본 기술보고에서는 선박운항 시뮬레이터를 위한 해양파 가시화의 개선을 목적으로 여러 해양파 가시화 요소 및 그에 대한 전체적인 재현 방안에 대해 고찰하였다. 이를 위해 우선 해양파 가시화 요소를 해양파 표면, 해양파 부서짐, 상호작용, 광원, 수중 등으로 구분하고, 각 구성 요소별 가시화가 필요한 세부 가시화 요소들을 정리 하였다. 또한 이를 재현하는 과정에서 설계에 반영해야 할 내용들을 사실적 해양파 가시화 및 실시간 해양파 가시화, 선박 운동특성 재현, 시뮬레이터의 활용 관점에서 분석하였다. 분석을 통해, 사실적 해양파 가시화가 몰입감 형성 및 보다 정확한 선박 운동특성 재현, 다양하고 제어 가능한 시뮬레이션 시나리오 생성 등에 중요한 역할을 수행함을 확인하였다. 또한 선박운항 시뮬레이터를 위한 해양파 가시화는 고려해야 할 요소 및 그에 대한 구현 방안, 관련 제약 사항이 많은 만큼 구현 전 종합적이고 체계적인 접근이 필요함을 확인하였다.
본 기술보고에서는 선박운항 시뮬레이터를 위한 해양파 가시화의 개선을 목적으로 여러 해양파 가시화 요소 및 그에 대한 전체적인 재현 방안에 대해 고찰하였다. 이를 위해 우선 해양파 가시화 요소를 해양파 표면, 해양파 부서짐, 상호작용, 광원, 수중 등으로 구분하고, 각 구성 요소별 가시화가 필요한 세부 가시화 요소들을 정리 하였다. 또한 이를 재현하는 과정에서 설계에 반영해야 할 내용들을 사실적 해양파 가시화 및 실시간 해양파 가시화, 선박 운동특성 재현, 시뮬레이터의 활용 관점에서 분석하였다. 분석을 통해, 사실적 해양파 가시화가 몰입감 형성 및 보다 정확한 선박 운동특성 재현, 다양하고 제어 가능한 시뮬레이션 시나리오 생성 등에 중요한 역할을 수행함을 확인하였다. 또한 선박운항 시뮬레이터를 위한 해양파 가시화는 고려해야 할 요소 및 그에 대한 구현 방안, 관련 제약 사항이 많은 만큼 구현 전 종합적이고 체계적인 접근이 필요함을 확인하였다.
To improve the ocean waves of the ship maneuvering simulator, we study and summarize the visualization elements of the ocean waves and the overall direction of their implementation in detail. We categorize the visualization elements of the ocean waves into five groups, including wave surface, wave b...
To improve the ocean waves of the ship maneuvering simulator, we study and summarize the visualization elements of the ocean waves and the overall direction of their implementation in detail. We categorize the visualization elements of the ocean waves into five groups, including wave surface, wave breaking, interaction, lighting effects, and underwater. We also analyze the design and implementation issues of the visualization of the ocean waves for ship maneuvering simulator with respect to realistic and real-time ocean visualization, ship dynamics, and application purposes. Through the analysis, we have found that the realistic visualization of ocean waves plays an important role in the generation of immersiveness, more accurate ship motion, and the various and controllable simulation scenarios for the ship maneuvering simulator. Additionally, we have confirmed that there are many visualization elements, methods, and limitations to be considered for the visualization of the ocean waves for ship maneuvering simulator, and we have concluded that the systematic design is required before implementation.
To improve the ocean waves of the ship maneuvering simulator, we study and summarize the visualization elements of the ocean waves and the overall direction of their implementation in detail. We categorize the visualization elements of the ocean waves into five groups, including wave surface, wave breaking, interaction, lighting effects, and underwater. We also analyze the design and implementation issues of the visualization of the ocean waves for ship maneuvering simulator with respect to realistic and real-time ocean visualization, ship dynamics, and application purposes. Through the analysis, we have found that the realistic visualization of ocean waves plays an important role in the generation of immersiveness, more accurate ship motion, and the various and controllable simulation scenarios for the ship maneuvering simulator. Additionally, we have confirmed that there are many visualization elements, methods, and limitations to be considered for the visualization of the ocean waves for ship maneuvering simulator, and we have concluded that the systematic design is required before implementation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 기술보고에서는 정보 전달과 몰입감 형성을 중심으로 해양파 가시화 요소에 대한 재현 방안을 기술한다. 그러나 고려해야 할 해양파 가시화 요소가 많고 각 요소별 요구사항 또한 다양하므로, 설계 및 개발 관점에서 주가 되는 요소인 해양파 가시화의 사실성 및 실시간성, 선박 운동특성 재현, 시뮬레이터 활용 등의 공통 요소에 대한 검토 사항 및 접근 방안에 대해 제시한다.
(2012)의 논문 등에서 알 수 있듯이 이에 못지않게 시뮬레이터 체험자가 가상공간에서 느끼는 몰입감이나 현장감 역시 시뮬레이터의 활용도에 큰 영향을 준다. 따라서 본 기술보고에서는 정보 전달과 몰입감 형성을 중심으로 해양파 가시화 요소에 대한 재현 방안을 기술한다. 그러나 고려해야 할 해양파 가시화 요소가 많고 각 요소별 요구사항 또한 다양하므로, 설계 및 개발 관점에서 주가 되는 요소인 해양파 가시화의 사실성 및 실시간성, 선박 운동특성 재현, 시뮬레이터 활용 등의 공통 요소에 대한 검토 사항 및 접근 방안에 대해 제시한다.
그리고 시뮬레이터가 요구하는 실시간성과 함께 몰입감 향상에 필요한 사실성 강화 방안을 설계와 구현 관점에서 분석하였다. 또한 정보전달과 몰입감 형성 측면에서 보다 활용도 높은 선박운항 시뮬레이터가 될 수 있도록 설계 과정에서 고려해야할 사항들에 대해 정리하였다.
본 기술보고에서는 선박운항 시뮬레이터를 위한 해양파가시화 요소에 대해 분석해 보고, 효과적인 정보전달과 몰입감 형성 측면에서 해양파 가시화 요소 재현 시 고려해야할 사항과 개발 접근 방안에 대해 고찰하였다. 사실적인 해양파 가시화는 선박운항 시뮬레이터 체험자의 몰입감 형성 및 선박운항 시뮬레이터의 활용 효과에 큰 영향을 주지만, 기술적 난이도가 높은 만큼 활용 목적에 맞춰 지속적인 연구가 필요한 것으로 파악하였다.
제안 방법
관련 연구에서는 선박운항 시뮬레이터 및 선박운항 시뮬레이터를 위한 3차원 영상 가시화의 핵심 요소인 해양파 가시화에 대해 관련 연구를 간략하게 정리하였다.
본 기술보고에서는 선박운항 시뮬레이터의 활용 효과와 관련하여 상당히 중요한 역할을 하나 그 복잡성으로 인해 사실적인 묘사가 매우 어려운 해양파에 대한 효과적인 가시화를 위해 해양파를 먼저 세부 가시화 요소들로 분류 및 정리하였다. 그리고 시뮬레이터가 요구하는 실시간성과 함께 몰입감 향상에 필요한 사실성 강화 방안을 설계와 구현 관점에서 분석하였다. 또한 정보전달과 몰입감 형성 측면에서 보다 활용도 높은 선박운항 시뮬레이터가 될 수 있도록 설계 과정에서 고려해야할 사항들에 대해 정리하였다.
해양파 가시화 요소에 대한 재현 방안을 논하기에 앞서 해양파 가시화 요소를 해양파 표면, 부서짐, 상호작용, 광원, 수중 등으로 분류하고, 각 요소에 속하는 세부 요소들에 대해 그 주요 사항들을 정리 하였다. 다만 실제 해양파는 대상 해역의 수많은 상황들에 따라 매우 불규칙한 형상과 거동을 보이며 관련 이론 역시 본 기술보고에서 다루기에 너무 방대하므로, 단순화된 이론들을 바탕으로 개론 수준에서 그 내용을 기술 하였다.
본 기술보고에서는 선박운항 시뮬레이터의 활용 효과와 관련하여 상당히 중요한 역할을 하나 그 복잡성으로 인해 사실적인 묘사가 매우 어려운 해양파에 대한 효과적인 가시화를 위해 해양파를 먼저 세부 가시화 요소들로 분류 및 정리하였다. 그리고 시뮬레이터가 요구하는 실시간성과 함께 몰입감 향상에 필요한 사실성 강화 방안을 설계와 구현 관점에서 분석하였다.
따라서 기존 연구를 활용하는 대신 해양파 가시화 요소의 시각적 특성 및 물리적 특성을 살리면서, 현 선박운항 시뮬레이터의 해양파 가시화 요구사항을 만족할 수 있는 방안을 강구할 필요가 있다. 이를 위해 해양파 표면의 형성에 긴 주기의 너울과 그에 비해 다소 짧은 주기의 풍랑이 함께 기여하는 점에 착안하여, 너울은 정현파나 트로코이드파의 중첩을 통해 재현하고, 풍랑은 해양파 스펙트럼 기반 모델을 통해 재현하는 방안을 생각해 볼 수 있다. 이는 반복 패턴을 상당부분 해소함과 동시에 넓은 바다 재현에도 유리한 방안으로 생각된다.
(2000)의 연구에서와 같이 통계학적 모델과 혼합하여 활용하기도 한다. 통계학적 모델은 장기간 해양 관측을 통해 얻은 해양파 스펙트럼(spectrum)을 샘플링(sampling) 및 백색 잡음(white noise)으로 필터링(filtering)하고, 이를 역 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform)하여 해양파 표면에 해당하는 높이장(height field)을 생성, 가시화한다. 컴퓨터 그래픽스 분야에는 Mastin et al.
해양파 가시화 요소에 대한 재현 방안을 논하기에 앞서 해양파 가시화 요소를 해양파 표면, 부서짐, 상호작용, 광원, 수중 등으로 분류하고, 각 요소에 속하는 세부 요소들에 대해 그 주요 사항들을 정리 하였다. 다만 실제 해양파는 대상 해역의 수많은 상황들에 따라 매우 불규칙한 형상과 거동을 보이며 관련 이론 역시 본 기술보고에서 다루기에 너무 방대하므로, 단순화된 이론들을 바탕으로 개론 수준에서 그 내용을 기술 하였다.
이론/모형
전통적으로 전산 유체 역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)에서의 유체 시뮬레이션은 대부분 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)을 기반으로 한다. 그리고 시뮬레이션 접근 방법에 따라 격자(grid) 기반의 오일러(Eulerian) 방식과 입자(particle) 기반의 라그랑주(Lagrangian) 방식으로 나뉜다.
성능/효과
나아가 해양파 부서짐과 상호작용에 보다 많은 자원 배분을 시작으로 이들에 대한 효율적인 가시화 연구가 뒤따라야 할 것으로 보인다. 또한 이러한 직접적인 해결 방안 이외에 LOD(Level of Detail)나 컬링(culling)등과 같은 전통적인 그래픽스 기법을 적용하거나 오버레이(overlay) 카드와 같은 하드웨어의 도입, 미리 작성한 텍스쳐(texture)나 데이터베이스를 적절히 활용하는 기법 등도 사실성을 저해하지 않는 범위 내에서 활용 가능한 효과적인 방안으로 판단된다.
후속연구
③ 최근 모바일 디바이스 및 음성인식 기술, 센서 장비, HMD(Head-Mounted Display)와 같은 착용형 가상/증강 현실 장비 등의 성능이 우수해지면서 간결하고 실용적인 시뮬레이터 개발이 가능하게 되었고, 이와 함께 관련 연구도 활성화 될 것으로 보임.
따라서 해양파 표면 묘사에 대한 알고리즘 개선 및 최적화가 우선적으로 연구되어야 할 것으로 판단된다. 나아가 해양파 부서짐과 상호작용에 보다 많은 자원 배분을 시작으로 이들에 대한 효율적인 가시화 연구가 뒤따라야 할 것으로 보인다. 또한 이러한 직접적인 해결 방안 이외에 LOD(Level of Detail)나 컬링(culling)등과 같은 전통적인 그래픽스 기법을 적용하거나 오버레이(overlay) 카드와 같은 하드웨어의 도입, 미리 작성한 텍스쳐(texture)나 데이터베이스를 적절히 활용하는 기법 등도 사실성을 저해하지 않는 범위 내에서 활용 가능한 효과적인 방안으로 판단된다.
지금까지 기술한 해양파 가시화 요소들을 Table 2에 정리 하였다. 나열한 해양파 가시화 요소들은 모두가 필수적인 가시화 요소는 아니며, 시뮬레이션 목적에 따라 선택적으로 가시화하여 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
그리고 해양파 스펙트럼 기반의 해양파 표면 가시화 방법은 해양파 표면에 대한 상세한 묘사에 장점을 가지나, 넓은 해양파 표면 영역을 표현하기 위해 일정 크기의 해양파 표면 조각을 주기적으로 이어 붙이는 방법을 사용하고 있어 해양파 표면에 반복적인 패턴이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 기존 연구를 활용하는 대신 해양파 가시화 요소의 시각적 특성 및 물리적 특성을 살리면서, 현 선박운항 시뮬레이터의 해양파 가시화 요구사항을 만족할 수 있는 방안을 강구할 필요가 있다. 이를 위해 해양파 표면의 형성에 긴 주기의 너울과 그에 비해 다소 짧은 주기의 풍랑이 함께 기여하는 점에 착안하여, 너울은 정현파나 트로코이드파의 중첩을 통해 재현하고, 풍랑은 해양파 스펙트럼 기반 모델을 통해 재현하는 방안을 생각해 볼 수 있다.
분명 해양 환경 묘사에 있어 해양파 표면 묘사가 가장 기본이 되면서도 중요한 요소이긴 하나, 해양파 부서짐이나 상호작용 등이 더불어 사실적으로 묘사되지 않는 한 몰입감 증대를 크게 기대하기 어려운 것도 사실이다. 따라서 해양파 표면 묘사에 대한 알고리즘 개선 및 최적화가 우선적으로 연구되어야 할 것으로 판단된다. 나아가 해양파 부서짐과 상호작용에 보다 많은 자원 배분을 시작으로 이들에 대한 효율적인 가시화 연구가 뒤따라야 할 것으로 보인다.
따라서 시뮬레이터 설계 시, 효율적인 사용자 인터페이스에 대한 고려와 융통성 있는 제어를 위한 스크립트 기반의 이벤트 시스템 도입, 모바일 기기 활용을 고려한 HTML5 기반 멀티 플랫폼 지원 등을 검토해 볼 수 있다. 또한 세밀한 제어로 인해 모듈 간 시뮬레이션 결과의 불일치가 일어나지 않도록 데이터 및 모델에 대한 공유 방안을 함께 수립할 필요가 있을 것으로 판단된다.
사실적인 해양파 가시화는 선박운항 시뮬레이터 체험자의 몰입감 형성 및 선박운항 시뮬레이터의 활용 효과에 큰 영향을 주지만, 기술적 난이도가 높은 만큼 활용 목적에 맞춰 지속적인 연구가 필요한 것으로 파악하였다. 비록 해양파 가시화 요소별 재현에 대한 구체적인 방법을 논하기에 그 내용이 방대하여 주요 항목 위주로 핵심 사항만 간략하게 살펴보았으나, 보다 활용도 높은 선박운항 시뮬레이터 개발을 위한 해양파 가시화 모듈의 설계 방향을 설정하는 데에는 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 그러나 활용도를 높이기 위해 제어해야 할 항목이 많아져 복잡도가 높아지는 경우에는 시뮬레이터 운용자의 편의성 증대가 함께 이뤄지지 않으면 실제 활용이 쉽지 않을 수 있다.
해양파 가시화의 경우, 해양파 가시화 요소별 제어 가능한 파라미터를 선별하여 목록으로 만들고, 이들을 대상으로 사전 또는 실시간으로 값을 제어하는 방안을 고려해 볼 수 있다. 이 경우 각 해양파 가시화 요소에 대한 제어를 직접적으로 수행할지, 바람과 같은 환경 요소에 대한 제어를 통해 파향, 파고를 제어하는 것과 같이 간접적으로 제어할지에 대한 부분도 함께 고려하면 보다 활용도를 높일 수 있을 것으로 본다.
그러나 시뮬레이션 상황에 대한 3차원 해양파 가시화 및 이를 선박 운동특성 재현 알고리즘에 반영하는 과정이다소 부정확하여 해양파 가시화 결과와 재현된 선박의 운동 사이에 동기화가 어긋나는 경우가 발생하고 있다. 이에 대한 해결을 위해 우선 보다 정밀도 높은 해양파 가시화가 이뤄져야 할 것으로 보이며, 다음으로 해양파 가시화 알고리즘과 선박 운동특성 재현 알고리즘 간 동기화를 위해 실시간 데이터 공유가 필요할 것으로 보인다. 해양파 표면 가시화의 경우, 해양파 표면 메쉬 정보를 공유 데이터로 볼 수있으며, 가시화 영역이 넓어 공유해야 할 데이터의 양이 많은 만큼 관심 영역에 대해서만 공유하거나 핵심 정보만 추출하여 공유하는 방법 등을 고려해 볼 수 있다.
다음 Table 3에 지금까지 기술한 해양파 가시화 방안들을 정리하였다. 제시한 해양파 가시화 방안들이 모든 시뮬레이션 상황들에 적합할 수는 없겠으나 시뮬레이션 목적에 맞춰 적절히 검토하여 적용한다면 개발 방안 수립에 효과적인 지침이 될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박운항 시뮬레이터란 무엇인가?
선박운항 시뮬레이터는 시뮬레이터 체험자가 실제 선박을 운항하는 것과 유사한 경험을 할 수 있도록 설계한 시스템으로 선원의 교육 및 해상교통 안전진단, 해상교통 안전성 향상 연구 등 여러 분야에 유용하게 활용되고 있다. 자동차나 비행기 시뮬레이터와 달리 선박운항 시뮬레이터는 해양이라는 다소 특수한 환경을 묘사해야 한다.
선박운항 시뮬레이터는 어느 분야에서 활용되고 있는가?
선박운항 시뮬레이터는 시뮬레이터 체험자가 실제 선박을 운항하는 것과 유사한 경험을 할 수 있도록 설계한 시스템으로 선원의 교육 및 해상교통 안전진단, 해상교통 안전성 향상 연구 등 여러 분야에 유용하게 활용되고 있다. 자동차나 비행기 시뮬레이터와 달리 선박운항 시뮬레이터는 해양이라는 다소 특수한 환경을 묘사해야 한다.
전산 유체 역학에서의 유체 시뮬레이션은 접근 방법에 따라 어떻게 나뉘는가?
전통적으로 전산 유체 역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)에서의 유체 시뮬레이션은 대부분 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)을 기반으로 한다. 그리고 시뮬레이션 접근 방법에 따라 격자(grid) 기반의 오일러(Eulerian) 방식과 입자(particle) 기반의 라그랑주(Lagrangian) 방식으로 나뉜다. 시각적 가시화에 중점을 둔 컴퓨터 그래픽스 분야에서의 유체 시뮬레이션 또한 Foster and Metaxas(1996)의 시도를 시작으로 Stam(1999), Foster and Fedkiw(2001) 등을 통해 발전해온 오일러 방식과 입자 기반의 대표적인 기법인 Lucy(1977), Gingold and Monaghan(1977)의 SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) 기법을 기반으로 Desbrun and Gascuel(1996), Muller et al.
참고문헌 (19)
Airy, G. B.(1841), Tides and Waves, Encyclopaedia Metropolitana, Vol. 5, pp. 291-396.
Cummings, J. J., J. N. Bailenson and M. J. Fidler(2012), How Immersive is Enough?: A Foundation for a Meta-analysis of the Effect of Immersive Technology on Measured Presence, Proceedings of the ISPR Presence Live Conference, pp. 1-13.
Desbrun, M. and M. P. Gascuel(1996), Smoothed particles: A new paradigm for animating highly deformable bodies, Proceedings of the Eurographics Workshop on Computer Animation and Simulation '96, pp. 61-76.
Fan, Y., J. Litven, D. I. W. Levin and D. K. Pai(2013), Eulerian-on-Lagrangian Simulation, ACM Transactions on Graphics (TOG), Vol. 32, No. 3, Article No. 22, pp. 1-9.
Foster, N. and D. Metaxas(1996), Realistic animation of liquids, Graphical Models and Image Processing, Vol. 58, No. 5, pp. 471-483.
Foster, N. and R. Fedkiw(2001), Practical animation of liquids, Proceedings of ACM SIGGRAPH 2001, pp. 23-30.
Fournier, A. and W. T. Reeves(1986), A simple model of ocean waves, Computer Graphics (Proceedings of ACM SIGGRAPH 1986), Vol. 20, No. 4, pp. 75-84.
Gerstner, F. J.(1804), Theory of waves, pp. 1-65.
Gingold, R. A. and J. J. Monaghan(1977), Smoothed particle hydrodynamics - theory and application to non-spherical stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 181, pp. 375-389.
Lee, K. D., J. B. Yim, J. S. Jung, S. H. Park, C. K. Kim, Y. H. Sim and K. Y. Cho(2003), PC Based Virtual Reality Ship Handling Simulator, Proceedings of the Korean Society of Marine Environment & Safety, pp. 53-57.
Lucy, L. B.(1977), A numerical approach to the testing of the fission hypothesis, Astronomical Journal, Vol. 82, pp. 1013-1024.
Mastin, G. A., P. A. Watterberg and J. F. Mareda(1987), Fourier Synthesis of Ocean Scenes, IEEE Computer Graphics and Applications, Vol. 7, No. 3, pp. 16-23.
Muller, M., D. Charypar and M. Gross(2003), Particle-based fluid simulation for interactive applications, Proceedings of the 2003 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation, pp. 154-159.
Sohn, K. H. and S. W. Lee(1998), A Study on Development of PC-based Ship Handling Simulator, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 4, No. 2, pp. 25-33.
Stam, J.(1999), Stable fluids, Proceedings of ACM SIGGRAPH '99, pp. 121-128.
Thon, S., J. M. Dischler and D. Ghazanfarpour(2000), Ocean waves synthesis using a spectrum-based turbulence function, Proceedings of Computer Graphics International, pp. 65-72.
Wang, C. B., Q. Zhang, F. L. Kong and H. Qin(2013), Hybrid particle.grid fluid animation with enhanced details, The Visual Computer, Vol. 29, No. 9, pp. 937-947.
Yim, J. B. and H. J. Kim(1999), The System Design of Virtual Reality Ship Simulator, Proceedings of the Korean Society of Marine Environment & Safety, pp. 7-17.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.