[논문]공개형 3D 그래픽 엔진을 활용한 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템 개발

황태현; 오재용; 황호진; 김병철; 문두환

doi:10.5394/kinpr.2011.35.3.187

공개형 3D 그래픽 엔진을 활용한 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템 개발
Development of a 3D real-time visualization system for ship handling simulators using an open source 3D graphics engine 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.35 no.3, 2011년, pp.187 - 195

황태현 (한국해양연구원 해양안전방제기술연구부) , 오재용 (한국해양연구원 해양안전방제기술연구부) , 황호진 (한국해양연구원 해양안전방제기술연구부) , 김병철 (삼성중공업 산업기술연구소) , 문두환 (경북대학교 기계자동차공학부)

초록
AI-Helper

선박운항자의 인적사고 방지 및 운항 훈련을 위한 방안으로 선박 운항 시뮬레이터가 사용된다. 선박운항 시뮬레이터에서 실시간 3D 가시화 기술은 현실감 있는 직관적인 영상을 제공하여 피교육자에 인지력을 향상시켜 시뮬레이터의 교육 효과를 높이는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 공개형 3D 그래픽 엔진을 기반으로 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템을 설계하고 구현한 결과에 대해서 설명한다. 실시간 3D 가시화 시스템은 요소 기능, 기존 그래픽 데이터 활용, 타 시스템과의 연동 측면에서 도출된 운용 요구사항들을 만족하며 추가적인 기능의 확장이 용이한 구조로 설계되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A ship handling simulator is popular means of preventing marine accidents caused by human error. It can also be used to train navigators. A real-time 3D visualization system, a component of a ship handling simulator, is an important component, as realistic and intuitive image generation play an essential role in improving the effects of education using ship handling simulators. This paper discusses the design of a new real-time 3D visualization system based on an open source 3D graphics engine as well as its implementation. The developed real-time 3D visualization system satisfies the operational requirements derived in terms of visualization functionalities, reuse of legacy graphic data, and interoperability with other systems constituting a ship handling simulator. This system has an architecture in which new functionalities are easily added.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 논문에서는 공개형 그래픽 엔진인 Ogre3D(Ogre3D, 2010)를 기반으로 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템을 개발한 결과에 대해서 설명한다. 개발된 실시간 3D 가시화 시스템을 한국해양연구원의 선박 운항 시뮬레이터와 연동을 하여 검증 실험을 수행하였다.
선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템은 조선 해양 시뮬레이션에서 요구되는 특수한 가시화 요구를 만족시키고 시뮬레이터를 구성하는 타 시스템과의 연동이 용이하도록 개발이 되어야 한다. 이 연구에서는 소스 코드가 공개되어 기능의 확장이나 최신 기술의 적용 측면에서 장점이 있는 공개형 3D 그래픽 엔진을 기반으로 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템을 개발하였다.

제안 방법

3절과 4절에서 설명한 실시간 3D 가시화 시스템의 설계에 따라 3 채널 그래픽 클러스터 방식의 실시간 3D 가시화 시스템을 구현하여 한국해양연구원의 선박 운항 시뮬레이터에 적용하였다.
IOS로부터 받은 시뮬레이션 결과 데이터의 동기화를 위해서, 가시화 시스템을 구성하는 컴퓨터 중 하나를 마스터(master)로 지정하고 다른 컴퓨터들은 슬레이브 (slave)로 지정하는 방법을 사용하였다. 마스터는 IOS로부터 시뮬레이션 결과 데이터를 받아 가시화에 필요한 연산을 수행한 후, scene 그래프를 구성하는데 필요한 객체 정보와 카메라의 갱신 정보를 슬레이브에 전달한다.
가시화 시스템 개발을 위해 요소 기능, 기존 그래픽 데이터 활용, 타 시스템과의 연동 측면에서 운용 요구사항을 도출하였다. 그리고 도출된 운용 요구사항을 바탕으로 시스템에 필요한 구성 모듈을 정의 한 후 계층화 과정을 통해 실시간 3D 가시화 시스템의 일반 구조를 정의하고 설계를 수행하였다.
이 논문에서는 공개형 그래픽 엔진인 Ogre3D(Ogre3D, 2010)를 기반으로 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템을 개발한 결과에 대해서 설명한다. 개발된 실시간 3D 가시화 시스템을 한국해양연구원의 선박 운항 시뮬레이터와 연동을 하여 검증 실험을 수행하였다.
가시화 시스템 개발을 위해 요소 기능, 기존 그래픽 데이터 활용, 타 시스템과의 연동 측면에서 운용 요구사항을 도출하였다. 그리고 도출된 운용 요구사항을 바탕으로 시스템에 필요한 구성 모듈을 정의 한 후 계층화 과정을 통해 실시간 3D 가시화 시스템의 일반 구조를 정의하고 설계를 수행하였다. 실시간 3D 가시화 시스템의 설계 결과를 바탕으로 공개형 그래픽 엔진인 Ogre3D과 관련 공개형 라이브러리를 사용하여 가시화 시스템을 구현한 후 한국해양연구원의 선박 운항 시뮬레이터와의 연동 실험을 통해 구현된 시스템을 검증하였다.
7이다. 사용자가 3D 가시화 시스템을 실행하면 RevisysApplication 클래스는 GlobalConfigManager 클래스를 통해 시스템 초기설정을 한 후, 그래픽 클러스터의 설정 정보에 따라 ApplicationRole 클래스의 하위 클래스의 객체 (MasterApplicationRole 또는 SlaveApplicationRole)를 생성하여 초기화한다. 초기화 과정이 끝나면, 운항 시뮬레이션 과정 동안 IOS로부터 시뮬레이션 결과 데이터 패킷을 받아 화면에 가시화를 한다.
그리고 도출된 운용 요구사항을 바탕으로 시스템에 필요한 구성 모듈을 정의 한 후 계층화 과정을 통해 실시간 3D 가시화 시스템의 일반 구조를 정의하고 설계를 수행하였다. 실시간 3D 가시화 시스템의 설계 결과를 바탕으로 공개형 그래픽 엔진인 Ogre3D과 관련 공개형 라이브러리를 사용하여 가시화 시스템을 구현한 후 한국해양연구원의 선박 운항 시뮬레이터와의 연동 실험을 통해 구현된 시스템을 검증하였다.
실시간 3D 가시화 시스템의 설계를 위해서 선박 운항 시뮬레이터의 가시화 요구를 분석하였다(문 등, 2010). 실시간 3D 가시화 시스템의 입력, 출력, 사용 기법, 참조 데이터의 4가지 측면에서 시스템의 요구사항을 분석하였다.
실시간 3D 가시화 시스템의 설계를 위해서 선박 운항 시뮬레이터의 가시화 요구를 분석하였다(문 등, 2010). 실시간 3D 가시화 시스템의 입력, 출력, 사용 기법, 참조 데이터의 4가지 측면에서 시스템의 요구사항을 분석하였다. 분석 결과 실시간 3D 가시화 시스템의 운용 요구는 다음과 같이 3가지 종류로 분류가 되었다.
3) 실시간 3D 가시화 시스템의 기본 구조

조선해양 시뮬레이션 가시화 요구사항을 바탕으로 도출된 실시간 3D 가시화 시스템 구성 모듈들을 참조하여 실시간 3D 가시화 시스템의 기본 구조를 설계하였다. 실시간 3D 가시화 시스템은, Fig.
통제실의 관리자가 IOS와 Motion Solver를 실행하고 선교의 사용자가 가시화 시스템을 실행한다. 가시화 시스템을 시작할 때 필요한 설정 정보는 별도의 파일에 저장하고 사용자가 설정 값을 변경할 수 있다.

대상 데이터

가시화 기능 구현을 위해 필요한 3D 그래픽 엔진으로 공개형 3D 그래픽 엔진인 Ogre3D 1.6.3을 사용하였다. 그래픽 데이터 로딩, 해양파 가시화, 환경 가시화 모듈 구현을 위해서 Ogre3D를 기반으로 개발된 공개형 라이브러리인 Hydrax(Hydrax, 2010), SkyX (SkyX, 2010)를 사용하였다.
Multichannel Synchronization Manager는 그래픽 클러스터를 구성하는 컴퓨터 사이에서 시뮬레이션 데이터의 동기화를 관리한다. 그래픽 클러스터의 마스터는 Multichannel Synchronization Manager를 이용하여 화면 갱신에 필요한 데이터를 멀티케스팅 방식으로 슬레이브로 보내고, 슬레이브는 Multichannel Synchronization Manager를 이용하여 마스터가 보낸 데이터를 받는다. IOS Packet Receiver는 선박 운항 시뮬레이터의 IOS가 브로드케스팅 방식으로 송신하는 시뮬레이션 결과 데이터를 받아 미리 정의한 C 언어의 구조체에 저장한다.

이론/모형

3절에서 정의 한 시스템의 기본 구조를 바탕으로 UML 모델링 방법(Fouler and Scott, 1999)을 사용하여 실시간 3D 가시화 시스템의 상세 구조를 설계 하였다.
3을 사용하였다. 그래픽 데이터 로딩, 해양파 가시화, 환경 가시화 모듈 구현을 위해서 Ogre3D를 기반으로 개발된 공개형 라이브러리인 Hydrax(Hydrax, 2010), SkyX (SkyX, 2010)를 사용하였다.
시스템 관리 계층에서 데이터 로깅 모듈은 Apache log4cxx (Apache, 2010)를 사용하여 구현하였고, 그래픽 데이터 로딩 모듈은 Ogre3D 기반으로 개발된 공개형 라이브러리인 DotSceneLoader (DotSceneLoader, 2010)를 사용하여 구현하였다. 그리고 XML 데이터 파싱을 위해서 TinyXML(TinyXML, 2010)를 사용하였다.

성능/효과

10이다. 연동 실험을 통해, 개발한 실시간 3D 가시화 시스템이 기존의 상업용 3D 그래픽 엔진 기반의 시스템과 비교하여 전반적으로 대등한 성능을 보임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공개형 3D 그래픽 엔진은 시스템의 확장면에서 어떠한 장점을 가지고 있는가?	상업용 3D 그래픽 엔진과 다르게 공개형 3D 그래픽 엔진은 소스가 공개되어 있어 개발자가 새로운 가시화 요구에 능동적으로 대처할 수 있는 장점이 있다. 또한 시스템의 확장을 통해 최신 그래픽 기술의 적용이 가능하다. 조선해양(차등, 2009)뿐만 아니라 타 분야에서도 실시간 3D 가시화 목적으로 공개형 3D 그래픽 엔진을 적용한 다수의 사례(Burns and Osfield, 2004; Friese et al.
	시뮬레이션 가시화란 무엇인가?	시뮬레이션 가시화는, 응용 목적에 맞는 추상적인 모델을 정의한 후, 정의된 모델과 외부 객체 및 환경과의 상호작용을 전산도구를 이용하여 수치 연산을 수행하여 계산한 결과를 사용자에서 시각적으로 모사하는 것이다. 시각 정보는 사용자와의 상호작용을 위한 대표적인 인터페이스로서 현실감 있는 직관적인 시뮬레이션 가시화는 피교육자에 인지력을 향상시켜 시뮬레이터의 교육 효과를 높이는 중요한 요소이다.
	사고 발생 시 막대한 인적 및 물적 피해가 발생하는 운송 시스템에는 어떤 것들이 있는가?	선박, 항공기, 자동차와 같이 사고 발생 시 막대한 인적 및 물적 피해가 발생하는 운송 시스템의 경우, 사고 예방을 위해서 운항자 (조종사, 운전사)의 교육이 중요하다. 그러나 이 운송 시스템들은 그 구조가 복잡하여 전문적인 교육이 필요하고 장비의 가격이 고가여서 실제 장비를 가지고 교육을 하기가 어렵다.

참고문헌 (29)

문두환, 박세길, 오재용, 황호진 (2010), 선박 운항 시뮬레이터를 위한 실시간 3D 가시화 시스템의 운용 요구, 2010 한국CAD/CAM학회 학술대회
차무현, 이재경, 황진상 (2010), 오픈소스 그래픽스 엔진을 이용한 가상현실 타일 디스플레이 시스템의 개발, 2010 한국CAD/CAM학회 학술대회
차주환, 노명일, 이규열 (2009), 범용 동역학 모듈과 가시화 모듈을 이용한 조선 블록 탑재 시뮬레이션, 한국CAD/CAM학회논문집, 14권, pp.69-75

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황호진, 문두환 (2010), 선박 운항 시뮬레이션 가시화를 위한 그래픽 렌더링 엔진 기술의 개선 방향, 한국항해항만학회지, 34권, pp. 153-160

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Apache (2010), http://logging.apache.org/log4cxx/index.html
Bian, Z., Ishii, H., Izumi, M., Shimoda, H., Yoshikawa, H., Morishita, Y., Kanehira, Y. (2006), "Development of a Tracking Method for Augmented Reality Applied to NPP Maintenance Work and its Experimental Evaluation", in the Proceedings of the ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology
Burns, D., Osfield, R. (2004), "Open Scene Graph A: Introduction, B: Examples and Applications ", in the Proceedings of the IEEE Virtual Reality Conference 2004
DotSceneLoader (2010), http://www.ogre3d.org/tikiwiki/New+DotScene+Loader&comzoneshow
Fouler, M., Scott, K. (1999), “UML Distilled: a Brief Guide to the Standard Object Modeling Language”, Second Edition, Addison Wesley Longman, inc
Friese, K. I., Herrlich, M., Wolter, F. E. (2008), "Using Game Engines for Visualization in Scientific Applications", IFIP International Federation for Information Processing, Vol. 279, pp. 11-22
Glassner, A. (2002), “Duck!”, IEEE Computer Graphics and Applications, Vol. 22, pp. 88-97

상세보기
Gong, I. Y., Lee, C., Lee, K. J., Lee, H. .J., Kim, S. Y. (2004), “Development of Ship Handling Simulator System for Korean Navy and Its Mathematical Model”, in the Proceedings of 31st IMSF AGM
Hydrax (2010), http://www.ogre3d.org/tikiwiki/Hydrax
Jensen, L., Golias, R. (2001), “Deep-Water Animation and Rendering”, in the Proceedings of the 2001 Game Developer's Conference
Kim, Y. S., Yang, J., Han, S. (2006), “A Multichannel Visualization Module for Virtual Manufacturing”, Computers in Industry, Vol. 57, pp. 653？662

상세보기
Kuhl, J., Evans, D., Papelis, Y., Romano, R., Watson, G. (1995), “The Iowa Driving Simulator: An Immersive Research Environment”, IEEE Computer, Vol. 28, pp. 35？41

상세보기
Lee, H., Han, S., (2010), "Solving the Shallow Water Equations Using 2D SPH Particles for Interactive Applications", Visual Computer, Vol. 26, pp. 856-872

상세보기
Magee, L. E. (1997), “Virtual Reality Simulator (VRS) for Training Ship Handling Skills”, In Seidel, R. J. and Chatelier, P. R. (Eds), Virtual Reality, Training’s Future? , Defence Research Series, Vol. 6, Plenum Press: New York, pp. 19-29
Murai, K., Hayashi, Y., Miyoshi, Y., Inokuchi, S. (2004), “A Basic study on Navigators’ Visual Observation Area and Stress Level for Ship Handling by Actual Ships and Simulators”, IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems, Vol. 123, pp. 1311-1318
Mitchell, J. L. (2005), "Real-Time Synthesis and Rendering of Ocean Water," ATI Research Technical Report
Mujber, T. S., Szecsi, T., Hashmi, M. S. J. (2004), “Virtual reality applications in manufacturing process simulation”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 155-156, pp.1834-1838

상세보기
Ogre3D (2010), Open Source 3D Graphics Engine, http://www.ogre3d.org
OgreMax (2010), http://www.ogremax.com
Presagis (2009), http://www.presagis.com/
Roth, M., Voss, G., Reiners D. (2004), "Multithreading and clustering for scene graph systems", Vol. 28, pp. 63-66

상세보기
SkyX (2010), http://www.ogre3d.org/tikiwiki/SkyX.
Tessendorf, J. (1999), "Simulating Ocean Water," In SIGGRAPH Course Notes, Addison-Wesley
TinyXML (2010), http://www.grinninglizard.com/tinyxml/
Wallace, P. R., Northam G. A. (1997), “Training Task Analysis Methodology for Operational Flight Trainers”, in the Proceedings of the 19th Interservice/Industry Training, Simulation and Education Conference. Orlando, Florida

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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