본인은 몇 년 전에 쓴 글을 통해 Windows API에서 비트맵을 출력할 때 사용하는 GDI API 몇 개를 브러시와 비트맵의 관계라는 관점에서 비교하고 살펴본 적이 있었다. 이번에는 픽셀 포맷과 DDB/DIB라는 관점에서 관련 API들과 이들의 특성을 살펴보도록 하겠다.

1.
먼저, 비트맵은 CPU의 관점에서 봤을 때 빅 엔디언 형태이다.
모노크롬 비트맵에서는 128, 64 같은 큰 비트 자리수가 왼쪽을 나타내고 작은 비트로 갈수록 오른쪽으로 간다.
색깔을 나타내는 RGB야 숫자의 대소 구분이 무의미하겠지만, 일단 RGB 매크로(메모리)에서의 색상 배열 순서와 RGBQUAD 구조체(파일 저장)에서의 색상 배열 순서는 서로 정반대이다. 전자는 R이 최하위 비트이지만 후자는 R이 최상위 비트이다. 그러니 여기서도 이념이 빅 엔디언임을 확인할 수 있다.

2.
일반적으로 비트맵 폰트 파일 내부의 비트맵들은 한 줄이 바이트 단위로 align이 돼 있다. 그러나 CreateBitmap 함수가 받아들이는 DDB(장치 종속 비트맵)는 역사적인 이유 때문인지, 한 줄이 2바이트, word 단위로 align돼 있어야 한다.
compatible bitmap이 아니라 CreateBitmap으로 직통으로 만들 수 있는 비트맵이 사실상 모노크롬밖에 없다는 점을 감안하면, 저기에 전달되는 가로 크기는 사실상 언제나 16의 배수 단위여야 한다.

한편, BMP 파일과 직통 대응하는 DIB(장치 독립 비트맵)는 이런 제약이 더 커져서 한 줄이 4바이트 단위로 align돼 있어야 하며, 얘는 또 상하가 뒤집혀 있기까지 하다. y축 양수가 위로 올라가는 좌표계를 염두에 뒀기 때문이다. DIB를 취급하는 함수들은 다 이런 형태의 비트맵을 입력으로 받는다.

3.
Create(Compatible)Bitmap 함수로 만들어진 비트맵은 성능이 가장 좋고 속도가 빠르지만, 한번 초기화한 뒤에 내부 비트맵 메모리에 직접 저수준 접근을 할 수 없다. GetDIBits 같은 함수로 내부 메모리 컨텐츠에 대한 복사본만을 얻을 수 있을 뿐이며, 이 내부 메모리는 철저하게 장치 종속적이다. 즉, portable하지 않다. 컨텐츠를 조작하는 건 BitBlt 같은 타GDI 함수를 써서 해야 한다.

비트맵을 출력하는 다른 함수로는 SetDIBitsToDevice가 있다. 얘는 받는 인자가 많고 사용이 좀 복잡하긴 하지만, BitBlt와는 정반대로 그냥 아무 메모리가 가리키는 임의의 BMP 헤더와 컨텐츠를 통째로 받아서 그 내용을 화면에다 찍어 준다. 원본 비트맵에 대해서 뭐 메모리 DC 만들고 비트맵 만들고 SelectObject 할 필요가 없으며, 메모리에 직통으로 접근해서 픽셀, 팔레트 테이블, 크기 따위의 수정도 얼마든지 가능해서 매우 좋다.

하지만 BMP 헤더를 매번 해석해서 DIB를 DDB로 변환해서 찍을 준비를 해야 하기 때문에 이 함수는 비트맵을 뿌리는 속도가 DDB 전용 함수만치 빠르지는 않다. 구형 운영체제의 16/256색 구닥다리 비디오 환경에서는 성능 열화의 폭이 더욱 크다.

그런데 알고 보니 저 둘의 중간 역할을 하는 함수도 있다.
CreateDIBSection은 내부적으로 반쯤 DIB로 취급되는 HBITMAP을 되돌린다. 이 비트맵을 사용하기 위해서는 BitBlt를 쓸 때처럼 원본 메모리 DC를 만들고 SelectObject를 해 줘야 한다. 하지만 픽셀을 직접 조작할 수 있는 메모리 포인터도 되돌리기 때문에 이를 응용 프로그램이 사용 가능하다.

이 메모리는 운영체제가 내부적으로 직접 할당해서 준 것이다. SetDIB*처럼 아무 메모리에 있는 비트맵을 찍을 수 있는 게 아니며, 그림의 크기나 색상 수 같은 헤더 정보는 한번 정해진 뒤에 변경 가능하지 않다. (그게 달라진다면 그냥 비트맵을 새로 만들어야..) 단지 픽셀 데이터에만 접근 가능하며, 색깔 변경은 SetDIBColorTable라는 별도의 함수로 해야 한다.

하지만 픽셀 데이터에 직접 접근과 조작이 가능한 것만 해도 어디냐. 기존 HBITMAP의 특성은 다 가지고 있기 때문에 BitBlt, DrawText, LineTo 같은 GDI 함수들을 고스란히 사용하면서 그림이 그려진 결과를 메모리 포인터 레벨에서 바로 확인 가능하니 실로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 이런 DIB의 특성을 반쯤 가지면서 비트맵을 뿌리는 성능도 SetDIB*보다는 약간 더 좋다.

지금까지 얘기했던 이 세 가지 API를 표로 정리하면 다음과 같이 요약된다.

  CreateBitmap + BitBlt SetDIBitsToDevice CreateDIBSection + BitBlt
픽셀 포맷 2바이트 패딩 4바이트 패딩 + 상하 반전 4바이트 패딩 + 상하 반전
사용하는 메모리 내부 전용 사용자 임의 지정 가능 내부 전용
픽셀 메모리에 직접 접근 가능 X O O
BMP 헤더에 직접 접근 가능 X O X
단색 비트맵의 색깔 지정 SetTextColor / SetBkColor BMP 헤더 구조체 값 직통 수정 SetDIBColorTable
성능 제일 빠름 제일 느림 약간 느림

* 참고로, CreateDIBitmap은 DIB 함수들처럼 BMP 헤더를 인자로 받긴 하지만, HDC까지 인자로 받아서 DIB를 완전히 DDB 형태로 변환해 버린다. 이 함수를 통해 생성된 HBITMAP은 외부에서 내용 수정이 가능하지 않다.

* 그리고 HBITMAP의 내부 컨텐츠를 얻어 오는 함수로 GetDIBits 말고 GetBitmapBits도 있는데, 얘는 그냥 레거시 잔재이다. BITMAPINFO 헤더 정보를 받는 부분이 없기 때문에 그냥 모노크롬 비트맵 데이터를 얻을 때나 쓰는 간소화 버전이라고 생각하면 된다.

예전에 Windows 95부터 2000/ME까지는 시스템 종료 명령을 내리면 화면 전체에 50% 검은 음영 픽셀이 깔리면서 시스템 종료, 재시작 같은 세부 기능을 선택하는 대화상자가 떴다. 지금은 그런 효과는 관리자 권한을 요청하는 UAC 확인 대화상자가 뜰 때에나 그렇게 배경이 어두워질 텐데 그때는 시스템 종료 대화상자가 그 비주얼 이펙트 역할을 담당했다. (XP에서는 그 효과가 "흑백으로 서서히 fade out"이라는 더 화려한 형태로 바뀌었다가, 후대 버전부터는 이펙트가 사라졌다.)

그런데.. 그렇게 50% 검은 음영을 뿌리는 게 바로 래스터 오퍼레이션을 가미한 BitBlt 내지 PatBlt 실행으로 구현되었다. 최신(당대 기준) 그래픽 카드에서야 즉시 전체 화면에 음영 뿌려졌겠지만, 하드웨어 가속 없이 640*480 VGA 내지 그에 준하는 구린 그래픽 환경에서는 음영이 위에서 아래로 뿌려지는 게 눈으로 보일 정도로 속도가 느렸다. 그건 나름 수십만 개에 달하는 픽셀이 바뀌는 거니까..

그리고 그게 바로.. 그 컴퓨터에서 BitBlt 함수로 화면을 가득 채우는 속도와 같다 생각하면 된다. 그때는 이 따위 느린 그래픽 함수로는 답이 없으니, Windows에서 게임을 돌리려면 발상의 전환을 달리한 DirectX 같은 API를 만들어야겠다는 생각을 응당 안 할 수 없었을 것이다. 하드웨어 계층 추상화+통합이 아니라, 하드웨어 직통 제어를 지원하게 말이다.

DirectX 쪽 그래픽 프로그래밍이 재래식 GDI 그래픽 프로그래밍과 다른 점은..

  • 하드웨어의 발전에 따라 프로그래밍 방법론의 변화 기복이 매우 큼.
  • 하려는 일(도형 그리기, 글자 찍기..)보다는 그래픽 하드웨어의 기능 위주로 API가 설계돼 있다. 사실, 이걸 수용하라고 애초부터 이념이 이런 식인 API를 따로 만든 거다.
  • 이런 이유로 인해, GDI처럼 프린터, 플로터, 메타파일 같은 디바이스까지 다 통합하는 추상화 계층 건 전혀 안중에 없음. 오로지 화면 아니면 화면 출력용 메모리 버퍼 위주이다.
  • BeginPaint/EndPaint로 대표되는 invalid 영역 그딴 개념이 없고, 그 대신 '서피스 소실'이라는 개념이 존재한다.

정도로 요약되겠다.
예전에는 GDI와는 완전히 다른 기술 계층을 거쳤기 때문에 화면 캡처도 특수한 프로그램을 써서 했을 정도이지만 이제는 그런 유별난 점이 점점 없어지고 통합돼 가고 있는 것도 인상적이다.

Posted by 사무엘

2017/09/15 19:31 2017/09/15 19:31
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한때 Windows에서 바탕 화면에 배경 그림을 표시하는 방식은 '바둑판, 화면 중앙, 화면 크기에 맞춤'이라는 딱 세 가지 중 하나를 선택할 수 있었다.
이것은 GDI에서 직사각형 영역에다 비트맵을 뿌리는 함수로 치면 각각 PatBlt, BitBlt, 그리고 StretchBlt에 대응한다. 지금은 몇 가지 방식이 더 나오는데, 그건 그림의 종횡비와 화면의 종횡비가 다를 때 확대를 어떻게 할지를 결정하는 것이므로 개념적으로 StretchBlt에 대응하는 셈이다.

GDI에서 비트맵 그래픽을 표현하는 추상적인 핸들 자료형은 잘 알다시피 HBITMAP이다. 그러나 위의 세 *Blt 함수들 중 어느 것도 HBITMAP을 인자로 받지 않는다. 이는 어찌 된 일일까?
이들은 비트맵을 자기들이 처리하기 용이한 형태로 바꾼 파생 자료형을 대신 사용한다. PatBlt를 사용하려면 뿌리려는 비트맵을 브러시로 바꿔야 하며, BitBlt와 StretchBlt는 해당 비트맵에 대한 그래픽 조작이 가능한 메모리 DC를 추가로 준비해야 한다. 그럼 그 구체적인 내역을 살펴보자.

모노크롬 아니면 16색 그래픽이 있던 시절, 도스용 그래픽 라이브러리에는 8바이트로 표현되는 8*8 단색 패턴이라는 게 있었다. 그 작은 공간으로도 벽돌, 사선 등 생각보다 기하학적으로 굉장히 기발한 무늬를 표현할 수 있었다.
Windows는 2000/ME까지만 해도 배경 그림은 오로지 BMP만 지원했으며(액티브 데스크톱을 사용하지 않는 한), 배경 그림이 차지하지 않는 나머지 영역은 그런 무늬로 도배하는 기능이 있었다. 물론 이것은 트루컬러 그래픽과는 영 어울리지 않는 낡은 기능이기에, XP부터는 깔끔하게 없어졌다.

사용자 삽입 이미지

PatBlt는 직사각형 영역을 주어진 브러시로 채우는 함수이다. 즉, 이 함수가 사용하는 원천은 함수의 별도 인자가 아니라 해당 DC에 선택되어 있는 브러시이다. 그럼 얘는 Rectangle이나 FillRect와 하는 일이 거의 차이가 없는 것 같아 보인다. 이 세 함수의 특성을 표로 일목요연하게 정리하면 다음과 같다.

  PatBlt FillRect Rectangle
경계선을 current pen으로 그음 X X O (유일)
경계면을 current brush로 채움 O No, brush를 따로 인자로 받음 O
사각형 좌표 지정 방식 x, y, 길이, 높이 RECT 구조체 포인터 x1, y1, x2, y2 (RECT 내용을 풀어서)
래스터 오퍼레이션 지정 O (유일) X (= PATCOPY만) X (왼쪽과 동일)

다들 개성이 넘쳐 보이지 않는가? =_=;;
Rectangle은 선을 긋는 기능이 유일하게 존재하며, FillRect는 유일하게 사용할 브러시를 매번 인자로 지정할 수 있다. 그 반면 PatBlt가 유일하게 갖추고 있는 기능은 래스터 오퍼레이션인데, 사실 이것이 이 함수의 활용도를 크게 끌어올려 주는 기능이다. 이에 대해서도 앞으로 차차 살펴보도록 하겠다.

브러시는 '2차원 면을 바둑판 형태로 채우는 어떤 재질'을 나타내는 GDI 개체이다. 가로선· 세로선· 대각선 같은 간단한 무늬는 CreateHatchBrush로 지정 가능하지만 이건 오늘날에 와서는 영 쓸 일이 별로 없는 모노크롬 그래픽의 잔재이다.
CreateSolidBrush는 아무 무늬가 없는 순색 브러시를 표방하긴 하지만, 그래도 16/256컬러 같은 데서 임의의 RGB 값을 넘겨 주면 단순히 가장 가까운 단색이 아니라 ordered 디더링이 된 무늬가 생성된다.

그리고 다음으로 비트맵으로부터 브러시를 생성하는 함수는 바로 CreatePatternBrush이다.
여기에서 사용할 비트맵은 가장 간단하게는 CreateBitmap이라는 함수를 통해 생성할 수 있다. 이 함수가 인자로 받는 건 비트맵의 가로· 세로 크기와 픽셀 당 색상 수, 그리고 초기화할 데이터가 전부이다. 아주 간단하다.

그러나 이 비트맵은 그냥 2차원 배열 같은 픽셀 데이터 덤프 말고는 그 어떤 정보도 담겨 있지 않으며, 이걸로 만들 수 있는 건 구조가 극도로 단순해서 어느 그래픽 장비에서나 공통으로 통용되는 모노크롬 비트맵뿐이다. 즉 그 도스 시절의 8*8 패턴 같은 극도로 단순한 비트맵만 만들 수 있다. 오늘날에 와서 CreateBitmap은 모노크롬 비트맵 생성 전용이라고만 생각하면 된다.

모노크롬 비트맵을 기반으로 만들어진 DC나 브러시는 다른 solid/hatched 브러시와는 달리 자체적으로 색상 정보가 담겨 있지 않다. 그렇기 때문에 이때는 그래픽을 뿌리는 DC가 갖고 있는 텍스트의 글자색(값이 0인 곳)과 배경색이(값이 1인 곳) 양 색깔로 선택된다는 점도 참고하자. MSDN에 명시되어 있다. (0과 1 중 어느 게 글자인지 이거 은근히 헷갈린다. 빈 배경에서 뭔가 정보가 있다는 관점에서는 1이 글자 같아 보이기도 하니 말이다.)

그리고 브러시는 origin이라는 게 있어서 어떤 경우든 이를 원점으로 하여 바둑판 모양으로 뿌려진다. oxoxoxox라는 무늬가 있다면, 0,0부터 8,0까지 뿌린다면 oxoxoxox로 뿌려지지만 1,0부터 9,0까지 뿌린다면 ox가 아니라 xoxoxoxo가 된다는 뜻이다.

모노크롬이 아닌 컬러 비트맵을 저장하고 찍는 절차는 좀 복잡하다. 이미 컬러를 표현할 수 있는 DC로부터 CreateCompatibleDC와 CreateCompatibleBitmap을 거쳐서 비트맵을 생성해야 한다. 아니면 CreateDIBitmap를 써서 DIB라 불리는 '장치 독립 비트맵' 정보로부터 HBITMAP을 생성하든가.. 얘는 그냥 비트맵 데이터뿐만 아니라 팔레트 정보 같은 것도 담긴 헤더를 인자로 받는다. 출력할 그래픽 데이터와 출력 매체의 픽셀 구조가 다를 때를 대비해서 추상화 계층이 추가된 것이다.

원래 패턴 브러시는 8*8의 아주 작은 비트맵만 취급할 수 있었다. 그러나 NT 내지 95 이후의 버전부터는 그 한계가 없어지면서 브러시와 오리지널 비트맵 사이의 경계가 좀 모호해졌다. 그래도 PatBlt는 작은 비트맵 무늬 위주의 브러시를 래스터 오퍼레이션을 적용하여 그리는 용도에 원래 최적화돼 있었다는 점을 알아 두면 되겠다.
윈도우 클래스를 등록할 때 우리는 WNDCLASS의 hbrBackground 멤버를 흔히 (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1) 이런 식으로 때워 버리곤 하는데, 여기에다가도 저런 패턴 브러시를 지정해 줄 수 있다. 그러면 그 윈도우 배경에는 자동으로 바둑판 모양의 비트맵이 배경으로 깔리게 된다. 이런 식의 활용도 얼마든지 할 수 있다.

한편, 비트맵을 찍는 동작에는 그냥 있는 그대로 뿌리는 것뿐만이 아니라 래스터 오퍼레이션을 통해 반전을 해서 찍기(PATINVERT), 타겟 화면을 무조건 반전시키기(DSTINVERT), 타겟 화면을 무조건 검거나 희게 바꾸기 같은 세부 방식의 차이가 존재할 수 있는데, 앞서 언급한 FillRect뿐만 아니라 InvertRect나 DrawFocusRect 같은 함수도 사실은 PatBlt의 기능을 이용하여 다 구현 가능하다. cursor를 깜빡거리는 건 두 말할 나위도 없고 말이다.

임의의 색깔로 음영을 표현하는 것이라든가, 특히 이동이나 크기 조절을 나타내는 50% 반투명 검은 음영 작대기/테두리는 모두 이 함수의 xor 래스터 오퍼레이션으로 표현된다. 그걸 구현하는 데는 PatBlt 말고는 선택의 여지가 없다는 뜻. 흑백을 xor 연산 시키면 "원래 색 & 반전색"이 교대로 나타나니까 말이다.

사용자 삽입 이미지
물론 요즘은 (1) 걍 테두리 없이 해당 개체를 즉시 이동이나 크기 조절시키는 것으로 피드백 또는 (2) 알파 블렌딩을 이용한 음영이 대세가 되면서 전통적인 xor 음영은 점점 비중이 줄어들고 있긴 하지만, PatBlt 함수는 그래도 이렇게 유용한 구석이 있다.

이런 PatBlt에 반해 BitBlt는 비트맵을 SelectObject시킨 DC를 원본 데이터로 사용하기 때문에 컬러 비트맵의 출력에 더 최적화되어 있다. PatBlt처럼 비트맵을 바둑판 모양으로 반복 출력하는 기능은 없으며, 딱 원본 데이터의 크기만큼만 출력한다. PatBlt와는 달리 고정 origin이 없고 사용자가 찍으라고 한 위치가 origin이 된다. StretchBlt는 거기에다가 확대/축소 기능이 추가됐고 말이다.

이 정도면 비트맵 API에 대한 개념이 충분히 숙지될 수 있을 것이다. 각종 아이콘과 마우스 포인터들도 다 마스크 비트맵 AND와 컬러 비트맵 XOR이라는 래스터 오퍼레이션을 통해 투명 배경 내지 반전을 구현한다는 건 두 말하면 잔소리이다. 물론 오늘날은 알파 채널로 투명도를 구현하면서 래스터 오퍼레이션의 의미는 다소 퇴색했지만 말이다.
그럼 이제 비트맵 API들에 대한 개인적인 의문점과 아쉬운 점을 좀 나열하며 글을 맺겠다.

(1) GDI는 후대에 등장한 다른 그래픽 API들과는 달리, 글꼴을 제외하면 벡터와 래스터 모든 분야에서 안티앨리어싱과는 담을 싼 구닥다리 API로 전락해 있다. 그러니 비트맵을 정수 배가 아닌 확대/축소를 좀 더 부드럽게 하거나, 아예 임의의 일차변환을 한 모양으로 출력하려면 최소한 GDI+ 같은 다른 대체제를 써야 한다.

(2) 운영체제가 가로줄, 세로줄 같은 몇몇 known pattern에 대해서 CreateHatchBrush 함수를 제공하긴 하는데, 50% 음영 정도는 오늘날에도 많이 쓰이기 때문에 known 패턴이 좀 제공되어야 하지 않나 싶다. 그게 없어서 수많은 프로그램들이 내부에 0x55, 0xAA 배열을 일일이 생성해서 패턴을 만드는 것은 낭비이다.
오히려 cursor는 CreateCaret 함수에 (HBITMAP)1을 줘서 50% 음영을 만드는 기능이 있는데, 정작 그건 별로 쓸 일이 없다.

(3) 브러시 말고 펜으로 선을 그리는 걸 xor 반전 연산으로 하는 기능은 없는지 궁금하지 않으신지? 임의의 사선이나 원 테두리를 그렇게 그리는 건 그래픽 에디터를 만들 때도 반드시 필요하니 말이다.
물론 그런 기능이 없을 리가 없다. SetROP2라는 함수로 그리기 모드를 바꿔 주면 된다. 단, 여기서 입력받는 래스터 오퍼레이션 코드는 BitBlt가 사용하는 코드 체계와는 다르다. 비트맵 전송 API들은 화면의 원본 픽셀(D), 그리려는 픽셀(S)뿐만 아니라 패턴(P)이라는 변수가 또 추가되어서 원래는 3변수 코드를 사용한다. BitBlt는 PatBlt가 하는 일까지 다 할 수 있는 모양이다.

Posted by 사무엘

2015/08/12 08:33 2015/08/12 08:33
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