[Unity] 쿼터니언과 짐벌락 현상에 대해 알아보자

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쿼터니언(Quaternion) 이란?

 

게임 오브젝트(GameObject)에 필수적으로 존재하는

Transform 컴포넌트에는 각각 위치(position), 회전(rotation),

크기(scale)를 구성하는 속성들이 존재한다.

 

여기서 우리가 유심히 봐야 할 점은 위치와 크기는

벡터(vector) 형식의 값을 가지는 반면

 

회전은 그 값을 표현하는 방식이 다르다

바로, 쿼터니언(Quaternion) 형식의 값을

가진다는 사실이다.

 

하지만 문제점은 쿼터니언 형식의 값은

사람이 한눈에 봐도 쉽게 알아볼수가 없는데

 

이러한 문제점을 해결하여 나온것이

바로 오일러 각도(Euler Angles)다.

 

오일러 각도는 총 3개의 각으로

직관적으로 "사람이 읽을 수 있는" 형식을 갖으며

180도 이상의 회전을 통해 한 방향에서 다른 방향

으로의 회전을 나타낼 수 있다.

 

 

45도 각도를 각각의 기준으로 구하였을 때

Quaternion angle = Quaternion.Euler(new Vector3(0.0f, 0.0f, 45.0f));
Debug.Log($"Quaternion = {angle}");
Debug.Log($"Euler = {angle.eulerAngles}");

출력 결과

Quaternion = (0.0, 0.0, 0.4, 0.9)

Euler = (0.0, 0.0, 45.0)

 

그럼, "왜 굳이 보기에도 어렵고 활용하기도 어려운

쿼터니언을 쓸까?"라고 생각할 수도 있지만

 

오일러 각도에는 치명적인 단점이 있다

바로, 짐벌 락(Gimbal Lock)이라는 현상이다.

 

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짐벌락 현상(Gimbal Lock) 이란?

 

짐벌 락은 간단히 말해, 축과 축이 겹쳐 더 이상

회전이 불가능한 상태를 말한다

 

source: https://en.wikipedia.org/wiki/Gimbal_lock

위의 사진에서도 알 수 있듯이, 두 개의 축이 겹쳐

한축에 대한 계산이 불가능해진다.

 

이러한 짐벌 락 현상이 생기는 이유는

오일러 각에서 자체적으로 설정되어있는

순서로 해당 축들을 개별적으로 개산 하기 때문이다

 

세 개의 축을 동시에 계산하지 않고 독립적으로

판단하기에 이러한 짐벌 락 현상이 일어나는 것이다

 

사실 2D로 개발할 때에는 오일러 각으로 각도를 구해도

문제가 없지만, 3축의 모든 각도를 개산 하는 3D 게임

같은 경우는 오일러 만으로 각을 계산하는 데엔 한계가 있다.

 

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활용 방안

 

그렇다고 해서 오일러 각도는 아예 안 쓰이는 것이 아니다.

때로는 각도를 확인하고 싶을 때, 오일러 각도를

이용하여 디버깅을 하거나 이 외에도 다양한

곳에서 활용될 수 있다

 

많이 사용되는 Quaternion에 대한 프로퍼티나

함수들을 아래에 정리해두자면

 

• Quaternion.identity : 쿼터니언의 기본 값으로 "회전 없음"을 의미한다, 부모 객체가 존재할 때는 부모 축으로 정렬
• Quaternion.Euler : 인자를 통해 오일러 각을 쿼터니언 형식의 값으로 반환함
• Quaternion.AngleAxis : 회전의 기준이 되는 축(Axis)과 각을 인자로 받아 쿼터니언 형식의 회전량 정보를 반환 받음
• Quaternion.LookRotation : 마찬가지로 회전에 기준이 되는 축과 방향을 매개변수로 전달하여 회전 값을 반환 받음

 

이 외에도 Atan2, Acos, Asin 등 각도를 구하는 방법은 다양하니 관련된

정보를 얻고자 한다면 구글링이나 아래 래퍼런스 사이트 주소에 있는

유니티 공식 홈페이지에서 정보를 얻길 바란다.

 

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레퍼런스 사이트

 

https://docs.unity3d.com/kr/530/Manual/QuaternionAndEulerRotationsInUnity.html

유니티 - 매뉴얼: Rotation and Orientation in Unity

https://www.youtube.com/watch?v=zc8b2Jo7mno&t=129s