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문제 정의
- 동시에, 모션 피드백이 존재하는 스키 스포테인먼트 실감체험 플랫폼의 요소기술 개발 내용을 개략적으로 소개하고자 한다.
- 본고에서는 스키 스포테인먼트 실감체험플랫폼 기술에 적용되는 기본 베이스의 리니어 액츄에이터 기구적 움직임에 대한 스키 자세를 분석하여 양발의 스키 플레이트를 독립적 제어로 A자 자세, 패러럴 자세, 좌/우 움직임뿐 아니라 사용자가 가속감을 느낄 수 있도록 전/후 모션과 높낮이를 스케일 할 수 있는 기능을 추가하였다. 따라서 언덕을 넘거나 급경사를 느낄 수 있는 몰입감을 가시적으로 표현이 가능하게 되었고 6DOF 스키 플레이트 기구 설계와 기구 제작 전에 스키 플레이트 움직임을 검증하기 위해 필요한 요소들을 도출하여 실제 스키 동작에 대하여 직관적으로 보여줄 수 있는 스키 시뮬레이션 프로그램 개발에 대해 기술한다.
제안 방법
- (b)에 오른발 플레이트와 왼발 플레이트의 각도는 최대 40도를 넘지 않고, 40도 이상일 때 가속도의 변화량이 많아 사용자가 위험하기 때문에 스키 시뮬레이터의 경우 Visual Information을 주로 전달해 주며 좌우 움직임을 통해 체감을 제공할 뿐 아니라 속도 자체를 약간 감소시켜 최대 스키 각도를 30도로 제한하여 Yaw 생성부를 설계하였다.
- Surge 모션 생성부는 Heave/Pitch 모션 생성부의 상단부에 위치하며 과 같이 2개의 서보 모터와 커플링된 스크류에 의해 동작하도록 설계를 하였다.
- Sway 움직임의 최대 길이를 입력하고 상/하 움직임의 최댓값을 설정하여 백분율에 맞추어 움직이는 것이 과 같이 사용자가 빠르고 직관적으로 시뮬레이터의 움직임을 확인할 수 있는 가상 스키 시뮬레이션을 개발하였다.
- 하지만 현재까지 개발된 스키 시뮬레이터들은 좌우 이동에 대한 피드백만 구현이 되어있을 뿐, 가감속 정보를 생성하는 시스템은 전무한 상태이다. 가감속 정보를 생성할 수 있도록 사용자를 앞/뒤로 움직이게 하여 가감속 정보를 전달할 수 있도록 설계를 하였고 3D로 시뮬레이션으로 검증을 하였다. <그림 28>은 구현하려는 Surge 모션 생성부의 이동 메커니즘을 보여준다.
- 가상환경에서의 언덕을 지날 때 3단계로 이루어지는 스키의 기울기 에 따라 리니어 모터를 제어하여 사실적인 상/하 모션을 제공하도록 하였다.
- 또한, 미국 스카이테크스포츠사의 체감형 스키 및 스노보드 시뮬레이터는 실제 스키환경의 바람조건, 진동, 관성 등을 표현할 수 있는 다양한 센서를 이용해 사용자의 스키 자세를 실시간 분석하고 가상환경과 동기화하여 체험할 수 있는 스키 시뮬레이터를 개발하였다. 이 솔루션은 GPS를 사용해 소치의 산악 지형을 그대로 본뜬 디지털 가상환경현실의 장점을 최대한 살린 무한 슬로프를 제공하고 고해상도와 사실적인 컴퓨터 그래픽 기술을 통해 사용자가 몰입감을 느낄 수 있도록 구현하였다.
- 본 연구에서는 사용자가 실제 스키 슬로프에서 타는 듯한 느낌을 주기 위해 사용자 의지에 따라 Roll 축 모션 생성부 기반으로 양발을 독립적으로 움직이는 구조에 따른 좌우가속과 전후가속을 제공해줄 수 있는 기구 구조를 설계하였으며, 실세계에서 느껴지는 스키 자세 움직임을 스키 시뮬레이터 상에 사실적으로 반영함으로써 사실감을 높일 수 있었다.
- 본고에서는 스키 스포테인먼트 실감체험플랫폼 기술에 적용되는 기본 베이스의 리니어 액츄에이터 기구적 움직임에 대한 스키 자세를 분석하여 양발의 스키 플레이트를 독립적 제어로 A자 자세, 패러럴 자세, 좌/우 움직임뿐 아니라 사용자가 가속감을 느낄 수 있도록 전/후 모션과 높낮이를 스케일 할 수 있는 기능을 추가하였다. 따라서 언덕을 넘거나 급경사를 느낄 수 있는 몰입감을 가시적으로 표현이 가능하게 되었고 6DOF 스키 플레이트 기구 설계와 기구 제작 전에 스키 플레이트 움직임을 검증하기 위해 필요한 요소들을 도출하여 실제 스키 동작에 대하여 직관적으로 보여줄 수 있는 스키 시뮬레이션 프로그램 개발에 대해 기술한다.
- 스키 슬로프의 높이 차이를 사용자에게 제공할 수 있는 Heave 모션 생성부와 기울기에 따른 Pitch축 회전 정보를 사용자에게 전달 할 수 있는 메커니즘을 고려하여 가상환경 상에 구현된 스키 슬로프 높이 차이를 사용자에게 제공할 수 있는 Heave/Pitch 모션 생성부를 설계하였다.
- 스키 시뮬레이터 상에서 사용자에게 현장감을 주기위한 실감 요소를 실제 스키 슬로프에서 발생하는 실감 데이터를 획득하고 정규화 데이터로 변환하여 실감 재현장치로 실제와 같은 느낌을 스포테인먼트 실감체험플랫에 반영하였다. 사용자가 느낄 수 있는 현장감 요소 중에 속도를 실감적 규모를 결정짓는 기준점으로 설정하였다.
- 스키 시뮬레이터가 제한적인 공간에서 표현할 수 있는 동작에 초점을 맞추어 데이터 형식을 정의하기 위해 와 같이 크게 Sway, Yaw, Heave, Pitch 동작으로 스키 동작을 분류 하였다.
- 실제 스키를 타는 모션과 시뮬레이터의 모션이 어떻게 다른지를 분석한 논문“ 스키시뮬레이터에서 스키 동작 시 일반인과 스키선수의 운동학: 3차원 동작분석과 관성센서 데이터 비교”에 데이터를 참고하고 가속도와 각속도를 측정할 수 있는 관성센서를 사용하여 일반인과 스키선수를 비교하였다.
- 양쪽 스키 플레이트의 전후 하단에 위치한 Heave 모션 생성부가 각각 독립적으로 동작하여 스키 시뮬레이터에 탑승한 사용자가 양쪽 발의 높이차를 다양하게 체감할 수 있도록 설계를 하였으며 3D 모델링으로 시뮬레이션을 진행하여 예상되는 Heave동작을 에 나타내었다.
- 위의 다양한 스키 자세를 분석하여 스키 스포테인먼트 실감 체험플랫폼에서 지원하는 스키 자세 종류를 , 과 같이 도출하였고, 스키 플레이트 기구적 움직임 구조로 , 과 같이 설계에 반영해야한다.
- <표 1>은 각 실감 변수의 종류와 형태, 그리고 저장되어야 할 조건을 서술한다. 이 데이터는 실감 데이터 획득 단계에서 저장, 가공, 편집 과정을 통하여 실제 스키 슬로프에서 활강 중 속도값, 풍속, 풍량값, 진동값을 실시간 동기화 데이터로 각 시간에 따른 속도, 풍속 , 진동 , 온도, 조도등 상호 연동되어 저장된다.
- 또한, 미국 스카이테크스포츠사의 체감형 스키 및 스노보드 시뮬레이터는 실제 스키환경의 바람조건, 진동, 관성 등을 표현할 수 있는 다양한 센서를 이용해 사용자의 스키 자세를 실시간 분석하고 가상환경과 동기화하여 체험할 수 있는 스키 시뮬레이터를 개발하였다. 이 솔루션은 GPS를 사용해 소치의 산악 지형을 그대로 본뜬 디지털 가상환경현실의 장점을 최대한 살린 무한 슬로프를 제공하고 고해상도와 사실적인 컴퓨터 그래픽 기술을 통해 사용자가 몰입감을 느낄 수 있도록 구현하였다. 가상 슬로프 위 기문의 위치와 눈의 상태, 날씨 상황 등을 사용자가 선택할 수 있게 한 점도 특징이다.
- 그러나 위치 좌표값은 x, y, z 축의 좌표 값이므로 사용자의 스키 플레이트 위치 값을 계산하는데 많은 시간이 필요하다. 이를 해결하고자 백분율을 사용하여 효율성을 높였다. Sway 움직임의 최대 길이를 입력하고 상/하 움직임의 최댓값을 설정하여 백분율에 맞추어 움직이는 것이 <그림 31>과 같이 사용자가 빠르고 직관적으로 시뮬레이터의 움직임을 확인할 수 있는 가상 스키 시뮬레이션을 개발하였다.
- 최종적으로 스키 스포테인먼트 실감체험플랫폼 기본 베이스에 스키 플레이트 기구는 6DOF 모션 동작을 지원하도록 설계되었으며, 사용자가 기울이는 입력 모션과 시스템의 좌/우 모션, 상/하 모션을 실시간으로 생성하여 실제와 같은 운동감을 주고 사용자가 장치를 좌/우로 조정함으로 생성되는 각도를 측정함으로 인해 좌/우 움직임의 속도 및 가속도가 제어 되는 기구를 설계하고 3D 시뮬레이션으로 검증을 수행 하였다.
대상 데이터
- <그림 32>는 저장된 데이터가 시간축을 중심으로 콤포넌트 형태로 존재함을 보여준다. 각 Comp 마다 시간, 속도, 풍속 등을 가지고 있도록 설계하고 실제와 유사한 상황 모델 표현을 위해 단계별 데이터로 편집하였다. 편집된 데이터를 스키 스포테인먼트 실감체험플랫폼과 연계시켜 스키 슬로프에서 활강하는 듯한 현장감을 더욱 높이도록 하였다.
- 재활치료나 스포츠 센터에서 활용되고 있는 슬로베니아 체감형 스키 시뮬레이터인 Pro Ski Simulator는 매우 간단한 구조로 이루어져있고 다양한 스키 자세를 훈련할 수 있다. 관련 제품으로는 Basic, Standard, Professional 종류가 있으며 전문가용 시뮬레이터는 Special 슬로프 프레임, 기본형 프레임, 2개 발판, 손 홀더, 전체 운동 시스템 DVD 등으로 구성된다.
성능/효과
- 또한, 최근 3차원 그래픽 처리기술, 입체 음향 효과 기술, 실제 환경에서의 데이터 획득 및 정량화 데이터 기술의 발전으로 사용자에게 실제 스키 경기장에서 체험할 수 있는 시각 및 청각 정보 등의 실감 요소들을 실시간 동기화로 획득하고 실감을 재현하여 더욱 몰입감을 제공한다.
- Heave 동작을 통해 Pitch 동작 또한 발생시킬 수 있다. 분류된 동작마다 다른 데이터 형식으로 값을 사용하는 것보다 a, b, c, d 위치 백분율 값을 이용하는 것이 훨씬 효율적이라는 것을 알 수 있다.
- 스키 기술 수준을 파악할 수 있는 파라미터를 조사한 결과 시뮬레이터를 통하여 스키를 탈 때 숙련자의 발목 각도는20.2±2.6도, 비숙련자의 발목 각도는 10.1±6.3도로 숙련자가 비숙련자보다 큰 각도 변화를 보인 것으로 조사되었으며 본 스키 시뮬레이터에서 회전을 (Roll 축) 제공하여 비숙련자들의 스키 시뮬레이션을 가능하게 설계하였다.
- 스키 플레이트 기구 구조를 반영한 가상 스키 시뮬레이션을 개발하여 실제 스키 스포테인먼트 실감체험플랫폼 기본 베이스를 설계한 기구물의 동작은 기본적으로 눈의 낮은 마찰 계수로 인해 스키 플레이트가 미끄러지는 운동과 사용자가 방향전환을 위해 턴을 하는 동작, 마지막으로 스키 플레이트가 언덕을 넘거나 스키 슬로프의 눈이 쌓여 굴곡으로 인한 높이 차이를 표현할 수 있었다. 스키 시뮬레이터가 제한적인 공간에서 표현할 수 있는 동작에 초점을 맞추어 데이터 형식을 정의하기 위해 <그림 29>와 같이 크게 Sway, Yaw, Heave, Pitch 동작으로 스키 동작을 분류 하였다.
후속연구
- 가상현실의 미래는 Virtual World > Virtual Reality > Augmented Reality > Invoked Reality > Substitution Reality 로 발전할 것이며 최종적으로는 현실 세계를 대체한 스포츠가 될 것이다.
- <그림 22>와 같이 스키 슬로프의 노면의 높낮이와 경사의 기울기 정보를 스키 시뮬레이터에 반영할 경우 사용자에게 더 사실감 있는 환경을 제공할 뿐만 아니라 급격한 경사의 변화로 인하여 생기는 초보 스키어들의 무릎 부상에 대한 안전 교육에도 도움이 될 것이다. 양쪽 스키 플레이트의 전후 하단에 위치한 Heave 모션 생성부가 각각 독립적으로 동작하여 스키 시뮬레이터에 탑승한 사용자가 양쪽 발의 높이차를 다양하게 체감할 수 있도록 설계를 하였으며 3D 모델링으로 시뮬레이션을 진행하여 예상되는 Heave동작을 <그림 23>에 나타내었다.
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