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문제 정의
- 본 논문에서는 가상 수술 의료 시뮬레이션을 위한 소작 애니메이션 기법을 제안하였다. 제안 기법은 메쉬의 정점에 대한 칼라 값을 구성하는 각 요소 색상을 개별적으로 변화시키고, sigmoid 함수를 이용한 가중치 부여로 유효 영역 메쉬 내부의 부드러운 색상 변화를 통하여 사실적이고, 자연스러운 소작 효과의 애니메이션이 가능하였다.
- 본 논문에서는 가상 수술 의료 시뮬레이션을 위한 소작 애니메이션 기법을 제안한다. 제안 기법은 메쉬의 정점에 대한 칼라 값을 구성하는 각 요소 색상을 개별적으로 변화시키고, sigmoid 함수를 이용한 거리에 따른 가중치 부여를 통하여 사실적이고, 자연스러운 소작 효과의 애니메이션이 가능하다.
제안 방법
- 다음으로 가상 수술 환경에서 의사의 소작 도구와 인체 장기가 접촉하면, 소작 시뮬레이션을 위한 유효 영역 메쉬 모델링을 수행한다. 의사의 마우스 입력은 2차원으로 전달되기 때문에 의사가 선택한 점 Pmouse(x, y, 0)로부터 3차원 공간 상의 메쉬에 해당하는 점 Pmesh(x', y', z')를 계산해야 한다.
- 먼저 가상 수술 환경에서 의사의 소작 도구와 인체 장기가 접촉하면, 소작 효과 시뮬레이션을 위한 유효 영역 메쉬의 모델링을 수행한다. 다음으로 소작 효과 가시화를 위하여 선택된 중심 메쉬의 시간에 따른 색상 변화를 모델링하고, 유효 영역 메쉬 내부의 중심으로부터 거리에 따른 점진적인 색상 변화 가시화를 수행한다. 마지막으로 가시화될 칼라 값을 구성하는 붉은색(Red, R), 녹색(Green, G), 파란색(Blue, B) 요소 각각에 대하여 소작 칼라 버퍼의 값과의 비교를 통하여 소작 칼라 버퍼의 칼라 값을 갱신한다.
- 다음으로 소작 효과 가시화를 위하여 유효 영역 메쉬들의 소작 도구와의 접촉 시간에 따른 색상 변화를 모델링한다. 의사에 의하여 선택된 인체 장기 모델의 메쉬의 중심이 소작 도구와 접촉된 시간에 따라서 접촉되는 부위는 물리적으로 노란색으로 먼저 변화하고, 다음으로 갈색으로 변화하고, 최종적으로 검정색으로 변화한다는 관찰을 바탕으로 본 논문에서는 소작 도구와 접촉하는 메쉬의 색상을 다음과 같이 연속적으로 변화시킨다.
- 다음으로 위의 방법으로 탐색된 의사에 의해 선택된 인체 장기 모델의 중심 메쉬에 대하여 연결 정보를 바탕으로 선택된 중심 메쉬와 바로 인접하는 메쉬들을 1-인접 메쉬로 구성하고, n-인접 메쉬들에 인접하는 메쉬들을 (n+1)-인접 메쉬로 정의하고, 4-인접 메쉬까지 구성하여 1/2/3/4-인접 메쉬의 자료구조를 생성한다 (그림 3a). 소작 효과는 이렇게 모델링된 유효 영역 메쉬(그림 3b)들의 색상 변화를 통하여 가시화된다.
- 다음으로 유효 영역 메쉬 내부의 중심으로부터 거리에 따른 점진적 색상 변화 모델링을 수행한다. 소작 도구로 의사가 선택한 중심 메쉬는 실제 소작 효과로 인한 색상 변화와 유사하게 색상이 변화하고, 이를 기준으로 유효 영역 메쉬의 주변 1/2/3/4-인접 메쉬의 정점 색상을 시각적으로 현실감있고, 자연스러운 표현이 가능하도록 시간에 따라서 점진적으로 변화시킨다.
- 위와 같은 방법으로 중심 메쉬와 유효 영역 메쉬의 정점들에 대하여 계산된 색상 값을 직접 가시화에 사용하게 되면, 두 개 이상의 소작 효과가 위치적으로 중첩될 경우 먼저 수행된 소작 부위가 나중에 수행되는 소작 부위에 의하여 색상이 잘못 변화되는 경우가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 2.1절과 2.2절의 방법으로 계산된 칼라 값 (R, G, B) 각각의 색상 변화를 직접 가시화하지 않고, 메쉬에 대한 소작 칼라 버퍼를 사용하여 메쉬를 구성하는 각 정점들에 대하여 (R, G, B) 칼라 값을 생성한 후 소작 칼라 버퍼의 값을 갱신한다. 이 때, 계산된 칼라 값 (R, G, B)와 현재 저장된 소작 칼라 버퍼의 값과의 비교를 통하여 R, G, B 각각에 대하여 소작 칼라 버퍼의 칼라 값보다 어두운 경우에만 소작 칼라 버퍼를 갱신하고, 갱신된 소작 칼라 버퍼의 값을 이용하여 소작 효과를 가시화하여 소작 효과 애니메이션을 수행한다.
- 다음으로 소작 효과 가시화를 위하여 선택된 중심 메쉬의 시간에 따른 색상 변화를 모델링하고, 유효 영역 메쉬 내부의 중심으로부터 거리에 따른 점진적인 색상 변화 가시화를 수행한다. 마지막으로 가시화될 칼라 값을 구성하는 붉은색(Red, R), 녹색(Green, G), 파란색(Blue, B) 요소 각각에 대하여 소작 칼라 버퍼의 값과의 비교를 통하여 소작 칼라 버퍼의 칼라 값을 갱신한다. 갱신된 소작 칼라 버퍼의 (R, G, B) 값을 이용하여 최종적으로 소작 효과를 가시화하면, 소작 효과 애니메이션이 가능하다.
- 본 논문에서 제안한 소작 효과 애니메이션 기법은 크게 세 가지 단계로 구성된다. 먼저 가상 수술 환경에서 의사의 소작 도구와 인체 장기가 접촉하면, 소작 효과 시뮬레이션을 위한 유효 영역 메쉬의 모델링을 수행한다. 다음으로 소작 효과 가시화를 위하여 선택된 중심 메쉬의 시간에 따른 색상 변화를 모델링하고, 유효 영역 메쉬 내부의 중심으로부터 거리에 따른 점진적인 색상 변화 가시화를 수행한다.
- 제안 기법은 2,978개의 삼각형으로 구성된 메쉬에 대하여 평균 50 fps(frame per second)의 속도를 보여주어 실시간 성능이 필요한 가상 수술 의료 시뮬레이션 시스템에 적용이 가능하였다. 메쉬를 구성하는 삼각형 숫자에 따른 속도 변화를 평가하기 위하여 삼각형 숫자를 1,489개로부터 5,956개까지 변화시켜 가면서 렌더링 속도를 측정하였다. 이 때, 렌더링 속도의 범위는 평균 31 fps으로부터 평균 97 fps까지의 성능을 보여주었다.
- 또한, 소작 칼라 버퍼를 제안하여 중첩된 소작 효과 애니메이션도 자연스럽게 표현하였다. 본 논문에서 제안한 기법은 가상 수술 의료 시뮬레이션의 현실감, 몰입감을 크게 증진시켜 이러한 시뮬레이션을 사용하는 의사 혹은 의대생들에 대한 교육의 효과를 극대화시킬 수 있다.
- 본 논문에서 제안한 소작 효과 애니메이션 기법은 크게 세 가지 단계로 구성된다. 먼저 가상 수술 환경에서 의사의 소작 도구와 인체 장기가 접촉하면, 소작 효과 시뮬레이션을 위한 유효 영역 메쉬의 모델링을 수행한다.
- 다음으로 유효 영역 메쉬 내부의 중심으로부터 거리에 따른 점진적 색상 변화 모델링을 수행한다. 소작 도구로 의사가 선택한 중심 메쉬는 실제 소작 효과로 인한 색상 변화와 유사하게 색상이 변화하고, 이를 기준으로 유효 영역 메쉬의 주변 1/2/3/4-인접 메쉬의 정점 색상을 시각적으로 현실감있고, 자연스러운 표현이 가능하도록 시간에 따라서 점진적으로 변화시킨다. 중심 메쉬의 무게 중심으로부터 1/2/3/4 인접 메쉬의 정점까지의 거리 d에 따라서 다음의 0부터 1사이의 값을 갖는 sigmoid 함수를 가중치로 두어 각 인접 메쉬들의 정점의 색상을 변화시킨다.
- 다음으로 소작 효과 가시화를 위하여 유효 영역 메쉬들의 소작 도구와의 접촉 시간에 따른 색상 변화를 모델링한다. 의사에 의하여 선택된 인체 장기 모델의 메쉬의 중심이 소작 도구와 접촉된 시간에 따라서 접촉되는 부위는 물리적으로 노란색으로 먼저 변화하고, 다음으로 갈색으로 변화하고, 최종적으로 검정색으로 변화한다는 관찰을 바탕으로 본 논문에서는 소작 도구와 접촉하는 메쉬의 색상을 다음과 같이 연속적으로 변화시킨다. 소작 도구와 인체 메쉬의 접촉 시간에 따라서 다음과 같은 알고리즘을 적용한다.
- 2절의 방법으로 계산된 칼라 값 (R, G, B) 각각의 색상 변화를 직접 가시화하지 않고, 메쉬에 대한 소작 칼라 버퍼를 사용하여 메쉬를 구성하는 각 정점들에 대하여 (R, G, B) 칼라 값을 생성한 후 소작 칼라 버퍼의 값을 갱신한다. 이 때, 계산된 칼라 값 (R, G, B)와 현재 저장된 소작 칼라 버퍼의 값과의 비교를 통하여 R, G, B 각각에 대하여 소작 칼라 버퍼의 칼라 값보다 어두운 경우에만 소작 칼라 버퍼를 갱신하고, 갱신된 소작 칼라 버퍼의 값을 이용하여 소작 효과를 가시화하여 소작 효과 애니메이션을 수행한다. 소작 칼라 버퍼는 소작 효과 애니메이션이 적용되기 전에 흰색 (255, 255, 255)으로 초기화된다.
- 가상 수술 의료 시뮬레이션에 많이 사용되는 가상간 수술의 경우 인체를 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT)한 후에 CT 데이터 상에서 영상의 밝기값과 기울기 크기를 바탕으로 영상 처리 기법을 이용하여 간 영역을 자동으로 분할할 수 있다[10]. 이와 같이 분할된 3차원 간 영역의 표면을 추출하고, 표면을 삼각형 메쉬 데이터로 변환하여 가상 수술 의료 시뮬레이션에 사용한다. 다른 장기의 경우에도 인체 장기 모델을 구성하는 메쉬는 비슷한 절차로 생성할 수 있다.
- 그래픽스 라이브러리는 OpenGL을 이용하여 구현되었다. 제안 기법은 간과 담낭을 절제하는 복강경 가상 수술 의료 시뮬레이션 시스템에 적용되었다. 제안 기법으로 소작 효과 애니메이션을 수행하기 위하여 필요한 sigmoid 함수 인자는 α는 -1로, β는 5로 설정되었다.
- 본 논문에서는 가상 수술 의료 시뮬레이션을 위한 소작 애니메이션 기법을 제안하였다. 제안 기법은 메쉬의 정점에 대한 칼라 값을 구성하는 각 요소 색상을 개별적으로 변화시키고, sigmoid 함수를 이용한 가중치 부여로 유효 영역 메쉬 내부의 부드러운 색상 변화를 통하여 사실적이고, 자연스러운 소작 효과의 애니메이션이 가능하였다. 또한, 소작 칼라 버퍼를 제안하여 중첩된 소작 효과 애니메이션도 자연스럽게 표현하였다.
- 본 논문에서는 가상 수술 의료 시뮬레이션을 위한 소작 애니메이션 기법을 제안한다. 제안 기법은 메쉬의 정점에 대한 칼라 값을 구성하는 각 요소 색상을 개별적으로 변화시키고, sigmoid 함수를 이용한 거리에 따른 가중치 부여를 통하여 사실적이고, 자연스러운 소작 효과의 애니메이션이 가능하다. 또한, 소작 칼라 버퍼를 제안하여 중첩된 소작 효과 애니메이션도 자연스럽게 표현한다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제안된 기법에 대하여 다음과 같은 정량적, 정석적 분석을 5년 이상의 복강경 수술 경험이 있는 외과 의사 3명을 대상으로 수행하였다. 먼저 표 1의 정량적 평가는 중첩된 소작효과에 대한 가시화 정도, 컬러 버퍼 기법에 따른 자연도, 가상 의료 시뮬레이션 환경을 가정한 사용자 평가에 대하여 수행되었고, 각 항목들에 대하여 평균적으로 우수한 평가 결과를 얻었다.
- 제안 기법에 대한 실험은 Intel Core2Duo Q8400 2.66GHz CPU와 4GB 메모리를 갖는 시스템에서 Nvidia GeForce GT 230 그래픽스 하드웨어를 사용하여 수행되었다. 그래픽스 라이브러리는 OpenGL을 이용하여 구현되었다.
성능/효과
- 제안 기법은 메쉬의 정점에 대한 칼라 값을 구성하는 각 요소 색상을 개별적으로 변화시키고, sigmoid 함수를 이용한 가중치 부여로 유효 영역 메쉬 내부의 부드러운 색상 변화를 통하여 사실적이고, 자연스러운 소작 효과의 애니메이션이 가능하였다. 또한, 소작 칼라 버퍼를 제안하여 중첩된 소작 효과 애니메이션도 자연스럽게 표현하였다. 본 논문에서 제안한 기법은 가상 수술 의료 시뮬레이션의 현실감, 몰입감을 크게 증진시켜 이러한 시뮬레이션을 사용하는 의사 혹은 의대생들에 대한 교육의 효과를 극대화시킬 수 있다.
- 본 연구에서 제안된 기법에 대하여 다음과 같은 정량적, 정석적 분석을 5년 이상의 복강경 수술 경험이 있는 외과 의사 3명을 대상으로 수행하였다. 먼저 표 1의 정량적 평가는 중첩된 소작효과에 대한 가시화 정도, 컬러 버퍼 기법에 따른 자연도, 가상 의료 시뮬레이션 환경을 가정한 사용자 평가에 대하여 수행되었고, 각 항목들에 대하여 평균적으로 우수한 평가 결과를 얻었다. 표 2의 정성적 평가는 제안 기법의 현실감과 몰입감에 대하여 수행되었고, 역시 각 항목들에 대하여 평균적으로 우수한 평가 결과를 얻었다.
- Andersson은 입자를 이용한 기법들과 그리드를 이용한 기법[5]을 사용한 출혈 효과 애니메이션 결과를 비교하였다[6]. 이 논문은 출혈의 종류에 따라서 각각 다른 기법을 사용해야 사실감 있는 표현이 가능하다는 결론을 보여주었다. Daenzer 등은 입자와 텍스쳐 기법을 사용한 출혈 애니메이션 기법을 제안하였고, 속도는 빠르지만, 사실감이 매우 부족하였다[7].
- 제안 기법은 2,978개의 삼각형으로 구성된 메쉬에 대하여 평균 50 fps(frame per second)의 속도를 보여주어 실시간 성능이 필요한 가상 수술 의료 시뮬레이션 시스템에 적용이 가능하였다. 메쉬를 구성하는 삼각형 숫자에 따른 속도 변화를 평가하기 위하여 삼각형 숫자를 1,489개로부터 5,956개까지 변화시켜 가면서 렌더링 속도를 측정하였다.
- 먼저 표 1의 정량적 평가는 중첩된 소작효과에 대한 가시화 정도, 컬러 버퍼 기법에 따른 자연도, 가상 의료 시뮬레이션 환경을 가정한 사용자 평가에 대하여 수행되었고, 각 항목들에 대하여 평균적으로 우수한 평가 결과를 얻었다. 표 2의 정성적 평가는 제안 기법의 현실감과 몰입감에 대하여 수행되었고, 역시 각 항목들에 대하여 평균적으로 우수한 평가 결과를 얻었다.
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