3D 물리 엔진 개요와 Three.js에서의 사용

3D 웹 그래픽은 사용자가 화면을 통해 실제와 같은 경험을 할 수 있도록 돕는 중요한 기술 중 하나다. 웹 환경에서 3D 콘텐츠를 구현하기 위해 사용되는 대표적인 라이브러리로는 Three.js가 있으며, 이를 통해 비교적 쉽게 3D 모델을 로드하고 화면에 렌더링할 수 있다. 그러나 단순히 모델을 렌더링하는 것만으로는 현실감을 충분히 제공하기 어렵다. 예를 들어, 중력에 의해 물체가 떨어지거나, 공이 바닥에 튕기는 상황을 구현하려면 더 깊이 있는 물리 계산이 필요하다. 이러한 물리적 상호작용을 시뮬레이션하기 위해서는 별도의 물리 엔진이 필요하다.

 

물리 엔진은 주로 충돌 감지, 역학 계산 등을 처리해 모델이 현실감 있게 움직이도록 돕는 도구다. 웹 기반 3D 그래픽에서 사용되는 물리 엔진은 CPU 연산의 부담을 줄이고 다양한 기기에서 원활하게 실행될 수 있도록 성능 최적화에 초점을 맞추고 있다. 자바스크립트 생태계에서 많이 사용되는 물리 엔진으로는 Cannon.js, Ammo.js, 그리고 Rapier.js가 있으며, 이들 엔진은 각기 다른 특성과 장점을 가지고 있다. 그중 Rapier.js는 Rust 기반으로 구현된 엔진으로, WebAssembly를 통해 높은 성능을 제공하는 것이 특징이다. 특히 Rapier.js는 Three.js와 결합하여 웹 애플리케이션에 현실감 있는 물리 효과를 추가하는 데 효과적인 선택지로 주목받고 있다.

 

본 글에서는 Rapier.js와 Three.js를 결합하여 중력, 충돌, 반발력 등 다양한 물리 효과를 어떻게 구현할 수 있는지 다룬다. 더불어 물리 엔진을 다루기 위해 필요한 기초 물리 지식과 물리 엔진 라이브러리들이 공통적으로 집중하는 요소들에 대해서도 설명한다. 마지막으로, 물리 엔진을 통해 웹 환경에서 더욱 사실적인 3D 상호작용을 구현하는 방법을 예제 코드와 함께 소개한다. 이를 통해 독자는 웹 기반 3D 그래픽의 가능성을 확장하고, 프로젝트에 맞는 물리 엔진을 적절히 선택하고 활용하는 방법을 익힐 수 있을 것이다.

 

다음 글에서는 React 환경에서 Three.js와 Rapier.js를 결합하여 사용하는 react-three-rapier에 대해 다뤄본다. 이를 통해 React 컴포넌트 구조 내에서 물리 효과와 3D 객체를 간결하고 직관적으로 다루는 방법을 알아보도록 하겠다.

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3D 물리 엔진 개요

 

3D 물리 엔진은 3D 그래픽 엔진에서 생성한 객체에 물리 법칙을 적용해 현실감 있는 움직임과 상호작용을 구현할 수 있도록 돕는 도구이다. 이러한 물리 엔진을 통해 충돌, 중력, 마찰, 반발력 등의 물리적 효과를 시뮬레이션함으로써, 사용자에게 사실감 있는 경험을 제공할 수 있다.

물리 엔진의 핵심 기능은 크게 충돌 감지와 역학 계산으로 나눌 수 있다.

• 충돌 감지는 객체들이 충돌했는지 여부를 인식하는 기능이다. 이를 통해 두 물체가 만나거나 겹칠 때 발생할 물리적 반응을 계산할 수 있다.
• 역학 계산은 중력, 속도, 힘 등을 적용해 객체의 움직임을 계산하는 기능이다. 예를 들어 공이 높은 곳에서 떨어질 때 바닥에 튕겨 오르는 효과를 물리 엔진으로 구현할 수 있다.

 

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물리 엔진 구현에 필요한 지식

 

물리 엔진을 제대로 활용하려면 기본적인 물리 지식이 필요하다. 주요 개념은 다음과 같다.

• 뉴턴 역학: 물체의 질량, 가속도, 힘의 관계를 이해하고 이를 시뮬레이션에 반영해야 한다.
• 충돌 반발력과 마찰력: 물체가 충돌할 때 반발하는 정도(반발 계수)와 마찰로 인해 움직임이 감소하는 정도를 반영해야 한다.
• 충돌 감지 알고리즘: 객체들 간의 충돌을 탐지하는 알고리즘을 이해해야 한다. 특히 AABB(Axis-Aligned Bounding Box), OBB(Oriented Bounding Box) 등 다양한 충돌 감지 기법이 있다.

자바스크립트로 물리 엔진을 구현할 때 이러한 지식을 바탕으로, 필요한 연산을 효율적으로 처리하고 성능을 최적화하는 것이 중요하다. 이에 따라 물리 엔진 라이브러리들은 주로 충돌 감지와 물리 연산의 효율성에 초점을 맞춘다.

 

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대표적인 3D 물리 엔진 소개

 

자바스크립트 환경에서 사용되는 주요 3D 물리 엔진에는 Cannon.js, Ammo.js, 그리고 Rapier.js가 있다. 이들 엔진은 각기 다른 특징과 장단점을 가지고 있어 프로젝트 성격에 맞춰 선택할 수 있다.

• Cannon.js: Three.js와의 호환성이 높고 사용법이 쉬워서 가벼운 웹 프로젝트에 적합하다. 주로 간단한 물리 효과나 가벼운 애니메이션을 구현할 때 사용된다.
• Ammo.js: Bullet Physics 엔진의 자바스크립트 포팅 버전으로, 복잡한 물리 계산과 세밀한 충돌 처리가 필요할 때 유용하다. 하지만 무거운 연산을 요구하여 상대적으로 성능이 낮은 기기에서 부하가 클 수 있다.
• Rapier.js: 성능 최적화에 집중하여 개발된 웹 전용 물리 엔진이다. Rust 기반으로 구현되어 성능이 우수하며, Cannon.js와 Ammo.js의 단점을 보완해 Three.js와 통합할 때 효율적인 선택지가 된다.

현재 필자는 react-three-rapier를 활용하고 있다. 따라서 아래에서 그 기반이 되는 Rapier.js가 어떤 물리 엔진 API를 제공하고 있는지에 대해 좀 더 알아보도록  하겠다.

 

 

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Rapier.js와 Three.js 통합

 

Rapier.js는 고성능 물리 엔진으로 Three.js와 통합하여 물리 효과를 구현할 때 많이 사용된다. Rust 기반의 WebAssembly로 구현되어 자바스크립트 엔진보다 성능이 뛰어나고, 효율적인 충돌 감지와 역학 계산 기능을 제공한다. 예시 코드와 함께 간단히 살펴보자.

 

Rapier.js와 Three.js로 중력 효과 구현하기

기본적으로 Rapier.js의 World 객체를 생성하고 중력을 설정한 후, Three.js 객체와 물리 엔진 객체를 동기화하는 방식으로 물리 효과를 구현할 수 있다.

 

import * as THREE from 'three';
import RAPIER from '@dimforge/rapier3d';

// Rapier.js 물리 세계 설정
const gravity = { x: 0, y: -9.81, z: 0 };
const world = new RAPIER.World(gravity);

// Three.js 장면 설정
const scene = new THREE.Scene();
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.z = 5;
const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

// Three.js 구체 생성
const geometry = new THREE.SphereGeometry(1, 32, 32);
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0xff0000 });
const sphere = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(sphere);

// Rapier.js 구체 생성 및 물리 속성 부여
const sphereColliderDesc = RAPIER.ColliderDesc.ball(1);
const sphereRigidBodyDesc = RAPIER.RigidBodyDesc.dynamic().setTranslation(0, 10, 0);
const sphereRigidBody = world.createRigidBody(sphereRigidBodyDesc);
world.createCollider(sphereColliderDesc, sphereRigidBody);

// 애니메이션 루프
function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);

  // Rapier.js에서 물리 연산 수행
  world.step();

  // Three.js 구체 위치 업데이트
  const position = sphereRigidBody.translation();
  sphere.position.set(position.x, position.y, position.z);

  renderer.render(scene, camera);
}
animate();

 

 

Rapier.js로 충돌 감지와 반발력 구현하기

 

Rapier.js는 충돌 처리가 효율적으로 설계되어 있어, 반발력이나 상호작용 효과를 쉽게 구현할 수 있다. 다음은 바닥과 구체의 충돌 및 반발력을 설정하는 예제이다.

 

// 바닥 생성
const floorGeometry = new THREE.BoxGeometry(10, 1, 10);
const floorMaterial = new THREE.MeshBasicMaterial({ color: 0x00ff00 });
const floor = new THREE.Mesh(floorGeometry, floorMaterial);
floor.position.y = -5;
scene.add(floor);

// Rapier.js 바닥 생성 및 고정 객체로 설정
const floorColliderDesc = RAPIER.ColliderDesc.cuboid(5, 0.5, 5);
const floorRigidBodyDesc = RAPIER.RigidBodyDesc.fixed().setTranslation(0, -5, 0);
const floorRigidBody = world.createRigidBody(floorRigidBodyDesc);
world.createCollider(floorColliderDesc, floorRigidBody);

// 반발력 설정
const sphereMaterial = new RAPIER.ColliderMaterial();
sphereMaterial.restitution = 0.8;  // 반발 계수 설정
world.createCollider(sphereColliderDesc, sphereRigidBody, sphereMaterial);

 

 

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자바스크립트 물리 엔진 라이브러리의 공통 초점

 

자바스크립트 물리 엔진 라이브러리들은 성능 최적화, 사용 편의성, 다양한 물리 효과 구현에 초점을 맞춘다.

1. 성능 최적화: 물리 연산은 CPU 부하가 크기 때문에, 성능 최적화가 필수적이다. 특히 웹에서 사용할 때는 많은 연산을 짧은 시간 안에 수행해야 하므로, Rapier.js처럼 WebAssembly 기반으로 높은 성능을 제공하는 엔진이 선호된다.
2. 사용 편의성: Cannon.js나 Rapier.js 등은 Three.js와의 통합이 쉽도록 API가 설계되어 있다. 기본적인 물리 객체와 충돌 처리가 직관적이고 쉽게 설정할 수 있어, 3D 그래픽 초보자도 쉽게 물리 효과를 구현할 수 있다.
3. 다양한 물리 효과: 충돌, 반발, 마찰 등의 기본 물리 효과 외에도 관절이나 강체 시뮬레이션 같은 고급 물리 효과도 지원하는 경우가 많다. 이를 통해 다양한 상호작용을 표현할 수 있다.

이러한 공통 초점 덕분에 물리 엔진을 활용하면 복잡한 물리 연산을 직접 작성하지 않고도 3D 웹 애플리케이션에 사실적인 물리 효과를 쉽게 추가할 수 있다.

 

 

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결론

 

3D 물리 엔진을 통해 객체 간의 충돌, 중력, 반발력 등 다양한 물리 효과를 시뮬레이션하면 웹 기반 3D 그래픽에 사실감을 더할 수 있다. Rapier.js와 같은 물리 엔진은 Three.js와의 통합이 용이하며, 성능 최적화와 다양한 물리적 상호작용 구현에 강점을 가지고 있어 웹 환경에서 효과적인 물리 연산을 지원한다. 특히, Three.js와 물리 엔진을 함께 사용하면 복잡한 물리 연산을 처리하는 부담을 줄이고, 높은 수준의 3D 상호작용을 구현할 수 있다.

다음 글에서는 react-three-rapier를 활용해 Three.js와 Rapier.js를 React 환경에서 더욱 손쉽게 다루는 방법을 알아보자. React와 Rapier.js의 결합으로 3D 객체를 더 직관적이고 간결하게 제어하며 물리 효과를 적용하는 방법을 다루어 보겠다.