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웹 게임에 생명을 불어넣는 물리 엔진: 충돌, 중력, 그리고 그 이상

안녕하세요! 지난번 웹 게임 엔진에 대한 글이 도움이 되셨다니 기쁩니다. 게임 엔진이 게임의 뼈대와 전반적인 기능을 제공한다면, 물리 엔진은 게임 속 객체들이 현실 세계처럼 움직이고 상호작용하게 만드는 핵심 요소입니다. 충돌, 중력, 마찰, 반발력 등 복잡한 물리 현상을 시뮬레이션하여 게임에 생동감을 불어넣죠.

이 글에서는 웹 게임 개발에 사용되는 주요 JavaScript 물리 엔진들을 상세히 살펴보고, 각 엔진의 특징, 장점, 단점을 비교 분석하여 여러분의 프로젝트에 가장 적합한 도구를 선택하는 데 도움을 드릴 거예요.

1. Matter.js: 강력하고 유연한 2D 강체 물리 엔진

Matter.js는 웹을 위한 2D 강체(rigid body) 물리 엔진입니다. 이름에서 알 수 있듯이, 변형되지 않는 단단한 물체들의 충돌, 중력, 마찰, 반발력 등을 매우 사실적으로 시뮬레이션하는 데 특화되어 있습니다. Phaser와 같은 인기 게임 프레임워크와도 쉽게 연동하여 사용할 수 있어 많은 개발자들에게 사랑받고 있습니다.

  • 주요 특징:
    • 강체 물리 시뮬레이션: 사각형, 원, 다각형 등 다양한 형태의 강체들을 지원하며, 복잡한 복합체(compound body) 구성도 가능합니다.
    • 충돌 감지 및 반응: 광범위한 충돌 감지(broad-phase), 중간 단계(mid-phase), 세부 단계(narrow-phase)를 통해 정확하고 안정적인 충돌 처리를 제공합니다.
    • 다양한 물리 속성: 질량, 면적, 밀도, 마찰, 반발력(restitution) 등을 설정하여 현실적인 물리 효과를 구현할 수 있습니다.
    • 제약 조건(Constraints): 스프링, 힌지(경첩) 등 다양한 제약 조건을 사용하여 물체 간의 연결이나 움직임을 제어할 수 있습니다.
    • 중력, 슬리핑, 정적 바디: 중력 적용, 비활성 물체의 연산 최소화를 위한 슬리핑(sleeping) 기능, 움직이지 않는 정적 바디(static body) 설정을 지원합니다.
    • 렌더러 분리: 기본 HTML Canvas 기반 렌더러를 제공하지만, 물리 엔진 자체는 렌더링과 분리되어 있어 PIXI.js, p5.js 등 다른 렌더링 라이브러리와 함께 사용하기 용이합니다.
  • 장점:
    • 높은 현실감: 복잡한 물리 현상을 사실적으로 시뮬레이션하여 게임의 몰입도를 높일 수 있습니다.
    • 유연한 통합: 특정 게임 엔진에 종속되지 않고, 다양한 렌더링 라이브러리나 게임 프레임워크(예: Phaser)와 쉽게 연동할 수 있습니다.
    • 활발한 개발 및 커뮤니티: 지속적으로 업데이트되며, Stack Overflow, CodePen, Glitch 등에서 활발한 커뮤니티 지원을 받을 수 있습니다.
    • 초보자 친화적: 예제와 문서가 잘 되어 있어 기본적인 물리 시뮬레이션 구현이 비교적 쉽습니다.
  • 단점:
    • 2D 전용: 3D 물리 시뮬레이션은 지원하지 않습니다.
    • 성능 고려: 매우 많은 수의 객체가 동시에 상호작용하는 복잡한 시뮬레이션에서는 JavaScript 기반의 한계로 인해 성능 저하가 발생할 수 있습니다. (특히 스태킹 스트레스 테스트 등)
    • 번들 크기: 다른 경량 라이브러리에 비해 번들 크기가 다소 있을 수 있습니다.
  • 누구에게 추천할까요? 2D 게임에서 사실적인 충돌, 중력, 상호작용이 필요한 퍼즐 게임, 플랫폼 게임, 시뮬레이션 게임 등을 개발하려는 분들에게 강력히 추천합니다. 기존 게임 엔진에 물리 기능을 추가하고 싶을 때도 좋은 선택입니다.

공식 웹사이트: https://brm.io/matter-js/

2. Planck.js: Box2D의 강력함을 JavaScript로!

Planck.js는 유명한 C++ 기반 물리 엔진인 Box2D를 JavaScript로 포팅(재작성)한 라이브러리입니다. Box2D는 ‘Angry Birds’와 같은 수많은 인기 게임에 사용될 정도로 안정성과 성능이 검증된 엔진이며, Planck.js는 이 Box2D의 모든 알고리즘과 기능을 웹 환경에 최적화하여 제공합니다.

  • 주요 특징:
    • Box2D 알고리즘 기반: Box2D의 검증된 물리 시뮬레이션 알고리즘을 그대로 사용하여 높은 정확성과 안정성을 자랑합니다.
    • 강체 및 관절(Joints): 강체(Rigid Body)와 함께 회전 관절(Revolute Joint), 프리즘 관절(Prismatic Joint), 거리 관절(Distance Joint) 등 다양한 관절 유형을 지원하여 복잡한 기계 장치나 캐릭터의 움직임을 구현할 수 있습니다.
    • 충돌 필터링: 특정 객체들 간의 충돌을 무시하거나 활성화하는 필터링 기능을 제공합니다.
    • 결정론적(Deterministic) 시뮬레이션: 동일한 입력에 대해 항상 동일한 시뮬레이션 결과를 보장하여 멀티플레이어 게임이나 디버깅에 유리합니다.
    • JavaScript 친화적인 API: Box2D의 강력함을 유지하면서도 JavaScript 개발자가 사용하기 편리하도록 API를 재구성했습니다.
  • 장점:
    • 검증된 안정성과 정확성: Box2D의 명성을 이어받아 매우 안정적이고 정확한 물리 시뮬레이션을 제공합니다.
    • 풍부한 기능: 강체, 관절, 충돌, 센서 등 게임 물리 구현에 필요한 거의 모든 고급 기능을 지원합니다.
    • 웹 및 모바일 최적화: 웹 환경뿐만 아니라 모바일 웹에서도 좋은 성능을 발휘하도록 최적화되어 있습니다.
    • 활발한 개발: 지속적으로 업데이트되고 있으며, Box2D 커뮤니티의 지식 기반을 활용할 수 있습니다.
  • 단점:
    • 2D 전용: 3D 물리 시뮬레이션은 지원하지 않습니다.
    • 학습 곡선: Matter.js보다 더 많은 물리 개념과 Box2D의 아키텍처를 이해해야 할 수 있습니다.
    • 디버깅: 복잡한 물리 시뮬레이션의 디버깅이 어려울 수 있습니다.
  • 누구에게 추천할까요? Box2D의 강력하고 안정적인 물리 시뮬레이션이 필요하며, 복잡한 관절이나 정밀한 충돌 처리가 요구되는 2D 게임(예: 퍼즐, 플랫폼, 시뮬레이션, 물리 기반 아케이드 게임)을 개발하려는 분들에게 적합합니다.

공식 웹사이트: https://piqnt.com/planck.js/

3. PhysicsJS: 모듈식 설계의 유연한 2D 물리 엔진

PhysicsJS는 모듈식으로 설계된 2D 물리 엔진으로, 필요한 기능만 선택적으로 불러와 사용할 수 있는 유연성이 큰 장점입니다. 다양한 형태의 시뮬레이션과 사용자 정의가 가능하여, 게임뿐만 아니라 인터랙티브 웹 애니메이션 등 광범위한 분야에 활용될 수 있습니다.

  • 주요 특징:
    • 모듈식 아키텍처: 코어 엔진 위에 다양한 동작(behaviors), 렌더러(renderers), 상호작용(interactions) 등을 모듈 형태로 추가할 수 있습니다.
    • 다양한 동작(Behaviors): 중력, 마찰, 충돌 감지, 반발력, 힘 적용 등 다양한 물리적 동작을 모듈로 제공합니다.
    • 렌더러 독립성: 특정 렌더링 라이브러리에 묶여 있지 않으며, Canvas, SVG, WebGL 등 다양한 렌더러를 지원하거나 직접 구현할 수 있습니다.
    • 이벤트 기반 시스템: 물리 시뮬레이션 과정에서 발생하는 다양한 이벤트(충돌 시작/종료, 업데이트 등)에 반응하여 커스텀 로직을 추가할 수 있습니다.
    • 다양한 형태 지원: 원, 사각형, 다각형 등 기본적인 형태 외에 복잡한 볼록 다각형(convex polygon)도 지원합니다.
  • 장점:
    • 높은 유연성 및 확장성: 필요한 기능만 선택적으로 사용하고, 자신만의 물리 동작이나 렌더러를 쉽게 추가할 수 있어 커스터마이징이 용이합니다.
    • 다양한 시뮬레이션: 게임 외에 데이터 시각화, 인터랙티브 웹 요소 등 다양한 물리 기반 애니메이션 구현에 적합합니다.
    • 렌더러 독립적: 특정 그래픽 라이브러리에 종속되지 않아 기존 프로젝트에 통합하기 쉽습니다.
    • 간편한 통합: 웹사이트의 랜딩 페이지 애니메이션 등 가벼운 물리 효과를 추가하는 데 용이합니다.
  • 단점:
    • 개발 중단 가능성: GitHub 저장소의 마지막 커밋이 7년 전(2018년)이라는 점을 고려할 때, 활발한 개발이 이루어지지 않고 있을 가능성이 있습니다. 이는 새로운 기능 추가나 버그 수정이 더딜 수 있음을 의미합니다. (G2 리뷰는 최신일 수 있으나, 공식 저장소 활동이 중요)
    • 문서 부족: 일부 사용자 리뷰에 따르면 문서가 충분히 상세하지 않아 초보자가 사용하기 어려울 수 있습니다.
    • 커뮤니티 활동 감소: 개발 활동이 줄어들면서 커뮤니티 지원도 약해질 수 있습니다.
  • 누구에게 추천할까요? 매우 유연하고 모듈식으로 물리 엔진을 구성하고 싶거나, 게임 외에 인터랙티브 웹 요소, 데이터 시각화 등 다양한 물리 기반 애니메이션을 구현하려는 분들에게 적합합니다. 다만, 최신 기능이나 활발한 지원이 필요한 대규모 프로젝트에는 신중한 접근이 필요합니다.

공식 웹사이트: http://wellcaffeinated.net/PhysicsJS/ (공식 웹사이트는 있으나, GitHub 저장소 활동을 확인하는 것이 중요합니다.)

4. P2.js: 강력하고 안정적인 2D 물리 엔진

P2.js는 웹을 위한 고성능 2D 물리 엔진입니다. Box2D나 Matter.js와 유사하게 강체 물리 시뮬레이션에 중점을 두며, 특히 안정성과 정확성이 뛰어나 복잡한 물리 기반 게임이나 시뮬레이션에 적합합니다. Phaser와 같은 여러 게임 프레임워크와도 통합될 수 있습니다.

  • 주요 특징:
    • 강체 물리 시뮬레이션: 충돌, 중력, 마찰, 반발력 등 2D 세계의 물리 현상을 정확하게 시뮬레이션합니다. 원, 사각형, 볼록 다각형, 선 등 다양한 형태의 바디를 지원합니다.
    • 관절(Joints) 및 제약 조건: 회전, 거리, 프리즘 등 다양한 관절 유형을 제공하여 복잡한 기계 장치나 캐릭터의 움직임을 구현할 수 있습니다.
    • 센서 바디: 충돌은 감지하지만 물리적 반응을 일으키지 않는 센서 바디를 생성하여 트리거 영역 등에 활용할 수 있습니다.
    • 물리 재질 (Material): 마찰 계수(friction)와 반발 계수(restitution)를 정의하여 물체 간 상호작용의 물리적 특성을 세밀하게 제어합니다.
    • 결정론적 시뮬레이션: 동일한 입력에 대해 항상 동일한 결과를 보장하여 멀티플레이어 게임이나 리플레이 시스템에 적합합니다.
    • 광범위한 적용: 게임뿐만 아니라 시뮬레이션, 물리 기반 UI/UX, 인터랙티브 웹 그래픽 등 다양한 분야에 활용됩니다.
  • 장점:
    • 높은 안정성과 정확성: 복잡한 물리 시뮬레이션에서도 안정적인 동작과 정확한 결과를 제공합니다.
    • 풍부한 기능: 기본적인 물리 요소 외에 관절, 센서, 재질 등 고급 기능을 폭넓게 지원합니다.
    • Phaser 연동: Phaser 3에는 Matter.js가 내장 물리 엔진으로 주로 사용되지만, Phaser 2 (CE)에서는 P2.js가 내장되어 있어 기존 Phaser 2 프로젝트에서 자연스럽게 활용되었습니다. (물론 직접 통합도 가능)
    • 활발한 커뮤니티 및 문서: 비교적 활발한 커뮤니티와 잘 정리된 문서를 통해 도움을 받을 수 있습니다.
  • 단점:
    • 2D 전용: 3D 물리 시뮬레이션은 지원하지 않습니다.
    • 학습 곡선: Matter.js나 Planck.js와 마찬가지로 물리 엔진의 개념과 P2.js의 API를 이해하는 데 어느 정도 시간이 필요할 수 있습니다.
    • Phaser 3 기본 통합 아님: Phaser 3에서는 기본 내장 물리 엔진이 Matter.js이므로, P2.js를 사용하려면 별도로 통합해야 합니다.
  • 누구에게 추천할까요? 정확하고 안정적인 2D 물리 시뮬레이션이 가장 중요한 요소인 게임(예: 당구 게임, 중력 퍼즐, 정교한 기계장치 시뮬레이션)을 개발하려는 분들에게 적합합니다. 또한, 이미 P2.js에 익숙하거나, Box2D와 유사한 강력한 기능을 원하는 개발자에게 좋은 선택입니다.

공식 웹사이트: https://schteppe.github.io/p2.js/

나에게 맞는 물리 엔진 선택 가이드

어떤 물리 엔진을 선택할지는 결국 여러분의 프로젝트 목표와 기술 스택에 달려 있습니다.

  • 2D 게임에서 가장 사실적이고 유연한 물리 시뮬레이션을 원한다면: Matter.js
  • Box2D의 검증된 안정성과 정확성, 그리고 풍부한 관절 기능을 웹에서 사용하고 싶다면: Planck.js
  • 매우 정확하고 안정적인 2D 물리 시뮬레이션이 핵심이고, 다양한 형태의 바디와 관절을 활용하고 싶다면: P2.js
  • 모듈식으로 필요한 물리 기능만 조합하여 사용하고 싶거나, 게임 외에 다양한 인터랙티브 애니메이션을 구현하고 싶다면: PhysicsJS (단, 개발 현황 확인 필수)

이 가이드가 여러분의 웹 게임에 생명을 불어넣는 물리 엔진을 선택하는 데 도움이 되기를 바랍니다. 물리 엔진은 게임의 재미를 한층 더 높여줄 수 있는 중요한 요소이니, 신중하게 선택하고 즐겁게 개발하시길 응원합니다!