충돌 판정 코드가 게임 물리 엔진으로 자라는 과정

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충돌 판정은 왜 작은 수학 함수에서 시작되나요?

Q. 포트폴리오용 게임 프로그래밍 프로젝트로 물리 엔진을 만들려면 어디서 출발해야 할까요?

“상자를 떨어뜨리고, 벽에 부딪히고, 캐릭터가 바닥에 서 있는 장면”은 겉으로 보면 단순합니다. 하지만 개발자 관점에서는 벡터 연산, 좌표계, 충돌 판정, 시간 적분, 디버그 시각화가 한꺼번에 얽힌 훌륭한 게임 프로그래밍 과제입니다. Will Perone 같은 개발자 포트폴리오 사이트에 어울리는 기술 글이라면, 완성된 엔진을 자랑하기보다 작은 수학 함수가 어떻게 실제 시스템으로 확장되는지를 보여주는 편이 더 설득력 있습니다.

인터뷰에 응한 물리 엔진 개발자는 “처음부터 리지드바디, 조인트, 연속 충돌 검출까지 욕심내면 대부분 중간에 멈춘다”고 말합니다. 대신 점과 선분, 원과 원, AABB와 AABB처럼 단순한 충돌 판정부터 만들고, 그 결과를 화면에 그려 보며 신뢰를 쌓는 방식이 좋습니다. 이 과정은 수학 라이브러리의 품질도 함께 검증하게 해 줍니다.

Q&A 형식으로 정리하면 첫 질문은 명확합니다. “이 함수가 실제 게임 장면에서 어떤 결정을 대신해 주는가?”입니다. 예를 들어 캐릭터가 바닥 위에 있는지, 총알이 벽에 맞았는지, 박스가 밀려나야 하는지를 판단하는 순간마다 충돌 함수가 호출됩니다. 작은 함수 하나가 게임 규칙과 사용자 경험을 동시에 좌우하는 셈입니다.

• 점과 원 충돌: 거리 제곱 비교만으로 처리할 수 있어 가장 좋은 출발점입니다.
• AABB 충돌: 플랫폼 게임, UI 히트 박스, 간단한 월드 경계에 자주 쓰입니다.
• 원과 선분 충돌: 투사체, 레이캐스트, 센서 판정의 기본이 됩니다.
• OBB 또는 다각형 충돌: 회전이 들어가면서 수학적 난도가 올라갑니다.

전문가 팁: 처음부터 “정확한 물리”를 목표로 잡기보다 “오류를 눈으로 확인할 수 있는 충돌 판정”을 목표로 두면 개발 속도가 훨씬 안정적입니다.

Q. 수학 라이브러리는 직접 만들까요, 아니면 기존 엔진 함수를 써도 될까요?

답은 프로젝트 목적에 따라 달라집니다. 게임을 출시하는 것이 목표라면 엔진 내장 수학 타입을 쓰는 편이 안전합니다. 반대로 개발자 포트폴리오나 연구용 프로젝트라면 Vec2, Vec3, Mat3, Quaternion 같은 타입을 직접 구현해 보는 경험이 강한 신호가 됩니다. 단, 직접 만든다는 말은 모든 것을 복잡하게 만든다는 뜻이 아닙니다.

물리 엔진 인터뷰에서 반복적으로 나온 조언은 “연산자 오버로딩보다 테스트가 먼저”였습니다. 벡터 덧셈이 예쁘게 보이는 것보다, 정규화할 때 길이가 0인 벡터를 어떻게 다루는지가 더 중요합니다. 게임 프로그래밍에서는 0.000001 같은 작은 오차가 한 프레임에서는 보이지 않아도, 10분 뒤에는 캐릭터가 벽을 뚫는 문제로 나타날 수 있습니다.

1. 1단계: Vec2의 덧셈, 뺄셈, 스칼라 곱, 내적, 길이 계산을 테스트합니다.
2. 2단계: 정규화, 투영, 반사 벡터를 구현하고 예외 케이스를 기록합니다.
3. 3단계: 충돌 판정 함수가 반환하는 정보를 bool에서 접촉점, 법선, 침투 깊이로 확장합니다.
4. 4단계: 디버그 렌더링으로 벡터 방향과 충돌 법선을 화면에 표시합니다.

여기서 중요한 키워드는 확장 가능한 단순함입니다. 처음에는 bool 반환으로 충분하지만, 나중에는 충돌 후 어느 방향으로 밀어낼지 알아야 합니다. 그래서 “충돌했는가?”에서 “어디서, 얼마나, 어느 방향으로 충돌했는가?”로 질문이 자라납니다. 이 질문의 변화가 작은 충돌 판정 코드가 게임 물리 엔진으로 넘어가는 첫 번째 문턱입니다.

물리 엔진 구조는 어떤 순서로 커지는 게 자연스러운가요?

Q. 단순 충돌 판정 다음에는 어떤 구조를 붙여야 하나요?

단순 충돌 판정이 잘 동작한다면 다음 관심사는 업데이트 순서입니다. 물리 엔진은 대개 입력을 받고, 힘을 누적하고, 속도를 갱신하고, 위치를 이동시키고, 충돌을 찾고, 충돌을 해결하는 흐름으로 움직입니다. 이 순서를 어기면 같은 코드라도 프레임마다 다른 결과를 만들 수 있습니다. 특히 게임 루프 안에서 delta time을 어떻게 쓰는지에 따라 낙하 속도와 충돌 안정성이 크게 달라집니다.

인터뷰이는 “엔진 구조를 설명할 때는 함수 목록보다 데이터 흐름을 먼저 보여주라”고 조언합니다. 예를 들어 RigidBody가 위치, 속도, 질량, 힘을 갖고 있고 Collider가 모양 정보를 갖고 있으며 PhysicsWorld가 이들을 순회한다는 구조는 읽는 사람에게 명확합니다. 반면 모든 로직이 GameObject 안에 섞이면 포트폴리오를 보는 개발자가 확장성을 판단하기 어렵습니다.

개발자와 게임 프로그래머가 자주 참고하는 국제 행사 맥락을 이해하려면 GDC 용어 설명처럼 게임 개발 지식이 축적되는 장을 함께 살펴보는 것도 도움이 됩니다. 물리 엔진 구현은 단지 수학 문제만이 아니라, 도구와 워크플로, 팀 커뮤니케이션까지 이어지는 주제이기 때문입니다.

Q. Broad Phase와 Narrow Phase는 언제 나눠야 하나요?

객체가 10개일 때는 모든 쌍을 검사해도 큰 문제가 없습니다. 하지만 객체가 1,000개가 되면 단순한 이중 반복문은 금방 병목이 됩니다. 이때 등장하는 구분이 Broad Phase와 Narrow Phase입니다. Broad Phase는 “충돌 가능성이 있는 후보”를 빠르게 줄이고, Narrow Phase는 후보끼리 실제 충돌 정보를 정밀하게 계산합니다.

포트폴리오 프로젝트라면 처음부터 복잡한 BVH나 Sweep and Prune을 완벽히 만들 필요는 없습니다. 균일 그리드, 공간 해시, 쿼드트리 중 하나만 골라도 충분히 배울 것이 많습니다. 중요한 것은 후보 수가 어떻게 줄어드는지 측정하고, 디버그 화면에서 어떤 객체들이 후보로 묶였는지 보여주는 것입니다. 기술 블로그 독자는 “무엇을 구현했는가”뿐 아니라 “왜 그 구조를 선택했는가”를 보고 싶어합니다.

• 객체 수가 적은 프로토타입: 모든 쌍 검사로 시작해도 됩니다. 대신 이후 교체 가능하도록 인터페이스를 분리합니다.
• 타일 기반 2D 게임: 균일 그리드가 구현 난도와 효과 면에서 균형이 좋습니다.
• 넓은 월드에 밀집 영역이 섞인 게임: 공간 해시가 메모리 사용량을 줄이는 데 유리합니다.
• 정적 지형이 많은 프로젝트: 정적 Collider와 동적 RigidBody를 분리하면 불필요한 검사가 줄어듭니다.

이 단계에서 개발자는 기획자와도 대화하게 됩니다. 어떤 물체는 정확히 부딪혀야 하고, 어떤 물체는 “맞은 것처럼 느껴지면” 충분합니다. 역할 관점에서 기획 업무가 무엇을 조율하는지 궁금하다면 기획자에 대한 지식백과 설명을 참고해도 좋습니다. 게임 물리 엔진은 기술만으로 완성되는 것이 아니라 플레이 감각과 규칙을 함께 맞추는 작업입니다.

전문가 조언: Broad Phase 최적화는 “빠른 자료구조를 쓰는 일”보다 “정확하지 않아도 되는 검사를 과감히 앞단에서 걸러내는 일”에 가깝습니다.

포트폴리오에 올릴 만큼 믿을 만한 물리 코드는 어떻게 다듬나요?

Q. 데모가 움직이는 것과 코드가 신뢰받는 것은 무엇이 다른가요?

물리 데모는 화면에서 박스 몇 개가 떨어지면 그럴듯해 보입니다. 그러나 포트폴리오에 올릴 코드라면 “운 좋게 보이는 장면”을 넘어야 합니다. 테스트 케이스, 재현 가능한 시뮬레이션, 디버그 옵션, 성능 로그가 함께 있어야 개발자다운 설득력이 생깁니다. 특히 Will Perone의 사이트처럼 게임 프로그래밍과 수학 라이브러리, 기술 프로젝트를 다루는 맥락이라면 결과물보다 사고 과정이 더 중요하게 읽힙니다.

인터뷰이는 “README 첫 화면에 영상 하나만 올리는 것보다, 실패했던 케이스와 해결 방식을 짧게 적는 편이 더 강하다”고 말합니다. 예를 들어 얇은 벽을 빠르게 통과하는 문제, 두 박스가 겹친 상태에서 떨리는 문제, 경사면 위에서 캐릭터가 미끄러지는 문제는 물리 엔진 구현자가 반드시 만나는 장면입니다. 이런 문제를 숨기지 않고 재현 코드와 함께 설명하면 오히려 전문성이 올라갑니다.

예산과 시간을 관리하는 관점도 필요합니다. 개인 프로젝트라도 무한정 확장하면 끝나지 않습니다. 우선순위를 세우는 방식은 공공 정책의 계획예산 제도처럼 목표와 자원을 함께 보는 사고와 닮아 있습니다. 개발자 포트폴리오에서도 “이번 버전에서는 2D 원형 Collider까지만 안정화한다”처럼 범위를 명확히 하는 습관이 중요합니다.

1. 테스트 이름을 장면처럼 작성합니다. 예를 들어 circle_falls_on_static_box, fast_bullet_hits_thin_wall처럼 실패 상황이 바로 보이게 만듭니다.
2. 고정 시간 간격을 적용합니다. 프레임률이 바뀌어도 결과가 크게 달라지지 않도록 1/60초 같은 고정 step을 사용합니다.
3. 디버그 렌더링을 토글합니다. Collider, 접촉점, 충돌 법선, Broad Phase 셀을 각각 켜고 끌 수 있게 합니다.
4. 성능 수치를 기록합니다. 객체 수, 후보 쌍 수, 실제 충돌 수, 업데이트 시간을 로그로 남깁니다.
5. 기능 범위를 문서화합니다. 지원하는 Collider 종류와 아직 처리하지 않는 케이스를 명시합니다.

Q. 실제 구현에서 가장 자주 무너지는 지점은 어디인가요?

첫 번째 실수는 delta time을 그대로 믿는 것입니다. 프레임 시간이 갑자기 커지면 물체가 한 번에 멀리 이동하면서 충돌을 건너뛸 수 있습니다. 이를 줄이려면 고정 step, sub-step, 속도 제한, 연속 충돌 검출 중 프로젝트 규모에 맞는 방법을 선택해야 합니다. 개인 프로젝트라면 고정 step과 간단한 sub-step만으로도 눈에 띄는 안정성을 얻을 수 있습니다.

두 번째 실수는 “충돌 판정”과 “충돌 해결”을 같은 함수에 밀어 넣는 것입니다. 처음에는 편해 보이지만 나중에 반발 계수, 마찰, 센서 Collider, 트리거 영역이 들어오면 코드가 빠르게 복잡해집니다. 판정 함수는 Contact 정보를 만들고, 해결 단계는 그 Contact를 해석하는 식으로 나누면 기능 추가가 훨씬 수월합니다. 이 분리는 게임 프로그래밍에서 흔히 말하는 책임 분리의 좋은 예시입니다.

세 번째 실수는 디버그 도구를 뒤로 미루는 것입니다. 물리 엔진 버그는 숫자만 보고 찾기 어렵습니다. 접촉 법선이 반대로 향했는지, 침투 깊이가 너무 크게 계산됐는지, Broad Phase 후보가 과도하게 생겼는지는 화면에 그려야 바로 보입니다. 그래서 포트폴리오용 물리 프로젝트라면 렌더링 품질보다 디버그 시각화 품질이 먼저입니다.

• 빠른 물체가 벽을 통과한다면 프레임당 이동 거리와 Collider 두께를 비교해 보아야 합니다.
• 박스가 바닥 위에서 떨린다면 위치 보정 비율과 속도 보정 순서를 점검합니다.
• 충돌 후 물체가 안쪽으로 더 파고든다면 법선 방향이 어느 객체 기준인지 확인합니다.
• 성능이 갑자기 떨어진다면 후보 쌍 수가 실제 충돌 수보다 얼마나 많은지 먼저 봅니다.

마지막으로, 물리 엔진을 포트폴리오에 올릴 때는 “제가 전부 구현했습니다”보다 “이 범위까지 직접 구현했고, 이 부분은 의도적으로 제외했습니다”가 더 신뢰를 줍니다. 예를 들어 2D 원형과 AABB 충돌, 고정 시간 업데이트, 간단한 반발과 마찰, 디버그 드로우까지 안정화했다고 쓰면 읽는 개발자가 코드 수준을 예측할 수 있습니다. 반대로 3D 물리 엔진이라고만 말하면서 테스트와 한계가 없다면 오히려 완성도가 낮아 보일 수 있습니다.

독자가 지금 작은 충돌 판정 함수를 만들고 있다면, 그 코드는 이미 좋은 출발점입니다. 다음 커밋에서 bool 반환을 Contact 구조체로 바꾸고, 그다음 커밋에서 접촉 법선을 화면에 그려 보세요. 게임 물리 엔진은 거대한 한 번의 도약이 아니라, 작은 수학 함수가 검증 가능한 시스템으로 자라나는 반복의 결과입니다.