MMD 모델에 물리 시뮬레이션 적용

이 섹션에서는 MMD 모델에 물리 시뮬레이션을 적용하는 방법을 설명합니다.

MMD 모델은 물리 시뮬레이션을 지원하여 물리 엔진을 사용해 모델의 본에 물리적 효과를 적용할 수 있습니다.

babylon-mmd는 이를 구현하기 위한 다양한 옵션을 제공합니다. 각 옵션의 특성을 검토하고 사용 시나리오에 가장 적합한 것을 선택할 수 있습니다.

물리 엔진 옵션

babylon-mmd는 MMD 물리 시뮬레이션을 처리하기 위해 세 가지 물리 엔진을 지원합니다:

Bullet Physics: MMD에서 사용하는 물리 엔진입니다. Rust wasm-bindgen을 사용하여 WebAssembly로 컴파일되어 babylon-mmd 패키지에 포함됩니다.
Ammo.js: Bullet Physics의 Emscripten 기반 JavaScript 포트입니다. Emscripten으로 컴파일된 WebAssembly 바이너리로 제공됩니다.
Havok Physics: Babylon.js에서 지원하는 상용 물리 엔진입니다. WebAssembly 바이너리로 제공됩니다.

MMD 모델에 적용할 때 각 물리 엔진의 특성은 다음과 같습니다:

물리 엔진	성능	안정성	이식성	사용 편의성
Bullet Physics	★★★★☆ - 최적화된 바인딩	★★★★★ - 뛰어난 MMD 동작 재현	★★★☆☆ - WebAssembly를 지원하는 환경에서만 사용 가능	★★★☆☆ - API에서 개발자 경험 고려가 상대적으로 부족
Ammo.js	★★★☆☆ - 자동 생성된 바인딩으로 인한 성능 저하	★★★☆☆ - 좋은 MMD 동작 재현, 하지만 상대적으로 높은 충돌 가능성	★★★★★ - asm.js 빌드 사용 시 WebAssembly 지원 없는 환경에서도 사용 가능	★★★★★ - Babylon.js와 좋은 호환성과 편의성
Havok Physics	★★★★★ - 최적화된 바인딩, 더 빠른 엔진 성능	★☆☆☆☆ - 부족한 MMD 동작 재현, 심각한 수치적 불안정성	★★★☆☆ - WebAssembly를 지원하는 환경에서만 사용 가능	★★★★★ - Babylon.js와 좋은 호환성과 편의성

아래에서는 각 물리 엔진을 초기화하는 방법을 설명합니다.

Bullet Physics 구현

Bullet Physics 엔진을 사용하여 MMD 물리 시뮬레이션을 처리할 수 있습니다.

이 Bullet Physics 엔진은 C++에서 Rust FFI 바인딩 후 WebAssembly로 컴파일되어 babylon-mmd 패키지의 일부로 포함됩니다.

이는 Ammo.js와는 완전히 독립적인 바인딩으로 더 나은 성능과 안정성을 제공합니다.

다음은 Bullet Physics 엔진을 사용하여 MmdRuntime을 생성하는 예제 코드입니다:

const mmdWasmInstance = await getMmdWasmInstance(new MmdWasmInstanceTypeSPR());
const physicsRuntime = new MultiPhysicsRuntime(mmdWasmInstance);
physicsRuntime.setGravity(new Vector3(0, -9.8 * 10, 0));
physicsRuntime.register(scene);

const mmdRuntime = new MmdRuntime(scene, new MmdBulletPhysics(physicsRuntime));

Bullet Physics 엔진을 사용하려면 먼저 babylon-mmd에서 제공하는 WebAssembly 바이너리를 로드해야 합니다. 이는 getMmdWasmInstance() 함수를 사용하여 수행할 수 있습니다.

여기서 네 가지 WebAssembly 인스턴스 타입 중 하나를 선택할 수 있습니다:

MmdWasmInstanceTypeSPR: 단일 스레드, 물리, 릴리스 빌드
MmdWasmInstanceTypeSPD: 단일 스레드, 물리, 디버그 빌드
MmdWasmInstanceTypeMPR: 멀티 스레드, 물리, 릴리스 빌드
MmdWasmInstanceTypeMPD: 멀티 스레드, 물리, 디버그 빌드

멀티 스레드 버전은 **SharedArrayBuffer**를 지원하는 환경에서만 작동합니다. 환경에 따라 적절한 바이너리를 선택하세요.

위 예제에서는 단일 스레드 릴리스 빌드를 사용합니다.

const mmdWasmInstance = await getMmdWasmInstance(new MmdWasmInstanceTypeSPR());

MultiPhysicsRuntime 클래스는 Bullet Physics 엔진을 사용하여 물리 시뮬레이션을 처리하는 런타임 클래스입니다. MultiPhysicsRuntime 인스턴스를 생성한 후, 중력 벡터를 설정하고 Scene에 업데이트 콜백을 등록합니다.

const physicsRuntime = new MultiPhysicsRuntime(mmdWasmInstance);
physicsRuntime.setGravity(new Vector3(0, -9.8 * 10, 0));
physicsRuntime.register(scene);

MultiPhysicsRuntime에서 제공하는 다양한 메서드를 사용하여 중력 설정이나 RigidBody 또는 Constraint 직접 추가 등으로 물리 시뮬레이션을 제어할 수 있습니다. 자세한 내용은 Bullet Physics 문서를 참조하세요.

정보

MmdWasmRuntime을 사용하는 경우, 대신 MmdWasmPhysics를 사용할 수 있습니다.

이는 내부적으로 동일한 코드를 사용하지만, JavaScript-to-WASM 바인딩 레이어를 제거하여 더 나은 성능을 제공합니다.

const mmdRuntime = new MmdWasmRuntime(mmdWasmInstance, scene, new MmdWasmPhysics(scene));

const physicsRuntime = mmdRuntime.physics!.getImpl(MmdWasmPhysicsRuntimeImpl);

// MMD WASM 런타임에서 생성한 물리 월드의 중력은
// 기본적으로 (0, -9.8*10, 0)으로 설정되므로 이 코드는 생략할 수 있습니다
physicsRuntime.setGravity(new Vector3(0, -9.8 * 10, 0));

Ammo.js 구현

Ammo.js는 Emscripten으로 컴파일된 Bullet Physics 엔진의 JavaScript 포트입니다. 이를 사용하여 MMD 물리 시뮬레이션을 처리할 수 있습니다.

다음은 Ammo.js를 사용하여 MmdRuntime을 생성하는 예제 코드입니다:

import ammo from "babylon-mmd/esm/Runtime/Physics/External/ammo.wasm";

const physicsInstance = await ammo();
const physicsPlugin = new MmdAmmoJSPlugin(true, physicsInstance);
scene.enablePhysics(new Vector3(0, -9.8 * 10, 0), physicsPlugin);

const mmdRuntime = new MmdRuntime(scene, new MmdAmmoPhysics(scene));

babylon-mmd 패키지에는 Emscripten으로 컴파일된 Bullet Physics 3.25 버전이 ammo.wasm 바이너리로 포함되어 있습니다. "babylon-mmd/esm/Runtime/Physics/External/ammo.wasm" 경로에서 가져올 수 있습니다.

정보

Ammo.js는 특정 데이터에 대해 컨스트레인트의 불안정성 문제가 있으므로, 가능하다면 Bullet Physics 엔진을 사용하는 것이 권장됩니다.

Babylon.js PhysicsPluginV1 인터페이스를 사용하여 Ammo.js 물리 엔진을 관리할 수도 있습니다. 자세한 내용은 Babylon.js Physics 문서를 참조하세요.

Havok Physics 구현

Havok Physics 엔진을 사용하여 MMD 물리 시뮬레이션을 처리할 수 있습니다.

다음은 Havok Physics 엔진을 사용하여 MmdRuntime을 생성하는 예제 코드입니다:

import havok from "@babylonjs/havok";

const physicsInstance = await havok();
const physicsPlugin = new HavokPlugin(true, physicsInstance);
scene.enablePhysics(new Vector3(0, -9.8 * 10, 0), havokPlugin);

const mmdRuntime = new MmdRuntime(scene, new MmdPhysics(scene));

정보

Havok Physics 엔진은 좋은 수치적 안정성을 갖지 않아 MMD 물리 시뮬레이션에 적합하지 않을 수 있습니다. 가능하다면 Bullet Physics 엔진을 사용하는 것이 권장됩니다.

Babylon.js PhysicsPluginV2 인터페이스를 사용하여 Havok Physics 엔진을 관리할 수도 있습니다. 자세한 내용은 Babylon.js Physics V2 문서를 참조하세요.

MMD 모델의 물리 시뮬레이션 구축

위의 물리 엔진 중 하나로 MmdRuntime 인스턴스를 생성한 후, buildPhysics 옵션을 true로 설정하여 MmdModel 인스턴스를 생성하면 MMD 모델에서 물리 시뮬레이션을 활성화할 수 있습니다.

const mmdModel = mmdRuntime.createMmdModel(mmdMesh, {
    buildPhysics: true
});

buildPhysics 옵션이 true로 설정되면, MMD 런타임은 PMX 파일에 정의된 물리 데이터를 기반으로 MMD 모델용 RigidBody와 Constraint를 자동으로 생성합니다.

물리 시뮬레이션 구축 옵션

물리 시뮬레이션이 활성화된 MmdModel 인스턴스를 생성할 때, 물리 시뮬레이션을 사용자 정의하기 위해 추가 옵션을 전달할 수 있습니다.

const mmdModel = mmdRuntime.createMmdModel(mmdMesh, {
    buildPhysics: {
        worldId: undefined,
        kinematicSharedWorldIds: [],
        disableOffsetForConstraintFrame: false
    }
});

사용 가능한 옵션은 다음과 같습니다:

worldId: 물리 시뮬레이션을 위한 사용자 정의 월드 ID를 지정할 수 있습니다. 지정하지 않으면 새 월드 ID가 자동으로 할당됩니다.
kinematicSharedWorldIds: 키네마틱 객체를 공유할 월드 ID 배열을 지정할 수 있습니다. 이는 여러 MMD 모델 간에 키네마틱 객체를 공유하려는 경우 유용합니다.
disableOffsetForConstraintFrame: 컨스트레인트 프레임의 오프셋을 비활성화할지 여부를 지정할 수 있습니다. 모델의 컨스트레인트가 올바르게 작동하지 않는 경우, 이 옵션을 true로 설정해 보세요.

멀티 월드 물리 시뮬레이션

먼저, worldId와 kinematicSharedWorldIds 옵션은 물리 시뮬레이션 월드를 제어합니다. 이러한 옵션은 Bullet Physics를 물리 백엔드로 사용할 때만 유효합니다. babylon-mmd의 Bullet Physics API는 여러 물리 월드를 생성하고, 멀티 스레딩으로 처리하며, 월드 간 동기화하는 기능을 제공합니다.

기본적으로 MMD 모델이 생성될 때마다 각 모델은 자체 독립적인 물리 월드를 갖습니다. 그러나 worldId 옵션을 사용하여 특정 ID를 지정하면, 해당 ID를 가진 물리 월드가 이미 존재하는 경우 해당 월드를 재사용합니다. 이를 통해 여러 MMD 모델이 동일한 물리 월드를 공유할 수 있습니다.

또한 서로 다른 월드 간에 키네마틱 객체를 공유하려는 경우, kinematicSharedWorldIds 옵션을 사용하여 공유할 월드 ID 목록을 지정할 수 있습니다. 이 옵션을 사용하면 서로 다른 월드에 속한 MMD 모델의 키네마틱 바디가 각자의 월드에서 서로 상호작용할 수 있습니다.

컨스트레인트 동작 수정

disableOffsetForConstraintFrame 옵션은 MMD 모델의 컨스트레인트가 올바르게 작동하지 않을 때 사용됩니다. 기본적으로 이 옵션은 false로 설정됩니다.

MMD는 Bullet Physics 버전 2.75를 사용하여 물리 시뮬레이션을 처리합니다. 그러나 더 새로운 Bullet Physics 버전 3.25에서는 컨스트레인트의 동작이 변경되어 일부 MMD 모델에서 컨스트레인트가 올바르게 작동하지 않는 문제가 발생할 수 있습니다.

이 옵션을 true로 설정하면 Constraint Solver가 버전 2.75와 동일한 방식으로 작동하게 되어 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. MMD 모델의 컨스트레인트가 예상대로 작동하지 않는다면 이 옵션을 true로 설정해 보세요.

하지만 이전 컨스트레인트 솔버는 더 심각한 수치적 불안정성을 가지는 경향이 있다는 점을 유의하세요.

물리 엔진 옵션​

Bullet Physics 구현​

Ammo.js 구현​

Havok Physics 구현​

MMD 모델의 물리 시뮬레이션 구축​

물리 시뮬레이션 구축 옵션​

멀티 월드 물리 시뮬레이션​

컨스트레인트 동작 수정​