M

MLOG

한국어

게임 물리 충돌 감지의 기본 개념부터 알고리즘, 최적화 기법, 그리고 게임 개발자를 위한 실용적인 구현 방안까지 자세히 알아봅니다.

게임 물리: 충돌 감지 심층 분석

충돌 감지는 비디오 게임에서 현실감 있고 매력적인 게임플레이의 초석입니다. 이는 둘 이상의 게임 오브젝트가 교차하거나 서로 접촉하는 시점을 결정하는 과정입니다. 정확하고 효율적인 충돌 감지는 물리적 상호작용을 시뮬레이션하고, 오브젝트가 서로를 통과하는 것을 방지하며, 게임 이벤트를 트리거하는 데 매우 중요합니다. 이 글은 전 세계 게임 개발자들을 위한 충돌 감지 기법, 최적화 전략, 구현 시 고려 사항에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

충돌 감지는 왜 중요한가?

충돌 감지는 광범위한 게임플레이 메커니즘의 기본입니다:

견고한 충돌 감지가 없다면 게임은 비현실적이고 버그가 많으며 플레이어에게 좌절감을 줄 것입니다. 이는 게임 세계 내에서 믿을 수 있는 시뮬레이션, 매력적인 게임플레이 루프, 반응적인 상호작용을 가능하게 합니다. 잘 구현된 충돌 시스템은 게임의 전반적인 품질과 몰입도를 크게 향상시킵니다.

기본 개념

특정 알고리즘을 살펴보기 전에 몇 가지 기본 개념을 정의해 보겠습니다:

충돌 감지 파이프라인

충돌 감지는 일반적으로 두 단계로 수행됩니다:

1. 브로드 페이즈 (Broad Phase)

브로드 페이즈는 명백히 충돌하지 않는 쌍을 제거하여 잠재적인 충돌 쌍의 수를 신속하게 줄이는 것을 목표로 합니다. 이는 단순화된 충돌 표현과 효율적인 알고리즘을 사용하여 수행됩니다. 목표는 더 비용이 많이 드는 내로우 페이즈에서 테스트해야 하는 충돌 쌍의 수를 줄이는 것입니다.

일반적인 브로드 페이즈 기법은 다음과 같습니다:

예시: 2D 플랫포머에서 AABB 중첩 사용하기. 브라질에서 개발된 플랫포머 게임을 상상해 보세요. 플레이어 캐릭터가 특정 플랫폼과 충돌하는지 확인하기 전에 게임은 먼저 그들의 AABB가 겹치는지 확인합니다. AABB가 교차하지 않으면 게임은 충돌이 없다는 것을 알고 더 정밀한(그리고 계산 비용이 더 비싼) 검사를 건너뜁니다.

2. 내로우 페이즈 (Narrow Phase)

내로우 페이즈는 브로드 페이즈에서 식별된 충돌 쌍에 대해 더 정밀한 충돌 감지를 수행합니다. 이는 더 복잡한 충돌 모양과 알고리즘을 사용하여 오브젝트가 실제로 충돌하는지 확인하고 충돌점, 법선 및 관통 깊이를 계산하는 것을 포함합니다.

일반적인 내로우 페이즈 기법은 다음과 같습니다:

예시: 일본에서 개발된 격투 게임에서 SAT 사용하기. 격투 게임은 타격을 정확하게 등록하기 위해 정밀한 충돌 감지가 필요합니다. 게임은 분리 축 이론(SAT)을 사용하여 캐릭터의 주먹이 상대방과 연결되는지 확인합니다. 캐릭터의 주먹과 상대방의 몸을 다양한 축에 투영함으로써 게임은 복잡한 캐릭터 애니메이션에서도 충돌이 발생했는지 확인할 수 있습니다.

충돌 감지 알고리즘 상세

1. 축 정렬 경계 상자(AABB) 중첩 테스트

AABB 중첩 테스트는 가장 간단하고 효율적인 충돌 감지 알고리즘입니다. AABB는 좌표축에 정렬된 사각형(2D) 또는 직육면체(3D)입니다. 두 AABB가 겹치는지 테스트하려면 각 축을 따라 그 범위가 겹치는지 간단히 확인하면 됩니다.

알고리즘 (2D):


function AABBOverlap(aabb1, aabb2):
  if (aabb1.minX > aabb2.maxX) or (aabb1.maxX < aabb2.minX):
    return false // X축에서 겹치지 않음
  if (aabb1.minY > aabb2.maxY) or (aabb1.maxY < aabb2.minY):
    return false // Y축에서 겹치지 않음
  return true // 양 축에서 겹침

장점:

단점:

2. 분리 축 이론 (SAT)

분리 축 이론(SAT)은 볼록 다각형 또는 다면체 간의 충돌을 감지하는 강력한 알고리즘입니다. 이 이론은 두 볼록 오브젝트의 투영이 겹치지 않는 선(2D)이나 평면(3D)이 존재한다면 두 오브젝트는 충돌하지 않는다고 명시합니다.

알고리즘 (2D):

  1. 양쪽 폴리곤의 각 모서리에 대해 법선 벡터(모서리에 수직인 벡터)를 계산합니다.
  2. 각 법선 벡터(분리 축)에 대해:
    • 두 폴리곤을 법선 벡터에 투영합니다.
    • 투영이 겹치는지 확인합니다. 겹치지 않으면 폴리곤은 충돌하지 않는 것입니다.
  3. 모든 투영이 겹치면 폴리곤은 충돌하는 것입니다.

장점:

단점:

3. GJK (길버트-존슨-키르티) 알고리즘

GJK 알고리즘은 두 볼록 모양 사이의 거리를 계산하는 알고리즘입니다. 거리가 0인지 확인하여 충돌을 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다. GJK 알고리즘은 두 모양의 민코프스키 차(Minkowski difference)에서 원점에 가장 가까운 점을 반복적으로 찾아 작동합니다. 두 모양 A와 B의 민코프스키 차는 A - B = {a - b | a ∈ A, b ∈ B}로 정의됩니다.

장점:

단점:

최적화 기법

충돌 감지는 특히 오브젝트가 많은 게임에서 계산 비용이 많이 드는 프로세스일 수 있습니다. 따라서 성능을 향상시키기 위해 최적화 기법을 사용하는 것이 중요합니다.

예시: 대한민국에서 개발된 실시간 전략(RTS) 게임에서 쿼드트리 사용하기. RTS 게임은 종종 수백 또는 수천 개의 유닛이 동시에 화면에 나타납니다. 충돌 감지의 계산 부하를 관리하기 위해 게임은 쿼드트리를 사용하여 게임 맵을 더 작은 영역으로 나눕니다. 동일한 쿼드트리 노드 내의 유닛만 충돌 검사가 필요하므로 프레임당 수행되는 충돌 검사 수가 크게 줄어듭니다.

실용적인 구현 고려 사항

게임에서 충돌 감지를 구현할 때 명심해야 할 몇 가지 실용적인 고려 사항이 있습니다:

충돌 반응

충돌 감지는 전투의 절반에 불과합니다. 충돌 반응은 충돌이 감지된 *후에* 어떤 일이 발생하는지를 결정합니다. 이것은 믿을 수 있는 물리 시뮬레이션을 만드는 데 중요한 부분입니다. 충돌 반응의 핵심 요소는 다음과 같습니다:

예시: 영국에서 개발된 레이싱 게임의 충돌 반응. 레이싱 게임에서는 자동차 간의 충돌을 정확하게 시뮬레이션하는 것이 현실적인 경험을 위해 매우 중요합니다. 두 대의 차가 충돌하면 게임은 속도와 질량을 기반으로 충격량을 계산합니다. 이 충격량은 차의 속도를 변경하는 힘을 적용하는 데 사용되어 서로 튕겨 나가게 합니다. 또한 게임은 차가 서로 안에 끼는 것을 방지하기 위해 모든 관통을 해결합니다. 또한, 현실적인 타이어와 지면의 접촉을 만들어 핸들링과 안정성에 영향을 미치는 마찰이 시뮬레이션됩니다.

고급 기법

고급 응용 프로그램을 위해 다음 기법들을 고려해 보세요:

결론

충돌 감지는 현실감 있고 매력적인 게임플레이 경험을 만드는 데 중요한 역할을 하는 게임 물리학의 기본 측면입니다. 이 글에서 논의된 기본 개념, 알고리즘 및 최적화 기법을 이해함으로써 게임 개발자는 게임의 품질과 몰입도를 향상시키는 견고하고 효율적인 충돌 감지 시스템을 구현할 수 있습니다. 최상의 접근 방식은 종종 프로젝트의 특정 요구에 맞춰진 기법들의 조합을 포함한다는 점을 기억하십시오. 게임 세계가 점점 더 복잡해짐에 따라, 전 세계 플레이어들을 위해 진정으로 믿을 수 있고 상호작용적인 경험을 만드는 데 충돌 감지를 마스터하는 것이 더욱 중요해집니다. 다양한 방법을 실험하고 정확성, 성능 및 게임플레이 느낌 사이의 최적의 균형을 달성하기 위해 시스템을 미세 조정하는 것을 두려워하지 마십시오.