[하복 물리 엔진 강좌] 04. Vision 엔진에서 Constraint System 사용하기

제약 시스템 ^{Constraint System}

강체를 Constraint로 연결하는 것은 C++ 코드를 통해서 구현하거나 3dsMax 에서 Havok Contents Tool 플러그인을 통해서도 설정이 가능하지만 여기서는 가장 쉬운 방법으로 vForge 에디터 에서 설정하는 방법을 설명하도록 하겠다.

Note : 하복에서 제공하는 제약 조건들은 공통적으로 제약조건의 개수에 비례하게 일정하게 성능 부하가 증가된다. 예를 들어 100개의 제약 조건을 사용할 경우 10개의 제약 조건을 사용했을 때 보다 약 10배의 시간이 더 소요가 되게 된다. 그리고 일반적으로 한 제약조건 안에서 더 많은 자유도를 제약할수록 성능 부하가 더 증가하게 된다.

1. vForge 에서 Constraint 연결하기

vForge 에서는 Havok Rigid Body 컴포넌트를 가진 엔티티를 제약 조건으로 쉽게 연결 할 수 있다. 간단한 Constraint 를 연결하는 과정은 다음과 같다. 만약 Constraint 의 종류가 다르더라도 기본적인 설정 과정은 동일하고 Constraint Type 만 변경하면 원하는 타입의 Constraint로 설정이 가능하다.

• 장면에 한 개의 Constraint 와 두 개의 Anchor 를 추가 한다. 여기서 적어도 한 개의 Anchor 는 Havok Rigid Body 컴포넌트를 가지고 있는 Entity 의 자식으로 추가되어야 한다.

  

• 링크모드를 통해 Constraint 를 Anchor 에 연결 한다

  

• 연결 부위가 떨어지지 않도록 Anchor 와 Constraint 의 위치가 일치 되도록 설정 해야한다

  

• Align to parent 기능을 이용하면 쉽게 위치를 정렬할 수 있다

• 정렬을 위해 임시로 자식 노드로 설정했던 Anchor 와 Constraint 를 다시 원위치 한다.

  

Constraint 를 선택한 후 속성 패널에서 세부 설정을 마무리한다. Constraint 의 종류별 세부적인설정 방법은 다음 절에서 설명하도록 하겠다.

2. Constraints 들의 공통적인 속성

Constraint의 종류에 관계 없이 Breakable 및 Malleable 설정은 모든 동일한 속성을 가진다

Breakable Settings:

• Is Breakable: 이 속성을 True로 설정하면, Threshold 이상의 힘에 의해 제약 조건과 강체의 연결이 깨지도록 설정 할 수 있다
• Threshold: Is Breakable 속성이 True 인 경우, Threshold 이상의 힘에 의해 제약 조건과 강체 와의 연결이 깨지면서 강체가 제약조건으로부터 자유로워 진다. 이 속성에 대한 범위는 0과 무한대 사이이다.
• Revert Velocity On Break: Is Breakable 속성이 True 인 경우, 이 속성을 통해 제약조건과 강체와의 연결이 깨질 때 영향 받는 강체의 속도가 초기화 되도록 설정할 수 있다. 기본값은 True 이다

Malleable Settings:

• Is Malleable: 이 값을 True 로 지정 하면, 강체와 연결된 제약조건에 약간의 유격을 허용해서 유연하게 움직이도록 만들 수 있다.
• Strength: 이 속성을 0.0 으로 지정하면 적은 힘으로도 더 유연하게 움직이게 되며, 1.0 으로 지정하면 유연성이 사라지게 된다.

3. Ball-and-Socket Constraints

Ball and Socket 으로 연결된 두 개의 강체중에서 Ball 에 해당되는 강체가 Socket에 해당되는 강체 와의 연결 지점 인 Pivot Point 를 기준으로 회전이 가능하도록 한다.

이 제약 조건에는 공통 속성 외에 따로 추가적인 속성은 없다

4. Hinge Constraints

문의 경첩과 같이 동작하기 때문에 Hinge Constraints 라고 부른다. 속성을 통해 회전 각도를 제한 할 수도 있고 이를 Limited Hinge 라고 부른다. 연결된 강체가 서로 관통되는 현상을 방지하기 위해 Limited Hinge 가 유용하게 사용된다.

Hinge Constraint 의 속성

• Use Limits: Constraint 에서 각도 제한을 활성화 하려면 이 속성을 True로 설정 해야 한다
• Limit Max: Constraint의 최대 각도 에 제한을 준다. 0 ~ (360+Limit Min) 사이의 값으로 입력이 가능 하다
• Limit Min: Constraint의 최소 각도 에 제한을 준다. (-360 + Limit Max) ~ 0 사이의 값으로 입력이 가능 하다

5. Ragdoll Constraints

연결된 강체 의 회전운동에 대한 각도를 제한해서

사람과 동물의 관절을 연출하거나 가방이나 악세서리 등의 장착물을 위해 자주 활용 된다

개별 Ragdoll Constraint 의 설정이 아닌 캐릭터 전체를 위해 특화된 Ragdoll 에 대해서는 다음 절에서 곧 이어서 설명하도록 하겠다.

Ragdoll Constraint 의 속성

• Cone Angle: 트위스트축 주위의 이동 원뿔의 각도를 설정
• Plane Cone Min Angle: 이 속성은 음의 평면 축을 중심으로 Cone Angle 의 일부를 제한하는 원뿔의 각도를 설정
• Plane Cone Max Angle: 이 속성은 양의 평면 축을 중심으로 Cone Angle 의 일부를 제한하는 원뿔의 각도를 설정
• Twist Min Angle: 트위스트 축을 중심으로 최소 회전 각도를 설정
• Twist Max Angle: 트위스트 축을 중심으로 최대 회전 각도를 설정
• Max Friction Torque: 이 Constraint에 적용되는 회전력에 대한 마찰력의 크기를 설정
• Angular Limits Tau Factor: 각도 한계에 대한 Tau 인자를 설정. 기본값은 0.8 이다
• TAU : 연결된 Constraints 들이 강한 충격이나 힘에 의해서 늘어지게 되고 나서 다시 원래의 자리로 회복이 되는 속도를 Tau 값을 통해 설정 할 수 있다. Tau 값을 높게 지정하면 더욱 빨리 회복이 된다. 0.0 ~ 1.0 사이의 값을 입력할 수 있고 보통 1/sqrt(Constraints 의 개수) 만큼 입력하는 것을 권장 한다.

6. Stiff Spring Constraints

Stiff Spring에서는 Rigid Body가 지정된 거리만큼 떨어진채 연결 한다

Stiff Spring은 각 강체 내 특정 지점에서 작동되고, 강체는 자유롭게 지점 주위를 이동하고 회전하지만, 서로에 대한 일정한 상대 거리를 유지하게 된다

 

7. Constraint Chain Constraints

Constraint Chain Shape은 직렬로 연결된 여러 개의 Constraint를 대신할 수 있는 특별한 유형의 Constraint 이다. 개별 Constraint 를 여러 개를 사용해서 수동으로 연결하는 방식보다, Constraint Chain은 훨씬 더 안정된 방식으로 관련 Constraint를 시뮬레이션 하기 때문에 연속적으로 길게 연결된 Rigid Body 들을 표현할 때 아주 유용 하다.

설정 방법은 다른 Constraint 와 같다. Constraint Chain Shape도 한 쌍의 Rigid Body에 각각 Anchor 를 붙이고 Constraint Chain Shape 을 두 Anchor에 연결하는 방식으로 설정이 가능 하다.

Constraint Chain 의 속성

• PathKey: Constraint Chaine을 Path Shape 에 할당할 경우 사용이 가능 하다
• LinkLength: 개별 링크의 세그먼트 길이
• LinkGap: Chain을 구성하는 각각의 링크들 사이의 간격
• Diameter: 각 링크 세그먼트의 지름
• MaterialDensity: Chain 링크에 적용 될 재질의 밀도 (m^3당 kg)
• MaterialStretchingConstant: 연결 Material의 스트레칭 상수
• Damping: Chain Solver가 시뮬레이션 안전성을 향상시키기 위해 힘을 감쇠시키는 정도 (0.0 = 감쇠 없음, 1.0 = 완전 감쇠).
• LinkLinearDamping: Chain을 구성하는 각 링크의 선형 성분에 대한 속도 감쇠 상수
• LinkAngularDamping: Chain을 구성하는 각 링크의 회전 성분에 대한 속도 감쇠 상수
• CalculateLinkInertia: Havok™ Physics 에 의해 계산된 관성 텐서 값을 Chain 링크에 적용할지 여부
• InertiaTensorAxisScaling: 관성 텐서의 크기 배율을 축마다 다르게 지정
• InertiaTensorUniformScaling: 관성 텐서의 균일한 크기 배율
• ComputeCFM: CFM (Constraint Force Mixing) 파라미터의 계산 여부를 결정합니다. False로 설정된 경우, FixedCFM 속성 값이 대신 사용된다
• CFMFactor: CFM을 자동으로 계산할 경우 사용되는 배율 값
• FixedCFM: ComputeCFM을 False로 설정하는 경우 사용되는 CFM 값
• LinkCollisionLayer: Chain Link들의 Collision Layer
• LinkCollisionGroup: Chain Link들의 Collision 그룹
• LinkSubSystemId: Chain Link들의 Collision 하위 시스템 ID.
• LinkSubSystemIdDontCollideWith: Chain 과 충돌하면 안되는 물리 오브젝트의 Collision 하위 시스템 ID.
• UseAngularFriction: Constraint Chain을 더 안정화시키기 위해 각 마찰을 사용할지 여부
• FrictionFactorMin: Chain의 중간에서의 최소 내부 마찰 계수
• FrictionFactorMax: Chain의 끝에서의 최대 내부 마찰 계수
• BaseTension: Chain이 항상 가지고 있는 최소 장력(각 마찰 계산에 사용됨).
• MaximumLastLinkGap: Chain Link 의 끝과 연결된 Anchor 사이의 최대 간격 (Link 길이의 일부분)

Constraint Chain Constraints 의 시각화

Constraint Chain Shape 자체는 Scene에서 시각적 표현이 없지만. Constraint Chain에 Path Renderer 컴포넌트를 추가하면 시각화가 가능하다. Path Renderer 컴포넌트 에는 다음 두 가지 유형이 있다.

Path Renderer (Cable) 컴포넌트 속성

Cable Renderer 컴포넌트는 Chain을 실린더 세그먼트의 인접 집합으로 렌더링 한다

• VerticesPerRing: 케이블의 윤곽 테설레이션에 사용될 정점의 수
• RingsPerLink: 링크당 세그먼트의 수.
• ModelFile: Cable Mesh용 Material 검색에 사용되는 모델.
• CastDynamicShadows: Chain이 그림자를 드리울지 여부를 결정한다.

Path Renderer (Debug) 컴포넌트 속성

• Debug Renderer 컴포넌트는 라인 세그먼트를 사용하는 Chain 링크를 시각화 한다.
• RenderColor: Chain 링크 라인 세그먼트를 렌더링 하는데 사용되는 색상.

8. 안정적인 Constraints 설정을 위한 팁

• 너무 낮은 Inertia Tensor 값을 가지지 않도록 주의한다
• Constraint 로 연결된 강체들 중에서 Intertia Tensor 의 크기가 가장 큰 강체의 1/10 이하의Inertia 값을 가진 강체가 있으면 안정화가 어렵다
• 두 무거운 강체 사이에 연결된 얇은 강체의 Intertia 값이 나머지 강체의 Intertia 값의 1/4 보다 작으면 안된다.
• hkpConstraintStabilizationUtil 을 사용하면 Constraint 시스템을 미리 안정화 시켜둘 수 있다.
• 가벼운 물체가 무거운 물체들 사이에 연결되어 있거나 고정된 물체 사이에 무거운 물체가 연결되어 있는 경우 안정화 되기가 어렵다 연결된 강체의 물체의 질량의 차이가 10배 이상이 나지 않도록 주의한다
• 많은 수의 강체가 연결되어 있을 경우 모든 Constraint 들의 tau 값을 낮추는게 좋다. 다음과 같은 공식을 따르면 적당하다. tau = 1.0/sqrt (연결된constraints 개수)
• 강체의 Damping 값을 0.6 정도로 약간 줄여준다
• Substep을 증가시켜서 물리 시뮬레이션의 정밀도를 올린다.
• Solver tau 와 damping 값을 증가 한다 (hkpWorldCinfo::SolverType 참조