최근 가상현실(VR, virtual reality)이나 증강현실(AR, augmented reality)이 주목받으면서 이에 관한 컴퓨터 그래픽스(computer graphics)연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 인간의 동작을 가상의 공간에서 구현하는 방법에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 하지만 많은 연구가 인간의 일반적인 동작에 한정되어 있다. 본 연구에서는 역운동학(IK, inverse kinematics)을 이용한 스포츠클라이밍 자세생성과 동작제어를 통해 인간의 일반적인 동작 이외에 스포츠클라이밍과 같은 특수 목적의 다양한 동작들을 삼차원의 가상공간에서 가상 인물(virtual character)의 자세 및 동작을 생성하는 시스템을 제안한다. 역운동학(IK, inverse kinematics) 기법을 통한 자세 생성은 역운동학 함수(IK function)와 실제 데이터를 통한 기본자세 애니메이션을 제작, 이를 활용하여 사실성을 더하고 자연스러운 자세 및 동작을 생성한다. 본 논문에서는 스포츠 클라이밍의 기본동작을 이용하여 올바른 자세와 함께 실제와 유사한 동작을 생성하는 시스템을 설계하였다. 이를 통해 클라이머를 위한 학습 프로그램이나 클라이밍 게임 같은 다양한 형태의 스포츠 클라이밍 콘텐츠를 제작하는데 도움이 되고자 한다.
최근 가상현실(VR, virtual reality)이나 증강현실(AR, augmented reality)이 주목받으면서 이에 관한 컴퓨터 그래픽스(computer graphics)연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 인간의 동작을 가상의 공간에서 구현하는 방법에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 하지만 많은 연구가 인간의 일반적인 동작에 한정되어 있다. 본 연구에서는 역운동학(IK, inverse kinematics)을 이용한 스포츠클라이밍 자세생성과 동작제어를 통해 인간의 일반적인 동작 이외에 스포츠클라이밍과 같은 특수 목적의 다양한 동작들을 삼차원의 가상공간에서 가상 인물(virtual character)의 자세 및 동작을 생성하는 시스템을 제안한다. 역운동학(IK, inverse kinematics) 기법을 통한 자세 생성은 역운동학 함수(IK function)와 실제 데이터를 통한 기본자세 애니메이션을 제작, 이를 활용하여 사실성을 더하고 자연스러운 자세 및 동작을 생성한다. 본 논문에서는 스포츠 클라이밍의 기본동작을 이용하여 올바른 자세와 함께 실제와 유사한 동작을 생성하는 시스템을 설계하였다. 이를 통해 클라이머를 위한 학습 프로그램이나 클라이밍 게임 같은 다양한 형태의 스포츠 클라이밍 콘텐츠를 제작하는데 도움이 되고자 한다.
Recently, public interest in virtual reality (VR) and augmented reality (AR) has increased. Therefore, computer graphics-related research has been actively conducted. This has included research on virtual space related to human posture implementation. However, such research has focused on general po...
Recently, public interest in virtual reality (VR) and augmented reality (AR) has increased. Therefore, computer graphics-related research has been actively conducted. This has included research on virtual space related to human posture implementation. However, such research has focused on general posture in humans. This paper presents a system with reference to the basic posture in sports climbing and the inverse kinematics method for generating the positions and behavior of virtual characteristics in a three-dimensional virtual space. The simulation based on the inverse kinematics method, produced with an inverse kinematics solver and initial pose animation from motion capture, provides realistic and natural movement. We designed a simulation system to generate correct posture and motions similar to those in sports climbing by applying the basic procedure of sports climbing. The simulation system provides help for producing content about sports climbing, such as learning programs for novice climbers and sports climbing games.
Recently, public interest in virtual reality (VR) and augmented reality (AR) has increased. Therefore, computer graphics-related research has been actively conducted. This has included research on virtual space related to human posture implementation. However, such research has focused on general posture in humans. This paper presents a system with reference to the basic posture in sports climbing and the inverse kinematics method for generating the positions and behavior of virtual characteristics in a three-dimensional virtual space. The simulation based on the inverse kinematics method, produced with an inverse kinematics solver and initial pose animation from motion capture, provides realistic and natural movement. We designed a simulation system to generate correct posture and motions similar to those in sports climbing by applying the basic procedure of sports climbing. The simulation system provides help for producing content about sports climbing, such as learning programs for novice climbers and sports climbing games.
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문제 정의
본 논문에서는 역운동학을 이용하여 스포츠클라이밍 자세와 동작을 연구하고 이를 스포츠클라이밍 동작 절차에 따라 가상의 삼차원 공간에서 가상의 인물을 통해 자세와 동작을 생성하였다. 이 과정에서 자세 생성의 문제를 실측 데이터와 통계청 데이터 이용해 각 관절 값을 제한하여 해결하고 객체 간섭현상 등의 문제와 몸체 위치로 인한 잘못된 동작 생성 등의 문제는 구선형보간과 교차점 계산으로 극복하여 실제와 유사한 동작 생성을 제안하였다.
본 연구는 유니티 4(Unity 4) 엔진을 기반으로 PC로 개발하였으며 실제 스포츠클라이밍 전문가의 등반 자세와 비교 평가와 사용자평가로 나뉘어 실시하였다. PC의 개발 환경은 3.
특히, 스포츠클라이밍 같은 특수 목적의 자세 및 동작 생성에 관한 연구는 활발히 이루어지고 있지 않다. 우리는 이 연구를 통해 가상의 삼차원 공간상에서 역운동학(inverse kinematics)을 이용한 스포츠클라이밍 자세 및 동작을 생성하고 인간의 일반적인 동작 이외에 스포츠클라이밍과 같은 특수한 상황에서의 인체의 동작들을 연구하였다. 이를 통해 클라이머를 위한 학습 프로그램이나 클라이밍 게임 같은 다양한 형태의 스포츠클라이밍 콘텐츠를 제작에 도움이 되고자 한다.
우리는 이 연구를 통해 가상의 삼차원 공간상에서 역운동학(inverse kinematics)을 이용한 스포츠클라이밍 자세 및 동작을 생성하고 인간의 일반적인 동작 이외에 스포츠클라이밍과 같은 특수한 상황에서의 인체의 동작들을 연구하였다. 이를 통해 클라이머를 위한 학습 프로그램이나 클라이밍 게임 같은 다양한 형태의 스포츠클라이밍 콘텐츠를 제작에 도움이 되고자 한다.
가설 설정
1) 기본자세에서 다음 홀드의 방향의 손을 다음 홀드로 이동한다.
제안 방법
전문가 평가는, 전문가와 가상의 인물이 각각 1번에서 20 번 홀드까지의 동일한 등반 루트를 같은 홀드를 이용하여 등반한다. 그 후 전문가가 등반 시 취하는 동작과 가상공간에서 가상인물에 생성된 동작을 각 구간별로 비교했다.
각 문항은 ‘전혀 그렇지 않다-그렇지 않다-보통이다-그렇다-매우 그렇다’의 응답범주를 갖는 5점 리커트 척도로 시스템 적용 전 (a)과 적용 후(b) 각각 동일한 내용의 설문지를 작성하여 평가하였다. 또한 영상의 잔상으로 인한 감상자의 선호도에 대한 혼동을 최소화하고자 적용 전과 후의 관람 순서는 무작위로 진행하였다.
본 논문에서는 역운동학을 기반으로 하는 동작 제어를 이용하여 자세 및 동작을 생성한다. 역운동학 기반 기법은 정운동학(FK, forward kinematics)의 반대 개념으로 목표점을 기준으로 관절의 상태를 재계산하는 기법이다.
본 연구에서는 디지털 삼차원 공간에서 역운동학을 이용하여 가상의 인물을 통해 스포츠클라이밍 자세를 생성하고 스포츠 동작 절차를 이용하여 동작을 생성한다. 등반 역량에 관한 변수를 해소하기 위해 위치할 수 있는 손이나 발의 거리를 전문가의 조언과 실제 측량 데이터를 사용, 최댓값, 최솟값 범위로 한정한다.
본 연구에서는 실제 스포츠클라이밍의 기본 동작 절차에서 볼 수 없는 머리의 움직임이나 몸체 기울임을 가상의 삼차원 공간상의 가상인체를 이용하여 동작을 생성하고 스포츠클라이밍의 기본 동작을 가상의 환경에 맞게 새롭게 구성하였다. 이에 따라 가상의 삼차원 공간에서도 실제 스포츠클라이밍의 기본 동작을 그대로 재현할 수 있었다는 점, 그리고 실제 스포츠클라이밍의 자세와 동작을 실시간으로 가상의 삼차원 공간에서 생성하였다는 점은 본 논문의 성과라 할 수 있다.
지점 사이의 값을 선 형태로 보간하는 것을 선형보간(linear interpolation), 원호를 따라 보간하는 것을 구선형보간이라 한다. 본 연구에서는 자세생성(3장)에서 생성된 자세와 다음 위치의 자세의 동작을 구선형보간을 통해 생성한다. 일반적으로 사용되는 선형보간을 이용하여 동작 생성을 할 경우, 삼차원 공간에서 이동하는 거리 사이의 객체(object) 간섭, 예를 들어 손이나 발이 홀드와 홀드 사이에 큰 볼륨 홀드에 걸리거나 홀드와 홀드 사이에 다른 홀드가 있어 손이나 발이 홀드를 통과 하는 문제가 발생한다(Fig.
사용자 평가는 비교 평가와 사용 평가로 나누어 진행했다. 비교 평가는 실제 인공 암벽장에서 사용되는 등반 루트를 삼차원 공간에 구현한 후, 실제 등반 루트를 사용한 경험자를 대상으로 개발된 동작 생성 시스템의 적용 전(동작 보간, 몸체 기울기, 머리의 움직임 미적용)과 시스템 적용 후 동작 영상을 보고 설문지를 작성했다. 참가자는 총 11명 (남자 7명 여자 4명)으로 20대-30대-10대 순으로 많았다.
사용자 평가는 비교 평가와 사용 평가로 나누어 진행했다. 비교 평가는 실제 인공 암벽장에서 사용되는 등반 루트를 삼차원 공간에 구현한 후, 실제 등반 루트를 사용한 경험자를 대상으로 개발된 동작 생성 시스템의 적용 전(동작 보간, 몸체 기울기, 머리의 움직임 미적용)과 시스템 적용 후 동작 영상을 보고 설문지를 작성했다.
총 55명(남자 23명, 여자 32명)이 참가하였으며, 10대–30대–20대-50대 순으로 많았다. 사용자는 감각적 몰입, 객체 현존감, 만족도로 구성된 설문지를 작성한다. 설문지는 사용자의 집중도를 볼 수 있는 감각적 몰입 3문항, 생성된 가상인물의 사실감을 나타내는 객체 현존감 3문항, 사용자의 만족수준을 측정하는 만족도 4 문항과 나이, 성별을 더해 총 12문항으로 구성되며, 각 문항은 ‘전혀 그렇지 않다-그렇지 않다-보통이다-그렇다-매우 그렇다’의 응답범주를 갖는 5점 리커트 척도로 평가하였다.
참가자는 총 11명 (남자 7명 여자 4명)으로 20대-30대-10대 순으로 많았다. 설문지는 사용자의 집중도를 볼 수 있는 감각적 몰입 3문항, 생성된 가상인물의 사실감을 나타내는 객체 현존감 3문항, 나이 및 성별 2문항 총 8문항을 구성되어 있다. 각 문항은 ‘전혀 그렇지 않다-그렇지 않다-보통이다-그렇다-매우 그렇다’의 응답범주를 갖는 5점 리커트 척도로 시스템 적용 전 (a)과 적용 후(b) 각각 동일한 내용의 설문지를 작성하여 평가하였다.
설문지는 사용자의 집중도를 볼 수 있는 감각적 몰입 3문항, 생성된 가상인물의 사실감을 나타내는 객체 현존감 3문항, 사용자의 만족수준을 측정하는 만족도 4 문항과 나이, 성별을 더해 총 12문항으로 구성되며, 각 문항은 ‘전혀 그렇지 않다-그렇지 않다-보통이다-그렇다-매우 그렇다’의 응답범주를 갖는 5점 리커트 척도로 평가하였다.
이로 인해 시선 혹은 머리의 방향과 위치는 그 동작의 자연스러움에 매우 큰 영향을 미친다. 우리는 스포츠클라이밍의 기본동작 개념 대한 머리 움직임(시선이)이 미치는 영향을 연구하여 순서와 방향성에 관한 결과를 얻었다. 이를 IK 제어부의 Lookup 함수를 이용, 머리를 포함한 어깨까지 가상인물의 상부를 제어하여 동작을 생성하여 절차적 동작을 수행 시 동작의 완성도를 높인다(Fig.
이 과정에서 자세 생성의 문제를 실측 데이터와 통계청 데이터 이용해 각 관절 값을 제한하여 해결하고 객체 간섭현상 등의 문제와 몸체 위치로 인한 잘못된 동작 생성 등의 문제는 구선형보간과 교차점 계산으로 극복하여 실제와 유사한 동작 생성을 제안하였다.
이를 해결하기 위해 실측 데이터와 통계청 데이터를 이용하여 기본자세의 무게중심을 얻어내고 관절 값을 최댓값과 최솟값으로 제한하여 각 관절 값이 오차 범위를 넘을 경우, 재계산하여 올바른 자세를 생성한다.
대상 데이터
7GHz Intel Core i7 CPU와 NVIDIA geForce GTX 680, 16GB RAM, 1920X1080 해상도이며 운영체제는 Windows7 Pro 64bit이다. 비교 테스트의 환경은 태블릿이며 1.46GHz Intel Atom Z3774 Intel Graphic HD(내장) 2GB RAM, 1366X768 해상도이며 운영체제는 Windows 10 Home Edition 32bit이다.
비교 평가는 실제 인공 암벽장에서 사용되는 등반 루트를 삼차원 공간에 구현한 후, 실제 등반 루트를 사용한 경험자를 대상으로 개발된 동작 생성 시스템의 적용 전(동작 보간, 몸체 기울기, 머리의 움직임 미적용)과 시스템 적용 후 동작 영상을 보고 설문지를 작성했다. 참가자는 총 11명 (남자 7명 여자 4명)으로 20대-30대-10대 순으로 많았다. 설문지는 사용자의 집중도를 볼 수 있는 감각적 몰입 3문항, 생성된 가상인물의 사실감을 나타내는 객체 현존감 3문항, 나이 및 성별 2문항 총 8문항을 구성되어 있다.
총 55명(남자 23명, 여자 32명)이 참가하였으며, 10대–30대–20대-50대 순으로 많았다.
이론/모형
동작 생성은 보간법 중 하나인 구선형보간(spherical linear interpolation)법을 이용한다. 보간이란 알려진 지점의 값 사이에 위치한 값을 알려진 값으로부터 추정하는 것을 말한다.
스포츠클라이밍에서 기본자세는 일반적인 상태(서 있는 자세)와 다르게 반쯤 앉아 있는 자세로 무게 중심 또한 일반적인 상태와 매우 다르다. 본 연구에서는 다관절체나 인체 변형을 위한 역운동학을 기반으로 하는 역운동학 함수(IK function)를 이용한다. 역운동학은 정운동학의 반대되는 개념으로 관절체 끝점(end point)의 위치나 동작으로부터 각 관절의 위치나 동작을 구하는 방법이다.
기본적으로 가상인물의 동작을 생성하기 위한 다양한 방법들이 존재한다. 이 연구에서는 다관절체나 인체 변형을 위한 보간법(interpolation) 중 역운동학기반 보간법을 사용한다. 또한, 스포츠클라이밍에서 움직임은 기본 동작 절차가 확립되어 있다.
성능/효과
4) 이동하지 않았던 손을 기존에 이동한 손의 홀드 위치로 이동, 양손을 모아 기본자세를 취한다.
374의 차이를 나타내었다. 감정적 몰입도와 객체 현존감 둘 다 유의미한 차이가 있었으며 가상인물의 사실감을 나타내는 객체 현존감에서 두드러진 차이를 볼 수 있었다. 또한 연령대별 차이는 감각적 몰입도의 경우, 20대(0.
결과는 1-20 사이의 거의 모든 구간의 자세에서 유사한 동작을 실시간으로 생성하였으며 전 구간에서 적합하다는 평가를 받았다(Fig. 5).
또한 ‘안양 사이버 과학축제’에 참여하여 클라이밍 자세 및 동작 생성시스템을 이용한 유아용 e 트레이닝(e-training) 프로그램을 시연해 큰 호응을 얻었다(Fig. 9).
715) 순으로 높았다. 또한 감정적 몰입도의 경우 비교 평가의 평균수치보다 사용평가 시의 평균수치가 월등히 높았다. 이는 출력하는 디스플레이나 출력규모의 차이도 있지만 사용자가 실제 등반 시에 사용 효과가 더 높다는 것을 방증 한다고 볼 수 있다.
비교 평가 분석 결과 감정적 몰입도의 평균 수치는 적용 전 2.118에서 적용 후 2.926으로 0.808의 차이가 있었고 성별의 평균 수치는 남성의 경우, 적용 전 2.155에서 적용 후 2,742로 0.587의 차이를 보였으며 여성의 경우, 2.053에서 2.411로 0.358의 차이를 보여 여성보다는 남성에게서 더 큰 차이가 보임을 알 수 있었다. 연령대별 평균 수치는 10대의 경우, 적용 전 1.
수집된 사용 평가 데이터 분석 결과 감각적 몰입의 평균 수치는 3.636, 객체 현존감의 평균 수치는 3.545, 만족도의 평균 수치는 3.936으로 모든 항목에서 3.5 이상의 높은 수치를 기록했으며(Fig. 8) 성별에 따른 평균 수치는 남성의 경우, 감각적 몰입의 평균 수치는 3.668, 객체 현존감의 평균 수치는 3.585 만족감의 평균 수치는 3.883을 나타내었고 여성의 경우, 감각적 몰입 3.612, 객체 현존감 3.465, 만족감에선 3.974로 남성보다 높은 만족감을 보였다. 연령대별 병균 수치는 감각적 몰입의 경우, 30대(3.
이 과정에서 자세 생성의 문제를 실측 데이터와 통계청 데이터 이용해 각 관절 값을 제한하여 해결하고 객체 간섭현상 등의 문제와 몸체 위치로 인한 잘못된 동작 생성 등의 문제는 구선형보간과 교차점 계산으로 극복하여 실제와 유사한 동작 생성을 제안하였다. 연구 결과, 본 연구에서 제안한 역운동학 기반 스포츠클라이밍 자세 및 동작 생성에 관한 연구는 전문가의 경우, 동작의 유사성과 사용자의 경우, 몰입도와 사실감, 만족도 등 양쪽의 모든 측면에서 긍정적인 평가를 받았다. 또한 ‘안양 사이버 과학축제’에 참여하여 클라이밍 자세 및 동작 생성시스템을 이용한 유아용 e 트레이닝(e-training) 프로그램을 시연해 큰 호응을 얻었다(Fig.
본 연구에서는 실제 스포츠클라이밍의 기본 동작 절차에서 볼 수 없는 머리의 움직임이나 몸체 기울임을 가상의 삼차원 공간상의 가상인체를 이용하여 동작을 생성하고 스포츠클라이밍의 기본 동작을 가상의 환경에 맞게 새롭게 구성하였다. 이에 따라 가상의 삼차원 공간에서도 실제 스포츠클라이밍의 기본 동작을 그대로 재현할 수 있었다는 점, 그리고 실제 스포츠클라이밍의 자세와 동작을 실시간으로 가상의 삼차원 공간에서 생성하였다는 점은 본 논문의 성과라 할 수 있다. 마지막으로 본 연구가 스포츠클라이밍에 관련된 다양한 콘텐츠 제작과 일반적인 자세 및 동작이 아닌 특수 상황하의 다양한 자세나 동작을 연구하는 데 도움이 되길 기대한다.
후속연구
이에 따라 가상의 삼차원 공간에서도 실제 스포츠클라이밍의 기본 동작을 그대로 재현할 수 있었다는 점, 그리고 실제 스포츠클라이밍의 자세와 동작을 실시간으로 가상의 삼차원 공간에서 생성하였다는 점은 본 논문의 성과라 할 수 있다. 마지막으로 본 연구가 스포츠클라이밍에 관련된 다양한 콘텐츠 제작과 일반적인 자세 및 동작이 아닌 특수 상황하의 다양한 자세나 동작을 연구하는 데 도움이 되길 기대한다.
본 연구에서는 역운동학 기반 스포츠클라이밍 자세 및 동작 생성에 관한 연구를 통해 다양한 자세 및 동작을 구현하였으나 개인의 역량을 통한 특수한 동작이나 고난도 동작들은 배제했다는 점, 그리고 기본적인 자세에 따른 동작에 한정했다는 점은 실제 스포츠클라이밍의 다양한 동작을 생성하는 데 있어 한계점으로 작용한다. 또한, 전문가 평가의 전무가 수가 적어 주관적일 수 있는 점과 사용자 평가의 설문자의 수 또한 적고 일회성 평가에 그쳤다는 점에서 결과 자체를 일반화하기엔 무리가 있다.
향후 계획은 좀 더 다양한 동작연구와 함께 Fig. 9에서 보는 것처럼 가상현실이나 증강현실과 같은 다양한 환경에서 역운동학 기반 스포츠클라이밍 자세 및 동작 생성 시스템을 적용하여 사용자의 피드백을 통해 보완해 나갈 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컴퓨터 그래픽스에 대한 연구 중 가장 활발한 것은?
최근 가상현실(VR, virtual reality)이나 증강현실(AR, augmented reality)이 주목받으면서 이에 관한 컴퓨터 그래픽스(computer graphics)연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 인간의 동작을 가상의 공간에서 구현하는 방법에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 하지만 많은 연구가 인간의 일반적인 동작에 한정되어 있다.
삼차원 공간상에서 가상 인물의 동작에 대한 연구는 어떤 동작으로 한정되어 있는가?
컴퓨터 그래픽스(computer graphics)에서 삼차원 공간상에서 가상 인물(virtual character)의 사실적인 움직임은 몰입도와 집중도를 향상하는 대표적인 요소로써 많은 연구가 진행되었다. 삼차원 공간에서 가상인물의 자세와 동작에 관한 연구는 보편적으로 걷기, 뛰기, 달리기 등의 인간의 일상적인 동작으로 한정되어 있다[1]. 특히, 스포츠클라이밍 같은 특수 목적의 자세 및 동작 생성에 관한 연구는 활발히 이루어지고 있지 않다.
컴퓨터 그래픽스 연구가 활발해진 배경은?
최근 가상현실(VR, virtual reality)이나 증강현실(AR, augmented reality)이 주목받으면서 이에 관한 컴퓨터 그래픽스(computer graphics)연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 인간의 동작을 가상의 공간에서 구현하는 방법에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다.
참고문헌 (12)
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