[논문]발달 장애인을 위한 증강현실 기반 상황훈련 시스템

최재인; 김경래; 김태영

doi:10.9717/kmms.2013.16.5.629

[국내논문] 발달 장애인을 위한 증강현실 기반 상황훈련 시스템
A Situational Training System based on Augmented Reality for Developmentally Disabled People 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.16 no.5, 2013년, pp.629 - 636

최재인 (서경대학교 컴퓨터공학과) , 김경래 (서경대학교 컴퓨터공학과) , 김태영 (서경대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

최근 정보통신 기술과 복지수준이 발전함에 따라 일반인들을 위한 여러 인터페이스 장비나 훈련 시스템들이 개발되고 있으나 발달 장애인을 위한 훈련 시스템은 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 발달 장애인이 일상생활에 잘 적응할 수 있도록 인지능력과 상황대처 능력의 향상을 위한 증강현실 기반 실시간 상황 훈련시스템을 제안한다. 본 시스템은 '음식점 서빙'이라는 주제에 기반을 두고 있다. 이 시스템은 증강현실 기술을 기반으로 훈련자에게 다양한 상황에 대한 경험을 안전하게 반복 훈련 가능하도록 한다. 훈련자는 HMD를 착용하고 훈련 공간 주위를 볼 수 있으며, 시나리오에 따른 상황 훈련을 수행한다. 본 시스템을 3개월간 특수학교에서 실시한 결과 발달 장애 학생들은 HMD 착용에 대한 거부감 없이 흥미를 가지고 훈련에 참여했으며 점차 인지속도가 빨라지고 상황대처 능력이 향상됨을 알 수 있었다. 또한 특수학교 교사들로부터 본 시스템이 교육적 효과가 매우 뛰어나다는 피드백을 받았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays, many interface devices or training systems have been developed with recent developments in IT technology but only a few training systems for developmentally disabled people have been introduced. In this paper, we present a real-time, interactional and situational training system based on augmented reality in order to improve cognitive capability and adaptive ability in the daily life of developmentally disabled people. Our system is specifically based on serving food in restaurants. This augmented reality based system provides them to experience various different situations safely and take the training session as much as they want under any circumstances. When they use our system, they are able to look around with Head Mounted Display(HMD) and take training sessions easily based on various situational scenarios. After experimenting on our system for 3 months, we found they had no aversion about wearing HMD and learned quicker as they practiced over and over and improved their cognitive capability and adaptive ability. We also got a positive feedback that it had an excellent educational value from teachers in special-education-school.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 증강 현실을 기반으로 발달 장애인이 음식점 종업원이 되어 손님에게 음식을 서빙하는 실시간 상황훈련 시스템을 제안한다. 카메라가 부착된 HMD를 착용한 장애인이 음식점에서 서빙하는 일련의 상황에 대해 대처하는 훈련에 참여하고, 장애인이 훈련도중 돌발 상황을 할 때에는 이를 인지하여 올바른 훈련을 할 수 있도록 유도한다.
훈련도중 사용자에게 흥미를 부여하고 인지 능력의 향상을 위하여 입력 인터페이스로 손 인식을 통한 가상의 손 제어기술과 사용자의 돌발 행동이나 잘못된 훈련수행을 특정 마커없이 모니터링 가능한 상황인식 기술을 제시한다. 또한 시나리오 재구성 기능을 제공하여 특수 교사가 직접 시나리오를 쉽게 편집할 수 있도록 하여 한 시스템 내에서 장애수준에 따른 다양한 상황 시나리오를 적용한 맞춤식 개별 교육이 가능하도록 한다.
본 논문에서는 특수학교 선생님이 직접 참여하여 발달 장애인이 음식점 종업원이 되어 손님에게 음식을 서빙하는 상황훈련 시나리오를 설계하였다. 이를 위한 기본적인 훈련 시나리오는 표 2와 같다.
그림 1은 본 논문에서 제안하는 상황훈련 시스템 환경을 나타낸다. 본 시스템은 HMD에 부착된 카메라가 훈련자의 정면을 촬영하여 획득된 실세계 영상과 가상의 3D 모델들을 정합한 증강현실을 훈련자의 HMD와 훈련관리 모니터 상에 보여주어 훈련을 통한 상호작용이 가능하도록 한다. 주방 테이블에는 가상의 음식들이 보여 지고, 손님 테이블에는 가상의 손님이 보여 진다.
증강현실을 이용한 교육 콘텐츠는 다양하지만 발달장애인을 위한 교육 콘텐츠는 미흡하였다. 이에 본 논문은 발달 장애인이 일상생활에 잘 적응할 수 있도록 부족한 인지 능력과 상황 대처 능력 향상에 도움을 주기 위한 증강현실 기반 상황훈련 시스템을 제안하였다. 본 논문은 일상생활에서 훈련하기 어려운 “음식점에서 서빙하기”이라는 주제로 특수학교의 자문을 받아 시나리오를 구성하였다.

제안 방법

카메라가 부착된 HMD를 착용한 장애인이 음식점에서 서빙하는 일련의 상황에 대해 대처하는 훈련에 참여하고, 장애인이 훈련도중 돌발 상황을 할 때에는 이를 인지하여 올바른 훈련을 할 수 있도록 유도한다. 훈련도중 사용자에게 흥미를 부여하고 인지 능력의 향상을 위하여 입력 인터페이스로 손 인식을 통한 가상의 손 제어기술과 사용자의 돌발 행동이나 잘못된 훈련수행을 특정 마커없이 모니터링 가능한 상황인식 기술을 제시한다. 또한 시나리오 재구성 기능을 제공하여 특수 교사가 직접 시나리오를 쉽게 편집할 수 있도록 하여 한 시스템 내에서 장애수준에 따른 다양한 상황 시나리오를 적용한 맞춤식 개별 교육이 가능하도록 한다.
훈련도중 장애인의 흥미를 유발하고 인지능력을 높이기 위하여 그림 2와 같이 사용자 손의 움직임을 인식하여 메뉴 선택(순서 2), 접시 닦기(순서 4), 거스름돈 계산(순서 5)을 하는 기능을 제공한다. 본 시스템은 카메라를 통해 획득한 영상을 통하여 사용자의 손 영역을 검출하여 손 무게중심, 손 끝점, 손 축 방향정보를 획득하여 이를 기반으로 가상의 손을 화면에 보여준다.
훈련도중 장애인의 흥미를 유발하고 인지능력을 높이기 위하여 그림 2와 같이 사용자 손의 움직임을 인식하여 메뉴 선택(순서 2), 접시 닦기(순서 4), 거스름돈 계산(순서 5)을 하는 기능을 제공한다. 본 시스템은 카메라를 통해 획득한 영상을 통하여 사용자의 손 영역을 검출하여 손 무게중심, 손 끝점, 손 축 방향정보를 획득하여 이를 기반으로 가상의 손을 화면에 보여준다.
그림 3은 본 논문에서 제안한 손 인식 기법을 그림으로 나타낸 것이다. 먼저 RGB 컬러영역에서 HSV 컬러영역으로 영상을 변환하고 H, S 값에 대한 이중임계값과 연결 요소 분석을 이용하여 손 영역을 분할한다[9]. 다음으로 분할된 영역에 대하여 0, 1차 모멘트를 적용하고 이를 이용하여 손 영역에 대한 무게 중심점을 구한다.
마지막으로 무게중심점과 손 끝점에 대한 벡터를 통하여 손의 축을 구한다. 연속된 프레임간의 손 끝점에 대한 히스토리 버퍼를 누적하여 손 떨림을 보정하고 시간 일관성(Temporal coherence)을 이용하여 입력영상 중 손 영역에 대한 경계상자(Bounding box)를 설정하여 그 영역에 대해서만 손 인식을 적용하여 처리시간을 가속화시켰다.
그림 4는 본 시스템의 상황인식 과정을 보여준다. 먼저 주변 환경 영상에 대하여 특징 서술자 데이터베이스를 구축한 후 HMD 입력영상과 DB 영상의 비교를 통해 장애인이 어느 곳을 바라보고 있는지 모니터링 한다. 만약 그림 5와 같이 엉뚱한 곳을 바라보거나 이동하면 경고 메시지를 주어 올바른 행동을 할 수 있도록 유도한다.
본 시스템은 SURF(Speeded Up Robust Features)를 이용하여 특징 데이터 추출을 수행한다. SURF는 특징 데이터에 대한 서술자를 64∼128 차원의 부동 소수점 데이터로 구성하기 때문에 특징 서술자를 검색하는데 상대적으로 높은 처리 비용이 든다[10-12].
따라서 본 논문에서는 64 차원의 부동소수점 데이터에서 16 차원 정수 데이터로 변환하고, 다시 16 차원 정수 데이터는 4 차원 정수 데이터로 변환하는 부호화 과정을 수행한다. 4 차원 정수 데이터로 부호화한 특징 서술자는 정수형 특징 서술자로 변환하면서 손실된 데이터로 인해 다른 특징 서술자간의 중복이 발생하지만 유사한 서술자들을 그룹화 하는 인덱스로 역이용할 수 있다.
특징 서술자를 추출하는 과정에서 잡음이 서술자에 포함되어 실제 매칭이 가능한 두 개의 서술자가 서로 다른 그룹에 포함될 수 있으므로 특징 서술자 검색할 때에는 대표 인덱스를 비교하여 유사도가 일정 임계값을 만족하는 모든 그룹을 검색 대상으로 선택하여 특징 서술자 검색의 정확도와 속도를 높였다. 검색할 특징 서술자를 4차원 데이터로 부호화한 뒤 구축된 데이터베이스의 단계 1에 나열된 인덱스와의 유사성을 비교하여 해당 인덱스를 찾는다. 해당 인덱스와 연결된 단계 2의 4차원 인덱스들과의 거리 비교 값이 임계값 미만인 모든 4차원 인덱스를 선별한다.
해당 인덱스와 연결된 단계 2의 4차원 인덱스들과의 거리 비교 값이 임계값 미만인 모든 4차원 인덱스를 선별한다. 선별한 4차원 인덱스와 연결된 단계 3의 모든 16차원 인덱스와의 거리 비교를 수행하여 임계값 미만의 16차원 인덱스를 2차 분류한다. 2차 분류된 16차원 인덱스와 연결된 원본 특징 서술자의 유클리드 거리 값을 비교하여 거리 값이 최소인 특징 서술자를 찾고, 해당 특징 서술자가 임계값보다 작은 경우 매칭 되었다고 판단한다.
본 시스템은 증강현실 구현에 필요한 마커 검출과 영상 정합을 위하여 ARToolkit[13]과 DirectX 9.0을 사용하여 구현되었다. i5 2500 CPU와 4GB RAM의 성능을 가진 PC 상에서 본 시스템을 실험한 결과 카메라 해상도 640×480에서 60프레임을 유지 하면서 잘 동작함을 확인하였다.

대상 데이터

본 논문에서 제안된 상황인식 방법과 기존 방법을 비교하기 위해 특징 서술자 약 10만개를 추출하여 데이터베이스를 구성하였다. 각 방법 간의 데이터베이스 검색 시간은 표 3과 같다.
본 시스템을 특수학교의 각 학년당 수준별 2명씩 구성된 초등 4학년 6명, 중등 1학년 6명, 고등 2학년 6명을 대상으로 실험해 보았다(그림 7). 특수학교 학생의 지적 수준을 분류하면 상 수준은 기본적인 의사소통과 생활능력을 갖춘 학생이고, 중 수준은 낮은 수용언어와 표현언어, 미숙한 생활능력을 보이는 학생이며, 하 수준은 장애가 심하여 스스로 학습이나 생활능력이 곤란한 학생이다.

성능/효과

특징 서술자를 추출하는 과정에서 잡음이 서술자에 포함되어 실제 매칭이 가능한 두 개의 서술자가 서로 다른 그룹에 포함될 수 있으므로 특징 서술자 검색할 때에는 대표 인덱스를 비교하여 유사도가 일정 임계값을 만족하는 모든 그룹을 검색 대상으로 선택하여 특징 서술자 검색의 정확도와 속도를 높였다. 검색할 특징 서술자를 4차원 데이터로 부호화한 뒤 구축된 데이터베이스의 단계 1에 나열된 인덱스와의 유사성을 비교하여 해당 인덱스를 찾는다.
선별한 4차원 인덱스와 연결된 단계 3의 모든 16차원 인덱스와의 거리 비교를 수행하여 임계값 미만의 16차원 인덱스를 2차 분류한다. 2차 분류된 16차원 인덱스와 연결된 원본 특징 서술자의 유클리드 거리 값을 비교하여 거리 값이 최소인 특징 서술자를 찾고, 해당 특징 서술자가 임계값보다 작은 경우 매칭 되었다고 판단한다.
0을 사용하여 구현되었다. i5 2500 CPU와 4GB RAM의 성능을 가진 PC 상에서 본 시스템을 실험한 결과 카메라 해상도 640×480에서 60프레임을 유지 하면서 잘 동작함을 확인하였다.
비교 결과 타 연구의 검색시간에 비해서는 데이터베이스의 크기를 고려하지 않더라도 약 20～40배의 성능 개선이 이루어 졌음을 확인할 수 있다. 그리고 동일한 성능의 하드웨어에서의 비교를 위해 KDTree 방법과 제안한 방법을 비교하면 약 1.
비교 결과 타 연구의 검색시간에 비해서는 데이터베이스의 크기를 고려하지 않더라도 약 20～40배의 성능 개선이 이루어 졌음을 확인할 수 있다. 그리고 동일한 성능의 하드웨어에서의 비교를 위해 KDTree 방법과 제안한 방법을 비교하면 약 1.5～80배의 성능 개선을 확인할 수 있다. KD-Tree 방법은 데이터베이스의 검색 범위가 0.
또한 검색 범위가 넓은 경우 여러 개의 특징 서술자가 검색되므로 결과 내에서 유클리드 거리 오차가 가장 작은 서술자를 검색하기 위한 추가시간이 필요하게 된다. 일반적으로 영상 내 잡음이 있는 경우 검색범위가 넓어지므로 본 방법이 성능적인 면에서 효율성이 높음을 알 수 있다.
특수학교 학생의 지적 수준을 분류하면 상 수준은 기본적인 의사소통과 생활능력을 갖춘 학생이고, 중 수준은 낮은 수용언어와 표현언어, 미숙한 생활능력을 보이는 학생이며, 하 수준은 장애가 심하여 스스로 학습이나 생활능력이 곤란한 학생이다. 각 수준별 훈련을 실행한 결과 상 수준의 학생은 대체로 훈련을 반복함에 따라 대처능력이 향상되어 훈련에 잘 적응하였고, 언어적 지시에 대한 정보처리가 미숙한 중 수준의 학생은 일정시간 내에 훈련을 수행하지 못할 때 시스템에서 제공되는 안내 음성을 통해 차츰 적응하였으며, 학습 능력이 부족한 하 수준의 학생은 인지능력 부족으로 인하여 스스로 훈련에 적응하기 힘든 모습을 보였지만, 선생님의 도움을 통해 훈련을 수행하였다.
훈련에 참여한 학생은 훈련 초기에 프로그램의 진행과정을 잘 따르지 못해 선생님이나 보호자의 도움을 받으면서도 각 단계별로 많은 시간이 소요되었지만 차츰 음성 지시에 주의를 기울이고, 손을 이용한 가상의 손 제어, 음식 메뉴에 대한 인식, 서빙 그릇과 치워야 하는 그릇의 비교에 익숙해지면서 하수준의 학생을 제외한 대부분의 학생들이 다른 사람의 도움 없이 각 단계별로 수행 시간이 단축되었다. 훈련을 수행하면서 발달 장애 학생은 타인에 대한 주의집중을 통한 의사소통과 상호작용 능력, 계산 처리능력이 발달되었고 반복적인 작업의 수행을 통해 작업결과의 정확성이 매우 향상됨을 알 수 있었다.
본 시스템을 수행하는 동안 훈련자는 증강현실기반의 상황훈련 시스템을 훈련함에 따라 HMD 착용에 대한 거부감이 전혀 없었고, 오히려 증강현실 환경에 몰입하여 매우 흥미로운 표정으로 훈련에 임했다. 또한 특수학교 교사들로부터 본 시스템은 상황훈련의 과정이 가지고 있는 안정성, 반복성, 일률성의 특징으로 사회성 개발이 어려운 자폐성 발달 장애학생에게 매우 효과적인 교육 시스템이라는 평가와 표 4와 같이 3개월간 훈련을 수행한 학생들에 대한 수준별 피드백을 받았다.
훈련자는 HMD가 부착된 카메라를 통해 주위 영상을 획득하고 음성 안내에 따라 쉽게 상황 훈련이 가능하다. 실제 발달 장애인을 대상으로 3개월간 본 시스템을 실험한 결과 흥미유발이 가능하고 반복 훈련을 통한 인지속도가 점점 더 빨라지고 인지 능력 및 상황대처 능력이 향상됨을 알 수 있었다. 학생의 수준에 맞추어 상황훈련을 실시한 결과 수행능력은 연령보다는 개인별 능력의 차이에 따라 다르게 나타났는데 발달 장애인의 개인별 능력은 학습과 훈련의 증가에 따른 반복적인 경험정도로 차이가 발생하므로 본 서비스를 통해 조기에 중재한다면 보다 빨리 실생활에 적응할 수 있을 것이다.
실제 발달 장애인을 대상으로 3개월간 본 시스템을 실험한 결과 흥미유발이 가능하고 반복 훈련을 통한 인지속도가 점점 더 빨라지고 인지 능력 및 상황대처 능력이 향상됨을 알 수 있었다. 학생의 수준에 맞추어 상황훈련을 실시한 결과 수행능력은 연령보다는 개인별 능력의 차이에 따라 다르게 나타났는데 발달 장애인의 개인별 능력은 학습과 훈련의 증가에 따른 반복적인 경험정도로 차이가 발생하므로 본 서비스를 통해 조기에 중재한다면 보다 빨리 실생활에 적응할 수 있을 것이다.

후속연구

본 논문에서 제시된 시스템은 문화적 소외계층이라고 할 수 있는 발달장애인의 일상생활 적응 훈련에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 다양한 시나리오를 통해 여러 가지 상황훈련이 가능하여 장애인은 물론, 유아 및 노인들을 대상으로 활용될 수 있다.
향후 연구 방향으로는 추가적인 시나리오의 확장으로 발달 장애인들에게 다양한 훈련을 제공하여 상황 훈련의 활용성을 늘릴 예정이다. 또한 훈련 결과에 대한 평가 분석에 따라 발달 장애아동 개인에 대한 데이터베이스를 수록하여 다음 훈련에 반영하는 기법에 대해서도 연구할 예정이다.
향후 연구 방향으로는 추가적인 시나리오의 확장으로 발달 장애인들에게 다양한 훈련을 제공하여 상황 훈련의 활용성을 늘릴 예정이다. 또한 훈련 결과에 대한 평가 분석에 따라 발달 장애아동 개인에 대한 데이터베이스를 수록하여 다음 훈련에 반영하는 기법에 대해서도 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증강 기술을 이용한 상황훈련의 이로운 점은?	증강 기술을 이용한 상황훈련은 발달 장애인의 장애수준에 맞춰 일대일 학습과 경험이 가능하므로 발달 장애인이 학습과 일상생활에서 겪게 되는 실패의 경험을 최소화하고 성공적인 경험을 확대시키는데 크게 기여할 수 있다. 표 1은 각 생활 영역별로 발달장애인이 겪는 문제점과 상황훈련을 통하여 익힐 수 있는 교육적인 효과를 나타낸 것이다.
	발달장애인이란?	발달장애인들은 신체 및 정신 연령이 정상인보다 낮아 일상생활을 하는데 도움이 필요한 사람을 말한다. 발달 장애인의 경우 정신연령은 유아 수준이라 하더라도 대처해야 할 환경은 일반 성인들의 환경과 동일하므로 이들이 일상생활을 잘 하기 위해서는 다양한 상황에 대한 훈련을 반복 학습하여야 한다.
	발달장애인을 위한 특수교육이 현실적으로 시행하기 어려운 이유는?	훈련의 예로는 위험한 도구들을 다루는 훈련, 상점이나 음식점을 이용하는 훈련, 교통안전 훈련 등으로 매우 다양하다. 하지만 장애인을 위한 특수교육은 일정한 시간과 공간에서 교사의 지시 하에 교육을 실시하므로 반복학습이 어렵다. 특히, 실제 도구를 가지고 훈련을 하거나 현장에서 훈련을 행해야 하는 교육은 환경을 구축하는데 많은 비용이 필요하며, 안전사고 발생의 가능성이 일반인에 비해 월등히 높아 현실적으로 훈련을 시행하기 어려운 문제가 있다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
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상세보기
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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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