6. PhysX - RigidBody 충돌 - 2

Broad-phase 알고리즘

 
PhysX는 다음과 같은 여러 개의 Broad-phase 알고리즘을 지원합니다.
 
- sweep-and-prune (SAP)
- multi box pruning (MBP)
- automatic box pruning (ABP)
 
SAP
- SAP는 객체의 많은 부분이 움직이지 않을 때 훌륭한 성능을 발휘한다.
- 하지만 모든 객체가 움직이거나 많은 수의 객체가 Broad-phase에 추가되거나 제거될 때 성능이 저하된다.
 
MBP
- 모든 객체가 움직일 때 또는 많은 수의 객체를 삽입할 때 SAP와 같은 성능 문제가 발생하지 않는다.
- 하지만 많은 수의 객체가 움직이지 않을 때 성능은 SAP보다 떨어질 수 있다.
(이 알고리즘을 수행하기 위해 충돌을 계산하는데 사용하는 공간을 정의해야 한다)
(이런 경계를 정의함으로써 충돌 검출이 더 효율적으로 동작한다.
 
ABP
- ABP는 SAP의 편의성과 MBP의 성능을 결합하여 제공한다.
- 많은 수의 객체가 움직이지 않을 때 SAP가 더 빠르고, MBP가 올바르게 정의된 영역을 사용할 때 더 빠를 수 있지만,
- ABP는 평균적으로 최상의 성능과 최상의 메모리 사용량을 제공한다.
 
이 알고리즘은 PxSceneDesc 구조체 내의 PxBroadPhaseType 열거형으로 제어된다.
 
 

---

관심 지역 (Regions of Interest)

 
- 객체가 속한 AABB 영역을 기준으로 Broad-phase 알고리즘이 객체를 처리한다.
- 이 때, Regions of Interest를 사용하면 Broad-phase가 관심 영역 내의 객체만 처리하도록 제한 가능하다.
- 이렇게 영역을 제한하면, 영역 밖에 있는 객체는 충돌 검출에서 제외됨
- 관심 지역을 사용하면, 시뮬레이션 공간 전체를 커버하면서도, 비어있는 공간의 양을 최소화할 수 있다.
- 관심 지역들은 겹칠 수 있으나 겹치지 않는 게 성능 향상에 더 도움이 된다.
 
관심 지역은 PxBroadPhaseRegion 구조체를 사용해서 정의된다.
사용자 지정 데이터를 할당할 수 있고, 시뮬레이션 생성 시간에 PxScene::addBroadRegion 함수를 통해 런타임에 정의 가능하다.
SDK는 새로 생성된 영역에 대한 핸들을 반환하며, 이 핸들을 통해 나중에 영역을 제거할 수 있다.
(PxScene::removeBroadPhaseRegion)
 
*관심 지역은 PxBroadPhaseType::eMBP 알고리즘을 사용해야만 한다. (SAP, ABP에서는 정의X)
 
범위를 벗어난 객체를 처리하는 콜백 (Broad-phase Callback)
- 이 콜백은 PxBroadPhaseCallback 객체로, PxSceneDesc 구조체 내에 정의된다.
- Broad-phase callback은 주로 넓은 범위의 충돌 감지를 위해 사용된다.
- Broad-phase 알고리즘이 객체들 간의 충돌을 검사하기 전에, AABB 등의 충돌 체크용 형태로 나눠진 구역을 정의하게 된다.
- 이 구역 안에 있는 객체만 충돌 감지가 가능하며, 범위가 벗어난 객체는 검사에서 제외된다.
- 이 제외된 객체를 처리하는 콜백이 Broad-phase callback이다.
- 이 객체를 처리하는 방법은 사용자에게 달려 있으며 아래와 같다.
 
1. 객체를 삭제한다.
2. 객체가 다시 올바른 범위로 진입할 때까지 충돌 검사를 비활성화하고 객체가 이동할 수 있도록 한다.
3. 객체를 인위적으로 다시 올바른 위치로 이동시킨다.
 
 

---

충돌 필터링

 
PhysX 4.1에서는 충돌 필터링 기능을 제공한다.
일부 객체 쌍을 충돌 테스트에서 제외하거나, 충돌 테스트를 시행하는 객체 쌍에 대해 특정한 충돌 감지 동작을 구성할 수 있도록 한다.
이를 통해 특정 상황에서 특정 객체 간의 충돌 여부를 결정할 수 있다!
 
PhysX 3.0이상부터 벡터 프로세서에서 실행되는 코드를 사용해서 규칙을 구현할 수 있는 쉐이더 시스템과,
유연한 콜백 메커니즘을 모두 제공한다.
 
SampleSubmarine에서 구현한 필터 쉐이더 코드

PxFilterFlags SampleSubmarineFilterShader(
    PxFilterObjectAttributes attributes0, PxFilterData filterData0,
    PxFilterObjectAttributes attributes1, PxFilterData filterData1,
    PxPairFlags& pairFlags, const void* constantBlock, PxU32 constantBlockSize)
{
    // let triggers through
    if(PxFilterObjectIsTrigger(attributes0) || PxFilterObjectIsTrigger(attributes1))
    {
        pairFlags = PxPairFlag::eTRIGGER_DEFAULT;
        return PxFilterFlag::eDEFAULT;
    }
    // generate contacts for all that were not filtered above
    pairFlags = PxPairFlag::eCONTACT_DEFAULT;

    // trigger the contact callback for pairs (A,B) where
    // the filtermask of A contains the ID of B and vice versa.
    if((filterData0.word0 & filterData1.word1) && (filterData1.word0 & filterData0.word1))
        pairFlags |= PxPairFlag::eNOTIFY_TOUCH_FOUND;

    return PxFilterFlag::eDEFAULT;
}

 
- PxFilterObjectAttributes는 물체의 타입 정보를 인코딩하는 32비트 데이터이다.
- 예를 들어, PxFilterObjectType::eRIGID_STATIC 또는 eRIGID_DYNAMIC을 담을 수 있다.
- 이 정보를 통해 물체가 Kinematic인지, Trigger인지 판단할 수 있다.
- PxFilterData는 필터링에 사용되는 데이터를 담기 위해 설계되었다.
- 이 데이터를 사용해서 충돌 그룹을 설정하거나 충돌 필터링을 구현할 수 있다.
- 함수 내에서 포인터를 사용하지 않는 이유는 쉐이더 함수가 원격 프로세서에서 컴파일되어 실행될 수 있기 때문이다.
 

// let triggers through
if(PxFilterObjectIsTrigger(attributes0) || PxFilterObjectIsTrigger(attributes1))
{
    pairFlags = PxPairFlag::eTRIGGER_DEFAULT;
    return PxFilterFlag::eDEFAULT;
}

- 두 객체 중 하나라도 Trigger되면, 트리거 동작을 실행하고, 그렇지 않으면 기본 충돌 테스트를 실행한다.
 
 

// generate contacts for all that were not filtered above
pairFlags = PxPairFlag::eCONTACT_DEFAULT;

// trigger the contact callback for pairs (A,B) where
// the filtermask of A contains the ID of B and vice versa.
if((filterData0.word0 & filterData1.word1) && (filterData1.word0 & filterData0.word1))
    pairFlags |= PxPairFlag::eNOTIFY_TOUCH_FOUND;

return PxFilterFlag::eDEFAULT;

- 위 코드는 다른 모든 객체에 대해 기본 충돌 처리를 수행한다는 의미이다.
- 또한 filterData에 따라 특정 쌍에서 접축 알림을 요청하는 규칙이 있다.
- 이게 무슨 의미인지 이해하려면 이 샘플에서 filterData에 대해 알아야 한다.
 

struct  FilterGroup 
{ 
    enum  Enum 
    { 
        eSUBMARINE      =  ( 1  <<  0 ), 
        eMINE_HEAD      =  ( 1  <<  1 ), 
        eMINE_LINK      =  ( 1  <<  2 ), 
        eCRAB           =  ( 1  <<  3 ), 
        eHEIGHTFIELD    =  ( 1  <<  4 ) , 
    }; 
};

- 샘플 코드는 열거형을 사용해서 플래그를 표현하고 있다.
- 그리고 아래 코드에서 PxFilterData::word0을 이 FilterGroup에 할당해서 각 Shape의 유형을 식별한다.
 

void setupFiltering(PxRigidActor* actor, PxU32 filterGroup, PxU32 filterMask)
{
    PxFilterData filterData;
    filterData.word0 = filterGroup; // word0 = own ID
    filterData.word1 = filterMask;  // word1 = ID mask to filter pairs that trigger a
                                    // contact callback;
    const PxU32 numShapes = actor->getNbShapes();
    PxShape** shapes = (PxShape**)SAMPLE_ALLOC(sizeof(PxShape*)*numShapes);
    actor->getShapes(shapes, numShapes);
    for(PxU32 i = 0; i < numShapes; i++)
    {
        PxShape* shape = shapes[i];
        shape->setSimulationFilterData(filterData);
    }
    SAMPLE_FREE(shapes);
}

- 이렇게 하면 각 Shape의 PxFilterDatas가 설정된다.
- 이걸 사용하는 몇 가지 예는 아래 코드를 참고하면 된다.
 

setupFiltering(mSubmarineActor, FilterGroup::eSUBMARINE, FilterGroup::eMINE_HEAD |
    FilterGroup::eMINE_LINK);
setupFiltering(link, FilterGroup::eMINE_LINK, FilterGroup::eSUBMARINE);
setupFiltering(mineHead, FilterGroup::eMINE_HEAD, FilterGroup::eSUBMARINE);

setupFiltering(heightField, FilterGroup::eHEIGHTFIELD, FilterGroup::eCRAB);
setupFiltering(mCrabBody, FilterGroup::eCRAB, FilterGroup::eHEIGHTFIELD);

- 이 방식이 유연하지 못하다고 느껴지면 PxSimulationFilterCall과 함께 제공되는 콜백 접근 방식을 사용하는 게 좋다.
 
 
- 아래는 필터 쉐이더를 사용하는 예시다.

// Filtering shader function
PxFilterFlags MyFilterShader(
    PxFilterObjectAttributes attributes0, PxFilterData filterData0,
    PxFilterObjectAttributes attributes1, PxFilterData filterData1,
    PxPairFlags& pairFlags, const void* constantBlock, PxU32 constantBlockSize)
{
    // Allow triggers to pass through without any additional handling
    if (PxFilterObjectIsTrigger(attributes0) || PxFilterObjectIsTrigger(attributes1))
    {
        pairFlags = PxPairFlag::eTRIGGER_DEFAULT;
        return PxFilterFlag::eDEFAULT;
    }

    // Generate contacts for all other pairs
    pairFlags = PxPairFlag::eCONTACT_DEFAULT;

    // If the two objects have the same filter group, disable contact generation
    if (filterData0.word0 == filterData1.word0)
    {
        pairFlags = PxPairFlag::eCONTACT_DEFAULT | PxPairFlag::eNOTIFY_TOUCH_LOST;
        return PxFilterFlag::eDEFAULT;
    }

    // Otherwise, notify touch found if the filter masks allow collision between the objects
    if ((filterData0.word1 & filterData1.word0) && (filterData1.word1 & filterData0.word0))
    {
        pairFlags |= PxPairFlag::eNOTIFY_TOUCH_FOUND;
    }

    // Return the default filter flag
    return PxFilterFlag::eDEFAULT;
}

// Create a simulation filter callback
PxSimulationFilterCallback* filterCallback = new PxSimulationFilterCallback();
filterCallback->registerPairFilterCallback(PxFilterObjectFlag::eRIGID_BODY, PxFilterObjectFlag::eRIGID_BODY, MyFilterShader);

 
-  이 예제에서는 두 개의 객체가 충돌할 때 호출되는 필터링 쉐이더 함수를 정의하고, 이 함수를 사용하여 PxSimulationFilterCallback 객체를 만들며, 이 객체를 사용해서 물리 시뮬레이션에 필터링 규칙을 등록한다.
- 그리고 PxFilterObjectFlag를 사용해서 필터링할 객체 유형을 정의하고, 이러한 유형에 대한 필터링 규칙을 쉐이더 함수와 함께 등록한다.
- 이 예제에서는 간단한 필터링 로직만 보여주기 위해 객체 유형이 PxFilterObjectFlag::eRIGID_BODY인 경우에만 필터링 쉐이더 함수를 등록하고 있다.
 
 

---

Aggregates

 

- Aggregate란 여러 개의 액터들의 모임이다.
- 이 액터들을 Aggregate로 묶으면 SDK에게 이 액터들이 서로 연관되어 있다는 정보를 제공할 수 있다.
- Aggregate를 사용하는 대표적인 예시는 랙돌이다.
- 랙돌은 여러 개의 다른 액터들로 이루어져 있는데, Aggregate를 사용하지 않으면, 모든 형상마다 Broad-phase entry가 생기게 된다. (랙돌의 액터 각각이 충돌 체크를 하는 현상)
- 이런 경우 브로드 페이즈에서 하나의 엔티티로 처리해서 성능을 최적화할 수 있다. 
- 만약 액터들간에 충돌이 필요하지 않다면, 생성 시에 충돌을 비활성화할 수 있다.
- 주로 정적이거나 키네마틱한 액터들의 Aggregate를 만드는 게 일반적이다. (벽, 바위, 건물 등)
- 정리하면.. Actor를 단위로 묶는 개념인듯?
*액터의 최대 개수와 자체 충돌(self-collision) 속성은 변경할 수 없다.
 
*자체 충돌(self-collision)이란?
- 액터가 자신의 다른 형상과 충돌할 수 있는지 여부를 결정하는 속성
(ex. 랙돌의 각 관절은 서로 충돌하지 않아야 함)
 
 
 

Aggregate 생성

 
- 다음은 Aggregate를 생성하는 코드다.

PxPhysics* physics; // The physics SDK object

PxU32 nbActors;     // Max number of actors expected in the aggregate
bool selfCollisions = true;

PxAggregate* aggregate = physics->createAggregate(nbActors, selfCollisions);

- 현재 액터 최대 수는 128로 제한되어 있으며, 효율성을 위해 가능한 낮게 유지해야 한다.
- 만약 액터간 충돌이 필요하지 않다면, 생성 시점에 충돌 기능을 비활성화 시켜야 한다.
- 내부 필터링 로직을 모두 건너뛰기 때문에 훨씬 효율적임 
 
 

Aggregate 채우기

PxActor& actor;    // Some actor, previously created
aggregate->addActor(actor);

- 만약 Actor가 이미 씬에 속해있는 경우 위 코드는 실행되지 않고 무시된다.
- 따라서 Actor를 Aggregate에 추가하고, Aggregate를 씬에 추가하거나, Aggregate를 씬에 추가하고 나서, Actor를 Aggregate에 추가해야 한다.

scene->addAggregate(*aggregate);

 
- 아래는 씬에서 Aggregate를 제거하는 코드다.

scene->removeAggregate(*aggregate);

 
 

Aggregate 해제

PxAggregate* aggregate;    // The aggregate we previously created
aggregate->release();

- PxAggregate를 해제하더라도 묶여있던 Actor들은 해제되지 않는다.
- 만약 PxAggregate가 씬에 속해있다면, Actor들은 자동으로 해당 씬에 '재삽입'된다.
- 만약 PxAggregate와 거기 묶여 있는 Actor들을 모두 삭제하려고 한다면 가장 효율적인 방법은 먼저 Actor들을 해제한 다음에, PxAggregate가 비었을 때 해제하는 것이다.
 

---

Amortizing 삽입

 
- 여러 개의 객체를 한 프레임 내에 씬에 추가하는 것은 큰 부담을 줄 수 있음
- 이러한 경우로는 랙돌이나, 충돌 검사가 비활성화된 곳에 파편을 예로 들 수 있다.
- 이런 경우 객체 삽입 비용을 여러 개의 프레임으로 분산시키기 위해서는,
파편들을 PxAggregate에 스폰한 다음, 각 Actor를 풀어서 씬에 다시 삽입하면 파편 삽입 비용을 분산시킬 수 있다!
 
 

---

Trigger Shape
 
- 트리거 Shape는 시뮬레이션에 직접적인 역할을 하지는 않는다.

- 즉, 시뮬레이션 동작에는 영향을 미치지 않지만, 겹치는 다른 Shape와의 상호작용 여부를 보고하는 역할을 한다.
- 이런 Trigger Shape는 위의 SampleSubmarine 예제에서 잠수함이 보물에 도달했는지 여부를 결정하는데 사용된다.
- 보물을 나타내는 PxActor 개체의 유일한 Shape가 Trigger로 세팅되어 있음.

PxShape* treasureShape;
gTreasureActor->getShapes(&treasureShape, 1);
treasureShape->setFlag(PxShapeFlag::eSIMULATION_SHAPE, false);
treasureShape->setFlag(PxShapeFlag::eTRIGGER_SHAPE, true);

 
PxSimulationEventCallback의 자식 클래스인 PxSampleSubmarine 클래스에서
PxSimulationEventCallback::onTrigger의 구현을 통해 SampleSubmarine에서 Trigger Shape와의 겹침을 확인할 수 있다.

void SampleSubmarine::onTrigger(PxTriggerPair* pairs, PxU32 count)
{
    for(PxU32 i=0; i < count; i++)
    {
        // ignore pairs when shapes have been deleted
        if (pairs[i].flags & (PxTriggerPairFlag::eREMOVED_SHAPE_TRIGGER |
            PxTriggerPairFlag::eREMOVED_SHAPE_OTHER))
            continue;

        if ((&pairs[i].otherShape->getActor() == mSubmarineActor) &&
            (&pairs[i].triggerShape->getActor() == gTreasureActor))
        {
            gTreasureFound = true;
        }
    }
}

- onTrigger 함수를 호출하면서, PxTriggerPair 구조체 배열과 그 개수를 인자로 넘겨받음 (pairs, count)
- 함수는 겹치는 Shape pair 배열을 모두 반복해서 보물에 도달했는지 여부를 판단한다.
- 먼저 삭제된 Shape에 대한 처리를 무시하고, 삭제되지 않았다면 Shape pair를 처리한다.
- 만약 겹쳤다면, gTreasureFound를 true로 설정하게 된다.
 
 

---

Intersection

- PhysX는 브로드 페이즈로 보고된 각각의 겹치는 Shape pair에 대한 Intersection 객체를 내부적으로 생성한다.
- 이 객체들은 강체 쌍 뿐만 아니라 트리거 쌍에 대해서도 생성되는데, 일반적으로 관련 객체 유형과 관련된
PxFilterFlag 플래그와 관계없이 생성된다고 가정해야 함
*레이어로 충돌 그룹을 나눠서 충돌체크여부를 disable로 해놔도, Intersection 객체는 생성된다
 
이 Intersection 객체는 각 Actor마다 65535개의 Intersection 객체를 생성할 수 있다.
(65535 이상의 Intersection이 발생하면 오류메시지를 출력하고 무시된다)