게임 엔진과 물리 엔진의 상호 작용

개요

게임 엔진은 게임의 그래픽, 사운드, 네트워킹, 인풋, AI 등 다양한 요소를 관리한다. 이 가운데 물리 엔진은 물리 법칙을 기반으로 한 현실적인 상호 작용을 만들어 내는 중요한 요소이다. 물리 엔진은 충돌 검출, 운동학 및 동역학 등의 물리 계산을 담당하며, 게임 엔진과 긴밀하게 상호 작용한다.

물리 엔진의 주요 역할

충돌 검출 (Collision Detection): 객체들이 서로 충돌하는지 여부를 계산한다.
동역학 시뮬레이션 (Dynamic Simulation): 물체의 움직임을 계산한다.
제약 조건 처리 (Constraint Solving): 연결 및 고정된 특정 조건을 시뮬레이션한다.

상호 작용 방식

게임 엔진과 물리 엔진이 상호 작용하는 주요 방식은 다음과 같다:

데이터의 동기화

물리 엔진은 각 물체의 위치, 속도, 가속도 등의 상태 정보를 주기적으로 갱신한다. 이 과정에서 게임 엔진이 참조할 수 있는 형태로 데이터를 변환하고 동기화한다.

struct PhysicsState {
    glm::vec3 position;
    glm::vec3 velocity;
    glm::quat orientation;
    glm::vec3 angularVelocity;
};

게임 엔진은 이 데이터를 참조하여 렌더링 등을 수행한다.

충돌 이벤트 처리

물리 엔진은 충돌이 발생했을 때 이벤트를 생성한다. 이 이벤트는 게임 엔진으로 전달되어 반응을 유발한다.

void onCollision(PhysicsBody* bodyA, PhysicsBody* bodyB) {
    // 충돌된 객체에 대한 로직
}

시뮬레이션 타이밍

물리 엔진이 프레임 독립적인 시뮬레이션을 수행하려면 고정된 시간 간격으로 업데이트 되어야 한다. 이는 게임 엔진의 메인 루프에서 주기적으로 물리 엔진을 업데이트 하는 방식으로 구현된다.

void gameLoop() {
    const double fixedTimeStep = 1.0 / 60.0; // 60 Hz
    double accumulator = 0.0;

    while (!gameOver) {
        double deltaTime = getDeltaTime();
        accumulator += deltaTime;

        while (accumulator >= fixedTimeStep) {
            physicsEngine.update(fixedTimeStep);
            accumulator -= fixedTimeStep;
        }

        render();
    }
}

물리 엔진의 데이터 구조

물리 엔진에서는 기본적으로 각 물리 객체를 다음과 같이 표현한다:

객체의 상태

$\mathbf{x} = \begin{bmatrix} \mathbf{p} \\ \mathbf{q} \end{bmatrix}, \quad \mathbf{p} = \text{position}, \quad \mathbf{q} = \text{orientation}$

속도 및 가속도

$\mathbf{v} = \begin{bmatrix} \mathbf{v}_p \\ \mathbf{v}_q \end{bmatrix}, \quad \mathbf{v}_p = \text{linear velocity}, \quad \mathbf{v}_q = \text{angular velocity}$

물리 엔진은 이러한 상태와 속도 정보를 사용하여 물체의 운동을 시뮬레이션한다.

통합 방법

가장 일반적인 시뮬레이션 방법은 Semi-Implicit Euler 방법이다:

$\mathbf{v}(t+\Delta t) = \mathbf{v}(t) + \Delta t \cdot \mathbf{a}(t)$

$\mathbf{x}(t+\Delta t) = \mathbf{x}(t) + \Delta t \cdot \mathbf{v}(t+\Delta t)$

이 방법은 좀 더 안정적인 시뮬레이션을 제공한다.

사용자 입력 처리

게임 엔진은 사용자 입력(키보드, 마우스, 컨트롤러 등)을 받아 이를 물리 엔진에 전달하여 게임 내 물체의 움직임에 반영한다. 사용자가 키보드로 차량을 조작하거나 마우스로 물체를 잡아서 던지는 등의 행위를 처리하기 위해 게임 엔진과 물리 엔진 간의 긴밀한 통신이 필요하다.

void handleInput(const UserInput& input) {
    if (input.isKeyPressed(Key::Up)) {
        physicsEngine.applyForce(car, glm::vec3(0, 0, -1));
    }
    if (input.isMouseButtonDown(MouseButton::Left)) {
        physicsEngine.pickObject(mousePosition);
    }
}

제약 조건

물리 엔진에서는 물체 간의 제약 조건도 처리한다. 예를 들어, 두 물체가 서로 연결되어 특정 거리 이상 떨어지지 않도록 하는 제약 조건을 적용할 수 있다.

해결 방법

제약 조건을 해결하기 위한 방법으로는 Lagrange Multiplier 방법과 Sequential Impulse methods 등의 수학적 기법이 사용된다.

제약 조건 예시

struct Constraint {
    PhysicsBody* bodyA;
    PhysicsBody* bodyB;
    glm::vec3 localAnchorA;
    glm::vec3 localAnchorB;
    float restLength;
};

void solveConstraint(Constraint& constraint) {
    // 제약 조건 해결 로직
}

강체 물리 (Rigid Body Physics)와 소프트 바디 물리 (Soft Body Physics)

물리 엔진은 일반적으로 두 가지 유형의 물리를 시뮬레이션 한다: 1. 강체 물리 (Rigid Body Physics): 고체 객체의 움직임을 시뮬레이션한다. 2. 소프트 바디 물리 (Soft Body Physics): 변형 가능 객체의 움직임을 시뮬레이션한다. 예: 천 시뮬레이션, 젤리, 머리카락 등.

물리 엔진의 최적화

물리 엔진은 고성능 시뮬레이션을 위해 다양한 최적화 기법을 사용한다. 여기에는 Broad-Phase 충돌 검출, 벡터화 연산, 병렬 처리 등이 있다.

Broad-Phase 충돌 검출: 잠재적인 충돌 쌍을 빠르게 찾기 위해 공간 분할 기법(예: AABB 트리, 그리드) 등을 사용한다.
벡터화 연산: 행렬 및 벡터 연산을 SIMD(Single Instruction, Multiple Data) 명령어로 최적화한다.
병렬 처리: 멀티코어 CPU 및 GPU를 활용하여 병렬로 물리 계산을 수행한다.

void broadPhase(PhysicsWorld& world) {
    // AABB 트리에 기반한 잠재적 충돌 쌍 찾기
}

void narrowPhase(const std::vector<CollisionPair>& pairs) {
    // 실제 충돌 여부를 세밀하게 계산
}

물리 엔진의 예시

Box2D: 2D 물리 엔진으로, 주로 플랫폼 게임, 퍼즐 게임 등에 사용된다.
Bullet Physics: 3D 물리 엔진으로, 다양한 게임과 시뮬레이션 프로젝트에 사용된다.
Havok: 상용 3D 물리 엔진으로, 많은 AAA 게임 타이틀에서 사용된다.

게임 엔진과 물리 엔진의 상호 작용은 현대 게임 개발에서 매우 중요한 역할을 한다. 물리 법칙의 정확한 시뮬레이션을 통해 보다 현실적이고 몰입감 있는 게임플레이 경험을 제공할 수 있다. 따라서, 이 두 엔진의 긴밀한 통합이 성공적인 게임 개발의 핵심 요소 중 하나라고 할 수 있다.