유니티3D 게임 엔진을 이용한 물리적인 힘 기반의 썰매게임 콘텐츠 설계 및 구현

Ⅰ. 서 론

최근 스마트폰 보급 확대에 따른 오픈 마켓(open market)의 모바일 게임(mobile game)을 즐기는 사용자는 매년 증가하고 있으며, 가상현실(virtual reality)과 증강현실(augmented reality) 기반의 모바일 3D 게임들이 주목받고 있다 [1]. 2018년 전 세계 사용자의 모바일 애플리케이션 다운로드는 1,940억 건을 초과하였고, 콘텐츠의 전체 매출 10조 380억원을 차지하고 있다, 특히 게임 분야의 매출 비중은 2016년 전체 매출의 약 60.7%에서 2017년에는 63.2%로 상승하였다 [2],[3].

이와 같이, 현재 게임 시장이 확대되고 있으나 게임 장르에서 스포츠 게임을 이용하는 글로벌 사용자들의 점유율은 그림 1과 같이 10% 이하의 비중을 차지하고 있다 [4]. 스포츠 게임 장르에서는 야구, 농구, 양궁 등이 가장 많이 출시되고 있으나 스키, 아이스하키, 스키점프 등과 같은 동계 스포츠 콘텐츠는 게임 출시 현황이 현저히 저조하다. 또한, 그림 2와 같이 봅슬레이(bobsleigh), 루지(luge), 스켈레톤(skeleton) 등과 같은 동계 스포츠 게임은 10개 이하로 출시되어 있으며, 현실감을 포함한 게임의 완성도가 현저히 부족하다. 따라서, 본 논문에서는 동계 스포츠 게임들의 활성화 및 기존 게임들에서 부족한 현실감과 사용자들의 몰입도를 높이기 위해 물리적인 힘(physical force) 기반의 모바일 썰매게임을 설계하고 구현하고자 한다. 특히, 썰매 주행 시 직선 및 커브 구간에서 원심력(centrifugal force)과 중력가속도(gravity acceleration) 이론을 적용하여 경사면에서 현실감 있게 자연스럽게 올라갔다가 내려가는 물리적인 작용을 연출할 수 있다.

Fig. 1.

Mobile game sales charts by genre

Fig. 2.

Winter sports related applications (Google store)

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 모바일 썰매게임의 현실감과 몰입도를 높이기 위한 원심력과 중력가속도를 설명한다. 3장에서는 제안하는 콘텐츠의 설계 및 구성을 제시하고, 게임 진행 시 커브 구간에서 물리적인 힘의 적용방법을 기술한다. 또한, 구현된 모바일 썰매게임의 주요 결과를 제시하며, 마지막으로 4장에서 결론과 향후 연구를 기술한다.

Ⅱ. 모바일 썰매게임 콘텐츠를 위한 관련 이론

물체 또는 객체(object)에는 여러 가지의 물리적인 힘이 적용되며, 다양한 힘으로 발생 되는 합력(a resultant force)은 물체의 움직임을 사실적으로 표현하고 정확성을 높일 수 있다. 본 장에서는 썰매게임의 사실적 구현과 몰입도를 높이기 위한 기본적인 물리적 힘들을 기술하고 설명한다.

Ⅲ. 모바일 썰매게임 콘텐츠 설계 및 구현

3-1 콘텐츠 구성

본 논문에서 제안하는 모바일 썰매게임 콘텐츠 시스템의 구성 및 흐름도는 그림 3과 같다. 제안하는 썰매게임에서 현장감을 높이기 위해 크게 두 가지 요소를 적용하였다. 먼저, 현장감을 높이기 위해 1인칭 시점의 환경을 설정하여 직접 조정하는 체험을 느낄 수 있어야 한다 [9],[10]. 두 번째로는 2장에서 기술한 물리적인 힘들을 적용하여 실제 장비를 조작하는 것처럼 긴장감을 높이고자 하였다. 또한, 제안하는 썰매게임은 단순한 게임이 아니라 대규모 예산과 특수한 장소가 필요한 봅슬레이, 루지, 스켈레톤 등의 스포츠를 현실적으로 즐길 수 없는 상황에서 실제 경기에 필요한 물리적인 힘들을 적용한다면 이를 통해 높은 만족도를 얻을 수 있다.

Fig. 3.

Flowchart of proposed mobile sleigh game

그림 3에서 보여주듯이 제안된 썰매게임의 전체 흐름은 대표적인 동계 스포츠 중 봅슬레이, 루지 및 스켈레톤 종목을 선택하여 게임을 진행한다. 특히, 그림 4와 같이 아이템을 선택하거나 업그레이드할 수 있는 아이템 샵(item shop), 경기 트랙을 선택하는 화면 및 게임을 진행하는 화면으로 구분된다. 게임 진행은 싱글 모드(single mode)와 멀티 모드(multi mode)로 구성되며, 게임 진행은 기본적으로 1인칭 시점으로 진행된다.

Fig. 4.

Key features of proposed sleigh game

3-2 게임 내부 설계

제안하는 모바일 썰매게임의 진행 시 흐름을 나타내는 설계는 그림 5와 같으며, 각 단계에 대한 주요 장면들은 그림 6과 같다. 먼저, 그림 6(a)의 출발 화면은 사용자가 스마트폰 화면을 탭(tap)하여 달리기 속도를 높이며, 탭 속도가 빠를수록 이동속도가 빨라지도록 설계하였다. 주행은 크게 일반적인 직진(그림 6(b))과 커브 주행(그림 6(c))으로 구성되며, 커브 주행 시 2장에서 기술한 물리적인 힘들을 적용하여 긴장감 및 현실감 있는 게임성을 높였다. 또한, 그림 6(d)는 결승선을 통과하면 자동으로 멈추면서 게임의 결과를 보여주는 게임 종료 시점의 화면이다.

Fig. 5.

Internal design for game play

Fig. 6.

Main scenes of proposed sleigh game

3-4 물리적인 힘 설계

본 절에서는 2장에서 기술한 중력과 원심력을 적용하여 썰매게임의 커브 구간 또는 경사면에 물리적인 힘을 적용하였다.

그림 7의 썰매 진행 방향에서 각도 θ만큼 기울여진 경사면에 놓인 객체가 중력과 원심력이 작용하면 서로 직각인 상태가 된다. 이때, 경사면 이동에 작용하는 힘 F_d와 F_u는 서로 180°로 반대 방향이므로 원심력과 F_u는 θ만큼 기울여지게 되며, 경사면을 움직이는 물리적인 힘은 각각 식 (5)와 식 (6)과 같다.

Fig. 7.

Principles of physical force in curve section

$\[ \overrightarrow{F_d}=m\times g\times \sin \left(\theta \right). \]$

(5)

$\[ \overrightarrow{F_u}=\frac{m\times v^2}{r}\times \cos \left(\theta \right). \]$

(6)

식 (5)와 식(6)의 두 힘을 벡터의 합으로 계산하면 그림 8(b)와 같이 곡선 구간 주행 시 썰매가 경사면을 현실감 있게 자연스럽게 올라갔다가 내려가는 물리적인 작용을 연출해 줄 수 있으며, 주요 모듈 함수는 표 1과 같다.

Fig. 8.

Application of physical force in curve section

Table 1.

Code for applying the physical force

표 1에서 GetDownForce()와 GetUpForce() 함수는 각각 식 (5)와 식 (6)에 의해 곡선 구간에서 중력으로 내려가려는 힘과 원심력에 의해 올라가려는 힘을 구현한 코드이며, GetForce()는 두 힘 $$ \overrightarrow{F_d}$$와 $$ \overrightarrow{F_u}$$의 합을 구현한 함수이다.

3-5 모바일 썰매게임 콘텐츠 구현

본 논문에서 제안하는 물리적인 힘을 이용한 썰매게임 콘텐츠 구현을 위한 환경은 표 2와 같다. 게임의 배경, 캐릭터, 트랙 및 썰매 등의 객체 디자인은 3ds Max와 Photoshop을 사용하였으며, 전체적인 콘텐츠 설계와 구현은 게임 엔진 Unity5 를 이용하였다. 그림 9는 실제 경기장과 거의 유사한 봅슬레이, 루지, 및 스켈레톤 게임을 진행할 수 있도록 난이도 구분을 위한 9개의 트랙을 설계하였으며, 그림 10과 그림 11은 썰매게임 시 사용될 썰매들, 캐릭터와 헬멧을 디자인한 화면들이다. 그림 12는 본 논문에서 설계 및 구현된 썰매게임의 전반적인 흐름을 나타내는 화면들을 순서대로 보이고 있다.

Table 2.

Environment for content implementation

Fig. 9.

Nine tracks for level of difficulty

Fig. 10.

Designs for three kinds of sleigh

Fig. 11.

Designs of character and helmet

Fig. 12.

Overall flow of the implemented sleigh game

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 Unity3D 게임 엔진을 이용하여 모바일 기반의 동계 스포츠 게임을 설계하고 구현하였다. 구현된 썰매게임은 실제 썰매경기와 같은 유사한 조작과 커브 구간에서의 원심력과 중력가속도와 같은 물리적인 힘을 적용하여 실제 경기처럼 체험함으로써 오락성, 몰입도 및 현실감을 높일 수 있다. 실험 결과, 구현된 모바일 썰매게임이 설계 규격대로 동작함을 확인하였으며, 사용자들에게 사실감 및 현실감을 제공할 것으로 사료된다. 특히, 본 논문에서 제시한 동계 스포츠들은 국내에서 비인기 종목이나 최근 국내 선수가 메달을 획득하고 또한 방송프로그램에 방송하는 등의 이슈화가 되고 있어 구현된 모바일 썰매게임의 파급 효과가 높을 것으로 기대된다. 향후 연구에서는 현실감을 더욱 높이기 위해 VR 기능을 추가 구현하여 3D 공간의 기술적인 분야와 게임 환경의 융합 기술을 접목하여 더욱 현실감 있는 게임을 구현하고자 한다.

참고문헌

• E S. Gwak, “A Study on Gamers’ Game Acts and Play Time,” The Journal of Korea Game Society, Vol. 17, No. 4, pp. 71-79, Aug. 2017.
• Ministry of Science and ICT and Korea Mobile Internet Business Association, 2017 Korea Mobile Internet Industry Report, 2017.
• Ministry of Science and ICT and Korea Mobile Internet Business Association, 2018 Mobile Content Industry Survey Report, 2018.
• IGAWorks, Summary of Korea Mobile Game Market in the First Half of 2019, Mobile Index, Mobile Data Intelligence, 2019.
• Wikipedia. Centrifugal force [Internet]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_force, .
• Wikipedia. Gravitational acceleration [Internet]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_acceleration, .
• K. H. Park, S. Y. Kang and Y. H. Kim, “Implementation of archery game application using VR HMD in mobile cloud environments,” Advanced Science Letters, Vol. 23, No. 10, pp. 9804-9807, Oct. 2017. [https://doi.org/10.1166/asl.2017.9801]
• Unity. Unity3D Game Engine 2019, Performance by Default [Internet]. Available: https://unity.com/kr, .
• S. Y. Kang, K. H. Park and Y. H. Kim, “Implementation of HMD-based Archery Game using Unity Game Engine,” in Proceeding of KIIT Conference, pp. 115-116, 2017.
• H. J. Kim and J. H. Sung, “Spatial Analysis of Mobile Augmented Reality Games,” The Journal of Korea Game Society, Vol. 19, No. 4, pp. 5-14, Aug. 2019.