컴퓨터 소프트웨어, 하드웨어 기술의 비약적인 발전과 문화산업에 대한 대중의 관심이 높아짐에 따라 전 세계적으로 게임 시장의 성장세가 두드러지고 있다. 게임 시장조사업체 뉴주(Newzoo)는 ‘2019 세계 게임 시장 보고서’에서 올해 게임시장이 전년 대비 9.6% 증가한 1,521억 달러(한화 약 178조 5천만 원)에 이를 것으로 전망했다[1]. MMO RPG(Massively Multi-player Online Role Playing Game), MOBA(Multi-player Online Battle Arena), FPS(First Person Shooting) 게임과 같은 다양한 장르의 게임들이 적극적으로 개발되고 있으나, 이 중에서도 FPS 게임은 오랜 기간 대중적인 인기를 얻고 있다. FPS 게임이란 캐릭터의 일인칭시점으로 가상환경을 누비면서 총기와 같은 발사 무기로 적을 공격하는 형태의 게임이다[2]. 1992년 울펜슈타인프 3D로 시작된 FPS 게임은 둠 시리즈, 서든 어택, 오버워치, 배틀그라운드 등이 출시된 바 있으며, 2020년 1월 기준 인기 게임 순위 10위 내에 3개의 FPS 게임이 자리할 정도로 꾸준히 높은 인기를 얻고 있다[3].

기존의 PC 기반 FPS 게임에서 사용자는 주로 키보드, 마우스 등의 인터페이스를 통해 총기와 같은 발사 무기를 조작할 수 있었다. 그러나 키보드나 마우스와 같은 인터페이스는 사용자가 가상환경에서 다루는 발사 무기의 형상과는 큰 차이가 있으며, 사용자에게 키압(key壓), 키감(key感) 외에 반동감 같은 사실적인 촉각 정보를 제공해주지 못하는 한계가 있었다. 한 연구는 키보드나 마우스와 같은 직관적이지 않은 인터페이스를 활용한 게임에서 사용자의 몰입도가 현저히 떨어진다고 보고하기도 하였다[4].

최근 사용자의 게임 몰입도를 향상시키기 위해 가상현실(VR: Virtual Reality) 기술이 주목받고 있다[5-9]. VR 기술이란 사용자가 컴퓨터가 생성한 가상의 공간과 객체와의 상호작용을 마치 현실처럼 인식하도록 인간의 오감을 의도적으로 속이는 일련의 기술을 의미하며[10,11], 특히 시각, 촉각, 청각 등의 오감에 대한 표현 및 상호작용 기술은 VR 구현을 위한 필수 기술 요소로 강조되고 있다[12]. 따라서 사용자가 마치 가상환경에 존재하는것 같은 직관적이고 감각적인 경험을 제공하기 위해서는 오감표현 및 상호작용을 제공하는 몰입형 VR 인터페이스와 애플리케이션으로 구성된 몰입형 FPS의 개발이 필요하다.

오감표현 및 상호작용 관련 VR 기술을 활용한 몰입형 FPS 게임에 관한 선행연구들을 살펴보면, Krompiec 등은 상용화된 HMD와 컨트롤러를 활용하여 가상환경-사용자 간 시각 및 촉각 상호작용이 가능한 몰입형 VR 기반 FPS 게임을 제안하였다[13]. Berna-Moya 등도 상용화된 HMD와 컨트롤러를 이용하여 총의 무게감과 총알이 발사될 때의 반동 효과를 사용자에게 전달할 수 있는 VR 기반 몰입형 FPS 게임을 제안하였다[14]. 또한, Choi 등 은 VR 기반 FPS 게임에서 방아쇠 조작에 따른 근감각 피드백을 사용자에게 제공해줄 수 있는 Exo-skin 유형의 VR 컨트롤러를 제안하였다[15]. 이 연구들에서 컨트롤러는 사용자에게 FPS 게임 환경 및 상황에 적합한 촉각 정보를 제공함으로써 촉각 정보를 제공하지 못하였던 키보드나 마우스 등의 기존 인터페이스와 비교할 때 사용자의 감각적 몰입감을 높여줄 것이다. 하지만 상용화된 컨트롤러의 경우 FPS 게임에서 사용자가 조작하는 발사무기의 형상과는 차이가 있다. 이에 일부 연구가 발사 무기 형상을 가진 Exo-skin 유형의 VR 컨트롤러를 제안하였으나, 무게가 무거워서 사용자의 조작이 쉽지 않을 것으로 예상된다.

이에 본 연구는 경량 액추에이터 및 센서를 활용한 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러와 가상환경 애플리케이션으로 이루어진 몰입형 FPS 게임을 제안한다. 제안하는 게임은 모션 인식과 진동 생성 기능을 제공하는 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러를 활용하여 가상환경의 좀비를 제거하는 FPS 게임이다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 제2장에서는 몰입형 FPS 게임의 시스템 구성 및 흐름도를 설명한다. 제3장에서는 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러의 구성요소 및 회로도를 기술하고, 제4장에서는 가상환경 애플리케이션의 전체 맵 구조 및 게임 시나리오에 관해 설명한다. 마지막으로, 제5장에서는 본 연구의 결론을 기술한다.

<그림 3>은 제안하는 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러의 구성요소와 회로도를 보여준다. VR 햅틱 컨트롤러는 <그림 3. (a)>와 같이 리튬폴리머 배터리(JP6333348), 마이크로 컨트롤러(Cortex-M4STM32F407IGT6), 블루투스 모듈(HC-05), IMU(EBIMU-9DOFV3), 입력 버튼, 두 개의 진동 모터(C0832), 그리고 총기 모양의 하우징으로 구성된다. 본 연구의 컨트롤러는 완구용 총기(Academy Science Assault Rifle)의 하우징을 활용하여, 하우징 내부에 만능 기판(PCB; Printed Circuit Board)을 부착한 구조로 제작되었다. 또한, 진동 모터는 사람의 손에 강력한 진동 감각을 제공하기 위해서 사용자의 양손이 총기를 파지하는 지점인 레일커버와 수직손잡이 내부의 두 곳에 각각 탑재하였다.

탑재된 만능 기판에는 IMU, 블루투스 모듈, 마이크로 컨트롤러, 두 개의 진동 모터를 <그림 3. (b)>와 같이 탑재하였다. 총알을 발사하는 느낌을 더욱 생생하게 표현하기 위해 하우징의 방아쇠 부분에 입력 버튼을 장착하였다.

본 연구에서는 몰입형 FPS 게임을 위한 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러와 가상환경 애플리케이션을 개발하였다. 제안하는 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러는 무선 통신 모듈, 모션 인식 및 진동 생성을 위한 경량 액추에이터 및 센서가 탑재되었다. 따라서 제안하는 컨트롤러는 가상환경과 실시간으로 원격 통신이 가능하며, 무게가 가볍고 총알이 발사될 때의 진동 감각을 생성한다.

제안하는 몰입형 FPS 게임은 가상환경 애플리케이션에서 제공하는 시각 및 청각 정보와 제안하는 총기 형상 VR 햅틱 컨트롤러에서 생성되는 촉각 정보를 활용하여 풍부하고 다양한 감각 표현 및 상호작용을 제공할 수 있다. 이를 통해 사용자에게 가상환경에 대한 높은 몰입감을 제공할 수 있을것으로 기대된다.