게임은 백해무익? 게임으로 과학에 기여하다!게임은 언제나 사회적 논란거리다. 여성가족부는 2011년 5월부터 만 16세 미만의 청소년들의 심야시간 인터넷 게임을 제한하는 ‘셧다운제’를 도입해 게임 시간을 규제하려 하고 있고 최근에는 교육과학기술부도 이러한 흐름에 동참했다. 학교 폭력 사고가 터질 때마다 언론은 게임의 유해함을 집중적으로 부각시키는 기사를 줄줄이 낸다. 게임이 학생들의 정서와 지성에 전혀 도움이 되지 않으니 가급적 멀리 하라는 충고도 종종 보인다.

이러한 관점들의 근거는 게임의 폭력성이다. 일군의 과학자들은 이를 뒷받침하는 자료를 찾기 위해 진지하게 연구하기도 한다. 이런 견해들을 차치하고라도 게임은 ‘경쟁’을 전제로 한다. 인간의 투쟁심과 공격성이라는 원초적 감정을 자극하는 것이 바로 게임이다.

하지만 게임의 유해함에 대해서는 아직 제대로 밝혀진 것이 없다. 최근 보고된 연구에 따르면 폭력을 다룬 게임이 유발하는 공격성은 게임을 마친 뒤 4분 이내에 사라지는 초단기적인 효과라고 한다. 게임으로 유발된 신체적 흥분 상태조차도 9분이면 사라져 버릴 정도다. 무엇보다 공격성을 유발하는 것이 게임 자체인지, 아니면 게임에 담긴 경쟁의 원리인지 명확하게 정의할 수 없다는 게 문제다. 모니터 속의 누군지도 모를 상대방에게 총질을 하며 흥분하는 섬뜩한 장면은 어쩌면 ‘더비’가 벌어질 때마다 상대팀에게 적의와 경쟁심을 불태우는 축구선수의 심리와 다를 바 없을지도 모른다. 게다가 적절히 활용하기만 하면 게임은 세상을 더 좋게 만드는 데 사용할 수도 있다.

황당한 상상을 해보자. 당장 우리 동네에 막강한 외계인이 쳐들어와서 이웃들을 마구 죽이면 우리는 어떻게 대처할까? 외계인까지 갈 것도 없이 어두운 골목을 걷는 동안 뒤에서 무시무시한 덩치를 자랑하는 사람들이 지갑을 노리고 쫓아온다면 무엇을 할 수 있을까? 실제 상황이라면 대부분의 사람들은 당황해서 어찌할 바 모르고 얼어붙을 것이다. 그러나 게임이라면 이야기가 다르다. 은하계가 파괴되는 우주적 스케일의 사건이 벌어져도 실망하거나 좌절하지 않고 끈질기게 해결책을 찾아낸다. 상황이 나쁠수록 더 좋다. 적절히 높은 난이도는 게임에 재미를 더하니까.

사람들이 게임을 할 때 보이는 불굴의 투지는 복잡한 문제를 해결해내는 데 꼭 필요한 덕목이다. 컴퓨터 게임의 역사가 제법 긴 미국과 유럽은 이미 게임을 이용해 현실의 문제를 해결하는 데 활용하고 있다. 이른바 ‘기능성 게임’이 바로 그것이다.

기능성 게임은 과학계에서도 톡톡히 제 몫을 해내고 있다. 미국 워싱턴대 연구진이 개발한 웹 게임, ‘폴드잇(Foldit)’은 3차원 퍼즐 게임이다. 제목 그대로 화면에 나타난 것을 이리저리 접어서 입체 구조물을 만드는 것이 목적으로, 간단한 몇 가지 원칙만 배우면 쉽게 즐길 수 있다.

그런데 이 구조물이 보통 구조물이 아니라 바로 아미노산 사슬, 단백질이다. 단백질은 20가지 아미노산이 일렬로 연결된 아미노산 사슬을 기본 단위로 구성된다. 사슬 내에서 아미노산의 배열에 따라 여러 부분이 접히고 결합하면서 복잡한 3차원 구조를 만들어낸다. 3차원 구조는 단백질의 성질과 기능을 결정하기 때문에 아미노산의 배열 순서 분석은 생물학 연구에서 매우 중요하다. 문제는 단백질을 이루는 원자가 워낙 많아 아미노산 사슬 구조 분석이 어렵다는 것이다.

폴드잇을 개발한 연구진은 직관이 필요한 3차원 퍼즐에는 컴퓨터보다 인간이 훨씬 유능하다는 점을 이용했다. 3차원 모양으로부터 아미노산 배열 순서를 찾아내는 과정은 퍼즐과 동일하다. 생물학 지식이 없어도 각각의 아미노산 분자들이 어떻게 상호작용하는지 규칙만 파악하면 20개의 블록을 조합하여 복잡한 모양을 만들어내는 방식으로 단백질의 구조를 분석해낼 수 있다. 실제로 2011년 9월에는 세포 내에서 에이즈 바이러스가 증식하는 데 필수인 단백질의 구조를 폴드잇을 통해 알아낼 수 있었다. 10년간 수많은 과학자들이 분석을 시도했지만 해결하지 못했던 문제를 전 세계의 게이머 6만 여명이 10일 만에 해결해 버린 것이다.

카네기멜론대와 스탠포드대가 공동으로 개발한 ‘EteRNA’도 유사한 게임이다. RNA는 유전자 발현과 조절에 핵심적인 역할을 한다. 게이머는 간단한 규칙에 따라 RNA 분자를 만들어내고 분자 구조에 따라 점수를 얻는다. 연구진은 이 가운데 매주 게임에서 최고점수를 얻은 RNA 구조를 실험실에서 합성해 실제로 기능을 하는지 확인한다. 게임에서 최고점을 얻었을지라도 실제 합성하면 제대로 구조가 이뤄지지 않을 수도 있다. 게임의 모토처럼 ‘게임은 사람이 하고, 점수는 자연이 매긴다(Played by Humans, scored by Nature)’는 것이다.

컴퓨터와 인간이 서로 부족한 부분을 보완하는 과학 연구 게임도 있다. 캐나다 맥길대 연구진이 개발한 ‘파일로(Phylo)’는 질병 유전자 해독 게임이다. 기본 DNA 해독은 컴퓨터가 담당하고 게이머들은 블록 형태로 제시되는 유전자 서열에서 위치가 잘못된 것을 찾는다. 복잡한 계산은 컴퓨터가 인간보다 훨씬 뛰어나지만, 시각 정보의 패턴을 인식하는 데는 인간이 더 낫다는 점을 활용한 것이다. 지난 2년간 2만 명이 참가해 35만 건의 DNA 해독 오류를 찾아냈다고 연구진은 언급했다.

국내에도 이러한 게임들이 있다. NHN한게임이 서비스 중인 ‘에코프렌즈’는 유엔환경계획(UNEP)에서 ‘친환경 게임’ 인증을 받았다. 게임에서 나무를 심어 온실가스를 줄이고 친환경 건물을 짓는 등의 임무를 수행하면서 환경문제 해결책도 자연스럽게 배울 수 있다.

게임의 본질은 경쟁을 통한 문제 해결이다. 주어진 규칙에 따라 끊임없이 맞닥뜨리는 난관을 헤치고 문제를 해결해야 하는 게임의 구조는 과학 연구의 모습과 꼭 닮았다. 어쩌면 그래서 과학도들이 다른 사람들보다 게임을 더 즐기는 편인지도 모른다. 그래서 게임은, 창조적 활동인 것이다.

글: 김택원 과학칼럼니스트

 

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게임 더 실감나게 만들려면 물리 알아야한다?

자동차의 핵심은 엔진이다. 그런데 자체 개발한 엔진 대신 다른 회사 엔진을 사용하는 경우가 있다. 대표적인 예가 벤츠 엔진을 탑재한 체어맨이다. 하지만 체어맨은 벤츠와는 구분되는 고유 브랜드다. 특정한 성능을 갖는 고유 브랜드의 자동차를 빠른 시간 안에 생산하기 위해서는 이렇게 타 회사 엔진을 사용하는 것이 효율적일 수 있다.

자동차에서 엔진이 차지하는 역할과 게임에서 게임엔진이 차지하는 역할은 동일하다. 게임엔진은 게임 개발 과정을 대폭 단축시킨다. 또한 하나의 게임엔진은 여러 개의 게임에 사용될 수 있다. 게임엔진은 하나의 컴퓨터 프로그램이라 할 수 있는데, 이러한 프로그램에 여러 가지 기능을 덧붙여서 보다 큰 프로그램을 만든 것이 바로 게임이다.  

게임엔진은 크게 ‘렌더링엔진(rendering engine)’과 ‘물리엔진(physics engine)’으로 나뉜다. 일반인에게 렌더링은 낯선 단어인데, 이는 3차원 그래픽 기술을 사용해 실제 세계와 같은 느낌의 영상을 화면에 그려주는 것을 말한다. 때문에 그래픽엔진이라 부르기도 한다. 가장 유명한 것은 ‘언리얼 엔진’이다. [그림 1]은 이 엔진을 사용해 영화와 같은 사실적인 영상을 만들 수 있음을 보여준다. ‘기어즈 오브 워’와 ‘스페셜 포스2’ 등 국내외 수많은 게임이 이 엔진을 사용했다. 물론 언리얼 엔진 말고도 다수의 상용 엔진이 존재한다. 예를 들어 ‘아이온’은 ‘크라이 엔진’을 사용했으며 ‘마비노기 영웅전’은 ‘소스 엔진’을 사용했다.


[그림 1] 최신 렌더링엔진을 이용해 제작된 게임 영상. 마치 영화의 한 장면을 보는 듯하다. 사진 출처 : 에픽게임스

이렇게 고성능 렌더링엔진을 통해 사실적인 영상을 즐기게 된 게임 사용자들은 게임 공간에서 물체의 움직임 역시 사실적으로 표현되기를 원했다. 물리엔진은 바로 이런 요구에 대한 응답 차원에서 개발된 것이다. 물리엔진은 게임 공간을 구성하는 물체들이 실제 세계의 물리 법칙에 따라 움직이도록 처리해주는 프로그램을 말한다.

우리의 일상 공간을 지배하는 물리 법칙은 뉴턴의 운동법칙이고, 이의 핵심은 라는 공식이다. 즉, 질량 인 물체에 라는 힘을 가하면 가속도 가 발생한다. 필자는 고등학교 시절 이 공식이 가져다 준 환희를 잊지 못한다. 세상 모든 물체의 움직임을 지배하는 공식, ! 물리엔진의 핵심 역시 를 사용해 물체의 속도와 위치를 계산하는 것이다.

중고등학교 물리를 공부했다면 누구나 이해할 수 있는 간단한 예를 들어 물리엔진을 설명해 보자. 영화와 마찬가지로 게임은 1초에 수십 개의 영상을 연속적으로 보여줘서 움직임을 묘사한다. 초당 30개의 영상을 보여주는 경우를 생각해 보자.

어떤 물체에 힘이 가해져 움직이는 경우 우리는 초가 지날 때마다 물체의 위치를 계산해서 이를 화면에 그려줘야 한다. 힘 와 물체의 질량 이 주어지면 이를 에 대입해 이 물체에 발생한 가속도 를 계산한다. 가속도를 적분하면 속도가 되는데, 이를 위해서는 라는 익숙한 공식을 쓴다. 여기에서 는 초기 속도, 는 시간을 말한다. 앞서 계산한 가속도 을 곱하고 이를 에 더하면 속도 를 얻는다. 속도를 적분하면 위치가 계산되는데, 이를 위해서는 라는 또 다른 익숙한 공식을 쓴다. 여기에서 는 초기 위치를 나타내는데, 을 대입하면 초 지난 후의 물체의 위치 가 계산된다. 바로 이 위치에 해당 물체를 놓고 렌더링엔진을 이용해 그 물체를 포함한 게임 공간을 그린다. 초마다 이 작업을 되풀이하면 물리 법칙에 따라 사실적으로 움직이는 물체를 묘사할 수 있다.

슈팅 게임 등에서 포탄의 궤도는 위와 같은 방식에 중력을 적용해 계산할 수 있다. 하지만 게임 세계에는 포탄처럼 간단한 물체만 있는 것이 아니다. 럭비공처럼 이리저리 튀는 물체도 있고, 옷과 같은 변형체도 있으며, 물이나 연기와 같은 유체도 존재한다. 이들 움직임을 묘사하기 위해서는 미분방정식을 풀어야 하는 등 복잡한 수학적 풀이 과정을 거쳐야 한다. 하지만 여기서도 기본은 를 사용해 속도와 위치를 계산하는 것이다. 최근 제작된 모든 게임에는 어떤 형태로든 물리엔진이 들어가 있다고 보면 된다. [그림 2]는 물리엔진에 의해 생성된 사실적 영상을 보여준다.


[그림 2] 최신 물리엔진을 이용해 제작된 게임 영상. 사진 출처 : 크라이텍

대표적인 물리엔진으로는 ‘하복(Havok)’과 ‘피지엑스(PhysX)’가 있다. 하복은 ‘헤일로 3’, ‘스타크래프트 2’, ‘엘더스크롤5: 스카이림’, ‘언차티드’ 등의 게임에 사용됐고 소스 엔진 등에 통합 판매되기도 한다. 피지엑스는 ‘기어즈 오브 워3’, ‘배트맨: 아캄 시티’, ‘앨리스: 매드니스 리턴즈’, ‘마피아2’ 등의 게임에 사용됐고 언리얼 엔진 등에 통합 판매되기도 한다.

물리엔진은 게임에서만 필요한 것은 아니다. ‘트랜스포머’ 등과 같은 영화 특수효과에서도 물리 법칙을 구현하는 것은 필수적이다. 그런데 영화 특수효과에서 사용되는 물리엔진과 게임 물리엔진 사이에는 차이점이 있다. 1초에 24장의 화면을 보여주는 영화에서는 고품질 영상을 얻기 위해서 한 화면을 만드는데 몇 시간이 걸리더라도 이를 감수한다. 하지만 게임에서는 1초에 30장 이상의 화면을 그 자리에서 생성해야 한다. 따라서 고난도의 복잡한 물리 공식을 초 마다 풀어내는 것은 어려운 일이다.

초기 물리엔진은 포탄 탄도 계산 등의 간단한 기능만을 제공했으나 이후 지속적으로 기능을 확장해서 지금은 약간 어색한 수준이나마 옷과 같은 변형체, 연기와 같은 유체도 처리할 수 있다. 이는 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어의 발달 덕분에 가능해졌다. 특히 눈부시게 진화하는 CPU와 그래픽 카드에 힘입은 바가 크다.

복잡한 변형체와 유체 등을 처리하는 이론은 이미 ‘캐러비안의 해적’ 등과 같은 영화의 특수효과 제작에 이용되고 있다. 이런 정도의 물리 효과를 게임에서 구현하기는 아직 어렵다. 하지만 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어는 꾸준히 발전하고 있기 때문에 파도치는 바다 등을 표현하는 물리엔진의 등장은 멀지 않았다고 말할 수 있다. 

필자가 관찰한 바에 따르면 컴퓨터학과에 입학하는 학생 중 10% 정도는 게임 개발자를 꿈꾼다. 이런 신입생과 상담할 때 항상 하는 말이 있다. “게임 산업을 선도하는 개발자가 되고 싶은가? 그렇다면 수학과 물리 공부에 집중하라.” 이제 물리 효과를 생성하지 못하는 게임은 상상할 수 없고 물리와 수학을 모른다면 절대로 훌륭한 게임 개발자가 될 수 없기 때문이다.

글 : 한정현 고려대학교 컴퓨터통신공학부 교수 
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“태연아, 게임 그만하고 날씨 좋은데 나들이나 갈까?”

치. 엄마가 가고 싶으신 거겠지. 사실 난 지금 바쁘다. 이 커다란 몬스터를 잡아야 퀘스트를 마칠 수 있다. 게다가 운이 좋으면 몬스터가 아주 좋은 방어구를 떨어뜨릴 수도 있다. 아! 몬스터를 잡았지만 아무런 아이템도 주지 않는다. 허탈하다. 방어구를 얻을 때까지 이 짓을 반복해야겠다.

“태연아. 이 게임이 그렇게 재밌어?”

아빠다. 아빠도 게임을 좋아하신다. 분명 옆에서 게임을 지켜보시다 흐름이 끊기는 것을 발견하신 것이 틀림없다. 왜냐하면 지금이 딱 지겹고 짜증나는 시기이기 때문이다. 그래도 재미없다고 말할 수는 없다.

“아빠랑 미술관에 재미있는 게임 보러 갈래? 과학과 게임을 융합한 작품이 전시되거든.”

아…. 난 흥미가 생겼고 아빠와 미술관으로 향했다. 과학게임 전시관인 ‘앨리스 뮤지엄 2009’가 열리고 있는 소마미술관에 들어가자 아기자기한 게임들이 눈에 띄었다.

가장 먼저 본 것은 ‘크레용 물리학’이란 컴퓨터 게임이었다. 게임방법은 간단하다. 화면에 마우스로 그림을 그리면 된다. 화면 안에 그려져 있는 빨간색 공을 노란 별이 있는 곳 까지 보내는 것이 목적이다. 공은 물리 법칙에 따라 아래로 떨어지게 되어 있다. 또 무거운 것은 가벼운 것을 밀어내고 경사를 만들면 물체를 좌우로 보낼 수도 있다.

크레용 물리학 게임. 화면에 표시된 붉은 공을 이동시키는 것이 목적이다.


처음에는 그림을 그려 공을 굴러가게 만들면 되지만 난이도가 높아질수록 생각을 더 많이 해야 했다. 급경사를 만들려고 뾰족한 삼각형 같은 그림을 그리면, 그 그림 자체가 미끄러지기도 한다. 다른 물체로 보완을 하고 빨간 공이 정처 없이 굴러가지 않도록 공보다 큰 장애물도 배치해야 했다. 단순한 게임이었지만 내가 그린 물체가 물리법칙에 따라 움직이다보니 자유도가 무척 높았다. 정해진 답이 없는 셈이다. 안내자는 이 게임이 2007, 2008년 독립게임 축제에서 대상을 받기도 한 우수 게임이라고 했다.

내가 좋아하는 롤플레잉과 아케이드 장르가 섞인 ‘블루베리 정원’이란 게임도 있었다.

이 게임은 스웨덴의 구전동화에 따라 정해진 길을 가는 게임 속 주인공에게 내가 신이 된 듯 장애물을 만들어 방해하거나 때로는 하늘을 날게 해 블루베리 정원의 신비를 밝히는 것이다. 재미있는 것은 게임에 등장하는 식물과 동물이 주인공을 돕거나 방해하고, 서로에게도 영향을 끼친다는 점이었다. 물론 내 행동도 이들에게 영향을 미쳤다.

블루베리 정원 게임. 인간과 생태계의 관계를 이해할 수 있도록 제작돼 있다.


“태연이가 게임 속 생태계의 불청객이 됐구나.”

아빠가 또 어려운 말씀을 시작하신다. 하지만 아빠의 얘기는 듣다보면 재미있다.

“주인공과 배경이 조화를 이루고 살아가는데 태연이가 끼어들어서 게임의 내용이 바뀌고 있잖니.”

“하지만 저 때문에 주인공이 하늘도 날고 원래대로라면 갈 수 없었던 공간에도 가잖아요?”

“그렇지. 처음에는 불청객이었지만 시간이 지날수록 게임의 주인공과 배경이 너와 상호작용을 하며 새로운 얘기를 만들어냈지. 아빠 생각에 이 게임은 사람과 자연이 서로에게 끼치는 영향이 어떻게 조화를 이루는지 간접적으로 보여주는 게임 같구나. 태연이 덕분에 게임의 내용이 다채로워졌으니 주인공은 만족할 것 같은데?”

오호라…. 내 존재가 게임에 그런 영향을 미쳤다니. 그런데 이런저런 게임을 하고 있는데 자꾸 과학책을 보고 있는 기분이 드는 이유는 뭘까.

“태연아! 아빠랑 이 게임 해보지 않겠니?”

아빠가 하자는 게임은 ‘철권’이나 ‘스트리트 파이터’ 같은 격투 게임이다. 그런데 아빠는 올록볼록한 돌기가 튀어나온 방탄조끼처럼 생긴 옷을 입고 계시다. 설마 정말로 때리는 게임은 아니겠지?

“아빠가 엎드릴테니 태연이가 허리에 올라앉아 게임을 시작하렴.”

게임이 시작됐다. 아빠 등에 있는 돌기를 이것저것 누르자 게임 속 캐릭터가 공격과 방어를 한다. 정신없이 누르다보니 게임이 끝났다.

아빠가 일어나셨다. 게임도 하지 않으셨는데 즐거운 표정, 아니 개운한 표정이시다. 맙소사. 설명을 읽어보니 이 게임은 압력 감지 센서와 버튼을 결합한 ‘안마해주세요’라는 게임이었다.

안마해주세요. 대전액션게임과 안마기가 결합된 게임이다.


글 : 전동혁 과학칼럼니스트

‘크레용물리학’게임 5일 체험판 다운로드 받기

ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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