보안공학연구회

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1 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018), pp 디지털예술공학멀티미디어논문지 UML과 Petri Net을이용한게임 PVP 시스템모델링및비교분석 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net 오기성 1), 오석희 2) Gi-Sung Oh 1, Seok-Hee Oh 2 요약게임시장이지속적으로성장하면서게임의규모와복잡도가증가하고있다. 이에게임제작의어려움이늘어나고경쟁사가많아지면서게임의빠른개발과출시가중요한요인이되었다. 이로인해게임기획과정에서시스템의논리적인흐름을시각적으로확인해야하며, 무결성을검증하고정확하게설계할필요가있다. 본논문에서는게임시스템기획과정시모델링도구로 UML과 Petri Net을제안하며, 기존상용게임을분석하여 PVP 시스템모델을구현하고효과성을검증하였다. 핵심어 : 게임, UML, Petri Net, 모델링, 게임시뮬레이션, 게임시스템디자인, 분석 Abstract As the gaming market continues to grow and increase in size and complexity of the game. As it make difficult game production and increases number of competitors, rapid development and launch of games became important factors. Therefore, it is necessary to visually check the logical flow of the system in the game design process, and to verify the integrity and design it accurately. In this paper, we propose UML and Petri Net as modeling tools for the game system design process, and analyze the existing commercial games to implement the PVP system model and verify its effectiveness. Keyword: Game, UML, Petri Net, Modeling, Game Simulation, Game System Design, Analysis 1) Department of Game Engineering, Gachon Univ., 1342 SeongnamDaero, Sujeong-Gu, Seongnam-Si, Gyeonggi-Do, Korea, (First author) 2) Department of Game Engineering, Gachon Univ., 1342 SeongnamDaero, Sujeong-Gu, Seongnam-Si, Gyeonggi-Do, Korea, (Corresponding author) * 본연구는과학기술정보통신부및정보통신기술진흥센터의대학 ICT 연구센터육성지원사업의연구결과로수행되었음 " (IITP ) Received(May ), Review (June ), Accepted(June ) ISSN: JDAEM 2018 NCISS 15

2 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net 1. 서론 게임시장이점차큰폭으로성장하고하드웨어의발전과소프트웨어개발력이향상됨에따라많은게임을접한소비자들의취향도다양해졌다. 흥미를배가시키기위해게임은그규모가커지고복잡한규칙과요소들이어우러지면서그만큼제작과정에서어려움이증가하고있다 [1]. 그럼에도불구하고포화된게임시장으로경쟁자가늘어나점차짧아지는게임수명으로인해경쟁사보다빠른개발과출시가필요한것이현실이다. 따라서게임디자인의영역에서시스템기획은어느때보다더빠르고정확한설계를요구받고있다. 게임의규모및구성이크고복잡해짐에따라설계한시스템에오류가있을경우, 개발과정에서논리적으로어느부위에서문제가일어났는지찾기가쉽지않을뿐아니라이과정에서많은시간과비용이소요되므로가시적으로시스템을설계하고검증할수있는도구가필요하다. 선행연구에따르면게임디자인의설계는게임규칙과게임콘텐츠의설계로나눌수있다 [2]. 이중시스템기획은규칙설계로표현하는방식으로는글이나그림으로나타내는전통적인문서표현 (written representation) 방식 [2,3], 소프트웨어집약시스템을개발할때사용하는 UML로표현한방식 [4,5,6], 이산사건시스템을모델링하기위한 Petri Net으로표현하는방식들이있다 [7,8,9]. 시스템설계및검증을위한도구로고려해볼때, UML과 Petri Net이적합하다고판단하였다. 본연구에서는기존의게임시스템기획에관련된연구를바탕으로 2가지도구를이용하여직접게임내 PVP 시스템을모델링하는방법을제안하고검증하여비교분석한다. 본논문은 2장에서관련연구를소개하고, 3장에서선정한게임의 PVP 시스템을해당도구를이용, 직접모델링하여비교분석한후, 4장에서결론을내린다 NCISS

3 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018) 2. 관련연구 2.1 UML(Unified Modeling Language) UML은소프트웨어시스템개발과정에서산출된내용을명세화, 시각화, 문서화하기위한목적으로개발된객체지향적범용모델링언어이다. 미국 Rational 사의 Grady Booch, James Rumbaugh에의해개발되었으며, 1997년 11월 OMG(Object Management Group) 에의해표준모델링언어로채택되었다. UML의표현방식은구조다이어그램 7종, 행위다이어그램 7종의총 14종류의다이어그램을기반으로 [ 그림 1] 과같이소프트웨어시스템의설계내용을가시적으로표현이가능하다. 또한객체지향개념을이용하여소프트웨어설계외의시스템도모델링이가능하도록되어있으며의미와표기의통일로개발자간의의사소통의불일치를해소하였다 [4]. [ 그림 1] UML 다이어그램예시 : 클래스다이어그램 ( 좌 ), 유스케이스다이어그램 ( 우 ) [Fig. 1] UML Diagram examples: Class Diagram(Left), Use-case Diagram(Right) ISSN: JDAEM 2018 NCISS 17

4 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net UML은각다이어그램의특성에따라다양한관점에서의모델링을제공한다 [2]. 구조다이어그램 (Structure diagram) 은관계성을중시하여시스템의정적인구조를보여준다. 각객체의정보나그룹화된형태, 관계를표현하는데그목적이있으며클래스다이어그램 (Class diagram), 객체다이어그램 (Object diagram) 등이있다. 반면에행위다이어그램 (Behavioral diagram) 은시스템의객체간의동적인형태를보여준다. 특정사용자관점의동작표현이나, 시간의흐름에따른상호작용표현, 수행과정등을표현하며대표적으로유스케이스다이어그램 (Use-case diagram), 순차다이어그램 (Sequence diagram) 등이이에속한다. 2.2 Petri Net Petri Net은 1960년대 C.A. Petri에의해이산사건시스템 (Discrete event system) 의해석으로처음제시되었다. Petri Net은동시성 (Concurrency) 과동기적인사건 (Synchronized Event) 을가시적으로모델링하고설계하는도구로시스템을상태와사상의관계에의해기술한다 [7,10]. 상태는시스템에서일련의조건이성립하는상황을말하며하나의상태에대응하는사상이발생가능하고, 이때발생한사상은다시새로운상태로이동한다. 이러한인과관계에의해모형화된것이 Petri Net으로총 5가지의요소로구성된다. 상태를나타내는플레이스 (P: Place), 사상을나타내는트랜지션 (T: Transition), 플레이스로부터트랜지션으로의인과관계 ( 아크 : Arc) 로표현되는입력함수 (I: Input function), 반대로트랜지션으로부터플레이스로이어지는인과관계로표현되는출력함수 (O: Output function), 마지막으로시스템의동작을표현하는각플레이스에부여된상태값인토큰의개수인마킹 (M: Marking) 이있다 [10] NCISS

5 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018) [ 그림 2] Petri Net 구성요소 [Fig. 2] Petri Net component Petri Net은사건의일련의흐름을시각적으로확인할수있다. 시스템의동작을표현하기위해토큰의개념을사용하며토큰은각플레이스에부여된상태값을뜻하며그래프상에서는플레이스원내부에까만점으로표시한다. 특정시점에서토큰의분포를해당시점의마킹이라고하며마킹은해당시점의정보의흐름및제어상태를나타낸다. Petri Net의토큰은활성화 (Enabled) 와점화 (Fire) 에의해시스템의동작을표현한다. 트랜지션의입력플레이스에토큰이있을때, 조건이만족되면입력플레이스에있던토큰이트랜지션으로이동하는데, 이를활성화 (Enabled) 라고말하며활성화된트랜지션은다시연결된출력플레이스에토큰을옮기는데이것을점화 (Fire) 라고한다 [10]. 즉, 활성화된트랜지션의점화동작이바로 Petri Net 동작이며이때움직이는토큰의위치를통해현재시스템에서적용되고있는사건들을확인할수있다. 게임시스템기획에서는이러한요소를통해구성한시스템을 Petri Net 모델을통해시뮬레이션을할수있으며실시간으로제어되는시스템의각부분을점검하고동시적인사건과병렬적, 확률적으로처리되는사건들을시각적으로확인함으로써시스템무결성확인및성능평가를할수있다. ISSN: JDAEM 2018 NCISS 19

6 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net [ 그림 3] Marked Petri Net 예시 [Fig. 3] Marked Petri Net Example 2.3 리그오브레전드 (League of Legends) 리그오브레전드는라이엇게임즈에서개발, 서비스중인온라인 MOBA(Multiplayer Online Battle Arena) 장르의게임이다 [11]. 5:5 팀대전을기본으로소규모교전이빈번하게일어나는길 ( 라인 ) 과정글이라불리는몬스터들이등장하는지형이갖춰진맵에서게임이이뤄진다. 유저는캐릭터하나를선택하여역할군탑, 정글, 미드, 원딜, 서폿중하나를수행하게된다. 게임당소요시간은약 40분 ~ 1시간내외로각팀의중앙건물인넥서스를파괴하거나어느한팀이항복을할경우게임이종료된다. 타게임들과같이교전에영향을끼치는변수로캐릭터의스테이터스와착용한아이템, 지형, 오브젝트등다양하게있으나공격과이동등의판정시고려해야할점이비교적명확하여교전시일어나는캐릭터의동작중심으로시스템모델링에적용하면될것으로판단하여본논문의사례로채택하였다 NCISS

7 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018) [ 그림 4] 리그오브레전드플레이화면 [Fig. 4] League of Legends Play Scene 3. PVP 시스템모델링적용및비교분석 3.1 게임 PVP 시스템 PVP는 Player versus player의줄임말로플레이어간에서로벌어지는전투나그런행위가담긴콘텐츠를의미한다. PVP는환경요소, AI 등과이루어지는전투를의미하는 PVE(Player versus environment) 와는다르게상대하는사용자의조작에따라예측이힘든변수들이많다. 따라서, 기획자들은게임의기획의도나타겟층에따라시스템구현시 PVP에규칙을부여하였다. PVP는크게제한된규칙없이게임내에서자유롭게유저간에전투를할수있게한자율적 PVP 유형과일정한규칙아래특정공간에서만전투를허용한제한적 PVP 유형, 진영간의전투를의미하는대규모 PVP인 RVR(Realm versus realm) 등의유형 ISSN: JDAEM 2018 NCISS 21

8 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net 등으로분류된다. 흔히다른플레이어들을죽이는행위인 PK(Player killing) 과의차이는사전에전투가합의가되어있는지의유무로나뉘며일부게임에서는자율적 PVP 유형의범주내에 PK를넣기도한다. 본논문에서는리그오브레전드게임의 1:1 상황에서의 PVP 시스템을 UML과 Petri Net 을이용하여모델링하고비교분석한다. 모델링시고려해야할 1:1 상황에서의 PVP 시스템게임을구성하는요소로캐릭터의기본공격형태, 스킬유형과전투상황종료요건등을선정하였고, 동일시스템을 UML과 Petri Net으로모델링하여비교분석하기위해아이템, 데미지등의수치에영향을주는변수는전부동일한조건으로가정하였다. 3.2 UML( 유스케이스다이어그램 ) 모델링적용사례 플레이어를캐릭터에투영시켜사용자관점에서 1:1 전투상에서일어나는시스템내 동작들을표현하기위해 UML 다이어그램중유스케이스다이어그램을이용하여모델 링하였다. 모델링을위해사용한 UML 프로그램은 StarUML 5.0 이다 [12]. [ 그림 5] 유스케이스다이어그램으로표현한리그오브레전드 1:1 PVP 시스템 [Fig. 5] League of Legends 1: 1 PVP system expressed in use-case diagram NCISS

9 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018) [ 그림5] 에서와같이액터 (Actor) 로사용자의캐릭터를두었으며이를기초로상대방플레이어와대치하였을때선택해야하는선택지를유스케이스로만들었다. 다음선택에서해야할행위를나열했을때, 예를들어적과의조우시전투행동에돌입하거나도망중하나를선택해야하는상황처럼반드시하나의유스케이스를선택해야할때에는상속관계 (Inheritance) 로표현하였다. 해당유스케이스를실행시반드시행하여야하는일련의행위는포함관계 (Include) 로표현하였으며, 상황에따라선택적으로행하게되는유스케이스는확장관계 (Extend) 로표현하였다. 3.3 Petri Net 모델링적용사례 Petri Net을이용한모델링에서는동작들을플레이스로표현하였으며캐릭터의행동시시스템적으로일어나는프로세스를표현하기위해시작플레이스에토큰을 1개배치하였고, 상황종료플레이스에토큰이도달하면시뮬레이션이종료되는구조로되어있다. 이를위해사용한 Petri Net 프로그램은 HiPS(Hierarchical Petri net Simulator) 이다 [13]. [ 그림 6] Petri Net 으로표현한리그오브레전드 1:1 PVP 시스템 [Fig. 6] League of Legends 1: 1 PVP system expressed in Petri Net ISSN: JDAEM 2018 NCISS 23

10 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net [ 그림 6] 와같이각상태및동작들을 21개의플레이스로나타내었고, 트랜지션들은플레이스로표현된상태및동작들을처리 입력하는의미로시스템흐름에따라조건에맞게부여하였다. 초기에배치되는토큰은실행시아크로연결된트랜지션으로이동하여활성화시키고다시아크로연결된플레이스에점화되어이동된다. 최종적으로 PVP 상황이종료되는조건은상황종료플레이스로도달하게되는조건을달성하게될경우로적과대치시도망을가거나생존여부판정시죽음판정이일어났을때종료되며이외상황에서는위와같은과정을계속해서반복하게된다. 3.4 비교분석 본사례연구를통해 UML과 Petri Net 기반의 1:1 PVP 시스템모델링결과를제시하였다. 위의검증결과를토대로게임기획시적합성을기준으로두모델링도구를비교분석하여, [ 표 1] 과같이정리하였다. UML Use-case Diagram Petri Net 시각화시각적표현우수, 단순화, 직관적시각적표현가능 시스템검증제한적 ( 외부프로그램사용 ) 자동화, 로직흐름확인우수 표현력요구사항, 관계성표현시스템흐름까지표현 장점 [ 표 6] 게임기획시모델링도구로서의 UML 과 Petri Net 의비교분석표 [Table 1] Comparison of UML and Petri Net as modeling tools for game design 편리한작성, 직관적인표현 동작시뮬레이션가능, 밸런스통계분석가능, 논리적오류발견우수 단점시스템검증이제한적규칙학습필요 UML 유스케이스다이어그램을이용한모델링의결과, 캐릭터를중심으로 1:1 PVP 상황에서필요한시스템기능등을시각적으로정의하였다. 표현하기위해사용한기호 들로인해한눈에직관적으로내용구성을파악할수있는것으로나타났으며, 각정의 NCISS

11 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018) 된유스케이스간의관계를표현할수있어전반적인시스템의흐름을이해를도왔다. 그러나시스템의무결성을검증하는과정에있어 UML과연동되어자동화된소스코드생성프로그램이없을경우나상세한명세가필요할경우에는직접코드입력을통한프로그램작성이불가피하다는점을확인하였다. 따라서 UML을통한시스템모델링은시각화와논리적표현력이우수하며작성및수정이편하다는장점이있고, 시스템검증과정에있어가능은하나다소불편함이요구되는것이단점이다. Petri Net을통한모델링의결과, 각기능과상태를중심으로 1:1 PVP 시스템의정보흐름을시각적으로표기하였다. UML과마찬가지로전체시스템의흐름을파악할수있고, 각플레이스간의관계를아크를이용해표현이가능하다. 그러나 Petri Net의요소와기능및동작을이해해야전반적인흐름에대해이해할수있다는점을확인하였다. 시스템무결성검증분야에서는토큰을부여하여별도의추가작업없이직접시뮬레이팅을통해동시적인동작과동기적으로일어나는동작들을확인하고논리적오류를쉽게발견할수있다는점에서매우우수하다. 또한각플레이스에도달한횟수를기준으로데이터화하여통계분석을하여확률적측면에서의밸런스확인이가능하다. 하지만, 설계한시스템내용을수정할경우각플레이스와트랜지션의관계성과토큰의이동규칙을고려해야한다는점에서불편함이있다. 5. 결론 게임시스템기획자들은게임의짧은수명으로인한빠른개발과출시로이어지고있는현시장의흐름의영향으로이전어느때보다도정확한설계를요구받고있다. 또한시스템기획은개발에들어가기에앞서설계도를그리는중요한과정이기에기획단계에서부터형상관리및검증이필요하며이를위해유용하게사용할수있는방법이 UML, Petri Net을이용한모델링이다. 본논문에서는실시간으로이루어지는게임내 PVP 시스템을 UML과 Petri Net을통해모델링하였고그적용사례를이용하여 2가지모델링도구의비교분석을해보았다. 실제시스템상에서고려해야할요소인수치디자인요소를동일한조건으로가정하여동작및상태중심으로고려하여설계한결과, UML 유스케이스다이어그램의 ISSN: JDAEM 2018 NCISS 25

12 Modeling and Comparative analysis of Game PVP System using UML and Petri Net 유스케이스와 Petri Net의플레이스로표현이가능하였다. 둘다관계성을가시적으로표현하여논리적인흐름을직관적으로확인이가능했으며, UML은편리한작성과관계표현에더욱강점이있었고, Petri Net은시뮬레이팅을통해동시적사건의흐름확인과무결성검증에효과적이라는것을확인할수있었다. 요구사항및관계정의와같은선행설계를 UML 유스케이스다이어그램으로한뒤이를다시 Petri Net으로변환하여시스템의무결성검증과정을거친다면서로의장 단점을보완하여정확한시스템설계를기대할수있을것이다. 본연구에서모델링한사례는실제시스템상에서고려해야할요소인수치디자인요소를동일한조건으로가정하여설계하였기에다양한변수들이포함되지않은한계점이있었다. 향후연구에서는다양한개념들과변수들을추가하여더큰범주로고도화된시스템을모델링하는방법에대한연구가필요할것이다 NCISS

13 Journal of Digital Art Engineering & Multimedia Vol.5, No1, June (2018) References [1] Jung Yoon Kim. "A Testcase Generation Techniques for Dynamic Game Map using TFD." Journal of The Korean Society for Computer Game 26.1 (2013): [2] Hee Dong Chang. "A Survey of Representation Methods of Game Rules in Game Design." Journal of Korea Game Society 6.4 (2006): [3] Bethke, Erik. Game development and production. Wordware Publishing, Inc., (2003) [4] Hee Dong Chang. "A Representation Method of Game Mechanics Using UML Notations in Game Design." Journal of Korea Game Society 6.4 (2006): [5] Sung Choi. "Study On the Object Oriented Design Project of Online Game Engine Using UML." Journal of Korea Game Society 5.1 (2005): [6] Cheol Jung Yoo, and So Young Jeong. "Software Engineering: Use Case Diagram Extraction Technique from Requirements Specification" The KIPS Transactions: Part D (2002): [7] Hee Dong Chang. "A Method of Gameplay Analysis by Petri Net Model Simulation." Journal of Korea Game Society 15.5 (2015): [8] Hee Dong Chang. "A Survey of Game Mechanics Simulation Methods." The KIPS Transactions: Part A 12.5 (2005): [9] Hee Dong Chang. "An Object-oriented Design Method of Game System for Game Designers." Journal of Korea Game Society 16.3 (2016): [10] Boo Hee Nam. "Petri nets." (The) proceedings of KIEE 43.3 (1994): [11] League of Legends Official Homepage, Retrieved March [12] StarUML 5.0 Homepage, Retrieved July [13] HiPS Tool Homepage, Retrieved November ISSN: JDAEM 2018 NCISS 27

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