[논문]3D 그래픽을 적용한 운전면허 시뮬레이터 설계

원지운; 홍진표

doi:10.14702/jpee.2013.169

3D 그래픽을 적용한 운전면허 시뮬레이터 설계
Design of Driver License Simulation Model Using 3D Graphics 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.5 no.2, 2013년, pp.169 - 176

원지운 (한국기술교육대학교 컴퓨터공학부) , 홍진표 (한국기술교육대학교 컴퓨터공학부)

초록
AI-Helper

최근 시뮬레이션 환경 구축은 모든 분야에 걸쳐서 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 특히 비행기나 우주선과 같은 한 번 작동 하는데 많은 비용이 드는 기기의 훈련일 경우, 실제 기기와 같은 환경을 시뮬레이터로 구축하여 놓음으로써 막대한 비용의 절감과 함께, 실전에서와 같은 훈련 효과를 가져올 수가 있다. 이에 우리는 일반 운전학원에서 운전 면허 획득을 위한 연습시 차량의 부족과 많은 인원으로 인해 대기 시간이 많이 지연되고 있음에 착안하여, 운전 연습에 맞는 시뮬레이터를 개발한다. 운전 연습에 적합한 시뮬레이터인 3D 레이싱 게임에 착안하여, 운전 면허 실습을 위한 컴퓨터 3D시뮬레이션 모델을 제안하고, 이를 사용하여 사람들이 실제 운행을 하는 것처럼 핸들을 조작하는 시뮬레이션 환경을 제공한다. 본 논문은 컴퓨터 3D 시뮬레이션을 활용하여 운전 연습 모델을 모델링하고, 이 모델링을 사용하여 시뮬레이터를 제작하여 활용하는 것에 관한 연구이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently the construction of simulation environment is an important issue in all fields. In case of the training for operating machines such as airplanes or spaceships which cause a huge cost, simulators could be helpful to reduce the costs and training efforts by simulating real situations. When people get a driver's license, too many trainees have to wait for their turns because of the limited number of cars and the small space of training sites. To solve this problem, we have designed and developed the basic design for the simulators. We suggest the Computer 3D Simulation Model for a driver's practice. The concept of this simulator is from a 3D Racing-game which suits for a driving exercise. We provide users with handle-controlled simulation settings to let users feel reality as if they drive in real through this simulator. We also use a 'force-feedback' system which gives handle vibration when users collide against obstacles or exceed lanes. Users can be absorbed in the simulation program and feel the sense of the real. This paper is the study about modeling the driving exercise model of 'computer 3D simulation', and producing and utilizing the simulator through this modeling.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

기기를 다루는 시뮬레이션 모델링 연구에서 주를 이루고 있는 비행시뮬레이션 모델링에도 주목하였는데, 논문 [4]는 국방부에서 진행하던 유도무기 비행시험체계에 관한 시뮬레이션을 모델링하고 작성하여 시뮬레이터를 개발하는 연구이다. 유도무기 비행시험체계란 유도무기의 비행시험 시 레이더시스템은 자체 송수신을 통한 탄도 추적을 수행하고, 원격 측정시스템은 유도탄 내부에 탑재된 항법시스템의 위치정보를 실시간으로 획득함으로써 수행되는 시뮬레이션이다.
본 운전 면허 시뮬레이션 프로그램은 운전면허를 취득할 때 발생하는 오랜 대기시간을 해소하고, 운전 연습자들이 보다 안전한 상태에서 운전에 대한 숙련도를 미리 높일 수 있도록 하기 위해 개발되었다. 운전면허 코스에 대한 적응력을 높이기 위해서, 주요 코스에 대한 기본 틀을 프로그램에 삽입하였다.
이렇게 제작된 시뮬레이터를 이용해서, 시뮬레이션을 실제 상황과 오차를 최대한으로 줄이도록 하여, 현실과 비슷한 시스템을 구축하는 것이 본 운전면허 시뮬레이션 모델링의 주요 목적이다.
이에 우리는 현실성 있는 3D 레이싱 게임에 착안하여, 운전 연습장에서 운전연습을 하기 위해 기다리는 시간과 차량 유지 비용 등을 줄일 수 있는 운전연습 3D시뮬레이션 모델을 제안한다. 이를 이용하여, 실제 운전을 하는 것처럼 기동 장치(핸들, 엑셀러레이터)를 조작하는 시뮬레이션환경을 제공하고자 한다.

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제안 방법

차량 시뮬레이터에 탑승한 운전자가 실제로 자동차를 운전하고 있다는 느낌을 갖게 하는 가상현실 장비를 개발하였다. 본 논문은 위와 같이 여러 장치들의 패턴을 응용하여 모델링하였다.
본 연구 수행을 위해 파이썬과 같은 고급 언어의 사용과 모델링을 위한 여러 툴등이 사용되었으며, 컴퓨터공학에서 교육하고 있는 프로그래밍 언어를 활용하여 실제적인 문제(시뮬레이션 모델링)에 적용해 보는 기회를 갖게 되었다. 또한, 운전 연습 시뮬레이터 구현을 위해서 여러 종류의 하드웨어 디바이스들을 조합하고, 하드웨어에서 피드백되는 데이터를 바탕으로 시뮬레이션 모델이 계산을 수행하게 하는 과정을 통해서 하드웨어/소프트웨어 통합(integration)에 관한 노하우를 얻을 수 있었다.
시뮬레이션 모델을 바탕으로, 여러 모듈들의 상관 관계에 따른 요구들을 분석한다. 그림 5는 운전 면허 시뮬레이션을 구성하는 주요 엔진에 관한 그림이다.
이는 운전연습자, 초보운전자 등에 적용할 수 있다. 실제와 비슷한 운전을 위해서 Logitech에서 제공하는Logitech Racing Wheel 25를 사용하여, 운전자의 촉각적 감각과 몰입감을 높이려 하였다. 개발을 위한 언어로는 python을 사용하였으며 3D오브젝트 모델링은 3Dmax, 시뮬레이션 동작을 위한 3D engine 으로는 panda3D를 사용 하였다.
가장 문제가 될 만한 요소는 현실감 있는 시뮬레이션 구현이다. 운전 면허 시뮬레이션의 모델링 구현을 DEVS 시뮬레이션 모델을 사용하여 분석함으로써 앞으로 나올 운전 면허 시뮬레이션의 토대를 마련하고자 한다.
위와 같은 비행시험체계 시뮬레이터를 설계하는데 있어서 본 논문과 유사한 부분이 많았는데, 이 비행시뮬레이터 연구는 시험 환경을 모사하는 비행시험 시나리오를 생성하고, 비행시험체계를 구체적으로 모델링하고 실험을 한다. 위에 언급한 대로, 본 논문도 운전면허 시험 시뮬레이션 시 발생할 수 있는 여러 가지 시나리오, 즉 자동차 제동거리, 가속도, 주위 날씨 등을 생성하고, 동작 환경을 고려하여 시뮬레이션 모델링을 작성하였다.
유도무기 비행시험체계란 유도무기의 비행시험 시 레이더시스템은 자체 송수신을 통한 탄도 추적을 수행하고, 원격 측정시스템은 유도탄 내부에 탑재된 항법시스템의 위치정보를 실시간으로 획득함으로써 수행되는 시뮬레이션이다. 위와 같은 비행시험체계 시뮬레이터를 설계하는데 있어서 본 논문과 유사한 부분이 많았는데, 이 비행시뮬레이터 연구는 시험 환경을 모사하는 비행시험 시나리오를 생성하고, 비행시험체계를 구체적으로 모델링하고 실험을 한다. 위에 언급한 대로, 본 논문도 운전면허 시험 시뮬레이션 시 발생할 수 있는 여러 가지 시나리오, 즉 자동차 제동거리, 가속도, 주위 날씨 등을 생성하고, 동작 환경을 고려하여 시뮬레이션 모델링을 작성하였다.
[3]에서는 PC-Based 실시간 차량 시뮬레이션을 위해 가상 현실과 자동차공학이 융합되는 차량 시뮬레이션으로, 가상의 주행 및 시험 환경을 구축하고, 이를 이용하여 인간의 반응 및 감성까지 포함하여 실제 실험과 같은 효과를 안전하고 효율적으로 얻고자 했다. 이를 가능케 하기위해서, 차량 시뮬레이터는 운전자가 자동차를 운전하는 동안 수행하는 조향 휠 조작, 가감속 페달 조작 등을 통해 야기되는 차량의 운동을 실시간 시뮬레이션을 수행해 예측하고, 그 결과를 운동, 시각 및 음향 큐를 통해 운전자에게 피드백한다. 차량 시뮬레이터에 탑승한 운전자가 실제로 자동차를 운전하고 있다는 느낌을 갖게 하는 가상현실 장비를 개발하였다.
이에 우리는 현실성 있는 3D 레이싱 게임에 착안하여, 운전 연습장에서 운전연습을 하기 위해 기다리는 시간과 차량 유지 비용 등을 줄일 수 있는 운전연습 3D시뮬레이션 모델을 제안한다. 이를 이용하여, 실제 운전을 하는 것처럼 기동 장치(핸들, 엑셀러레이터)를 조작하는 시뮬레이션환경을 제공하고자 한다. 그리고 좀 더 실감형으로 몰입할 수 있도록, 차체가 충돌을 하거나 차선을 넘을경우, 핸들에 진동이 오는 force-feedback 장치를 활용한다.
이에 반해, 2종 승합차는 가볍고 운전하기 쉽게 모델링되어야한다. 주행 코스 지도는 전체 코스를 대상으로 하지 않고, 굴절 코스, T자 코스, S자 코스등 3개의 코스를 집중 구현하였다. 이 외에 나머지 코스들은 추후에 다시 모델링 할 것이다.
이를 가능케 하기위해서, 차량 시뮬레이터는 운전자가 자동차를 운전하는 동안 수행하는 조향 휠 조작, 가감속 페달 조작 등을 통해 야기되는 차량의 운동을 실시간 시뮬레이션을 수행해 예측하고, 그 결과를 운동, 시각 및 음향 큐를 통해 운전자에게 피드백한다. 차량 시뮬레이터에 탑승한 운전자가 실제로 자동차를 운전하고 있다는 느낌을 갖게 하는 가상현실 장비를 개발하였다. 본 논문은 위와 같이 여러 장치들의 패턴을 응용하여 모델링하였다.
:: 사용자가 프로그램을 수행하는데 있어서 기본적으로 알아야 하는 사항을 알려준다. 프로그램을 소개하고, 플레이 방식과 지켜야 할 사항을 적어 두었다 (그림 8).

이론/모형

동적인 데이터 타입결정으로 데이터 타입에 얽매이지 않는 프로그램 코드를 작성할 수 있다. 3D 그래픽 및 시뮬레이션을 수행하기 위해 python 환경에서 동작하는 Panda3D 3D engine 을 사용하였다.
자동차의 바퀴가 경계선을 넘을 때 점수를 감점할 수 있도록 경계선을 Collision Detect 함수를 사용하여 구현한다. python의 여러 Collision Detect 함수 중에서 본 연구에서는 CollisionPolygon()를 사용하여 구현하였다[9]. 충돌시 score( )함수에 값을 넘겨 적절하게 점수를 깎도록한다.
실제와 비슷한 운전을 위해서 Logitech에서 제공하는Logitech Racing Wheel 25를 사용하여, 운전자의 촉각적 감각과 몰입감을 높이려 하였다. 개발을 위한 언어로는 python을 사용하였으며 3D오브젝트 모델링은 3Dmax, 시뮬레이션 동작을 위한 3D engine 으로는 panda3D를 사용 하였다.
경계선이나 과속 방지 턱과 같은 사물은 충돌 검출이 필요하다. 자동차의 바퀴가 경계선을 넘을 때 점수를 감점할 수 있도록 경계선을 Collision Detect 함수를 사용하여 구현한다. python의 여러 Collision Detect 함수 중에서 본 연구에서는 CollisionPolygon()를 사용하여 구현하였다[9].

성능/효과

본 연구 수행을 위해 파이썬과 같은 고급 언어의 사용과 모델링을 위한 여러 툴등이 사용되었으며, 컴퓨터공학에서 교육하고 있는 프로그래밍 언어를 활용하여 실제적인 문제(시뮬레이션 모델링)에 적용해 보는 기회를 갖게 되었다. 또한, 운전 연습 시뮬레이터 구현을 위해서 여러 종류의 하드웨어 디바이스들을 조합하고, 하드웨어에서 피드백되는 데이터를 바탕으로 시뮬레이션 모델이 계산을 수행하게 하는 과정을 통해서 하드웨어/소프트웨어 통합(integration)에 관한 노하우를 얻을 수 있었다.
시뮬레이션 모델을 구조화하여, 여러 모듈들의 입출력 관계와 상관관계를 정확하게 알 수 있다. 예를 들어, Hardware Device는 handle과 accelerator, gear로 구성되는데, 여기서 사용자의 입력이 발생하면, 그 결과를 프로그램에서 처리하고, View Device에 입력으로 값이 들어감으로써 사용자 화면에 출력되는 형식이다.

후속연구

최근 대부분의 시뮬레이션은 사용자에게 실제 환경과 같은 사실적인 느낌을 줄 수 있는 3D환경으로 개발되고 있다. 더 나아가 시각뿐만이 아니라 촉각, 후각 등의 오감으로 느낄 수 있는 형태의 게임들도 개발될 것이다. 이러한 실감형 게임에서 지원하는 3차원 영상은 가상현실분야에서도 중요한 자리를 차지하고 있으며, 3D Graphic Simulation과 유사한 점이 있다[1].
그림 10과 그림 11 같이 몇몇 주요한 코스만을 구현하였다. 운전 코스를 모두 구현하진 못했으며, 전체적인 코스 구현은 차후에 진행할계획이다.
향후 구현되지 않은 운전 코스들을 추가하여 좀더 완성도를 높인 운전 면허 시뮬레이터 구현이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시뮬레이션 종류에는 어떤 방법이 있는가?	Simulation이란 복잡한 문제를 해석하기 위하여, 모델에 의한 실험 또는 사회현상 등을 해결하는 데, 실제와 비슷한 상태를 수식 등으로 만들어, 모의적(模擬的)으로 연산(演算)을 되풀이하여 그 특성을 파악하는 작업이다. 시뮬레이션 종류에는 현실세계에서 수행환경을 만들어 수행하는 아날로그적인 방법과 컴퓨터 환경에서 시뮬레이션 프로그램을 작성하여 수행하는 방법이 있다. 아날로그적으로 시뮬레이션을 수행하는데에는 많은 시간과 비용이 요구되고, 시뮬레이션을 반복 수행할 때 환경 조건들을 다시 만들어야 하는 번거로움이 있다.
	Simulation이란?	요즘 나오는 컴퓨터는 복잡한 연산이 많이 사용되고 부하가 큰 3D Modeling, 3D Game Simulation 처리를 별다른 무리 없이 실행할 수 있을 정도로 뛰어난 성능을 가지고 있다. Simulation이란 복잡한 문제를 해석하기 위하여, 모델에 의한 실험 또는 사회현상 등을 해결하는 데, 실제와 비슷한 상태를 수식 등으로 만들어, 모의적(模擬的)으로 연산(演算)을 되풀이하여 그 특성을 파악하는 작업이다. 시뮬레이션 종류에는 현실세계에서 수행환경을 만들어 수행하는 아날로그적인 방법과 컴퓨터 환경에서 시뮬레이션 프로그램을 작성하여 수행하는 방법이 있다.
	가상 현실과 자동차공학이 융합되는 차량 시뮬레이션이 가능하게 하기 위해 수행한 것은?	[3]에서는 PC-Based 실시간 차량 시뮬레이션을 위해 가상 현실과 자동차공학이 융합되는 차량 시뮬레이션으로, 가상의 주행 및 시험 환경을 구축하고, 이를 이용하여 인간의 반응 및 감성까지 포함하여 실제 실험과 같은 효과를 안전하고 효율적으로 얻고자 했다. 이를 가능케 하기위해서, 차량 시뮬레이터는 운전자가 자동차를 운전하는 동안 수행하는 조향 휠 조작, 가감속 페달 조작 등을 통해 야기되는 차량의 운동을 실시간 시뮬레이션을 수행해 예측하고, 그 결과를 운동, 시각 및 음향 큐를 통해 운전자에게 피드백한다. 차량 시뮬레이터에 탑승한 운전자가 실제로 자동차를 운전하고 있다는 느낌을 갖게 하는 가상현실 장비를 개발하였다. 본 논문은 위와 같이 여러 장치들의 패턴을 응용하여 모델링하였다.

참고문헌 (10)

Y. Kang, Game development techniques. Seoul: Information Publishing Group, 2002.
B. P. Zeigler, H. Praehofer, and T. G. Kim, Theory of Modeling and Simulation Second Edition: Integrating Discrete Event and Continuous Complex Dynamic Systems, 2nd ed. Academic Press, 2000.
J. H. Cho, D. C. Choi, S. C. Yoo, and W. S. Lee, "PC-Based Real-time Driving Simulation," The Korea Society For Simulation '2000 Fall Conference Papers', pp. 192-197, 2000.
Y. J. Lee, "Missile flight test system simulator," Defense Science & Technology Plus, vol. 15, 2005
H. S. Seo and T. H. Cho, "An application of blackboard architecture for the coordination among the security systems," Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 11, no. 3-4, pp. 269-284, Jul. 2003.

상세보기
H. S. Seo and T. H. Cho, "Simulation Model Design of Security System based on Policy-Based Framework,"SimulationTransactions of The Society for Modeling and Simulation International, vol. 79, no. 9, pp. 515-527, Sep. 2003.

상세보기
H. S. Seo, "Network security agent DEVS simulation modeling," Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 14, no. 5, pp. 481-492, Jul. 2006.

상세보기
Free open source game and simulation engine developed by Disney and maintained by Carnegie Mellon University's Entertainment Technology Center [internet]. Available:http://www.panda3d.org/.
G. S. Lee, Python, 2th ed. Bucheon: Freelec, 2005.
H. W. Nam, 3DS MAX Design. Seoul: Information Publishing Group, 2006.

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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