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문제 정의
- 균일한 두께와 균일한 재료로 구성되는 일반적인 사각판 위에 다중의 센서를 부착하여 이를 터치패널로 사용 가능한 시스템을 구성하고자 한다. 구성원리는 터치가 발생하면 사각판은 미소한 진동을 하게 되고, 그 진동의 파동이 퍼져나가 터치위치에서 가까운 순서대로 센서들이 그 파동을 측정하게 된다.
- 본 연구에서는 가속도센서들을 상용 화이트보드에 부착하여 실시간 피아노건반 터치패널시스템을 구현해보았다. 터치위치를 추정하기 위해서 화이트보드상에서 발생하는 물리적인 현상을 해석하였고, 이를 통해 터치로 인한 진동파형의 전파속도와 각 센서간의 진동파형 도착시간지연이 터치위치를 결정하는 인자임이 확인되었다.
가설 설정
- 이때 so(t) 는 한 번의 터치로 인한 판의 순수한 진동신호로서 그림 2(a)와 같이 평균이 0 (zero-mean)이고, 시간에 따라 점차로 파동의 진폭이 증가했다 감소하는 일종의 정현파 신호로 가정한다.
제안 방법
- 3. Concept of implementation a touch panel system using three accelerometers.
- 가속도센서는 PCB 352C66 모델 3개를 사용하였으며, 센서의 신호는 PCB 441A42 신호조절기를 통해 증폭되어 fs = 50 kHz 의 샘플링 주파수로 계측장치 NI 9233과 NI USB 9162로 전달되었으며, 이후 PC에서 NI Signal Express로 분석하였다. 모두 6번의 터치를 통해 진동파동의 평균전파속도를 추정하였다.
- 00193 초 사이에 들어가므로 ‘Do’ 음계로 결정되고 ‘Do’에 해당하는 소리를 스피커를 통해 발생시켰다. 같은 방법으로 나머지의 음계에 대해서도 실시간의 실측의 데이터인 표 3과 이론 계산의 표 1을 비교하여 터치패널시스템이 실시간의 피아노 건반과 같이 동작하도록 하였다. 건반에 대한 터치시간간격은 최소 1 초로 정하였으며, 1 초 이상의 간격으로 연속적으로 터치하여도 해당음계의 소리를 발생시키며 실시간으로 정상적으로 동작하였다.
- 구현된 시스템은 화이트보드상에 피아노와 유사한 7개의 건반을 도시하였고, 그 건반의 상부에 3개의 가속도센서를 등 간격으로 배치하였으며 센서신호들은 DSP보드로 전달되어 개발된 알고리즘으로 실시간 터치위치를 추정하여 해당 음계의 소리를 발생하도록 하였다. 실험결과 본 터치패널시스템은 상대적으로 매우 단순한 구조를 가짐에도 불구하고, 정확한 터치건반 위치를 찾아내어 그 유용성이 확인되었다.
- 터치위치를 추정하기 위해서 화이트보드상에서 발생하는 물리적인 현상을 해석하였고, 이를 통해 터치로 인한 진동파형의 전파속도와 각 센서간의 진동파형 도착시간지연이 터치위치를 결정하는 인자임이 확인되었다. 그래서 TDOA 기법을 적용한 터치위치추정 알고리즘을 개발하였으며 이는 DSP보드에 실시간으로 처리가 가능하도록 구현되어 실시간 피아노 건반 터치패널시스템이 동작되도록 하였다.
- 그림 8과 같이 ‘Do’ 부터 ‘Si’까지 순서대로 하나씩 각 건반의 터치가능원 내부에 터치함과 거의 동시에 해당음계를 스피커에서 소리를 발생시키는 실시간 실험을 2회에 걸쳐 수행하였다.
- 또한 각 건반 별 터치가능원 (직경 60 mm) 내부 터치위치에서 각 센서간의 가능한 최대, 최소거리 범위를 고려한 ∆t12, ∆t13, ∆t23 를 각각 미리 도출하였다.
- = 50 kHz 의 샘플링 주파수로 계측장치 NI 9233과 NI USB 9162로 전달되었으며, 이후 PC에서 NI Signal Express로 분석하였다. 모두 6번의 터치를 통해 진동파동의 평균전파속도를 추정하였다. 그림 5(a)는 이때 측정된 시간영역의 파형을, 그림 5(b)는 그때의 센서 si 및 sj 신호간에 상호상관함수 # 의 계산결과를 각각 나타낸 것이다.
- 본 논문의 II 장에서는 제안된 터치패널시스템의 탐지원리와 향상기법에 대하여 기술하였으며, III 장에서는 실제 시스템의 구성과 구현을 기술하였고, IV 장은 실험결과 및 분석을 기술하였다.
- 그림 6과 같이 터치위치 추정 알고리즘을 DSP보드에서 구현하기 위해 구성하였다. 우선 3개의 센서가운데 중앙에 위치한 센서 2 에서 들어오는 신호의 값이 정해둔 기준값 이상이 되면 터치가 발생한 것으로 판단하도록 하였다. 센서 신호들을 저장하기 위해 각 2048 샘플들을 저장 가능한 3개의 버퍼를 준비하였다.
- 여기서 ∆tij = ∆nij × fs , ∆nij 는 시간지연 샘플 개수 차이이고, fs 는 샘플링 주파수 (Hz)이다. 이렇게 계산된 시간지연을 이론적인 값과 비교하여 터치위치의 음계를 판단하였다.
- 이를 고려하여 상용의 화이트보드와 가속도센서를 사용하여 정확히 위치를 찾아내는 터치패널시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 터치패널시스템은 3개의 가속도센서 및 고속의 신호처리 전용보드를 사용하므로 기존의 터치패널에 비해 매우 단순한 구조를 가진다.
- 만약 일치하는 음계가 없으면 beep 사운드 출력 후 바로 다음 터치를 대기한다. 이와 같이 1 초마다 1 번씩의 터치입력을 받아 해당음계의 사운드를 출력해주는 피아노 건반 시스템의 알고리즘을 구성하였다.
- 이와 같이 구성되는 터치패널 시스템을 실증하기 위하여 ‘Do’, … , ’Si’ 까지 7개의 음계를 가진 화이트보드 위에 구현하였다.
- 그림 4. 진동파동 전파속도측정.
- 첫째, 터치패널은 그림 3에서 보는 것과 같이 7개의 건반을 1800 x 900 mm2 크기의 화이트보드상에 그렸는데, 각 건반의 크기는 220 x 120 mm2 이고, 각 건반의 가운데에 터치가능원(touchable circles)을 직경 60 mm로 표시하였다. 각 건반을 터치 할 때는 이 터치가능원의 내부를 터치하는 것으로 규정 하였다.
- 터치가 발생한 순간의 절대적인 시간을 알 수 없으므로 t1, t2, t3 를 사용하는 대신, 측정 가능한 각 센서에 도착하는 파동의 시간지연 (∆t12 = t1-t2, ∆t13 = t1-t3, ∆t23 = t2-t3)을 이용하여 터치위치의 추정을 수행한다.
- 본 연구에서는 가속도센서들을 상용 화이트보드에 부착하여 실시간 피아노건반 터치패널시스템을 구현해보았다. 터치위치를 추정하기 위해서 화이트보드상에서 발생하는 물리적인 현상을 해석하였고, 이를 통해 터치로 인한 진동파형의 전파속도와 각 센서간의 진동파형 도착시간지연이 터치위치를 결정하는 인자임이 확인되었다. 그래서 TDOA 기법을 적용한 터치위치추정 알고리즘을 개발하였으며 이는 DSP보드에 실시간으로 처리가 가능하도록 구현되어 실시간 피아노 건반 터치패널시스템이 동작되도록 하였다.
대상 데이터
- 둘째는 신호처리 모듈(signal processing module)로서 가속도 센서로부터 오는 신호를 증폭 및 처리하는 역할을 한다. 개발환경은 TI의 DSK6713 DSP 보드와 TI의 CCS (Code Composer Studio) 3.1이며, RealSYS의 6713 AD/DA보드와 6713 통신보드가 같이 사용되었다. 또한 3개의 PCB Piezotronics 352C66(Sensitivity 100mV/g) 가속도센서를 사용 하였으며, 그림 3의 s1, s2, s3 지점에 각각 위치 한다.
- 1이며, RealSYS의 6713 AD/DA보드와 6713 통신보드가 같이 사용되었다. 또한 3개의 PCB Piezotronics 352C66(Sensitivity 100mV/g) 가속도센서를 사용 하였으며, 그림 3의 s1, s2, s3 지점에 각각 위치 한다. 이와 같이 구성되는 터치패널 시스템을 실증하기 위하여 ‘Do’, … , ’Si’ 까지 7개의 음계를 가진 화이트보드 위에 구현하였다.
- 우선 3개의 센서가운데 중앙에 위치한 센서 2 에서 들어오는 신호의 값이 정해둔 기준값 이상이 되면 터치가 발생한 것으로 판단하도록 하였다. 센서 신호들을 저장하기 위해 각 2048 샘플들을 저장 가능한 3개의 버퍼를 준비하였다. 각 버퍼는 원형버퍼(circular buffer)로 터치 발생과 무관하게 지속적으로 센서신호를 저장한다.
이론/모형
- 본 연구에서 다루는 다중의 가속도센서를 이용하여 판에서의 터치위치 추정하는 것은 터치패널시스템에 대한 새로운 접근법으로서 도착시간차(TDOA: Time Difference of Arrivals)로 알려진 기법을 이용한다. TDOA 기법은 레이더(radar), 소나(sonar) 등에서 물체의 위치를 탐지하기 위해 많이 사용되고 있는 기법이며, 이 경우 도착시간차이의 정확한 추정을 위한 상호상관함수의 계산이 중요하며 많은 연구가 이루어져 왔다[6-8].
성능/효과
- 둘째, 신호처리모듈은 3개의 가속도센서로부터 오는 진동 파동신호를 PCB Piezotronics 441A42 신호조절기를 통해 증폭시키고, 16 bits ADC와 fs = 50 kHz 의 샘플링 주파수로 신호 데이터를 디지털화시켜서 TI DSK6713 보드로 전달한다.
- 본 논문에서 제안된 터치패널시스템은 단지 3개의 가속도센서 및 고속의 신호처리 전용보드를 사용하므로 기존의 터치패널에 비해 매우 단순한 구조를 가진다. 아울러 가속도센서가 탐지 가능한 진동이 유발되는 평판들은 이 방법으로 간단하게 터치패널로 변환시킬 수 있는 큰 장점이 있다.
- 이를 고려하여 상용의 화이트보드와 가속도센서를 사용하여 정확히 위치를 찾아내는 터치패널시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 터치패널시스템은 3개의 가속도센서 및 고속의 신호처리 전용보드를 사용하므로 기존의 터치패널에 비해 매우 단순한 구조를 가진다. 아울러 가속도 센서가 탐지 가능한 진동이 유발되는 평판들은 이 방법으로 간단하게 터치패널로 변환시킬 수 있는 큰 장점이 있다.
- 구현된 시스템은 화이트보드상에 피아노와 유사한 7개의 건반을 도시하였고, 그 건반의 상부에 3개의 가속도센서를 등 간격으로 배치하였으며 센서신호들은 DSP보드로 전달되어 개발된 알고리즘으로 실시간 터치위치를 추정하여 해당 음계의 소리를 발생하도록 하였다. 실험결과 본 터치패널시스템은 상대적으로 매우 단순한 구조를 가짐에도 불구하고, 정확한 터치건반 위치를 찾아내어 그 유용성이 확인되었다.
- s3 는 피크치가 점차 우측에서 좌측으로 이동하는 경향을 보인다. 이를 통하여 터치위치에서 센서까지의 거리가 피크치의 이동과 비례관계를 가지고 있음이 확인되었다.
- 이로써 터치위치들은 정확히 터치된 음계 위치들을 역추적해냄을 보여주었다. 이상과 같은 실시간 실험을 통해 본 가속도센서를 이용한 터치패널시스템은 비록 단순하지만 매우 강력하게 동작할 수 있음을 보여주었다.
후속연구
- 추후 멀티 터치와 드래그(drag) 기능을 추가할 수 있게 되면 이러한 터치패널시스템은 확대되어가는 터치패널에 대한 시장요구에 새로운 기술로써 적용될 수 있을 것이라 판단된다.
- 상기에 기술한 것과 같이 터치패널시스템 방식은 각각 고유의 특징과 장단점으로 사용용도에 맞게 여러 분야에서 사용되고 있다. 향후 터치패널은 꾸준한 성장세를 이어나갈 것이며, 이에 발 맞추어 사용범위의 확대로 각 사용용도에 따라 다양한 터치패널방식이 끊임없이 요구될 것이다. 기존의 터치패널들은 시스템을 구성하기 위하여 다소 복잡한 내부 구조와 터치를 감지하기 위한 패널표면에 별도의 장치가 필요한 단점을 가지고 있다.
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