The paper describes system design of next-generation Ship Simulator using Virtual Reality (VRSS), well known as human-computer interaction. VRSS system is required to have special condition that comprises multiple user participants such as captain, officer, pilot, and quartermaster. To cope with tha...
The paper describes system design of next-generation Ship Simulator using Virtual Reality (VRSS), well known as human-computer interaction. VRSS system is required to have special condition that comprises multiple user participants such as captain, officer, pilot, and quartermaster. To cope with that condition, core technologies were explored and proposed multi-networking system with broker server. The evaluation of the proposed system was done with PC-based immersion-type VR device, constituted with HMD (Head Mounted Display), Head Tracking Sensor, Puck, Headphone, and Microphone. Using the VR device, assessment test was carried out in a virtual bridge with 3D objects, which are created by VRML (Virtual Reality Model Language) program. As results of tests, it is shown that the cybernetic 3D objects were act as if real things in a real ship's bridge. Therefore, interesting interaction with participants can be obtained in the system, Thus, we found that the proposed system architecture can be applicable to VRSS system construction.
The paper describes system design of next-generation Ship Simulator using Virtual Reality (VRSS), well known as human-computer interaction. VRSS system is required to have special condition that comprises multiple user participants such as captain, officer, pilot, and quartermaster. To cope with that condition, core technologies were explored and proposed multi-networking system with broker server. The evaluation of the proposed system was done with PC-based immersion-type VR device, constituted with HMD (Head Mounted Display), Head Tracking Sensor, Puck, Headphone, and Microphone. Using the VR device, assessment test was carried out in a virtual bridge with 3D objects, which are created by VRML (Virtual Reality Model Language) program. As results of tests, it is shown that the cybernetic 3D objects were act as if real things in a real ship's bridge. Therefore, interesting interaction with participants can be obtained in the system, Thus, we found that the proposed system architecture can be applicable to VRSS system construction.
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문제 정의
이 연구에서는, 우선 지금까지 연구 개발된.각 개별 요소기술들 사이의 상관관계를 분석한 후, 그 해결방안을 모색하고자 한다. 그리고, VRSS의 가상공간에서 선장 역할을 하는 cyber-captain, 항해사 역할을 하는 cyber-officer, 도선사 역할을 하는 cyber-pilot, 조타수 역할을 하는 cyber-quartermaster 등의 객체(object) 사이에 상호작용(interaction)을 유발할 수 있는 시스템 구성 방법을 도출하고자 한다.
각 개별 요소기술들 사이의 상관관계를 분석한 후, 그 해결방안을 모색하고자 한다. 그리고, VRSS의 가상공간에서 선장 역할을 하는 cyber-captain, 항해사 역할을 하는 cyber-officer, 도선사 역할을 하는 cyber-pilot, 조타수 역할을 하는 cyber-quartermaster 등의 객체(object) 사이에 상호작용(interaction)을 유발할 수 있는 시스템 구성 방법을 도출하고자 한다.
이 논문에서는, VRSS 개발에 필요한 요소기술을 조사하고, 연구하여 VRSS 시스템의 설계 개념을 정립하였다. 특히, 선박 시뮬레이터만이 갖는 특수한 환경 즉, 선박조종 시의 선장, 항해사, 도선사, 조타수 등이 참여하는 다중 사용자 환경 (multiple user environment)을 적용하여 VRSS 시스템을 설계하였다.
따라서, 어느 하나의 요소기술이 개발되었더 라도 다른 요소기술이 미개발 상태거나, 각 요소 기술들 사이의 상호관계를 고려하지 않으면 VRSS 구현이 어렵다. 이 연구에서는, 우선 지금까지 연구 개발된.각 개별 요소기술들 사이의 상관관계를 분석한 후, 그 해결방안을 모색하고자 한다.
제안 방법
그러므로 시스템 구성이 복잡해지고, 인터페이스 수가 증가하는 문제점이 있다. 그 외, 손의 움직임을 감지하기 위한 3차원 글러브 (3-D Globe), 몸의 움직임을 감지하기 위한 3차원 머리와 몸통위치 추적장치 (3-D Head and Body Tracking System) 등의 센서가 필요한데, 이 연구에서는 이러한 센서가 HMD의 본체에 모두 내장된 미국 FORTE사의 VFX-1 HMD를 사용하여 가상현실 장치의 구축 실험을 하였다.
이 연구에서 제안한 그림 4의 VRSS 시스템 전체를 구축하기 위해서는 그림 1의 세부 요소기 술들이 모두 개발되어야 하는데, 현재 일부 요소 기술은 미개발 상태에 있거나 연구 중이기 때문에 제안한 시스템 전체를 구축하여 실험하는 것은 불가능하다. 따라서, 이 연구에서는, 제안한 VRSS의 시스템 구성방법의 일부 유효성을 확인하기 위하여 그림 5와 같이 하나의 Client 그룹에서 선장 임무만을 시뮬레이션하기 위한 하드웨어를 구성한 후, 여기에 3차원 선박 모델을 객체지향방식으로 구축하고 실험하여, 제안한 시스템을 평가하였다.
실험방법은, 그림 6의 (c)에 나타낸 가상 브릿지 내부에 cyber-captain을 구축하여 가상환경을 창출한 후, 사용자가 cyber-captain을 이용하여 브릿지 내부를 돌아다니게 (wandering)하고, 사용자가 내린 음성 명령이 cyber-captain에게 전달되면, 이 명령에 의해서 cyber-captain이 다시 음성으로 가상공간에 명령을 내리는 기능을 수행하도록 하였다. 이러한 실험을 통하여 사용자가 입력한 여러 가지 사건을 cyber-captain이 처리할 수 있는지의 여부와, 사용자가 cyber-captain과 동일시되는 느낌을 받는지의 여부를 조사하여, 이 연구에서 의도하는 (D3D 가상 객체들과 사용자 사이의 다중 사건 처리와, (2)상호작용 유발에 의한 동일시 및, (3)다중 사용자 환경의 지원 가능 성 등의 3가지 파라미터로 평가하였다.
평가방법은, 기존의 선박 시뮬레이터를 사용해 본 경험이 있는 성인 남자 3인에게 그림 5의 실험 장치를 이용하여 cyber-captain을 작동시키게 한 후, 위에서 열거한 3가지 파라미터에 대한 느낌을 서면으로 작성토록 하였다. 여기서, 인간의 느낌을 평가하기 위한 구체적인 방법이 현재 연구 중 이기 때문에 이 연구에서는 실험 참가자들의 평가의견을 종합하여 평가결과를 도출하였다.
특히, 선박 시뮬레이터만이 갖는 특수한 환경 즉, 선박조종 시의 선장, 항해사, 도선사, 조타수 등이 참여하는 다중 사용자 환경 (multiple user environment)을 적용하여 VRSS 시스템을 설계하였다. 이 연구범위는, HMD(Head Mounted Display)를 사용한 몰입형 가상현실 장치 (immersion-type virtual reality devices)를 이용하여 VRSS를 구축하고, 기존 VR 기술과 컴퓨터 운용체제의 다중 네트워킹 기술 등을 적용하는 것으로 제한하였다.
이러한 3차원 객체 모델링 작업에는 전문적인 저작도구(authoring tool)가 필요하다. 이 연구에서는 Superscape사의 3-D Webmaster를 이용해서 실험용으로 3차원 cyber-ship과 cyber- captain의 모델을 제작한 후, 이 모델을 이용하여 가상공간을 구축하는 실험을 하였다.
이러한 3차원 영상과 음향에 관한 연구는 본 저자 등에 의하여 연구 진행 중에 있고, 3차원 음향에 관한 연구는 본 저자 등의 참고 문헌[11][12]에 상세히 기술되어 있다. 이 연구에서는, HMD에 부착된 LCD 안경에 3차원 영상을 구현하고, 마이크로폰과 헤드폰을 이용하여 3차원 음향을 구현한 후 실험을 하였다.
이 연구에서는, VRSS(Virtual Reality Ship Simulator) 구현의 기초가 되는 시스템을 설계하 고, 설계한 시스템의 일부 유효성 평가 실험을 하였다. 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
그림 6의 3차원 객체들은, 3-D Webmaster를 이용하여 제작한 것으로서, 객체들이 외부 신호에 의하여 제어되고, 사용자와 상호작용을 유발할 수 있도록 제작과정에서 프로그램을 삽입하였다. 이 프로그램은 SCL(Superscape Control Language) 라는 C언어와 유사한 VRML(Virtual LanguageModeling Language) 형태의 특수한 소프트웨어로 작성하였다.
실험방법은, 그림 6의 (c)에 나타낸 가상 브릿지 내부에 cyber-captain을 구축하여 가상환경을 창출한 후, 사용자가 cyber-captain을 이용하여 브릿지 내부를 돌아다니게 (wandering)하고, 사용자가 내린 음성 명령이 cyber-captain에게 전달되면, 이 명령에 의해서 cyber-captain이 다시 음성으로 가상공간에 명령을 내리는 기능을 수행하도록 하였다. 이러한 실험을 통하여 사용자가 입력한 여러 가지 사건을 cyber-captain이 처리할 수 있는지의 여부와, 사용자가 cyber-captain과 동일시되는 느낌을 받는지의 여부를 조사하여, 이 연구에서 의도하는 (D3D 가상 객체들과 사용자 사이의 다중 사건 처리와, (2)상호작용 유발에 의한 동일시 및, (3)다중 사용자 환경의 지원 가능 성 등의 3가지 파라미터로 평가하였다.
이 논문에서는, VRSS 개발에 필요한 요소기술을 조사하고, 연구하여 VRSS 시스템의 설계 개념을 정립하였다. 특히, 선박 시뮬레이터만이 갖는 특수한 환경 즉, 선박조종 시의 선장, 항해사, 도선사, 조타수 등이 참여하는 다중 사용자 환경 (multiple user environment)을 적용하여 VRSS 시스템을 설계하였다. 이 연구범위는, HMD(Head Mounted Display)를 사용한 몰입형 가상현실 장치 (immersion-type virtual reality devices)를 이용하여 VRSS를 구축하고, 기존 VR 기술과 컴퓨터 운용체제의 다중 네트워킹 기술 등을 적용하는 것으로 제한하였다.
평가방법은, 기존의 선박 시뮬레이터를 사용해 본 경험이 있는 성인 남자 3인에게 그림 5의 실험 장치를 이용하여 cyber-captain을 작동시키게 한 후, 위에서 열거한 3가지 파라미터에 대한 느낌을 서면으로 작성토록 하였다. 여기서, 인간의 느낌을 평가하기 위한 구체적인 방법이 현재 연구 중 이기 때문에 이 연구에서는 실험 참가자들의 평가의견을 종합하여 평가결과를 도출하였다.
대상 데이터
그림 6. 실험을 위하여 제작한 3차원 객체 모델과 브릿지 구성 장면. cyber-ship(a), cyber-captain(b), 브릿지 내부(c).
성능/효과
1. VRSS를 구축하는 데 필요한 요소기술을 분석하여 시스템 구축에 필요한 설계 개념을 정립하였다.
2. HMD를 이용한 가상현실 실험 장치와, 3차원 객체지향방식 으로 창출한 cyber-captain과 cyber-ship을 이용하여 상호작용 유발이 가능한 가상 브릿지 환경을 구축할 수 있었다.
3. 연구에서 제안한 설계 방법과 설계 개념들이 일부 유효함을 확인할 수 있었고, VRSS 개발에 필요한 요소기술을 확보할 수 있었다.
위에서 기술한 실험 및 평가 결과를 요약하면, 이 연구에서 제안한 VRSS 시스템 설계의 전체에 대해서 평가할 수는 없었지만, 3차원 가상현실 장치의 구성방법, 3차원 객체 모델링 방법, 객체와 사용자 사이의 상호작용 유발 방법 등이 유효함을 확인할 수 있었고, 이러한 요소기술을 확보할 수 있었다.
이 연구에서 제안한 그림 4의 VRSS 시스템 전체를 구축하기 위해서는 그림 1의 세부 요소기 술들이 모두 개발되어야 하는데, 현재 일부 요소 기술은 미개발 상태에 있거나 연구 중이기 때문에 제안한 시스템 전체를 구축하여 실험하는 것은 불가능하다. 따라서, 이 연구에서는, 제안한 VRSS의 시스템 구성방법의 일부 유효성을 확인하기 위하여 그림 5와 같이 하나의 Client 그룹에서 선장 임무만을 시뮬레이션하기 위한 하드웨어를 구성한 후, 여기에 3차원 선박 모델을 객체지향방식으로 구축하고 실험하여, 제안한 시스템을 평가하였다.
평가결과, 3인 모두 'cyber-ship의 브릿지와 외관 등이 실제 선박과 유사한 느낌이 들었으며, cyber-captain과 사용자 사이에 상호작용이 발생하여 마치 자신이 선장이 된 듯한 흥미로운 느낌을 받았다'고 평가하였다. 그러나, 다중 사용자 환경의 지원 여부는 브릿지에 cyber-captain 이외의 또 다른 cyber-pilot, cyber-officer를 등장시켜서 이들 가상 객체 사이의 또 다른 상호작용을 유발 시켜야하는 복잡한 문제가 발생하여 이 연구에서는 확인할 수 없었다.
후속연구
이러한 VRSS 개발에는 다양한 분야에서 연구개발된 기술이 복합적으로 적용되어야하기 때문에 방대하고, 오랜 연구 기간이 필요할 것으로 예상된다. 앞으로, 이 연구에서 제시한 설계 개념을 토대로 세부 요소기술을 점진적으로 연구 개발하면서 VRSS를 구축해 나갈 예정이다.
그러나, 다중 사용자 환경의 지원 여부는 브릿지에 cyber-captain 이외의 또 다른 cyber-pilot, cyber-officer를 등장시켜서 이들 가상 객체 사이의 또 다른 상호작용을 유발 시켜야하는 복잡한 문제가 발생하여 이 연구에서는 확인할 수 없었다. 이 문제는 프로그램에 의하여 구현되어야할 내용으로서, 앞으로 연구를 지속해서 프로그램을 개발해 나갈 예정이다.
이러한 VRSS 개발에는 다양한 분야에서 연구개발된 기술이 복합적으로 적용되어야하기 때문에 방대하고, 오랜 연구 기간이 필요할 것으로 예상된다. 앞으로, 이 연구에서 제시한 설계 개념을 토대로 세부 요소기술을 점진적으로 연구 개발하면서 VRSS를 구축해 나갈 예정이다.
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