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2025. 12. 30. · 2 Views
Flame 고급 물리 시뮬레이션 완벽 가이드
Flutter Flame 엔진의 고급 물리 시뮬레이션 기법을 다룹니다. 유체, 소프트 바디, 래그돌부터 파괴 효과와 물리 최적화까지, 실전에서 바로 사용할 수 있는 고급 물리 엔진 활용법을 초급자도 이해할 수 있도록 쉽게 풀어냈습니다.
목차
1. 유체 시뮬레이션
어느 날 게임 개발자 김플레임 씨는 물이 흐르는 효과를 구현하려다가 막막해졌습니다. "물방울이 떨어지고, 퍼지고, 섞이는 것을 어떻게 표현하지?" 선배 개발자 박피직스 씨가 다가와 말했습니다.
"유체 시뮬레이션을 알아보셨나요?"
유체 시뮬레이션은 액체나 기체처럼 흐르는 물질의 움직임을 컴퓨터로 재현하는 기술입니다. 마치 물컵에 물을 부으면 중력에 따라 흘러내리고, 컵 바닥에 고이는 것처럼, 수많은 파티클들이 서로 상호작용하며 자연스러운 흐름을 만들어냅니다.
Flame에서는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 방식으로 이를 구현할 수 있습니다.
다음 코드를 살펴봅시다.
class FluidParticle {
Vector2 position;
Vector2 velocity;
double density = 0;
double pressure = 0;
// 밀도 계산 - 주변 파티클과의 거리 기반
void calculateDensity(List<FluidParticle> neighbors) {
density = 0;
for (var neighbor in neighbors) {
double distance = position.distanceTo(neighbor.position);
if (distance < smoothingRadius) {
density += mass * kernel(distance);
}
}
}
// 압력 기반 힘 계산
Vector2 calculatePressureForce(List<FluidParticle> neighbors) {
Vector2 force = Vector2.zero();
for (var neighbor in neighbors) {
if (neighbor == this) continue;
Vector2 direction = (position - neighbor.position).normalized();
double avgPressure = (pressure + neighbor.pressure) / 2;
force += direction * avgPressure * kernelGradient(distance);
}
return force;
}
}
김플레임 씨는 입사 6개월 차 게임 개발자입니다. 최근 회사에서 물리 기반 퍼즐 게임을 개발하게 되었는데, 가장 큰 난관은 바로 물의 표현이었습니다.
단순히 스프라이트 애니메이션으로는 자연스러운 물의 흐름을 표현할 수 없었기 때문입니다. 박피직스 씨가 김플레임 씨의 화면을 보며 고개를 끄덕였습니다.
"유체 시뮬레이션을 사용해야 할 때네요. 처음엔 복잡해 보이지만, 원리를 이해하면 생각보다 간단합니다." 그렇다면 유체 시뮬레이션이란 정확히 무엇일까요?
쉽게 비유하자면, 유체 시뮬레이션은 마치 수백 개의 작은 구슬을 물통에 넣은 것과 같습니다. 각 구슬이 주변 구슬들을 밀어내고, 서로 끌어당기고, 중력의 영향을 받으면서 전체적으로 물처럼 보이게 됩니다.
이처럼 유체 시뮬레이션도 개별 파티클들의 상호작용으로 전체적인 흐름을 만들어냅니다. 유체 시뮬레이션이 없던 시절에는 어땠을까요?
게임 개발자들은 물의 움직임을 미리 만들어진 애니메이션으로 처리해야 했습니다. 폭포는 폭포 애니메이션, 파도는 파도 애니메이션을 각각 준비했습니다.
문제는 플레이어의 행동에 반응하는 물을 만들 수 없다는 점이었습니다. 더 큰 문제는 다양한 상황마다 수십 개의 애니메이션을 제작해야 했다는 것입니다.
바로 이런 문제를 해결하기 위해 유체 시뮬레이션이 등장했습니다. 유체 시뮬레이션을 사용하면 실시간으로 반응하는 물을 만들 수 있습니다.
또한 한 번의 코드로 다양한 상황을 표현할 수 있습니다. 무엇보다 플레이어의 행동에 즉각 반응한다는 큰 이점이 있습니다.
위의 코드를 한 줄씩 살펴보겠습니다. 먼저 calculateDensity 메서드를 보면 주변 파티클들과의 거리를 계산하여 밀도를 구하는 것을 알 수 있습니다.
이 부분이 핵심입니다. 밀도가 높아지면 그 지점의 압력도 높아집니다.
다음으로 calculatePressureForce 메서드에서는 압력 차이에 따른 힘이 계산됩니다. 마지막으로 이 힘이 속도에 더해져 파티클이 이동합니다.
실제 현업에서는 어떻게 활용할까요? 예를 들어 물리 퍼즐 게임을 개발한다고 가정해봅시다.
플레이어가 컵을 기울이면 물이 쏟아지고, 바닥에 웅덩이가 생기는 장면에서 유체 시뮬레이션을 활용하면 매우 자연스러운 효과를 얻을 수 있습니다. 많은 인디 게임 스튜디오에서 이런 패턴을 적극적으로 사용하고 있습니다.
하지만 주의할 점도 있습니다. 초보 개발자들이 흔히 하는 실수 중 하나는 너무 많은 파티클을 생성하는 것입니다.
이렇게 하면 프레임 드롭이 발생하여 게임이 버벅거릴 수 있습니다. 따라서 적절한 파티클 수와 최적화된 이웃 탐색 알고리즘을 사용해야 합니다.
다시 김플레임 씨의 이야기로 돌아가 봅시다. 박피직스 씨의 설명을 들은 김플레임 씨는 고개를 끄덕였습니다.
"아, 그래서 밀도와 압력을 계산하는 거군요!" 유체 시뮬레이션을 제대로 이해하면 물뿐만 아니라 용암, 독가스, 심지어 모래까지 다양한 물질을 표현할 수 있습니다. 여러분도 오늘 배운 내용을 실제 프로젝트에 적용해 보세요.
실전 팁
💡 - Spatial Hashing을 사용하여 이웃 파티클 탐색을 최적화하세요
- 파티클 수는 모바일에서 200
500개, 데스크톱에서 10002000개가 적당합니다 - Kernel 함수는 Poly6나 Spiky 커널을 사용하면 자연스러운 결과를 얻을 수 있습니다
2. 소프트 바디 물리
김플레임 씨가 다음 프로젝트로 젤리를 조작하는 게임을 기획했습니다. 하지만 기존의 강체 물리로는 젤리의 말랑말랑한 느낌을 표현할 수 없었습니다.
"이런 부드러운 물체는 어떻게 만들죠?" 박피직스 씨가 미소를 지으며 답했습니다. "소프트 바디 물리를 공부해보세요."
소프트 바디 물리는 고무공, 젤리, 천처럼 변형 가능한 물체의 움직임을 시뮬레이션하는 기술입니다. 마치 스프링으로 연결된 여러 개의 점들이 서로 당기고 밀면서 형태를 유지하는 것처럼, 버텍스들이 스프링 제약으로 연결되어 부드럽게 변형됩니다.
Flame Forge2D에서는 이를 Distance Joint와 압력 시뮬레이션으로 구현합니다.
다음 코드를 살펴봅시다.
class SoftBody extends BodyComponent {
List<Body> vertices = [];
List<DistanceJoint> springs = [];
double pressure = 1.0; // 내부 압력
@override
Future<void> onLoad() async {
// 원형으로 버텍스 배치
for (int i = 0; i < 12; i++) {
double angle = (i / 12) * 2 * pi;
Vector2 pos = Vector2(cos(angle), sin(angle)) * radius;
vertices.add(createVertex(pos));
}
// 스프링으로 연결 - 인접 버텍스와 대각선
for (int i = 0; i < vertices.length; i++) {
int next = (i + 1) % vertices.length;
springs.add(createSpring(vertices[i], vertices[next], stiffness: 0.5));
// 대각선 연결로 형태 유지
int opposite = (i + 6) % vertices.length;
springs.add(createSpring(vertices[i], vertices[opposite], stiffness: 0.3));
}
}
@override
void update(double dt) {
applyPressureForce(); // 내부 압력으로 부풀리기
super.update(dt);
}
}
김플레임 씨는 새로운 도전에 직면했습니다. 플레이어가 젤리 캐릭터를 조작하여 장애물을 피하는 게임을 만들려고 했는데, 기존에 배운 강체 물리로는 한계가 있었습니다.
박스나 원은 딱딱하게 충돌할 뿐, 젤리의 그 특유의 탄력과 부드러움을 표현할 수 없었기 때문입니다. 박피직스 씨가 김플레임 씨의 화면을 보더니 말했습니다.
"아, 소프트 바디가 필요하네요. 이건 좀 재미있는 물리 시뮬레이션입니다." 그렇다면 소프트 바디 물리란 정확히 무엇일까요?
쉽게 비유하자면, 소프트 바디는 마치 풍선과 같습니다. 풍선 표면의 여러 점들이 고무줄로 서로 연결되어 있고, 안에는 공기가 들어있어 압력을 유지합니다.
풍선을 눌러도 완전히 찌그러지지 않고, 손을 떼면 다시 원래 모양으로 돌아오는 것처럼, 소프트 바디도 스프링의 탄성과 내부 압력으로 형태를 유지하면서도 변형됩니다. 소프트 바디 물리가 없던 시절에는 어땠을까요?
게임 개발자들은 부드러운 물체를 표현하기 위해 복잡한 애니메이션을 프레임별로 그려야 했습니다. 공이 땅에 닿을 때 찌그러지는 모습, 캐릭터가 점프할 때 늘어나는 모습 등을 모두 수작업으로 만들었습니다.
더 큰 문제는 충돌 각도나 힘의 세기에 따라 다르게 반응해야 하는데, 이를 위해 수백 개의 애니메이션이 필요했습니다. 바로 이런 문제를 해결하기 위해 소프트 바디 물리가 등장했습니다.
소프트 바디 물리를 사용하면 자동으로 변형되는 물체를 만들 수 있습니다. 또한 충돌 상황에 따라 자연스럽게 반응하는 효과를 얻을 수 있습니다.
무엇보다 한 번의 설정으로 다양한 재질을 표현할 수 있다는 큰 이점이 있습니다. 위의 코드를 한 줄씩 살펴보겠습니다.
먼저 onLoad 메서드를 보면 원형으로 12개의 버텍스를 배치하는 것을 알 수 있습니다. 이 점들이 소프트 바디의 뼈대가 됩니다.
다음으로 각 버텍스를 스프링으로 연결하는데, 인접한 점뿐만 아니라 대각선 방향의 점도 연결합니다. 이렇게 해야 형태가 무너지지 않고 유지됩니다.
마지막으로 applyPressureForce에서 내부 압력을 가해 부풀린 모양을 유지합니다. 실제 현업에서는 어떻게 활용할까요?
예를 들어 캐주얼 퍼즐 게임을 개발한다고 가정해봅시다. 플레이어가 젤리 블록을 쌓아 올리는 게임에서 소프트 바디 물리를 활용하면 블록들이 서로 눌리고 변형되는 재미있는 효과를 얻을 수 있습니다.
실제로 "Jelly Jump"나 "Wobble Man" 같은 인기 게임들이 이 기술을 사용합니다. 하지만 주의할 점도 있습니다.
초보 개발자들이 흔히 하는 실수 중 하나는 스프링 강성을 너무 높게 설정하는 것입니다. 이렇게 하면 물리 엔진이 불안정해져 버텍스들이 폭발적으로 튕겨나갈 수 있습니다.
따라서 0.3~0.7 사이의 적절한 강성값을 사용하고, Damping을 추가하여 진동을 줄여야 합니다. 다시 김플레임 씨의 이야기로 돌아가 봅시다.
박피직스 씨의 설명을 들은 김플레임 씨는 눈이 반짝였습니다. "와, 이렇게 하면 정말 젤리처럼 보이겠는데요!" 소프트 바디 물리를 제대로 이해하면 게임에 훨씬 더 생동감 있고 재미있는 물리 효과를 추가할 수 있습니다.
여러분도 오늘 배운 내용을 실제 프로젝트에 적용해 보세요.
실전 팁
💡 - 버텍스 개수는 8~16개가 적당하며, 너무 많으면 성능이 떨어집니다
- 내부 압력은 면적 변화를 계산하여 적용하면 더 자연스럽습니다
- 스프링 감쇠(Damping)를 0.1~0.3으로 설정하면 과도한 진동을 방지할 수 있습니다
3. 래그돌 시스템
어느 날 김플레임 씨는 캐릭터가 쓰러지는 애니메이션을 만들고 있었습니다. 하지만 미리 만든 애니메이션은 상황에 따라 어색해 보였습니다.
"벽에 부딪혀 쓰러지는 것과 계단에서 굴러떨어지는 게 똑같아 보이네요." 박피직스 씨가 웃으며 말했습니다. "래그돌 시스템을 사용해보세요."
래그돌 시스템은 캐릭터의 신체를 여러 개의 강체로 나누고 관절로 연결하여, 물리 법칙에 따라 자연스럽게 쓰러지거나 날아가는 효과를 만드는 기술입니다. 마치 인형의 팔다리가 관절로 연결되어 있어 중력과 충격에 따라 자유롭게 움직이는 것처럼, Body Parts를 Revolute Joint와 각도 제한으로 연결하여 현실적인 움직임을 구현합니다.
다음 코드를 살펴봅시다.
class RagdollCharacter extends Component {
late Body torso, head, upperArmL, lowerArmL, upperLegL, lowerLegL;
List<RevoluteJoint> joints = [];
void createRagdoll(Vector2 position) {
// 몸통과 머리 생성
torso = createBodyPart(position, width: 1.0, height: 1.5);
head = createBodyPart(position + Vector2(0, -1.2), width: 0.6, height: 0.6);
// 팔 생성
upperArmL = createBodyPart(position + Vector2(-0.7, -0.5), width: 0.3, height: 0.8);
lowerArmL = createBodyPart(position + Vector2(-0.7, 0.5), width: 0.25, height: 0.7);
// 관절 연결 - 목
joints.add(createJoint(torso, head,
anchor: Vector2(0, -0.75),
lowerAngle: -0.5, upperAngle: 0.5)); // 각도 제한
// 어깨 관절
joints.add(createJoint(torso, upperArmL,
anchor: Vector2(-0.5, -0.6),
lowerAngle: -2.0, upperAngle: 2.0));
// 팔꿈치 관절 - 한 방향으로만 굽힘
joints.add(createJoint(upperArmL, lowerArmL,
anchor: Vector2(0, 0.4),
lowerAngle: 0, upperAngle: 2.5));
}
void applyImpact(Vector2 point, Vector2 force) {
// 충격 지점에 가장 가까운 신체 부위 찾기
Body closestPart = findClosestBodyPart(point);
closestPart.applyLinearImpulse(force);
}
}
김플레임 씨는 액션 게임을 개발하면서 고민에 빠졌습니다. 적 캐릭터가 공격받아 쓰러질 때 미리 만든 애니메이션을 재생하는데, 상황마다 어색하게 보였기 때문입니다.
폭발에 날아가는 적이 계단에서 구르는 적과 똑같은 동작을 하니, 몰입감이 떨어졌습니다. 박피직스 씨가 김플레임 씨의 화면을 보더니 고개를 끄덕였습니다.
"아, 이럴 때 래그돌 시스템이 딱이죠. GTA나 스카이림 같은 게임에서 많이 쓰이는 기술입니다." 그렇다면 래그돌 시스템이란 정확히 무엇일까요?
쉽게 비유하자면, 래그돌은 마치 관절 인형과 같습니다. 머리, 몸통, 팔, 다리가 각각 나눠져 있고, 어깨, 팔꿈치, 무릎 같은 관절로 연결되어 있습니다.
인형을 들어 올렸다가 놓으면 중력에 따라 각 부위가 자유롭게 흔들리고, 바닥에 떨어지면 관절 각도에 따라 다양한 모양으로 쓰러집니다. 이처럼 래그돌도 개별 신체 부위가 물리 법칙을 따라 자연스럽게 움직입니다.
래그돌 시스템이 없던 시절에는 어땠을까요? 게임 개발자들은 캐릭터가 쓰러지는 모든 상황에 대해 애니메이션을 제작해야 했습니다.
앞으로 쓰러지기, 뒤로 쓰러지기, 옆으로 날아가기, 계단에서 구르기 등 수십 개의 애니메이션이 필요했습니다. 더 큰 문제는 충돌 각도나 힘의 세기가 조금만 달라져도 애니메이션이 어색해 보인다는 점이었습니다.
바로 이런 문제를 해결하기 위해 래그돌 시스템이 등장했습니다. 래그돌 시스템을 사용하면 상황에 따라 자동으로 다른 움직임을 만들 수 있습니다.
또한 한 번의 설정으로 무한한 쓰러짐 패턴을 얻을 수 있습니다. 무엇보다 충돌과 환경에 자연스럽게 반응한다는 큰 이점이 있습니다.
위의 코드를 한 줄씩 살펴보겠습니다. 먼저 createRagdoll 메서드를 보면 몸통, 머리, 팔 등 신체 부위를 개별 강체로 생성하는 것을 알 수 있습니다.
각 부위는 위치와 크기가 실제 인체 비율과 유사하게 설정됩니다. 다음으로 createJoint로 부위들을 연결하는데, 중요한 것은 각도 제한입니다.
팔꿈치는 한 방향으로만 굽혀지고, 목은 제한된 범위 내에서만 움직이도록 설정합니다. 마지막으로 applyImpact에서 충격을 받은 부위에 힘을 가하면, 관절로 연결된 전체 신체가 자연스럽게 반응합니다.
실제 현업에서는 어떻게 활용할까요? 예를 들어 FPS 게임을 개발한다고 가정해봅시다.
플레이어가 적을 저격하면 총알이 맞은 부위가 뒤로 튕겨지고, 전체 몸이 그에 따라 쓰러집니다. 폭발에 휘말리면 공중으로 날아가 벽에 부딪히고, 계단이 있으면 계단을 따라 구르게 됩니다.
모든 상황이 물리 법칙에 따라 자동으로 처리되므로 개발자는 별도의 애니메이션을 만들 필요가 없습니다. 하지만 주의할 점도 있습니다.
초보 개발자들이 흔히 하는 실수 중 하나는 관절 각도 제한을 설정하지 않는 것입니다. 이렇게 하면 팔이 360도 회전하거나 무릎이 반대로 꺾이는 기괴한 상황이 발생할 수 있습니다.
따라서 실제 인체의 관절 가동 범위를 참고하여 적절한 각도 제한을 설정해야 합니다. 또 다른 문제는 과도한 회전입니다.
래그돌이 빠르게 회전하면 관절이 꼬이고 물리 엔진이 불안정해집니다. 각 신체 부위에 Angular Damping을 0.5~1.0 정도로 설정하여 회전을 줄여야 합니다.
다시 김플레임 씨의 이야기로 돌아가 봅시다. 박피직스 씨의 설명을 들은 김플레임 씨는 감탄했습니다.
"우와, 이제 적들이 정말 리얼하게 쓰러지겠네요!" 래그돌 시스템을 제대로 이해하면 액션 게임에 극적인 임팩트와 몰입감을 더할 수 있습니다. 여러분도 오늘 배운 내용을 실제 프로젝트에 적용해 보세요.
실전 팁
💡 - 관절 각도 제한은 실제 인체를 참고하세요 (팔꿈치 0150도, 무릎 0135도 등)
- Angular Damping을 0.5~1.0으로 설정하여 과도한 회전을 방지하세요
- 신체 부위의 밀도를 다르게 설정하면 더 자연스럽습니다 (머리는 가볍게, 몸통은 무겁게)
4. 물리 기반 파괴
김플레임 씨는 이번엔 파괴 가능한 환경을 만들고 싶었습니다. 벽을 부수고, 유리창을 깨고, 나무 상자를 산산조각 내는 효과를 구현하려 했지만, 어디서부터 시작해야 할지 막막했습니다.
"파괴 효과는 어떻게 만들죠?" 박피직스 씨가 흥미로운 표정으로 답했습니다. "물리 기반 파괴 시스템을 알아보죠."
물리 기반 파괴는 물체를 여러 조각으로 분할하고, 충격의 크기와 위치에 따라 현실적으로 부서지는 효과를 만드는 기술입니다. 마치 유리창에 돌을 던지면 충격 지점을 중심으로 균열이 퍼지고 조각들이 흩어지는 것처럼, Voronoi 분할과 파괴 임계값을 사용하여 자연스러운 파괴를 시뮬레이션합니다.
다음 코드를 살펴봅시다.
class DestructibleObject extends BodyComponent {
double health = 100.0;
bool isDestroyed = false;
List<Vector2> fracturePoints = []; // Voronoi 시드 포인트
@override
void onLoad() {
// 파괴 시 조각낼 지점 미리 생성
for (int i = 0; i < 8; i++) {
fracturePoints.add(Vector2.random() * size);
}
}
void takeDamage(double damage, Vector2 impactPoint, Vector2 force) {
health -= damage;
if (health <= 0 && !isDestroyed) {
shatter(impactPoint, force);
}
}
void shatter(Vector2 impactPoint, Vector2 force) {
isDestroyed = true;
// Voronoi 다이어그램으로 조각 생성
List<Polygon> fragments = generateVoronoiFragments(fracturePoints);
for (var fragment in fragments) {
// 각 조각을 독립적인 물리 객체로 생성
var piece = createFragment(fragment);
// 충격 지점과의 거리에 따라 힘 적용
double distance = (piece.position - impactPoint).length;
double forceMagnitude = force.length / (1 + distance * 0.5);
Vector2 direction = (piece.position - impactPoint).normalized();
piece.applyLinearImpulse(direction * forceMagnitude);
piece.applyAngularImpulse(random.nextDouble() * 0.5 - 0.25);
gameRef.add(piece); // 월드에 추가
}
removeFromParent(); // 원본 객체 제거
}
}
김플레임 씨는 액션 게임의 레벨을 더욱 역동적으로 만들고 싶었습니다. 플레이어가 폭탄을 던지면 주변 상자들이 부서지고, 벽에 총을 쏘면 총탄 자국이 생기며, 유리창을 깨면 파편이 사방으로 흩어지는 장면을 상상했습니다.
하지만 이런 효과를 어떻게 구현해야 할지 막막했습니다. 박피직스 씨가 김플레임 씨의 기획서를 보더니 말했습니다.
"파괴 효과는 게임에 큰 재미를 더해주죠. 물리 기반으로 구현하면 매번 다른 패턴으로 부서져서 더욱 생동감이 넘칩니다." 그렇다면 물리 기반 파괴란 정확히 무엇일까요?
쉽게 비유하자면, 물리 기반 파괴는 마치 유리창을 깨는 것과 같습니다. 유리창에 돌을 던지면 충격 지점을 중심으로 균열이 방사형으로 퍼집니다.
충격이 강하면 조각이 멀리 날아가고, 약하면 가까이 떨어집니다. 또한 매번 깨지는 패턴이 조금씩 다릅니다.
이처럼 물리 기반 파괴도 충격의 세기와 위치에 따라 자연스럽고 다양한 파괴 패턴을 만들어냅니다. 물리 기반 파괴가 없던 시절에는 어땠을까요?
게임 개발자들은 파괴 효과를 미리 만든 스프라이트 애니메이션으로 처리했습니다. 상자가 부서지는 애니메이션, 벽이 무너지는 애니메이션을 각각 제작했습니다.
문제는 항상 똑같은 패턴으로 부서진다는 점이었습니다. 더 큰 문제는 충격의 방향이나 세기가 달라져도 같은 애니메이션이 재생되어 어색했다는 것입니다.
바로 이런 문제를 해결하기 위해 물리 기반 파괴 시스템이 등장했습니다. 물리 기반 파괴를 사용하면 매번 다른 파괴 패턴을 얻을 수 있습니다.
또한 충격의 방향과 세기에 따라 자연스럽게 반응합니다. 무엇보다 파편들이 다른 물체와 상호작용하여 연쇄 파괴를 만들 수 있다는 큰 이점이 있습니다.
위의 코드를 한 줄씩 살펴보겠습니다. 먼저 onLoad에서 미리 파괴 지점을 생성하는 것을 볼 수 있습니다.
이 점들이 Voronoi 다이어그램의 시드가 되어 조각의 경계를 결정합니다. 다음으로 takeDamage에서 체력을 감소시키고, 체력이 0 이하가 되면 파괴를 시작합니다.
shatter 메서드에서는 Voronoi 패턴으로 물체를 여러 조각으로 나눕니다. 마지막으로 각 조각에 충격 지점으로부터의 거리에 따라 힘을 가하여, 가까운 조각은 멀리 날아가고 먼 조각은 가볍게 떨어지게 만듭니다.
실제 현업에서는 어떻게 활용할까요? 예를 들어 건물 파괴 시뮬레이션 게임을 개발한다고 가정해봅시다.
플레이어가 크레인으로 건물을 부수면 벽돌들이 물리 법칙에 따라 무너지고, 파편이 땅에 떨어져 쌓이며, 먼지 효과까지 추가하면 매우 현실적인 파괴 장면을 만들 수 있습니다. "Red Faction"이나 "Teardown" 같은 게임이 이런 시스템을 효과적으로 활용합니다.
하지만 주의할 점도 있습니다. 초보 개발자들이 흔히 하는 실수 중 하나는 너무 많은 파편을 생성하는 것입니다.
한 번에 수백 개의 파편이 생기면 물리 연산량이 폭발적으로 증가하여 게임이 멈출 수 있습니다. 따라서 파편 수를 5~15개 정도로 제한하고, 일정 시간 후 파편을 제거하는 로직을 추가해야 합니다.
또 다른 문제는 과도한 힘입니다. 파편에 너무 큰 힘을 가하면 화면 밖으로 날아가거나, 다른 물체를 뚫고 지나가는 현상이 발생합니다.
힘의 크기를 적절히 조절하고, **Continuous Collision Detection(CCD)**를 활성화하여 빠른 물체의 충돌을 정확히 감지해야 합니다. 다시 김플레임 씨의 이야기로 돌아가 봅시다.
박피직스 씨의 설명을 들은 김플레임 씨는 벌써 아이디어가 떠올랐습니다. "이거 정말 재미있겠는데요!
플레이어가 폭탄으로 길을 뚫는 퍼즐 게임도 만들 수 있겠어요!" 물리 기반 파괴를 제대로 이해하면 게임에 강력한 피드백과 만족감을 줄 수 있습니다. 여러분도 오늘 배운 내용을 실제 프로젝트에 적용해 보세요.
실전 팁
💡 - Voronoi 시드 포인트를 5~10개로 제한하면 성능과 비주얼의 균형을 맞출 수 있습니다
- 파편은 2~3초 후 페이드아웃하여 제거하면 성능 저하를 방지할 수 있습니다
- Impulse 크기 = (기본값 / (1 + 거리 * 감쇠계수)) 공식으로 자연스러운 힘 분배가 가능합니다
5. 고급 조인트 활용
김플레임 씨가 크레인을 조작하는 퍼즐 게임을 만들던 중 문제가 생겼습니다. 로프가 딱딱하게 움직이고, 도르래가 제대로 회전하지 않았습니다.
"조인트를 어떻게 활용해야 더 현실적으로 만들 수 있을까요?" 박피직스 씨가 고개를 끄덕이며 답했습니다. "고급 조인트 기법을 배워봅시다."
고급 조인트 활용은 다양한 조인트 타입과 설정을 조합하여 복잡한 메커니즘을 구현하는 기술입니다. 마치 실제 기계처럼 Pulley Joint로 도르래를 만들고, Rope Joint로 케이블을 표현하고, Motor Joint로 자동 움직임을 추가할 수 있습니다.
각 조인트의 특성을 이해하면 현실적인 물리 기반 퍼즐과 메커니즘을 구현할 수 있습니다.
다음 코드를 살펴봅시다.
class CraneMechanism extends Component {
late Body crane, hook, weight;
late PulleyJoint pulley;
late RopeJoint ropeLimit;
late WheelJoint winch;
void createCrane() {
// 크레인 본체 (고정)
crane = createStaticBody(Vector2(10, 5));
// 갈고리와 무게추
hook = createDynamicBody(Vector2(10, 10));
weight = createDynamicBody(Vector2(15, 10));
// 도르래 조인트 - 한쪽이 내려가면 다른 쪽이 올라감
pulley = PulleyJoint(
bodyA: crane, bodyB: hook,
groundAnchorA: Vector2(8, 5),
groundAnchorB: Vector2(12, 5),
anchorA: Vector2.zero(),
anchorB: Vector2(0, -1),
ratio: 2.0, // 갈고리가 2배 빠르게 움직임
);
// 로프 길이 제한 - 최대 10미터까지만 늘어남
ropeLimit = RopeJoint(
bodyA: crane, bodyB: hook,
maxLength: 10.0,
);
// 윈치 (모터) - 자동으로 감기/풀림
winch = WheelJoint(
bodyA: crane, bodyB: weight,
anchor: Vector2(15, 5),
axis: Vector2(0, 1), // 수직 방향
motorSpeed: 2.0, // 초당 2라디안 회전
maxMotorTorque: 100.0,
enableMotor: true,
);
}
void lowerHook() {
winch.setMotorSpeed(5.0); // 빠르게 내리기
}
void raiseHook() {
winch.setMotorSpeed(-5.0); // 올리기
}
}
김플레임 씨는 물리 퍼즐 게임에서 플레이어가 크레인을 조작하여 물건을 옮기는 레벨을 디자인하고 있었습니다. 하지만 기본적인 Distance Joint만으로는 실제 크레인처럼 보이지 않았습니다.
로프가 늘어나지 않고, 도르래가 작동하지 않으며, 모터로 자동 제어도 할 수 없었습니다. 박피직스 씨가 김플레임 씨의 프로토타입을 보며 말했습니다.
"기본 조인트로는 한계가 있죠. Forge2D에는 여러 가지 특수한 조인트들이 있는데, 이것들을 잘 조합하면 정말 복잡한 기계도 만들 수 있습니다." 그렇다면 고급 조인트 활용이란 정확히 무엇일까요?
쉽게 비유하자면, 조인트는 마치 레고 블록의 연결 부위와 같습니다. 기본 조인트는 단순히 두 블록을 붙이는 것이고, 고급 조인트는 회전하는 바퀴, 늘어나는 스프링, 움직이는 모터 등 특수한 연결 방식입니다.
이런 부품들을 적절히 조합하면 자동차, 크레인, 엘리베이터 같은 복잡한 기계를 만들 수 있습니다. 이처럼 고급 조인트도 각각의 특성을 이해하고 적절히 조합하여 현실적인 메커니즘을 구현합니다.
고급 조인트가 없던 시절에는 어땠을까요? 게임 개발자들은 복잡한 메커니즘을 코드로 직접 구현해야 했습니다.
도르래의 움직임을 계산하고, 로프의 길이를 체크하고, 모터의 회전을 업데이트하는 모든 로직을 수작업으로 작성했습니다. 버그가 생기기 쉬웠고, 물리 법칙과 어긋나는 동작이 자주 발생했습니다.
더 큰 문제는 여러 메커니즘이 상호작용할 때 예측하기 어려운 버그가 발생했다는 것입니다. 바로 이런 문제를 해결하기 위해 고급 조인트들이 등장했습니다.
고급 조인트를 사용하면 물리 엔진이 자동으로 제약을 처리합니다. 또한 안정적이고 현실적인 동작을 보장받을 수 있습니다.
무엇보다 코드 몇 줄로 복잡한 메커니즘을 만들 수 있다는 큰 이점이 있습니다. 위의 코드를 한 줄씩 살펴보겠습니다.
먼저 PulleyJoint를 보면 두 개의 지면 고정점과 비율을 설정하는 것을 알 수 있습니다. 비율이 2.0이면 갈고리가 1미터 내려갈 때 무게추는 0.5미터만 올라갑니다.
다음으로 RopeJoint는 최대 길이를 제한합니다. 로프가 10미터 이상 늘어나지 않으므로, 갈고리가 너무 멀리 떨어지는 것을 방지합니다.
마지막으로 WheelJoint에 모터를 활성화하면 자동으로 회전하며, setMotorSpeed로 속도를 제어할 수 있습니다. 실제 현업에서는 어떻게 활용할까요?
예를 들어 건설 시뮬레이션 게임을 개발한다고 가정해봅시다. 플레이어가 크레인을 조작하여 자재를 옮기는 장면에서 이런 고급 조인트들을 활용하면 매우 현실적인 조작감을 구현할 수 있습니다.
"Poly Bridge"나 "World of Goo" 같은 물리 퍼즐 게임들도 이런 조인트 시스템을 효과적으로 사용합니다. 하지만 주의할 점도 있습니다.
초보 개발자들이 흔히 하는 실수 중 하나는 너무 많은 조인트를 연결하는 것입니다. 조인트가 많아질수록 물리 엔진의 반복 연산이 증가하여 성능이 떨어집니다.
따라서 필요한 조인트만 사용하고, 가능하면 단순한 구조로 설계해야 합니다. 또 다른 문제는 모터의 과도한 토크입니다.
maxMotorTorque를 너무 크게 설정하면 물체가 폭발적으로 움직이거나 물리 엔진이 불안정해집니다. 적절한 토크 값을 실험을 통해 찾아야 하며, 대부분의 경우 10~100 사이의 값이 적당합니다.
또한 Pulley Joint의 비율을 1:1보다 너무 크게 설정하면 에너지 보존 법칙이 깨져 보일 수 있습니다. 물리적으로 타당한 비율인 1:1에서 3:1 사이를 사용하는 것이 좋습니다.
다시 김플레임 씨의 이야기로 돌아가 봅시다. 박피직스 씨의 설명을 들은 김플레임 씨는 즉시 코드를 수정했습니다.
"와, 이제 진짜 크레인처럼 움직이네요!" 고급 조인트를 제대로 이해하면 물리 기반 퍼즐과 시뮬레이션 게임에 훨씬 더 깊이 있는 재미를 더할 수 있습니다. 여러분도 오늘 배운 내용을 실제 프로젝트에 적용해 보세요.
실전 팁
💡 - PulleyJoint는 엘리베이터, 도르래, 시소 등에 활용하세요
- RopeJoint는 체인, 케이블, 번지줄 같은 유연한 연결에 사용하세요
- MotorJoint의 토크는 10~100 범위에서 조절하며, 너무 크면 불안정해집니다
6. 물리 최적화 전략
김플레임 씨의 게임이 거의 완성되어 가는데, 문제가 생겼습니다. 물리 객체가 많아지자 프레임 레이트가 뚝 떨어졌습니다.
"이 많은 물리 연산을 어떻게 최적화하죠?" 박피직스 씨가 웃으며 답했습니다. "물리 최적화 전략을 배울 시간이네요.
이게 진짜 실력을 보여주는 부분입니다."
물리 최적화 전략은 물리 시뮬레이션의 품질을 유지하면서 성능을 향상시키는 다양한 기법들을 의미합니다. Spatial Partitioning으로 충돌 감지를 효율화하고, Sleep 시스템으로 정지된 물체를 비활성화하며, Sub-stepping과 **LOD(Level of Detail)**를 활용하여 계산량을 줄이는 것이 핵심입니다.
다음 코드를 살펴봅시다.
class PhysicsOptimizer {
// 1. Spatial Hash Grid - 충돌 감지 최적화
SpatialHashGrid grid = SpatialHashGrid(cellSize: 2.0);
void updatePhysics(double dt) {
// 2. 고정 시간 간격 업데이트 (Sub-stepping)
const fixedDt = 1.0 / 60.0;
accumulator += dt;
while (accumulator >= fixedDt) {
// 활성 객체만 업데이트
for (var body in activeBodies) {
// 3. 속도 기반 Sleep 체크
if (body.linearVelocity.length < 0.1 &&
body.angularVelocity.abs() < 0.1) {
body.sleepTimer += fixedDt;
if (body.sleepTimer > 0.5) {
body.isAwake = false; // 잠들기
activeBodies.remove(body);
}
} else {
body.sleepTimer = 0;
}
}
// 4. Broad Phase - 공간 분할로 충돌 후보 찾기
grid.clear();
for (var body in activeBodies) {
grid.insert(body);
}
// 5. Narrow Phase - 실제 충돌 검사 (후보만)
for (var body in activeBodies) {
var candidates = grid.query(body.bounds);
for (var other in candidates) {
if (checkCollision(body, other)) {
resolveCollision(body, other);
}
}
}
accumulator -= fixedDt;
}
}
// 6. LOD - 카메라에서 먼 물체는 단순화
void applyLOD(Body body, double distanceToCamera) {
if (distanceToCamera > 50) {
body.enableContinuousCollision = false; // CCD 비활성화
body.updateRate = 2; // 2프레임마다 업데이트
}
}
}
김플레임 씨는 게임의 메인 레벨을 테스트하던 중 큰 문제를 발견했습니다. 화면에 물리 객체가 100개만 넘어도 프레임이 30fps 아래로 떨어졌습니다.
목표는 60fps였는데, 이대로는 출시가 불가능했습니다. 어디가 병목인지, 어떻게 최적화해야 할지 막막했습니다.
박피직스 씨가 프로파일러를 열어보더니 말했습니다. "물리 업데이트에서 90%의 시간을 쓰고 있네요.
하지만 걱정하지 마세요. 물리 최적화는 생각보다 효과가 큽니다." 그렇다면 물리 최적화란 정확히 무엇일까요?
쉽게 비유하자면, 물리 최적화는 마치 교통 관리와 같습니다. 모든 차량의 위치를 매 순간 체크하는 대신, 가까운 차량끼리만 충돌을 검사하고, 멈춰 있는 차는 신경 쓰지 않으며, 멀리 있는 차는 간략하게 처리합니다.
이처럼 물리 최적화도 불필요한 연산을 제거하고 중요한 부분에 집중하여 성능을 향상시킵니다. 물리 최적화가 없던 시절에는 어땠을까요?
게임 개발자들은 모든 물체를 매 프레임마다 업데이트하고, 모든 물체 쌍에 대해 충돌을 검사했습니다. 물체가 10개면 45번의 충돌 검사, 100개면 4950번의 검사가 필요했습니다.
화면에 보이지 않는 물체도, 완전히 멈춰 있는 물체도 똑같이 계산했습니다. 당연히 성능은 물체 수가 늘어날수록 기하급수적으로 나빠졌습니다.
바로 이런 문제를 해결하기 위해 다양한 물리 최적화 전략들이 등장했습니다. 물리 최적화를 사용하면 연산량을 10배 이상 줄일 수 있습니다.
또한 품질 저하 없이 더 많은 물체를 시뮬레이션할 수 있습니다. 무엇보다 안정적인 60fps를 유지할 수 있다는 큰 이점이 있습니다.
위의 코드를 한 줄씩 살펴보겠습니다. 먼저 Spatial Hash Grid를 사용하여 공간을 격자로 나눕니다.
각 물체는 자신이 속한 셀에만 등록되므로, 충돌 검사 시 같은 셀이나 인접 셀의 물체만 확인하면 됩니다. 이것만으로도 충돌 검사가 O(n²)에서 O(n)으로 줄어듭니다.
다음으로 Sleep 시스템을 보면 속도가 거의 0에 가까운 물체는 0.5초 후 잠들게 됩니다. 잠든 물체는 activeBodies에서 제거되어 업데이트되지 않습니다.
다른 물체와 충돌하면 다시 깨어납니다. Sub-stepping은 고정된 시간 간격으로 물리를 업데이트합니다.
프레임 레이트가 불안정해도 물리 시뮬레이션은 항상 동일한 결과를 보장합니다. 또한 빠른 물체의 충돌 누락을 방지합니다.
마지막으로 LOD는 카메라에서 먼 물체의 물리 품질을 낮춥니다. CCD를 비활성화하고, 업데이트 빈도를 줄여 성능을 확보합니다.
실제 현업에서는 어떻게 활용할까요? 예를 들어 대규모 전투가 벌어지는 액션 게임을 개발한다고 가정해봅시다.
수백 명의 캐릭터가 싸우는 장면에서 이런 최적화 기법들을 적용하면 원거리의 적들은 단순화된 물리로 처리하고, 플레이어 주변의 중요한 물체만 정밀하게 시뮬레이션하여 성능을 유지할 수 있습니다. "Total War" 시리즈나 "Just Cause" 같은 대규모 게임들이 이런 전략을 사용합니다.
하지만 주의할 점도 있습니다. 초보 개발자들이 흔히 하는 실수 중 하나는 Sleep 임계값을 너무 높게 설정하는 것입니다.
이렇게 하면 아직 움직이고 있는 물체가 잠들어 버려 이상한 동작이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 선속도 0.1, 각속도 0.1 이하가 적당합니다.
또 다른 문제는 Spatial Hash의 셀 크기입니다. 셀이 너무 작으면 물체가 여러 셀에 걸쳐 오히려 느려지고, 너무 크면 한 셀에 많은 물체가 모여 최적화 효과가 줄어듭니다.
일반적으로 평균 물체 크기의 1.5~2배가 적당합니다. Sub-stepping의 고정 시간 간격도 중요합니다.
너무 크면 물리가 부정확해지고, 너무 작으면 성능이 떨어집니다. 대부분의 게임은 **1/60초(약 16.67ms)**를 사용하며, 빠른 물리가 필요하면 1/120초를 사용하기도 합니다.
다시 김플레임 씨의 이야기로 돌아가 봅시다. 박피직스 씨의 최적화 기법들을 적용한 김플레임 씨는 놀라운 결과를 얻었습니다.
"프레임이 20fps에서 55fps로 올랐어요! 그것도 물체 수를 두 배로 늘렸는데!" 박피직스 씨가 만족스럽게 고개를 끄덕였습니다.
"물리 최적화는 게임 개발의 꽃입니다. 같은 하드웨어에서 훨씬 더 풍부한 경험을 제공할 수 있죠." 물리 최적화를 제대로 이해하면 제한된 성능 안에서 최대한의 물리 시뮬레이션을 구현할 수 있습니다.
여러분도 오늘 배운 내용을 실제 프로젝트에 적용해 보세요.
실전 팁
💡 - Spatial Hash 셀 크기는 평균 물체 크기의 2배가 최적입니다
- 잠든 물체는 다른 물체와 충돌할 때만 깨우세요 (항상 깨우면 의미 없음)
- 프로파일러로 병목을 찾고, 가장 비용이 큰 부분부터 최적화하세요
- Physics Island 시스템을 활용하여 연결되지 않은 물체 그룹을 독립적으로 업데이트하세요
이상으로 학습을 마칩니다. 위 내용을 직접 코드로 작성해보면서 익혀보세요!
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