다 작아야 한다.

그러나 정확한 값은 모델의 크기, 디테일 수준, 사용 목적에 따라 달라지는 튜닝 작업이다. 실무에서는 Cesium 뷰어에서 카메라를 다양한 거리로 이동하며 LOD 전환 시점의 시각적 품질을 확인하고, geometricError를 조정하는 반복 테스트를 수행했다.

LOD와 공간 분할의 관계

두 기법이 함께 적용되면, 시야 밖의 타일은 아예 로드하지 않고 시야 안의 먼 타일은 낮은 LOD로 로드한다. 이것이 3D Tiles가 수 GB의 데이터를 웹 브라우저에서 렌더링할 수 있는 핵심 메커니즘이다.

이 경험에서 추출한 원칙

1. "보이는 만큼만 처리한다"가 웹 3D 최적화의 핵심이다. LOD는 "보이는 크기에 맞는 정밀도만 제공한다"이고, 공간 분할은 "보이는 영역만 로드한다"이다.

2. 단순화의 품질은 "얼마나 줄이느냐"보다 "무엇을 보존하느냐"에 달려있다. 알고리즘이 어떤 우선순위로 정점을 제거하는지가 품질을 결정한다.

3D 모델이 웹에서 느리다면, 먼저 LOD가 적용되어 있는지 확인하라. 모든 거리에서 원본 해상도를 로드하고 있다면 가장 큰 최적화 기회를 놓치고 있는 것이다.