🫧

Unity Engine

유니티 게임 엔진에 대한 기초적인 이론을 알아봅니다.읽는데 8분 정도 걸려요.

Engine Architecture

정말 말도안되게 깊고 넓은 레이어가 있는데, 간략하게 무슨 역할만을 하는지 살펴보자.
(괜히 게임이 종합 예술이 아닌...)

  • Platform Independence Layer
    디바이스에 상관없이 구동시키기 위한 레이어

  • Core systems
    각종 코어 유틸리티들의 집합.
    메모리 관리, 수학 라이브러리, 자체 자료구조 알고리즘 등.

  • Resource Manager
    각종 에셋글의 생성과 관리, 배치 등의 총괄적인 관리를 담당.
    생성은 개발단계에서, 배치는 런타임에 관리된다.

  • Rendering Engine
    에셋 등 데이터를 픽셀로 랜더링.
    Projection, Shading, Texture sampling 등이 여기서 처리됨.

  • Scene Graph/Culling Optimization
    시야에 안보이는 부분을 잘라내여 보이는 부분만 랜더링하도록 최적화.

  • Visual Effects
    광원, 명암 등, 이미지(비주얼) 향상을 위한 후처리 과정.

  • Collision and Physics
    충돌 및 물리 계산.

  • Animation
    에셋들의 물리법칙을 에외한 움직임.

  • Human Interface Devices (HID)
    사용자 입력, 움직임 등의 장치 관리.

  • Gameplay Foundation systems
    게임 개발 환경 제공.

Resource Management

리소스에는 Meshes, audio, animation 등등 여러 raw resources 가 존재하는데, 각 리소스가 어떻게 처리되어야 하는지는 각 리소스의 Metadata를 참고하면 알 수 있다.

리소스 생성과정은 다음과 같다.

  1. Maya, Photoshop 등과 같은 서드파티 앱에서 Export 한다.
  2. 이후 유니티가 game-ready 에셋인 prefeb으로 변환하기 위해 리소스 컴파일러가 구동된다.
  3. 추가로 여러 리소스를 하나의 패키지로 합치기 위해 링커도 제공한다.

Runtime

유니티가 런타임에 어떻게 리소스를 관리하는지 개념적으로 알아보자.

우선 유니티는 동일한 리소스는 특정 시각에 반드시 1개만 메모리에 올라오도록 보장한다.
무슨 말이냐면 원할 때 리소스가 불러와지고, 이게 중복되어 불러와져 메모리 낭비를 하지 않게끔 해준다는 뜻인데, 이는 유니티의 로딩 정책 덕분에 가능해졌다.

231023-181333

유니티는 리소스를 비동기 로드하기 때문에 로드해야 할 시점보다 미리 로딩한다.
예로 들어 Level 1 에서는 A, B, C 리소스가 필요한데, 레벨 실행 전에 먼저 필요한 리소스의 목록을 파악해서 로딩하고, 로딩이 완료된 후에 레벨을 진행하는 방식으로 진행된다.

이 때, 각 리소스별로 Reference count를 둬서 쓸데없는 중복 로딩이나, 필요 없는 리소스를 메모리에서 제거하기도 한다.
ref count가 0보다 큰데 로딩되지 않은 리소스는 로딩하고, ref count가 0인데 로딩된 리소스는 언로드 하도록 하는 것이다.

메모리에서 제거하는 원리는, GC(Garbage Collector)가 일정 주기로 ref count가 0인 리소스를 제거한다.
System.GC.Collect() 를 이용하면 수동적으로 GC를 호출할 수 있지만, 가능하면 그러지 말자.

정리하면 런타임에 리소스 매니저는 아래의 역할을 수행할 수 있어야 한다.

  1. 동일한 리소스는 특정 시각에 메모리에 1개만 올라오도록 보장
  2. 각 리소스의 생명주기를 관리
  3. prefeb과 같은 여러군데 흩어진 리소스의 묶음을 관리할 수 있어야 한다
  4. 리소스간 참조의 무결성을 보장해야 한다
  5. 이미 로드된 리소스의 메모리 사용량도 관리해야 한다

Location

리소스가 어디에 존재하는지에 따라 런타임시 로드 방식이 달라진다.

  • AssetBundles
    유니티 플레이어 외부의 리소스로, 보통 웹서버 상에 존재하는 리소스이다.
    AssetBundle.LoadAsset() 으로 불러올 수 있다.

  • Resource folders
    유니티 플레이어 내부의 리소스로, Project view의 Resources 폴더에 존재하는 리소스이다.
    Resources.Load() 로 불러올 수 있다.

Game Loop

매 프레임 상태 변경을 하거나, 사용자 입력을 받거나, 화면 랜더링을 위한 무한 루프를 의미한다.
1초에 얼마나 루프가 돌아가는지를 나타내는 척도가 FPS인데, 엄밀히 말하면 화면이 그려지는 횟수지만, 한 루프에 한 번 화면이 업데이트되니 거의 같이 사용할 수 있다.

유니티에선 거의 대부분의 클래스가 MonoBehavior를 상속하여 정의하는데, 여기에서 Update() 함수가 프레임당 한 번 호출이 이루어진다.

그 외에도 override할 수 있는 다른 함수 몇 개 더 알아보자.

  • Start()
    첫 프레임 업데이트시 호출되는 함수.

  • LateUpdate()
    Update() 함수가 종료되고나서 호출되는 함수.

  • OnDestory()
    소멸자 비스무리한 함수.
    마지막 프레임의 업데이트가 완료되고 나서 호출되는 함수.

Delta Time

두 인접한 프레임 사이의 시간이 얼마나 흘렀는가를 나타내는 값으로, 보통 그 값은 FPS의 역수이다.
즉, 30FPS 게임에서의 Δt\Delta t는 1/30 seconds, 즉, 3.33ms이다.

두 프레임 사이의 시간이므로 물리 시뮬레이션시 시간 변화율로서 동작하게 되는데, 물리량을 수식화 하면 다음과 같다.

의미수식
Positionpt+Δt=pt+vt⋅Δtp_{t+\Delta t} = p_t + v_t \cdot \Delta t
Velocityvt+Δt=vt+at⋅Δtv_{t+\Delta t} = v_t + a_t \cdot \Delta t
Accelerationat+Δt=fext/ma_{t+\Delta t} = f_{ext}/m

즉, Δt\Delta t가 너무 크거나 일정하지 않으면 물리량에 오차가 커질 수 밖에 없다.
만약 델타값을 고정시키고, 이를 게임 루프에 의존해서 증가시킨다면 컴퓨터 사양에 따라 다르게 동작하는 현상이 발생할 수 있다.

따라서, 유니티는 CPU의 high-resolution timer를 이용해서 델타값을 구하기 때문에 현실세계와 유사한 플레이 경험을 얻을 수 있도록 합니다.