CESA DEVELOPERS CONFERENCE 2005 리포트

　이번 강연에서는 「차세대 멀티 코어 및 PhysX의 스케이라비리티를 위한 선진 물리」라고 제목 쳐, 동사의 어플리케이션 엔지니어인 토마스·라산스키씨가 프레젠테이션을 행했다.Xbox 360이나 플레이 스테이션 3, 최신 PC라고 하는 멀티 코어 프로세서를 복수 탑재하는 차세대 게임 플랫폼에 대하고, 얼마나 효율적인 물리 시뮬레이션과 거기에 기초를 둔 게임을 실현해 갈지가 주제.완전하게 프로그래머 전용의 내용이며, 전문 용어와 프로그램·코드가 수시로 나오는 전문성의 높은 세션이 되었다.

■ 게임 업계 최첨단의 물리 엔진

　동사는 온 세상의 게임 디벨로퍼의 주목을 끌고 있는 기업이다.이번 세션도 만원 사례의 대성황.왜 이 정도 관심을 당기는 것인가.그 이유는 동사의 물리 엔진의 선진성에 있다.

　동사의 개발한 「NovodeX」물리 엔진은, 종래의 물리 엔진의 패러다임(paradigm) 「이벤트·드리분·피직크 (이벤트 구동 물리)」에 대해, 「피직크·드리분·이벤트 (물리 구동 이벤트)」라고 하는 새로운 패러다임(paradigm)의 아래 개발된 엔진이다.동엔진이 응시하는 것은, 게임 환경을 구성하는 대부분의 물체가 물리 엔진에 의해서 제어되는 세계이다.

　종래의 게임에서는 극히 일부의 물체가 물리 제어될 뿐에서 만났지만, 게임 환경의 대부분이 물리 제어된 오브젝트로 가득 차 있는 세계에서는, 「하코가 눕는다」, 「판이 기운다」라고 한 물리 현상이 다른 물리 오브젝트에 간섭하지 않고 있을 수 없기 때문에, 어느A 현상이 연쇄적으로 다른 현상을 일으켜 간다.바꾸어 말하면, 물리 처리를 계기로서 게임상의 이벤트가 발생해 나가는 것이 세계의 기본 역학이 되는 것이다.이것이 「피직크·드리분·이벤트」의 기본적인 생각이다.

　그리고 동사가 개발한 「PhysX」팁은, 「NovodeX」물리 엔진에 의한 물리 처리를 하드웨어로 고속화하는 「PPU (Physics Processing Unit)」이다.그래픽 렌더링을 고속화하는 「GPU (Graphics Processing Unit)」의 물리 처리 전용판이라고 생각하면 좋을 것이다.물리 처리를 고속화하는 전용의 하드웨어라고 하는 것은, 적어도 게임 업계에서는 첫 시도.이 팁의 능력은 꽤 쓸만한 것으로, Pentium 4 3 GHz 정도의 CPU에 비하면 2자리수 정도 다른 퍼포먼스가 발휘되는 것 같다.

　동사의 물리 엔진은 이와 같이 뛰어난 포텐셜을 가지기 위해, 선진 게임 디벨로퍼로부터 뜨거운 주목을 받고 있다.동엔진이 Epic-Games의 개발하는 「UnrealEngine3.0」에 채용되고 있는 것은 유명하지만, 국내에 있어도 소니나 세가등의 대기업 게임 기업, 혹은 강호-·온라인·엔터테인먼트와 같은 온라인 게임에 특화하는 기업도, 동사와의 업무 제휴나 엔진의 라이센싱 계약을 맺고 있다.동사 웹 사이트의 뉴스 릴리스를 바라보고 있으면, 대기업 게임 기업은의 나무 수준 동엔진의 채용을 생각하고 있는 것은 아닐까 생각될 정도다.한 옛날전은 「Havoc」물리 엔진이 주류였지만, 업계 전체를 바라보면, 그 흐름이 단번에 「NovodeX」 및 「PhysX」에 세대 교대 하고 있는 것 같다.

■ 「물리」로 가득 찬 세계

　AGEIA가 제창하는 차세대 게임의 세계는, 「피직크·드리분·이벤트」의 생각이 대표하도록(듯이), 모든 3 D오브젝트가 물리 처리에 의해서 제어되는 세계라고 생각된다.접하는 것 모든 것이, 본래 있어야 할 거동을 나타내는 세계이다.

　상상해 보자.게임 스테이지를 구성하는 모든 3 D오브젝트를 움직일 수 있어 파괴할 수 있는 세계.예를 들어 벽을 파괴해서 통과할 수 있도록(듯이) 한다, 혹은 다리를 폭파해서 통과할 수 없게 한다.부분적으로 이러한 요소를 표현한 게임은 과거에도 있었지만, 그것은 「물리 처리」에 의해서가 아니라, 게임 디자이너가 미리 설정한 「이벤트」에 의해서 구동하는 것이었다.「이벤트」에 의해서 구동하는 환경의 변화는, 미리 디자인 된 편성 이상의 확대를 가질 것은 없다.

　물리 제어에 의해서 이러한 현상을 일으킬 수 있는 세계에서는, 플레이어를 둘러싸는 환경 그 자체가 플레이어와의 상호작용에 의해서 다이나믹하게 변화해 나가므로, 매회의 게임 플레이가 완전히 다른 바리에이션이 될 가능성이 높아진다.확실히, 무질서하게 뭐든지 파괴할 수 있는 게임이 우수하다고는 말할 수 없지만, 이러한 「가능성」을 생각할 수 있는 것 자체, 게임 디자이너의 인스피레이션을 자극해, 완전히 새로운 게임이 태어나는 여지를 펼쳐 가는 것이다.물리 처리의 지평이 퍼져 가는 것은, 개발자와 게임 유저의 쌍방에 있어서 좋은 뉴스인 것은 확실할 것이다.

　당연, 이러한 물리 처리가 기본이 되는 세계를 만들어 내려면 , 대량의 물리 오브젝트를 동시에, 그리고 서로 작용하도록(듯이) 처리할 필요가 있다.

　종래의 게임 플랫폼은 싱글 프로세서의 아키텍쳐이며, 렌더링, 사운드 처리, 유저 입력, 그리고 게임 논리라고 한 다양한 처리를 하나의 CPU 코어를 공유해 행할 필요가 있었다.이 때문에 물리 처리로 할애할 수 있는 CPU 파워는 불과로, 매우 한정된 물리 환경 밖에 구축할 수 없었던 것이다.

　이러한 구래의 물리 환경에 대해서는, 「Half-Life2」와 같은, 필드를 걷고 있으면 가끔, 물리 처리된 오브젝트를 본다고 한 것을 상상해 주었으면 한다.게임중에 있는 시소나 그네와 같은 물리 구동하는 오브젝트를 손대어 보고, 그것이 게임성에는 별로 영향을 주지 않는 것을 알 수 있을 것이다.멋이 있는 물리 처리의 활용법으로서는, 크레인으로 물체를 매달아 올려 이동시킨다고 한 것으로, 「 더 나은 용도 있지 않아?」라고 생각한 사람도 많다고 생각한다.그러나, 싱글 프로세서라고 하는 한정된 자원 중(안)에서는, 그래서 힘껏에서 만났던 것도 사실.여기에 물리 엔진의 진화에 대한 확실한 요구가 있는 것이다.

■ 멀티 프로세서 환경에서 방대한 물리 처리를 행하기 위해서

이 세션은 프로그래머 전용으로, 멀티 프로세서를 이용할 수 있는 차세대 하드웨어에 있어서의 물리 처리에 초점을 맞춘 내용이 되었다

　Xbox 360이나 플레이 스테이션 3과 같은 차세대 플랫폼에서는, CPU 파워가 매우 강력한 반면, 메모리가 매우 한정되어 있다.이 때문에, 그래픽의 표현력을 종래부터 다양성이 있는 것으로 하기 위해서는, 단지 데이터를 늘려 가는 방법이 아니고, 계산에 의해서 효과나 거동을 만들어 내 가는 어프로치가 필요하다.

　실제, 소니나 마이크로소프트는 데이터를 늘리는 것보다도 계산에 의해서 영상 표현을 늘려 가는 일을 추천 하고 있다고 한다.이것에는, 윌·라이트씨가 개발중의 「Spore」로 보여지는 프로시쟈르인 컨텐츠 생성이나, 「PhysX」와 같은 물리 엔진이 실현되는 물리 구동에 의한 이벤트 발생이 포함될 것이다.

　차세대 플랫폼은 대체로 복수의 프로세서를 동시에 이용할 수 있는 환경이 되고 있는 프로세서로 게임을 움직이기 위해서 필요한 메카니즘을 실행하면서, 다른 프로세서로 프로시쟈르인 컨텐츠 생성이나 물리 처리를 평행 해 행하는 프로그램 아키텍쳐가 효과를 발휘한다.그러나 종래의 개발 수법에서는 특정의 CPU 코어에(뿐)만 부하가 걸려 버리기 위해 잘 되지 않는다.멀티 프로세서에 디스트리뷰티드 프로세싱을 시키는 것을 전제로서 필요한 개념을 미리 포함시킨 제품 설계를 할 필요가 있다.

　AGEIA의 「PhysX」는, 이러한 멀티 프로세서 세대의 플랫폼에 대하고, 효율적인 프로그램 모델 실현되어 가는 구조를 전제로 디자인 되어 있는 것이라고 한다.연탁에 서는 라산스키씨는, 멀티 프로세서를 유효하게 활용하기 위해(때문에) 구할 수 있는 프로그래밍 모델을, 「PhysX SDK」를 이용한 원시 코드예를 중심으로 해설해 나간다.당연히 중핵인 프로그래머 전용의 내용이 되었기 때문에, 독자 여러분에게 그대로 전하는 것은 어렵다.키 포인트가 되는 요소를 요약해 소개한다.

■ 멀티 프로세서를 위한 물리 클래스와 게임 루프 전략

멀티 프로세서를 활용한 물리 처리를 실현하기 위해서는, 물리 처리의 내용에 의해 몇개의 카테고리에 정리하는 것이 중요하게 된다라는 것.본질을 파악한 생각이다

　물리 클래스와는, 플레이어 캐릭터의 제어등의 「어플리케이션 물리」, 「Half-Life2」로 보여지는 플레이어와 직접 인토엑트 하는 것으로 구동하는 「게임 플레이 물리」, 파티클 시스템 등 영상 표현에 사용되는 「효과 물리」, 의복이나 머리카락의 움직임과 같이 다이내믹스가 자기 완결하는 「물리 아일랜드」, 그리고 필드 등 게임 논리를 실행하기 위한 환경을 생성하는 「준비 물리」라고 한다.

　이러한 카테고리 나누기는, 플레이어와의 interaction의 빈도나, 그래픽으로서 표시해야 할 타이밍에 의해서 결정되고 있는 것 같다.즉, 「어플리케이션 물리」는, 플레이어가 입력을 행할 기회가 올 때마다 매회 행할 필요가 있지만, 「게임 플레이 물리」는 플레이어가 접촉한 시점에서 동기 하면 자주(잘), 나머지는 병렬적으로 실행해도 좋다.혹은, 머리카락의 움직임을 제어하는 「물리 아일랜드」 등에 이르러서는, 플레이어의 거동 여하에 관계없이, 자기 완결하고 처리를 계속할 수 있다.여기에 디스트리뷰티드 프로세싱을 위한 힌트가 있을 듯 하다.

　라산스키씨는 계속하고, 게임 프로그램으로 이러한 물리 클래스를 실제로 실장할 때에 게임 루프를 어떻게 설계 사제일까하고 말하는 구체론을 설명한다.명명해 「게임 루프의 설계 전략」이라고 하는 테마이지만, 이것은 이하의 분류가 된다 한다.

·인 라인 물리
　「어플리케이션 물리」를 실행한다.유저의 입력에 따라 게임 루프에 동기 해 실행되어 병렬처리는 하지 않는다.

·풀 프레임 물리
　「게임 플레이 물리」를 실행한다.표시가 필요한 타이밍에 결과를 낼 필요가 있어, 병렬처리는 부분적으로 행한다.

·프레임 지연 물리
　「효과 물리」, 「물리 아일랜드」, 「준비 물리」를 실행한다.전회의 게임 프레임으로 연산된 결과를 이용하기 때문에 1 프레임의 지연이 발생한다.병렬처리를 다용한다.

·쟈스트인타임 물리
　「효과 물리」를 실행한다.파티클 효과등의 대량의 시뮬레이션 결과를, 직접 비디어 칩에 공급하는 것으로 즉시의 렌더링을 행한다.병렬처리를 다용.

·멀티 프레임 물리
　「물리 아일랜드」, 「준비 물리」를 실행한다.느긋하게 움직이는 오브젝트나 먼 곳의 오브젝트에 관해서 복수 프레임에 걸치고 처리를 행해, 병렬처리가 베이스.

게임 루프를 구성하는 물리 처리의 카테고리를 모두 통합하면, 이러한 구성이 된다.횡렬에 줄선 처리는 다른 프로세서로 실행되는 병렬처리다

　한프로그래머로서 감상을 말한다면, AGEIA가 제안하는 「물리 클래스」, 「게임 루프의 설계 전략」이라고 그 실례는, 멀티 프로세스 처리의 특성과 쾌적한 게임 플레이의 실현이라고 하는 테마로 생각하는 한, 매우 이치에 필적한 내용이다.실제로 게임을 플레이 하는 쾌적함이나 게임 플레이의 충실도라고 하는 플레이어의 형편을 십이분에 생각한 구성이며, 한편, 멀티 프로세서라고 하는 까다로운 시스템에의 대응이라고 해도 이상적인 솔루션이다.

알아 두등 겉껍데기, 왼쪽은 실제로 표시되는 그래픽 모델.오른쪽의 2개는, 디티르가 다른 물리 모델을 가시화한 것.이러한 정보량의 슬캘링을 가능하게 한다고 한다

　병렬처리가 버그의 온상이 되기 쉬운 점도 문제이다.프로그램의 흐름이 매우 복잡해서, 일견 온전히 움직이고 있는 것처럼 보여도, 약간의 일로 원인 불명의 버그가 발생해, 그 원인 구명을 위해서 수주간의 개발 기간이 소용 없게 되거나 한다.또, 설계를 어디선가 잘못하면 프로세서를 스톨 시켜 버려, 싱글 프로세서보다 뒤떨어지는 퍼포먼스가 되어 버리거나 한다.이 때문에, 개발에 이용하는 물리 엔진등의 미들웨어가 병렬처리를 전제로 한 디자인이 되어 있는 것은, 프로그래머에게 있어서 사활 문제인 것이다.

실제의 프로그램예는 샘플 코드를 해설하는 것으로 진행되었다.완전하게 기술자 전용의 내용이다

　이러한 엔진이 보급되어 있어 보풀, 게임 개발에 종사하는 프로그래머는 멀티 프로세서를 이용한 리치한 물리 엔진의 활용을 자꾸자꾸 제안해서 갈 수 있을 것이고, 게임 디자이너도, 그 포텐셜을 활용한 게임을 고안 할 기회가 증가해 갈 것이다.이것은 완전히 새로운 게임이 태어나는 여지를 크게 넓히게 된다.

■ 강체 물리는 이제 낡다!? 유체 시뮬레이션을 고집한 데모 세션

　그럼, 이러한 기술을 활용한 차세대의 멀티 프로세서 플랫폼에서, 도대체 어떠한 게임 씬을 표현할 수 있는 것일까.뭐니뭐니해도, 게임 유저에게 있어서는, 기술이 동공보다 「게임이 굉장한지 어떤지」가 중요하다.

　라산스키씨는 이것을 실제의 데먼스트레이션에 의해서 나타내 보여 주었다.

6,000개의 구체가 굴러 떨어지는 데모.구체는 서로 작용해, 폭포와 같이 흘러 떨어져 간다.「PhysX」팁을 사용한 버젼에서는 매우 매끈하게 움직이고 있었다

　사용된 프로그램은 점점 밭과 같은 지형을 굴러 떨어지는 6,000개의 구체를 시뮬레이트 하는 것이지만, 「PhysX」팁을 이용하지 않는 소프트웨어 처리에서는 움직임이 매우 핵 핵 있어, CPU 이용율은 4기의 프로세서와도100%.여기서 「PhysX」팁을 이용하는 프로그램으로 전환하면 움직임이 갑자기 부드럽게.60 fps는 나와 있었을 것이다가, CPU 이용율은 1기가50% 정도, 나머지 3기는 완전한 프리 상태와 처리 능력에 대단한 여유가 태어난 모습을 나타내고 있었다.「PhysX」팁의 처리 능력이 상당히 높은 것이 방문한다.

　「PhysX」팁은 PC에서만 이용할 수 있지만, 그것을 탑재하지 않는 Xbox 360이나 플레이 스테이션 3에 대해도, 병렬처리에 특화한 코어를 가지기 위해, 이러한 물리 시뮬레이션을 행할 수 있는 파워를 얻을 수 있다라는 것이다.이것을 실제로 어떻게 실장해 나갈까에 대해서는 자세한 설명은 없었지만, 차세대기의 스펙을 생각하면 충분히 기대할 수 있다.

　그런데, 이 처리 능력을 살려 어떤 물리 시뮬레이션을 행할지가 문제이지만, 다음에 데먼스트레이션 된 것은 유체 시뮬레이션을 행하는 프로그램.화면 중앙에 배치된 차 위로부터 용암이나 물, 드라이아이스의 연기와 같은 질감이 다른 유체가 흘러 떨어진다고 하는 데모다.물리 엔진의 데모이기 십상인 「래그 실업 수당」과 같은 강체가 아니고, 유체인 것이 포인트.

이 데모에서는 유체가 강체 위를 흘러 떨어지는 거동이 시뮬레이트 되는 상태를 볼 수 있었다.유체의 질감의 차이에 의해, 흘러 떨어지는 모습도 제대로 변화

　이 데모에서는, 차체에 흘러 떨어지는 유체가 매우 매끄러운 frame rate로, 한편, 설득력이 있는 움직임을 나타내고 있어 매우 임펙트가 있는 영상을 볼 수 있었다.「PhysX」팁의 포텐셜을 가장 감지할 수 있는 내용이라고 할 수 있다.

　라산스키씨는 게다가 3 D메쉬를 「고무 인형」과 같이 거동 시키는 데모를 소개.이것은, 어떤 취리히 대학의 교수가 논문 발표를 행한 알고리즘을 실장한 것이라고 한다.이 데모에서는, 소나 인간이라고 하는 3 D모델이 작용의 힘에 따라 적절히 변형하는 모습이 나타났다.

　데모에 사용된 모델에게는 뼈가 설정되지 않고, 순수하게 메쉬 단위의 물리 처리에 의해 성장하거나 줄어들거나라고 하는 움직임을 보인다.지우개와 같은 소재로 만들어진 인형을 상상하면 좋을 것이다.딱딱함 파라미터를 바꾸면, 소의 형상이었던 모델이 중력에 져 푸딩이나 슬라임과 같이 질퍽질퍽하게 되어 버리는 상황도 재현된다.screen shot에서는 모르지만, 실제로 움직이고 있는 곳을 목격하면 꽤 쇼킹한 영상이다.실제의 게임에의 응용은 상상하는 것도 어렵지만, 이러한 물체를 가상 세계에서 유지 밤 돌리는 것이 재미있을 것 같은 것은 확실하다.

■ 유체 물리도 가능하게 하는 「PhysX」의 포텐셜로 생각하는

「UnrealEngie3.0」베이스로 개발되고 있는 차세대 게임의 무비의 데먼스트레이션.상호 물리 작용에 의해서 파괴된 저수고로부터 유체가 흐르기 시작하는 모습이 리얼하게 묘사되고 있었다

　필자의 인식으로는, 현재의 항공 시뮬레이션 게임은, 항공기의 거동을 「직공 기술적」인, 수수께끼의 변수 투성이의 프로그램으로 억지로 재현하고 있는 곳(중)이 있다.그러나 대기와 기체와의 관계를 Finit Element Method로 리얼타임에 풀어 가는 어프로치가 가능하게 되면, 항공 시뮬레이션 게임은 더 리얼하게 다이나믹하게, 「본래 있어야 한다」거동을 재현할 수 있게 될 것이다.손해를 받아 날개의 일부가 날아간 상태의 플라이트 모델도 무리없이 재현할 수 있다.플라이트 심팬의 필자로서는 여러가지 상상이 퍼지는 곳(중)이다.드라이빙 시뮬레이터등에서도 차체의 왜곡이나 굴곡을 Finit Element Method로 재현해 나가는 어프로치에 의해, 보다 리얼하고 자유도의 높은 것을 실현하는 것이 가능하게 되어 갈 것이다.

　극단적인 것을 말하면, 이 세상에 존재하는 물체에 「강체」는 존재하지 않는다.모든 물체에는 탄성이나 점성이 있어, 외력이 더해지거나 온도가 바뀌거나 하면 성장하거나 줄어들거나 튀거나 뒤틀리거나 해 변형하는 것이다.이러한 물체의 움직임은 종래의 게임에서 사용되고 있던 것 같은 강체 물리에서는 재현하지 못하고, 방대한 계산을 필요로 하는 방법으로 밖에 풀 수 없다.「PhysX」의 활용은, 순수하게 게임이라고 하는 것보다 시뮬레이터 분야에서의 응용이 기다려진 기술이다라는 인상을 받았다.

　이번 이 세션으로 소개된 물리 엔진, 그리고 「PhysX」팁은, 게임이 물리 시뮬레이션을 활용해 나갈 수 있는 환경을 정돈해보다 많은 게임이 고도의 물리 처리를 탑재하는 세계를 개척해 가는 기본 기술이 되어 갈 것이다.현재로서는 「PhysX」에 대응한 게임 제품은 아직 출시되지 않지만, Xbox 360, 플레이 스테이션 3이라고 하는 차세대 게임기, 그리고 차세대의 PC게임에 대하고는 표준적인 물건이 되어 갈지도 모른다.그 때, 게임은 어떠한 즐거움을 플레이어에게 제공해 줄까.반드시, 더 다이나믹하고 재미있는 세계를 줄 것임에 틀림없다.

　그런 반응을 느끼게 한다, 매우 익사이팅한 세션이었다.물리 처리와 게임의 미래에 큰 기대를 걸고 싶다.

□컴퓨터 엔터테인먼트 협회(CESA)의 홈 페이지
http://www.cesa.or.jp/
□「CEDEC 2005」의 페이지
http://cedec.cesa.or.jp/
□「CEDEC 2005 Developers Night」의 페이지
http://cedec.cesa.or.jp/headline/0801.html
□ageia의 홈 페이지
http://www.ageia.com/