물리 엔진의 테스트 자동화

소개

물리 엔진의 디버깅과 테스트는 시뮬레이션의 정확성과 안정성을 보장하는 중요한 과정이다. 물리 엔진은 주로 효율성과 정확성을 위해 다양한 수학적 기법과 알고리즘을 사용하기 때문에, 그 동작을 일관성 있고 반복 가능하게 테스트하는 것이 필수적이다. 테스트 자동화는 그런 면에서 매우 유용하며, 이를 통해 테스트의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.

테스트 자동화의 필요성

테스트 자동화는 여러 가지 이유에서 중요하다. 첫째, 수작업으로 테스트를 진행할 경우 발생할 수 있는 인간의 실수를 줄일 수 있다. 둘째, 대규모 테스트를 효율적으로 수행할 수 있어, 물리 엔진의 다양한 시나리오에서의 동작을 빠르게 검증할 수 있다. 자동화된 테스트는 반복 가능한 환경에서 테스트를 수행하여 결과의 일관성을 확보하는 데도 도움이 된다.

테스트 자동화의 요소

테스트 자동화 시스템은 일반적으로 다음과 같은 요소들로 구성된다:

테스트 스크립트: 테스트 시나리오를 코드로 작성한 것이다. 이는 실험을 위한 초기 조건 설정, 물리 엔진의 호출, 결과 확인 등의 절차를 포함한다.
테스트 프레임워크: 테스트 스크립트를 실행하고 결과를 관리하는 시스템이다. 예를 들어, PyTest, JUnit 또는 Google Test 같은 프레임워크가 있다.
결과 확인과 보고: 테스트 결과를 자동으로 확인하고, 로그 또는 보고서를 생성하는 도구이다. 이를 통해 문제의 원인을 빠르게 파악할 수 있다.

테스트 시나리오 작성

물리 엔진에 대한 테스트 시나리오는 물리적 상호작용의 다양한 측면을 검증할 수 있어야 한다. 예를 들어:

충돌 테스트: 두 개 이상의 객체가 충돌할 때 각 객체의 운동 상태 변화를 검증한다.
관성 테스트: 물체가 운동을 계속 유지할 때의 속도와 위치 변화를 검증한다.
힘과 토크 테스트: 외력이나 외부 토크가 작용했을 때 물체의 가속도와 회전 변화를 확인한다.

충돌 테스트 예시

충돌 테스트의 예를 들어보겠다. 두 개의 구체가 충돌하는 시나리오 테스트를 작성할 수 있다.

import unittest
from my_physics_engine import PhysicsEngine, Sphere

class TestCollision(unittest.TestCase):

    def test_sphere_collision(self):
        engine = PhysicsEngine()
        sphere1 = Sphere(mass=1, radius=1, position=[0, 0, 0], velocity=[1, 0, 0])
        sphere2 = Sphere(mass=1, radius=1, position=[3, 0, 0], velocity=[-1, 0, 0])

        engine.add_object(sphere1)
        engine.add_object(sphere2)

        engine.simulate(time_step=0.1, duration=3.0)

        expected_position_sphere1 = [...]
        expected_position_sphere2 = [...]

        self.assertAlmostEqual(sphere1.position, expected_position_sphere1)
        self.assertAlmostEqual(sphere2.position, expected_position_sphere2)

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

시뮬레이션 결과 검증

물리 엔진의 성능과 정확성을 검증하기 위해서는 테스트 결과와 이론적 계산 결과를 비교한다. 다음은 기본적인 물리 법칙을 이용한 검증 방법의 예이다.

운동 방정식 검증

뉴턴의 운동 제2법칙에 따르면:

$\mathbf{F} = m \cdot \mathbf{a}$

예를 들어, 일정한 힘 $\mathbf{F}$ 가 물체에 가해질 때의 가속도를 검증할 수 있다.

import unittest
from my_physics_engine import PhysicsEngine, Object

class TestMotion(unittest.TestCase):

    def test_constant_force(self):
        engine = PhysicsEngine()
        obj = Object(mass=2, force=[4, 0, 0])

        engine.add_object(obj)
        engine.simulate(time_step=0.1, duration=2.0)

        expected_acceleration = [2, 0, 0]
        calculated_acceleration = obj.velocity / 2.0  # Since initial velocity is zero

        self.assertAlmostEqual(calculated_acceleration, expected_acceleration)

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

복합적 테스트 시나리오

복합적 테스트 시나리오는 여러 물체와 상호작용하는 다양한 물리적 현상을 검증하는 데 사용된다. 이러한 테스트는 실제 환경에서 물리 엔진이 어떻게 동작하는지를 더욱 현실적으로 확인하는 데 유용하다.

중력 검증 테스트

중력은 대부분의 물리 시뮬레이션에서 중요한 요소이다. 중력을 포함한 시뮬레이션에서는 물체가 자유 낙하할 때의 가속도와 위치 변화를 검증할 수 있다.

import unittest
from my_physics_engine import PhysicsEngine, Object

class TestGravity(unittest.TestCase):

    def test_free_fall(self):
        engine = PhysicsEngine()
        gravity = [0, -9.81, 0]
        engine.set_gravity(gravity)

        obj = Object(mass=1, position=[0, 10, 0], velocity=[0, 0, 0])
        engine.add_object(obj)

        engine.simulate(time_step=0.1, duration=2.0)

        # Calculate expected final position
        time_passed = 2.0
        initial_position_y = 10
        expected_position_y = initial_position_y + (0.5 * gravity[1] * (time_passed**2))

        self.assertAlmostEqual(obj.position[1], expected_position_y, places=2)

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

마찰력 테스트

마찰력은 물리적 시뮬레이션에서 물체의 움직임에 중대한 영향을 미친다. 마찰력이 있는 표면 위에서 물체의 속도가 시간에 따라 감소하는지를 확인할 수 있다.

import unittest
from my_physics_engine import PhysicsEngine, Object

class TestFriction(unittest.TestCase):

    def test_surface_friction(self):
        engine = PhysicsEngine()
        engine.set_friction_coefficient(0.5)

        obj = Object(mass=2, position=[0, 0, 0], velocity=[10, 0, 0])
        engine.add_object(obj)

        engine.simulate(time_step=0.1, duration=5.0)

        # Objects should slow down due to friction
        expected_velocity_x = 0  # Since friction will eventually stop the object

        self.assertAlmostEqual(obj.velocity[0], expected_velocity_x, delta=0.1)

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

결과 시각화

시뮬레이션 결과를 시각화하면 문제를 더 직관적으로 이해하고 분석할 수 있다. 결과 데이터는 2D나 3D 그래프로 시각화하거나, 애니메이션으로 만들어 확인할 수 있다.

Matplotlib을 사용한 시각화

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

class TestVisualization(unittest.TestCase):

    def test_simulation_visualization(self):
        engine = PhysicsEngine()
        obj = Object(mass=1, position=[0, 10, 0], velocity=[0, 0, 0])
        engine.add_object(obj)

        positions = []
        time_steps = np.arange(0, 2.0, 0.1)

        for t in time_steps:
            engine.simulate(time_step=0.1)
            positions.append(obj.position[1])

        plt.plot(time_steps, positions)
        plt.xlabel('Time (s)')
        plt.ylabel('Height (m)')
        plt.title('Free Fall Simulation')
        plt.show()

if __name__ == '__main__':
    unittest.main()

물리 엔진의 테스트 자동화는 정확성과 신뢰성을 높이는 데 있어 매우 중요하다. 다양한 테스트 시나리오와 자동화 프레임워크, 그리고 결과 시각화 도구를 활용하면 더욱 효과적인 검증을 수행할 수 있다.