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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 기존의 시각장애인용 점자 보조공학기기들이 표현할 수 없는 촉도 정보와 점자 정보를 동시에 표현하며, 이를 거의 실시간으로 촉각정보로 변환하여 전달할 수 있는 시각장애인용 햅틱 디스플레이 시스템을 제안하고자 한다.
- 본 논문에서는 시각장애인에게 실시간으로 점자 및 촉도를 제공하기 위한 햅틱 디스플레이 시스템을 제안하였다. 햅틱 디스플레이 시스템은 크게 햅틱 디스플레이 장치와 이를 제어하기 위한 햅틱 디스플레이 제어 프로그램으로 나뉜다.
제안 방법
- 구현한 햅틱 디스플레이 시스템의 성능 검증은 선천적 혹은 후천적인 시각장애를 가진 총 10인의 전맹인 (시력이 전혀 없는 시각장애인)의 협조를 통해 진행하였다. 실험은 본 시스템을 통해 점자 및 촉도 정보가 효율적으로 시각장애인들에게 전달되는지를 확인하기 위하여 기존의 출력장치들 및 제안한 햅틱 디스플레이 장치로 출력한 점자/촉도에 대해 시각장애인의 인지율과 인지속도를 측정 및 비교하였다.
- 실험은 본 시스템을 통해 점자 및 촉도 정보가 효율적으로 시각장애인들에게 전달되는지를 확인하기 위하여 기존의 출력장치들 및 제안한 햅틱 디스플레이 장치로 출력한 점자/촉도에 대해 시각장애인의 인지율과 인지속도를 측정 및 비교하였다. 그리고 이와 함께 입력된 점자/촉도 정보를 거의 실시간으로 촉각정보로 변환하여 출력이 가능한지를 검증하기 위해 햅틱 디스플레이의 출력속도를 측정하였다.
- 먼저, 방향제어 명령어는 TULA의 운동방향을 제어하며, 입력되는 촉각 정보에 따라 상승 및 하강에 대한 제어 데이터를 생성하여 햅틱 디스플레이에 전달한다. 다음으로 선택적 동작 명령은 부분적으로 TULA의 동작을 제어하며, 이에 대한 제어 데이터는 이전에 출력된 TULA의 상태(상승혹은 하강)와 현재의 방향 신호를 비교하여 동작할 TULA들만을 분류하여 생성한다. 이 때, 이전에 출력된 TULA의 상태는 TULA의 구조와 동일한 메모리 맵을 생성하고, 이에 방향에 대한 제어 데이터를 저장해 놓음으로써 알 수 있다.
- 다음으로 에 나타낸 햅틱 디스플레이를 제어하기 위한 프로그램은 Inter(R) core(TM)2 Duo@2.66GHz 2.67GHz CPU, 2 GBytes memory, 직렬포트 (Serial Port)와 USB 인터페이스를 가지는 컴퓨터 제원 하에서 Visual C++ 언어를 기반으로 구현하였다.
- 다음으로 은 시각장애인들이 두 장치로 출력한 도형과 그래프들을 인지하는데 소요한 시간을 보여주며, 두 실험에서 측정한 평균 인지율과 평균 인지시간을 에 나타내었다.
- 두 번째 실험에서는 시각장애인들이 사물, 그림 및 그래프와 같이 구어와 점자로는 설명하기 어려운 정보 들을 이해할 때 사용하는 촉도에 대해, 본 시스템과 점자프린터에 대한 시각장애인의 인지율 및 인지속도를 측정하였다. 먼저, <그림 11>과 <그림 12>는 각각 점자프린터와 제안한 햅틱 디스플레이를 이용하여 단순한 도형들과 1차원 및 2차원 그래프를 출력한 결과를 보여준다.
- 마지막 실험에서는 제안한 장치의 출력속도를 측정하기 위하여 다양한 정보들을 반복적으로 재 출력하며 시간을 측정하였다. 이 때, 시간의 측정구간은 구현한 프로그램(그림 8)에 입력된 점자 및 촉도정보를 촉각신호로 변환하는 시점부터 장치를 통해 출력이 완료되는 시점까지로 설정하였다.
- 본 논문에서 제안한 시스템의 성능을 검증하기 위하여 과 에 보인 바와 같이 햅틱 디스플레이 장치를 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램을 구현 하였다.
- 67GHz CPU, 2 GBytes memory, 직렬포트 (Serial Port)와 USB 인터페이스를 가지는 컴퓨터 제원 하에서 Visual C++ 언어를 기반으로 구현하였다. 본 프로그램에서는 시각장애인에게 전달할 문자(장) 및 촉도 정보들을 입력받고, 이를 햅틱 디스플레이 제어 프로토콜에 적합하게 촉각신호로 변환하여 장치에 전송하는 기능을 수행한다. 이 때, 점자와 같은 경우는 키보드를 통해 입력받은 후 자동으로 점역하여 촉각신호로 변환 하고, 촉도와 같은 경우는 마우스 혹은 그래픽 테블릿과 스타일러스 펜을 통해 입력이 완료되면 촉각신호로 변환한다.
- 구현한 햅틱 디스플레이 시스템의 성능 검증은 선천적 혹은 후천적인 시각장애를 가진 총 10인의 전맹인 (시력이 전혀 없는 시각장애인)의 협조를 통해 진행하였다. 실험은 본 시스템을 통해 점자 및 촉도 정보가 효율적으로 시각장애인들에게 전달되는지를 확인하기 위하여 기존의 출력장치들 및 제안한 햅틱 디스플레이 장치로 출력한 점자/촉도에 대해 시각장애인의 인지율과 인지속도를 측정 및 비교하였다. 그리고 이와 함께 입력된 점자/촉도 정보를 거의 실시간으로 촉각정보로 변환하여 출력이 가능한지를 검증하기 위해 햅틱 디스플레이의 출력속도를 측정하였다.
- 제안하는 햅틱 디스플레이 시스템은 크게 햅틱 디스플레이 장치와 이를 제어하기 위한 프로그램으로 나뉘며, 이를 본 장의 1절과 2절에서 설명한다.
- 제안한 햅틱 디스플레이 장치의 모든 모터들을 각각 제어하기 위하여 와 같이 4개의 필드로 구성된 프로토콜을 정의하고, 이를 컴퓨터 프로그램으로 생성 하여 장치에 전송한다.
- 첫 번째로, 에 나타낸 마스터 보드는 범용 PC부터 임베디드 시스템까지 많은 시스템에서 활용하기 위하여, 범용직렬버스(USB, Universal Serial Bus)를 사용하며, 이를 통해 수신된 데이터를 직렬통신 데이터로 변환하여 MCU에 입력할 수 있도록 UART를 사용한다.
대상 데이터
- 두 번째로, 에 보인 슬레이브 보드는 48개(24x2로 배열) 의 TULA와 이를 제어하기 위한 24개의 초음파 모터드라이버(LT3572), 그리고 초음파 모터드라이버들을 제어하기 위한 CPLD 칩으로 구성된다.
- 또한, 모든 모터 상승 및 하강 명령어와 같은 경우는 TULA 전체에 동일한 방향과 동작 신호를 입력함으로 추가적인 제어 데이터를 생성하지 않는다. 방향제어 명령과 선택적 동작 명령에 대한 제어 데이터는 4개의 TULA를 단위로 문자형으로 변환한 16진수로 생성한다. <표 4>는 제어 데이터를 생성하는 예를 보여주며, 방향 제어 명령과 선택적 동작 명령의 제어 데이터가 동일하면, 13번 및 15번 TULA는 상승동작을 수행하고, 14번 및 16번 TULA는 하강 동작을 수행한다.
성능/효과
- 결과적으로 본 논문에서 제안한 햅틱 디스플레이 시스템은 기존의 점자에 국한된 점자정보단말기의 제한된 출력 기능과 촉도를 출력하는데 많은 시간과 비용을 필요로 하는 점자프린터의 단점을 보완할 수 있었으며, 이를 기반으로 시각장애인에게 점자 및 촉도 정보를 촉각정보로 변환하여 실시간으로 전달할 수 있었다.
- 시각장애인들은 두 장치로 출력한 삼각형, 사각형 및 원과 같은 단순한 도형들에 대한 정보를 평균 3초 내외의 속도로 인지하여 두 장치 간에 유사한 결과가 나타났다. 그러나 이에 비해 비교적 복잡성을 가지는 별, 1차 및 2차 그래프에서는 점자프린터를 이용했을 때에 비해 제안한 장치를 통해 평균적으로 약 1초에서 1.5초정도 빠르게 정보를 인지할 수 있음을 나타내는 결과를 보였다. 이는 실험 내에서 제안한 장치와 점자프린터로 유사한 크기의 도형 및 그래프를 출력 하였고, 이를 시각장애인들이 인식할 때, 제안한 장치의 점자셀이 점자프린터의 출력물에 비해 약 1.
- 5mm정도 높기 때문에 촉도의 윤곽선에 대한 정보를 보다 명확하고 빠르게 인지할 수 있는 것으로 나타났다. 본 실험결과로부터는 시각장애인이 점자프린터의 출력물을 이용 하는 것에 비해 제안한 장치를 이용하였을 때, 약 9% 정도 빠른 속도로 촉도 정보를 습득할 수 있음을 알 수 있었다.
- 본 실험에서 앞서 제시한 실험 영상들과 에 보인 바와 같이 점자 및 촉도를 함께 포함하는 정보들을 10회 이상 반복적으로 재 출력하며 제안한 장치의 출력시간을 측정하였을 때, 평균적으로 약 0.8초부터 1.1초 이내에 점자 및 촉도정보를 모두 출력할 수 있음을 확인하였다.
- 시각장애인들은 두 장치로 출력한 삼각형, 사각형 및 원과 같은 단순한 도형들에 대한 정보를 평균 3초 내외의 속도로 인지하여 두 장치 간에 유사한 결과가 나타났다.
- 햅틱 디스플레이 제어 프로그램에서는 사용자가 입력한 점자 및 촉도정보를 정의한 프로토콜에 따라 촉각신호로 변환하고 이를 햅틱 디스플레이 장치에 전송하는 기능을 수행한다. 실험 결과에서는 제안한 시스템으로 시각장애인들이 기존의 장치들과 유사하게 정보를 인지할 수 있음을 확인하였고, 특히 점자를 포함한 촉도 정보를 입력받아 실시간으로 촉각정보로 변환하여 시각장애인들에게 전달함으로써, 그 성능이 매우 효과적임을 보여주었다.
- 이는 실험 내에서 제안한 장치와 점자프린터로 유사한 크기의 도형 및 그래프를 출력 하였고, 이를 시각장애인들이 인식할 때, 제안한 장치의 점자셀이 점자프린터의 출력물에 비해 약 1.5mm정도 높기 때문에 촉도의 윤곽선에 대한 정보를 보다 명확하고 빠르게 인지할 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 제안한 햅틱 디스플레이 시스템을 통해 시각 장애인들은 다양한 시각정인 정보와 그림을 포함하는 문서적인 지식들을 현재보다 편리하며, 실시간적으로 습득할 수 있을 것으로 예상된다. 다만, 본 논문에서 제시한 현재의 햅틱 디스플레이 시스템은 프로토타입으로써, 시각장애인에게 보다 효과적으로 정보를 전달하기 위하여 추후에는 점자셀의 해상도를 높임과 함께 점자 셀의 촉감 및 간격 등을 보편화된 시각장애인의 정보 인지특성을 고려하여 설계 및 구현을 진행할 예정이다.
- 따라서 제안한 햅틱 디스플레이 시스템을 통해 시각 장애인들은 다양한 시각정인 정보와 그림을 포함하는 문서적인 지식들을 현재보다 편리하며, 실시간적으로 습득할 수 있을 것으로 예상된다. 다만, 본 논문에서 제시한 현재의 햅틱 디스플레이 시스템은 프로토타입으로써, 시각장애인에게 보다 효과적으로 정보를 전달하기 위하여 추후에는 점자셀의 해상도를 높임과 함께 점자 셀의 촉감 및 간격 등을 보편화된 시각장애인의 정보 인지특성을 고려하여 설계 및 구현을 진행할 예정이다.
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