복셀

목차

1. 복셀(Voxel) 개요: ‘부피를 가진 픽셀’의 정확한 의미
2. 복셀의 특징: 데이터 구조와 렌더링 방식
3. 복셀의 장점: 표현력·제작 워크플로·시뮬레이션 친화성
4. 게임에서의 복셀: 파괴 가능 세계와 디자인 확장
5. 치명적인 단점과 미래: 메모리·대역폭 문제, 그리고 대표 복셀 엔진 게임

1) 복셀(Voxel) 개요: ‘부피를 가진 픽셀’의 정확한 의미

복셀(voxel)은 3차원 규칙 격자(regular grid)에서 “값(value)”을 표현하는 기본 단위로, 2차원에서 픽셀이 격자 위의 값을 나타내는 것과 유사하다. 흔히 ‘부피를 가진 픽셀’로 설명되지만, 컴퓨터 그래픽스 관점에서 복셀은 “3차원 격자상의 샘플”에 가깝다. 즉, 각 복셀은 위치에 대응하는 값(색, 밀도, 재질 ID, 불투명도 등)을 담고, 그 값의 배열이 하나의 볼륨(부피 데이터)을 이룬다.

복셀 표현은 표면을 삼각형(폴리곤)으로 근사하는 전통적 메시(mesh) 방식과 달리, 물체의 내부까지 포함하는 “볼륨 기반 표현”에 강점을 가진다. 이 때문에 의료 영상(CT/MRI)이나 과학 시각화처럼 내부 구조가 중요한 분야에서 오래전부터 핵심 표현 방식으로 사용되어 왔다.

2) 복셀의 특징: 데이터 구조와 렌더링 방식

2-1. 격자 기반(그리드) 표현과 좌표 암시성

복셀 데이터는 보통 3차원 배열 또는 그 변형 구조로 저장된다. 픽셀이 별도 좌표를 저장하지 않고 배열 인덱스로 위치가 결정되듯, 복셀도 데이터 구조 내 인덱스가 곧 위치를 의미하는 경우가 많다. 이 구조는 “정규 샘플링”과 “대량 연산(필터링, 편집, 충돌/파괴 처리)”에 유리하지만, 빈 공간이 많은 장면에서는 저장 효율이 급격히 떨어진다.

2-2. 렌더링: 볼륨 렌더링과 표면 추출

복셀을 화면에 그리는 방법은 크게 두 갈래로 정리된다.

• 직접 볼륨 렌더링(Direct Volume Rendering, Ray Casting 등): 화면의 각 픽셀에서 광선을 쏘아(레이 캐스팅) 볼륨 내부를 샘플링하며 색과 불투명도를 누적해 이미지를 만든다. 시각화 분야에서 널리 쓰이며, 불투명 영역에 도달하면 조기 종료(early termination)하거나 빈 공간을 건너뛰는(space-leaping) 최적화가 중요하다.
• 표면 추출(Surface Extraction): 복셀 값의 경계(등가면, iso-surface)를 폴리곤 메시로 변환해 일반적인 래스터라이저로 렌더링한다. 대표적으로 마칭 큐브(Marching Cubes) 계열 알고리즘이 사용된다.

2-3. 가속 구조: 희소 표현과 계층 구조

복셀 장면은 이론적으로 해상도가 높아질수록 데이터가 3차원으로 증가하므로, “희소(sparse) 데이터”를 효율적으로 다루는 구조가 핵심이 된다. 대표적으로 옥트리(octree) 같은 계층 구조, 그리고 실시간 조명 근사(예: 복셀 콘 트레이싱)에서 사용되는 희소 복셀 옥트리(Sparse Voxel Octree, SVO) 등이 연구·활용되어 왔다. 이러한 접근은 “장면의 복잡도”보다 “복셀화된 볼륨의 해상도와 갱신 비용”이 병목이 되는 문제를 완화하려는 목적을 가진다.

3) 복셀의 장점: 표현력·제작 워크플로·시뮬레이션 친화성

3-1. 파괴·변형에 강한 모델

복셀은 세계를 작은 단위로 분해해 저장하므로, 부분 파괴, 굴착, 절단, 누적 변형 같은 “국소적 편집”을 데이터 수준에서 처리하기 쉽다. 메시 기반은 파괴/변형 시 메시 재생성, 충돌 형태 갱신, 텍스처 좌표(uv) 관리 같은 부담이 커지는데, 복셀 기반은 그 부담이 상대적으로 낮다.

3-2. 내부 구조 표현과 물리적 속성 부여

복셀은 표면뿐 아니라 내부까지 담을 수 있어, 재질 분포(예: 목재/금속/토양), 밀도, 공극(빈 공간) 같은 속성을 “볼륨 그 자체”로 저장하기 좋다. 이는 연기·안개·유체 같은 볼륨 효과, 또는 지형 굴착/동굴 생성 같은 콘텐츠에 자연스럽게 연결된다.

3-3. 제작과 스타일 측면의 유연성

복셀은 픽셀 아트가 제공하는 단순·명료한 조형 언어를 3차원으로 확장한 “복셀 아트”로도 활용된다. 동시에, 복셀을 내부 표현으로 쓰되 표면을 부드럽게 추출하거나 렌더링에서 큐브 느낌을 감추는 방식으로 사실적 외형을 지향할 수도 있다. 즉, 복셀은 “블록 스타일”에만 묶이지 않고 구현 목표에 따라 다양한 시각 스타일을 만들 수 있다.

4) 게임에서의 복셀: 파괴 가능 세계와 디자인 확장

4-1. 샌드박스와 창작 중심 게임플레이

복셀 기반 세계는 건설·채굴·제작 같은 상호작용을 낮은 비용으로 제공할 수 있어 샌드박스 장르와 결합이 잦다. 대표적으로 블록을 쌓고 파내는 행위가 세계 편집과 직결되는 구조는 플레이어의 창작 활동을 게임플레이로 끌어들인다.

4-2. ‘완전 파괴’가 만드는 새로운 레벨 디자인

복셀은 건물·지형을 부분 단위로 붕괴시키거나 구멍을 뚫는 등 “환경 자체를 도구”로 활용하게 만들 수 있다. 이때 레벨 디자인은 고정된 경로를 안내하기보다, 파괴를 통한 단축 루트·침투 방식·즉흥 해결을 허용하는 방향으로 확장된다. 복셀 기반 파괴는 단순 시각 효과가 아니라, 플레이 규칙과 미션 설계까지 바꾸는 요소가 된다.

4-3. 기술적 구현 포인트: 재질, 팔레트, 동적 갱신

게임용 복셀 엔진은 “모든 복셀을 그대로 그리는” 방식으로는 성능이 나오기 어렵다. 일반적으로는 보이지 않는 면 제거, 청크(chunk) 단위 관리, 거리 기반 LOD, 동적 메시화, 공간 분할, GPU 중심 렌더링 등 복수의 최적화가 결합된다. 또한 재질 표현을 최소 바이트로 압축하거나, 팔레트 방식으로 메모리를 아끼는 등 데이터 표현 설계가 체감 품질과 성능을 좌우한다.

5) 치명적인 단점과 미래: 메모리·대역폭 문제, 그리고 대표 복셀 엔진 게임

5-1. 치명적인 단점: 해상도 상승이 곧 ‘데이터 폭발’

복셀의 가장 큰 약점은 해상도를 올릴수록 데이터가 3차원으로 증가한다는 점이다. 폴리곤 메시는 주로 “표면”만 저장하지만, 복셀은 원칙적으로 “전체 부피”를 다루므로 고해상도 장면에서 메모리 사용량과 대역폭 요구가 급격히 커진다. 특히 GPU 메모리는 제한적이어서, 고해상도 복셀 데이터를 그대로 업로드·갱신하는 접근은 확장성이 떨어진다.

5-2. 또 다른 현실적 한계: 렌더링·물리·네트워크의 동시 비용

게임에서 복셀은 “그릴 것”만이 아니라 “부술 것”이기도 하다. 파괴가 가능해질수록 충돌 형태, 파편화, 먼지·연기 등 부수 효과, 그리고 멀티플레이 동기화 비용이 함께 증가한다. 즉, 복셀 엔진의 병목은 렌더링만이 아니라 물리·AI·네트워크까지 포괄하는 종합 최적화 문제로 확장된다.

5-3. 미래 전망: 희소 구조, 하이브리드 파이프라인, 차세대 파괴 표현

복셀은 “모든 것을 복셀로 표현”하는 순수 접근에서, “필요한 부분만 복셀로 유지하고 나머지는 메시·임포스터·거리 기반 단순화로 처리”하는 하이브리드 접근으로 진화하는 경향이 강하다. 희소 자료구조(SVO 등), 동적 스트리밍, GPU 중심의 레이 기반 기법, 그리고 파괴 가능한 영역을 선택적으로 고해상도로 유지하는 설계가 결합될 가능성이 높다. 또한 복셀을 내부 표현으로 쓰되 외형은 큐브가 드러나지 않도록 처리하여, ‘복셀=각진 블록’이라는 인식을 넘어서는 시각적 결과가 확대될 수 있다.

5-4. 복셀 엔진을 사용하는(또는 복셀 기반으로 알려진) 게임 사례

• Minecraft: 복셀 세계 편집(건설·채굴)을 게임 규칙의 중심에 둔 대표 사례.
• Teardown: 완전 파괴 가능한 복셀 세계를 잠입·강탈 구조와 결합한 사례로, 엔진 구현과 재질 표현에 대한 개발자 기술 공개도 존재한다.
• Ace of Spades(2011): Ken Silverman의 복셀 엔진 Voxlap에서 파생된 것으로 알려진 사례.
• Trove: 공식적으로 ‘Voxel MMO’로 표방되는 장르 결합 사례.

출처

• Wikipedia — Voxel: https://en.wikipedia.org/wiki/Voxel
• ScienceDirect Topics — Voxel 개요: https://www.sciencedirect.com/topics/mathematics/voxel
• PubMed Central — Volume rendering(레이 캐스팅, 조기 종료·공간 건너뛰기 등): https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4737721/
• DigiPen 석사 논문 — Gigavoxel(복셀 렌더링의 메모리·대역폭 과제): https://www.digipen.edu/sites/default/files/public/docs/theses/alexander-n-pecoraro-digipen-master-of-science-in-computer-science-thesis-gigavoxel-paged-terrain-generation-and-rendering.pdf
• NVIDIA GTC 발표 자료 — Sparse Voxel Octree 및 Voxel Cone Tracing: https://developer.download.nvidia.com/GTC/PDF/GTC2012/PresentationPDF/SB134-Voxel-Cone-Tracing-Octree-Real-Time-Illumination.pdf
• Ken Silverman(위키) — Voxlap 및 Ace of Spades 언급: https://en.wikipedia.org/wiki/Ken_Silverman
• Ken Silverman 공식 페이지 — PND3D/Voxlap 관련 글: https://advsys.net/ken/voxlap/pnd3d.htm
• Game Developer — Teardown과 완전 파괴 복셀 월드 인터뷰: https://www.gamedeveloper.com/design/combining-bombastic-heists-with-a-fully-destructible-voxel-world-in-i-teardown-i-
• Voxagon Blog(Teardown 개발자 블로그) — 복셀 재질/표현 관련: https://blog.voxagon.se/
• Trove 공식 사이트 — Voxel MMO 표방: https://trovegame.com/