[논문]선박 운항 시뮬레이터에서 해양파와 연동된 선박 및 부표 운동의 실시간 가시화

여동진; 차무현; 문두환

문제 정의

이 연구는 선박 운항 시뮬레이터에서 해양파에 따른 타선과 부표 운동의 가시화를 효과적으로 수행하기 위한 방법에 대한 것이다. 즉, 해양파로 인한 선박 및 부표의 실제 거동을 정확히 예측하는 것이 초점이 아니라 해양파에 의한 선박 및 부표의 운동을 실시간 처리가 가능한 한도 내에서 시각적으로 타당한 결과를 주는 것이 목적이다.
이 연구에서 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템에 요구되는 해양파와 연동된 타선 및 부표의 운동 모사를 위해, 선박 및 부표의 단순화된 운동 모델을 제안한 후 이 모델에 기반한 운동 계산 모듈의 구현 방안을 제시하였다. 그리고 공개형 3D 그래픽 엔진에 기반한 프로토타입 실시간 3D 가시화 시스템에 구현된 운동 계산 모듈의 적용하여 제안하는 방법의 유효성을 검증하였다.
이 연구는 선박 운항 시뮬레이터에서 해양파에 따른 타선과 부표 운동의 가시화를 효과적으로 수행하기 위한 방법에 대한 것이다. 즉, 해양파로 인한 선박 및 부표의 실제 거동을 정확히 예측하는 것이 초점이 아니라 해양파에 의한 선박 및 부표의 운동을 실시간 처리가 가능한 한도 내에서 시각적으로 타당한 결과를 주는 것이 목적이다. 이를 위해 실시간 3D 가시화 시스템의 해양파 모사 모듈이 생성한 파고 데이터를 입력으로 하여 선박과 부표의 운동을 계산하기 위한 단순 운동 모델을 제안하고 운동 계산 모듈을 구현하는 방법에 대해서 논의한다.
이 연구는 선박 운항 시뮬레이터에서 해양파에 따른 타선과 부표 운동의 가시화를 효과적으로 수행하기 위한 방법에 대한 것이다. 즉, 해양파로 인한 선박 및 부표의 실제 거동을 정확히 예측하는 것이 초점이 아니라 해양파에 의한 선박 및 부표의 운동을 실시간 처리가 가능한 한도 내에서 시각적으로 타당한 결과를 주는 것이 목적이다. 이를 위해 실시간 3D 가시화 시스템의 해양파 모사 모듈이 생성한 파고 데이터를 입력으로 하여 선박과 부표의 운동을 계산하기 위한 단순 운동 모델을 제안하고 운동 계산 모듈을 구현하는 방법에 대해서 논의한다.

가설 설정

이 연구에서는 선박 운항 시뮬레이터의 실시간 3D 가시화 시스템이 해양파를 모사하기 위해서 스펙트럼 모델을 사용한다고 가정한다. 이 절에서 스펙트럼 모델에 대해서 간략하게 살펴본다.
이 연구에서는 선박 운항 시뮬레이터의 실시간 3D 가시화 시스템이 해양파를 모사하기 위해서 스펙트럼 모델을 사용한다고 가정한다. 이 절에서 스펙트럼 모델에 대해서 간략하게 살펴본다.

제안 방법

운동 계산 모듈을 실시간 3D 가시화 시스템에 적용하기 위해서는 위에서 설명한 프레임 주기와 운동 계산 주기의 차이와 프레임 주기의 변동 가능성을 고려해야 한다. 그래서, Fig. 3과 같이, 하나의 프로세스 내에서 병렬적 자료 처리가 가능한 다중 스레드 기법을 적용하였다. 즉, 주 스레드(main thread)에서는 그래픽 렌더링을 담당하고, 별도의 독립 스레드에서는 운동 계산을 담당한다.
일반적으로 고계 미분 방정식의 수치 해법은 시간의 경과에 따라서 오차가 발산하는 문제점이 있다. 그러나 이 연구에서 제안하는 방법에서는 외부 입력에 해당되는 외력이 매 계산주기마다 계속 업데이트가 된다. 시점에서 실시간 3D 가시화 시스템의 해양파 모사 모듈로부터 파고 값을 받아와서 외력을 먼저 계산한 후에 4차 Runge-Kutta 방법을 이용하여 운동 방정식을 풀어 # 시점에서의 선박의 운동 정보를 계산한다.
즉, 주 스레드(main thread)에서는 그래픽 렌더링을 담당하고, 별도의 독립 스레드에서는 운동 계산을 담당한다. 그리고 스레드들 간에 지역 변수는 공유할 수 없기 때문에 운동 계산 모듈의 입력 데이터와 출력 데이터를 모두 전역 변수로 정의하여 실시간 3D 가시화 시스템의 타 모듈들과 공유할 수 있도록 하였다.
즉, 주 스레드(main thread)에서는 그래픽 렌더링을 담당하고, 별도의 독립 스레드에서는 운동 계산을 담당한다. 그리고 스레드들 간에 지역 변수는 공유할 수 없기 때문에 운동 계산 모듈의 입력 데이터와 출력 데이터를 모두 전역 변수로 정의하여 실시간 3D 가시화 시스템의 타 모듈들과 공유할 수 있도록 하였다.
해양파의 파고는 3ni로 설정하였고 타선의 길이는 150m, 폭은 15m이었다. 그리고 운동 모델의 튜닝 상수인 fLongiSlope, fTransSlope, fHeaveAverage, fPitchDamping, fRollDamping, fHesveDamping를 각각 0.35, 0.05, 0.3, 0.2, 0.5, 3으로 설정하였다. 실험 후 정성적인 시각적 평가로는 운동 계산 모듈이 사실감 있는 선박의 운동을 모사하는 것으로 판단된다.
시뮬레이터 관리자가 전달하는 주요 특성 값으로 선박(과 부표)의 길이 L과 폭 B가 있고, 다른 특성 값들의 전달 여부는 시뮬레이터마다 다르게 된다. 따라서 운동 빙-정식의 일반성을 확보하고 추가적인 선박과 부표의 데이터베이스 작성 부담을 줄이기 위해서, 선박의 형상을 직육면체로 가정하고, 운동 방정식에 사용되는 특성 값들을 다음과 같이 단순화하였다.
시뮬레이터 관리자가 전달하는 주요 특성 값으로 선박(과 부표)의 길이 L과 폭 B가 있고, 다른 특성 값들의 전달 여부는 시뮬레이터마다 다르게 된다. 따라서 운동 빙-정식의 일반성을 확보하고 추가적인 선박과 부표의 데이터베이스 작성 부담을 줄이기 위해서, 선박의 형상을 직육면체로 가정하고, 운동 방정식에 사용되는 특성 값들을 다음과 같이 단순화하였다.
이 연구에서 제안하는 해양파와 연동된 선박과 부표의 운동 계산 방법은 시뮬레이터 관리자에서 제공하는 선박 및 부표 제원 정보의 활용, 운동 방정식 및 선박 및 부표 특성치의 단순화, 해양파 모사 모듈의 결과 데이터를 활용함으로써 선박 운항 시뮬레이터에서의 활용성을 제고하였다. 또한 단순화로 인해서 선박이나 부표의 운동 특성이 손실되는 것을 보완하기 위해서 운동 방정식의 외력 값과 댐핑 값을 보정하는 튜닝 변수를 선박이나 부표별로 정의하여 관리하는 방법을 사용하였다.
선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템의 개발 과정에 3절과 4절에서 제안하는 방법을 적용하여 타선과 부표의 운동 계산 모듈을 구현하였다. 실시간 3D 가시화 시스템의 구현 환경은 다음과 같다.
운동 연산 스레드는 일정한 주기마다의 갱신이 필요하므로, 시간 제어를 위해 타이머를 적용해야 한다. 수치해석 등의 비교적 정확한 시간주기가 필요할 경우, Multimedia 타이머와 Windows Queue 타이머 등이 고려될 수 있으며, 이 연구에서는 Queue 타이머를 사용하였다. Queue 타이머는 윈도우 스레드 풀(Windows thread pool)을 활용하기 때문에 Multimedia 타이머보다 성능이 좋으며 시스템 리소스를 적게 차지한다^[11].
이 연구에서 제안하는 단순화된 선박 운동 모델의 효용성을 확인하기 위해서는 정성적인 시각적 평가와 아울러 정량적으로 선박 운동 모사 결과를 분석하였다. 정량적인 운동 모사 결과 분석을 위해 모사된 선박 운동의 시계열 자료를 확인하고 이에 대한 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역에서의 스펙트럼을 도출하였다.
이 연구에서 제안하는 해양파와 연동된 선박과 부표의 운동 계산 방법은 시뮬레이터 관리자에서 제공하는 선박 및 부표 제원 정보의 활용, 운동 방정식 및 선박 및 부표 특성치의 단순화, 해양파 모사 모듈의 결과 데이터를 활용함으로써 선박 운항 시뮬레이터에서의 활용성을 제고하였다. 또한 단순화로 인해서 선박이나 부표의 운동 특성이 손실되는 것을 보완하기 위해서 운동 방정식의 외력 값과 댐핑 값을 보정하는 튜닝 변수를 선박이나 부표별로 정의하여 관리하는 방법을 사용하였다.
이 연구에서 제안하는 해양파와 연동된 선박과 부표의 운동 계산 방법은 시뮬레이터 관리자에서 제공하는 선박 및 부표 제원 정보의 활용, 운동 방정식 및 선박 및 부표 특성치의 단순화, 해양파 모사 모듈의 결과 데이터를 활용함으로써 선박 운항 시뮬레이터에서의 활용성을 제고하였다. 또한 단순화로 인해서 선박이나 부표의 운동 특성이 손실되는 것을 보완하기 위해서 운동 방정식의 외력 값과 댐핑 값을 보정하는 튜닝 변수를 선박이나 부표별로 정의하여 관리하는 방법을 사용하였다.
GPU는 부동소수점 데이터의 병렬 계산이 가능하고 내적, 외적 등의 벡터 연산 라이브러리를 내장하기 때문에 CPU에 비해서 처리 속도가 빠르다. 이 연구에서 해양파 모사를 위해 사용하는 공개형 라이브러리인 Hydrax에도 GPU를 사용한 연산 방법 이 일부 적용되었다.
즉, 해양파로 인한 선박 및 부표의 실제 거동을 정확히 예측하는 것이 초점이 아니라 해양파에 의한 선박 및 부표의 운동을 실시간 처리가 가능한 한도 내에서 시각적으로 타당한 결과를 주는 것이 목적이다. 이를 위해 실시간 3D 가시화 시스템의 해양파 모사 모듈이 생성한 파고 데이터를 입력으로 하여 선박과 부표의 운동을 계산하기 위한 단순 운동 모델을 제안하고 운동 계산 모듈을 구현하는 방법에 대해서 논의한다. 그리고 공개형 그래픽 엔진인 Ogre3D를 기반으로 개발된 실시간 3D 가시화 시스템에 운동 계산 모듈을 적용한 결과를 설명한다.
다중 스레드 구동 시, 하나의 자원(변수)에 대해 동시에 쓰기(write) 명령이 일어나는 경우, 해당 자원의 접근 순서에 대한 동기화가 필요하다. 이를 위해 전역 변수에 대해, 각 스레드 별로 접근 권한을 서로 분리하여, 한 변수에 대해 동시에 쓰기접근을 수행할 수 없도록 하였다. 즉, 주 스레드는 파고에 관한 전역 변수를 쓰고, 선박 운동에 관한 전역 변수를 읽는다.
다중 스레드 구동 시, 하나의 자원(변수)에 대해 동시에 쓰기(write) 명령이 일어나는 경우, 해당 자원의 접근 순서에 대한 동기화가 필요하다. 이를 위해 전역 변수에 대해, 각 스레드 별로 접근 권한을 서로 분리하여, 한 변수에 대해 동시에 쓰기접근을 수행할 수 없도록 하였다. 즉, 주 스레드는 파고에 관한 전역 변수를 쓰고, 선박 운동에 관한 전역 변수를 읽는다.
이 연구에서 제안하는 단순화된 선박 운동 모델의 효용성을 확인하기 위해서는 정성적인 시각적 평가와 아울러 정량적으로 선박 운동 모사 결과를 분석하였다. 정량적인 운동 모사 결과 분석을 위해 모사된 선박 운동의 시계열 자료를 확인하고 이에 대한 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역에서의 스펙트럼을 도출하였다.
이 연구에서 제안하는 단순화된 선박 운동 모델의 효용성을 확인하기 위해서는 정성적인 시각적 평가와 아울러 정량적으로 선박 운동 모사 결과를 분석하였다. 정량적인 운동 모사 결과 분석을 위해 모사된 선박 운동의 시계열 자료를 확인하고 이에 대한 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역에서의 스펙트럼을 도출하였다.
통계적으로 측정된 해양파의 주파수 스펙트럼으로부터 푸리에 변환을 통해 시간에 따른 해양파의 높이장(height field)을 생성한다. 정현파들을 중첩할 때 불규칙적인 위상차를 적용하여 해양파 모사의 사실감을 더 한다. 그리고 수면 물결의 분산성 전파특성을 이용하면 뾰족한 물마루의 표현이 가능하다.
통계적으로 측정된 해양파의 주파수 스펙트럼으로부터 푸리에 변환을 통해 시간에 따른 해양파의 높이장(height field)을 생성한다. 정현파들을 중첩할 때 불규칙적인 위상차를 적용하여 해양파 모사의 사실감을 더 한다. 그리고 수면 물결의 분산성 전파특성을 이용하면 뾰족한 물마루의 표현이 가능하다.
타선 부표 운동 정보 갱신 과정에서 각 타선 및 부표의 네 점에 대한 파고 값을 해양파 모사 모듈로부터 받은 후 전역 변수에 저장한 후 전역 변수로 저장된 운동 정보를 받아 타선 및 부표의 운동 정보를 갱신한다. 운동 계산 모듈은, 별도의 스레드에서, 전역 변수로 저장된 파고 값을 읽어 운동 방정식을 풀은 후 결과 값(운동 정보)을 전역 변수에 저장한다.

대상 데이터

5이다. 해양파의 파고는 3ni로 설정하였고 타선의 길이는 150m, 폭은 15m이었다. 그리고 운동 모델의 튜닝 상수인 fLongiSlope, fTransSlope, fHeaveAverage, fPitchDamping, fRollDamping, fHesveDamping를 각각 0.

데이터처리

이 연구에서 선박 운항 시뮬레이터용 실시간 3D 가시화 시스템에 요구되는 해양파와 연동된 타선 및 부표의 운동 모사를 위해, 선박 및 부표의 단순화된 운동 모델을 제안한 후 이 모델에 기반한 운동 계산 모듈의 구현 방안을 제시하였다. 그리고 공개형 3D 그래픽 엔진에 기반한 프로토타입 실시간 3D 가시화 시스템에 구현된 운동 계산 모듈의 적용하여 제안하는 방법의 유효성을 검증하였다.

이론/모형

그러나 이 연구에서 제안하는 방법에서는 외부 입력에 해당되는 외력이 매 계산주기마다 계속 업데이트가 된다. 시점에서 실시간 3D 가시화 시스템의 해양파 모사 모듈로부터 파고 값을 받아와서 외력을 먼저 계산한 후에 4차 Runge-Kutta 방법을 이용하여 운동 방정식을 풀어 # 시점에서의 선박의 운동 정보를 계산한다. t₁ 시점에서도 역시 해양파 모사 모듈로부터 업 데이트된 파고 값을 가져와서 외력을 먼저 계산하고 # 시점에서의 선박의 운동을 계산한다.
시점에서 실시간 3D 가시화 시스템의해 양파 모사 모듈로부터 파고 값을 받아와서 외력을 먼저 계산한 후에 4차 Runge-Kutta 방법을 이용하여 운동 방정식을 풀어 t; 시점에서의 선박의 운동 정보를 계산한다.
의 상태 값)이 주어지는 초기값 문제로 정의할 수 있다. 이 문제의 해를 구하기 위해서 고계 미분 방정식의 수치 해법으로 많이 사용되는 4차 Runge-Kutta 법#을 사용한다.
의 상태 값)이 주어지는 초기값 문제로 정의할 수 있다. 이 문제의 해를 구하기 위해서 고계 미분 방정식의 수치 해법으로 많이 사용되는 4차 Runge-Kutta 법#을 사용한다.
해양파에 의한 선박과 부표의 운동 계산을 위해서 수치 해법을 사용한다. 미분 방정식의 수치 해법에서 이전 프레임의 시간 #와 현재 프레임 시간 #의 차이 d₁를 특정 값 이내로 일정하게 유지해야 안정적인 계산 결과를 얻을 수 있다.

성능/효과

개발된 실시간 3D 가시화 시스템은, Fig. 4와 같이, 공개형 3D 그래픽 엔진인 Ogre3D를 기반으로 개발되었으며, 크게 가시화 요소 기능, 시스템 관리 기능, 네트워크 통신 기능을 제공한다. 다선과 부표 운동 계산 모듈은 Fig.
5, 3으로 설정하였다. 실험 후 정성적인 시각적 평가로는 운동 계산 모듈이 사실감 있는 선박의 운동을 모사하는 것으로 판단된다.

후속연구

이 연구에서 제안하는 해양파에 의한 선박 및 부표 운동 모델을 개선하거나 구현 방법을 최적화하면 계산 결과의 신뢰성을 더 높일 수 있을 것이다. 예를 들어, 현재는 운동 방정식의 외력을 계산하기 위해서 종동요와 횡동요의 경우 두 점, 상하동요의 경우 네 점에서의 추출한 파고 데이터를 사용하지만, 여러 점에서의 추출한 파도 데이터를 적분하여 외력을 계산함으로써 선박 및 부표 운동 모사의 정확성을 높일 수 있다.
각각에 있어 저주파 영역을 중심으로 운동 응답이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 주파수 영역의 응답 특성은 모델링 파라미터를 조절하여 변화시킬 수 있으므로 각 선박 및 부표 등에 대한 운동 응답의 고유 주파수를 감안하여 모델링 파라미터를 조절하면 보다 효과적인 운동 모사가 가능할 것이라 판단된다.

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