[논문]3차원 애니메이션 제어 기술을 활용한 원격교육시스템 설계 및 개발

임충재

doi:10.7583/jkgs.2016.16.3.109

3차원 애니메이션 제어 기술을 활용한 원격교육시스템 설계 및 개발
Design and implementation of Distance Learning System using 3 Dimensional Animation Control Technology 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.16 no.3, 2016년, pp.109 - 116

임충재 (계명대학교 컴퓨터공학부 게임모바일공학전공)

초록
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교수자와 학습자가 원격에서 위치하는 원격교육시스템은 영상과 음성을 전달하는 직접적으로 방식으로 진행되어 왔다. 학습자의 흥미와 교육 효과를 얻기 위해서나 열악한 네트워크 환경을 극복하기 위해서, 컴퓨터 그래픽스를 응용한 다양한 방법이 시도되었다. 본 논문은 Kinect 기반의 3차원 애니메이션 제어 기술과 네트워크 게임 기술을 활용한 원격교육시스템의 설계와 구현에 대해서 기술한다. 이 논문에서 설계하고 구현한 원격교육시스템은 교육과 게임 기술이 결합한 좋은 예가 될 것이며, 향후 다양한 교육용 콘텐츠에 응용되기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Distance learning systems that teacher and learner(s) are located at remote have been in progress in a way that directly transfer the video and audio. To get the interest of learners and effectiveness of education or to overcome the poor network environment, various methods utilizing computer graphics in the distance learning system have been attempted. This paper describes a design and implementation of a distance learning system using 3D animation control technology based on Kinect and network game technology. Distance learning system designed and implemented in this paper is a good example of combining education and game technology. And I expect to be used at various educational contents in the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 3차원 애니메이션 제어 기술과 네트워크 게임 기술을 활용한 원격교육시스템의 설계와 구현에 대해서 기술하였다. 아직 상업화 단계에 이르기에는 완성도가 부족한 부분이 있으나 LMS에서 학습자 프로그램과 교수자 프로그램 그리고 각종 서버의 연계 시스템 구성으로 일부 기능을 개선하면 빠른 시간 안에 상용화 단계로 진입할 수 있을 것으로 생각한다.
본 논문은 3차원 애니메이션 제어 기술과 네트워크 게임 기술을 활용해 네트워크 환경을 극복하고 저연령의 학습자가 교육에 몰입할 수 있도록 하는 원격교육시스템의 설계와 구현에 대해서 기술한다. 2장에서는 기존의 원격교육시스템의 현황에 대해서 정리한다.
설계한 원격교육시스템은 가장 중점을 둔 부분은 게임 기술을 활용해서 학습자의 몰입감을 최대한 끌어들여서 재미있게 학습에 참여하게 하는 것이 가장 첫 번째 목표이고, 두 번째 목표는 영상에 대한 정보의 양을 줄임으로써 동시에 여러 사용자가 참여할 수 있도록 하는데 목적으로 두고 있다.

제안 방법

3D 캐릭터 화상 제어신호 수신 모듈은 Kinect에서 얼굴의 특징을 인식하여 출력하는 인식코드를 서버를 경유하여 학습자 클라이언트에 전송 후 이에 따라 게임엔진이 3D 캐릭터를 제어하도록 구현하였다. 3D 캐릭터의 얼굴 표정을 실시간으로 자연스럽게 생성하기 위해서 기본 얼굴을 기반으로 3D 몰핑에서 가장 일반적으로 사용하는 아래의 6가지 대표 이미지들을 정의한 후 이들 대표 이미지 사이의 이미지들은 몰핑 기술을 이용해서 재생한다.
5 SDK 이후에서 제공되는 Face recognition API를 이용해서 87개의 얼굴 특징점을 찾는다. 87개의 특징점 정보를 활용해서 얼굴의 상하좌우의 기울기, 회전각도 등의 정보와 얼굴 표정에 대한 정보를 추출하였다.
Kinect를 이용하여 교수자의 얼굴을 실시간으로 추적하면서 얼굴표정 관련 정보를 추출하여 이를 인식 코드로 변환하여 주는 얼굴 인식 처리모듈 구현하였다.
Kinect에서 인식한 얼굴 표정 정보들과 음성 정보를 실시간으로 서버로 전송하기 위해서 비동기방식의 네트웍 데이터 처리 모듈 구현하였으며 Kinect에서 얼굴 특징 정보를 추출하여 인식하는 속도는 RAM 4G Byte, CPU I7-4700 성능의 PC를 기준 초당 30프레임으로 인식하였다.
NodeJS의 Express 프레임웍을 이용하여 웹 기반 환경설정 페이지를 제공하였다. 캐릭터 제어신호와 음성 신호 동기화 프로토콜 구현한 뒤 캐릭터 애니메이션과 음성을 동기화한다.
서버 프로그램은 향후 유지보수를 효과적으로 수행하기 위해서 NodeJS를 사용하여 3D 캐릭터 제어신호 중계와 음성/화상 중계를 담당하는 비동기 방식의 서버 구현하였다.
스마트폰과 PC 운영체제를 동시에 지원하기 위해서 멀티플랫폼 운영환경을 지원하는 유니티 게임 엔진으로 학습자 클라이언트 프로그램 제작하였다. 학습자 프로그램은 윈도우, 맥, 리눅스, 안드로이드 등 다양한 운영체제 지원하며, PC, 스마트폰, 스마트TV, 테블릿 등 다양한 단말을 지원한다.
음성 송수신 모듈은 학습자/교수자 공통모듈로 사용되며 유니티 Asset Store의 음성 코덱 모듈 사용하여 구현 (ADPCMCodec, ICodec, MuLawCodec, SpeexCodec 코덱 지원)하였고, 영상 송신 모듈은 학습자의 모습을 교수자가 확인할 수 있도록 지원하는 기능으로 유니티 Asset Store의 웹캠 지원 모듈을 사용하여 구현하였으며, 3D 캐릭터의 모습에 어울릴 수 있도록 음성을 변조하여 학습자가 들을 수 있도록, 실제 음성데이터를 재생속도를 제어하여 변조하였다.
3차원 캐릭터 원격 학습을 위해서 교수자와 학습자 프로그램은 영상/음성/캐릭터제어신호를 주고받게 되며, 당초에 3차원 캐릭터의 캐릭터 특성을 부여하기 위한 음성 변조 기능과 더불어 Kinect를 이용한 자연스런 캐릭터의 움직임을 구현하였다. 이를 위해 Kinect 입력신호 처리 모듈, 얼굴, 손 추적 모듈, 3D 캐릭터 제어 신호 처리 모듈을 기존 시스템에 추가적으로 포함하였다.
제작된 3D 캐릭터 강의 솔루션을 실제 현장에서 운영하기 위해서 강의 신청 및 수강자를 관리할 수 있는 학습관리시스템(Learning Management System, LMS)을 구현하였다.
화상영어회화를 위해서 교수자와 학습자 프로그램은 영상/음성/화상제어신호를 주고받는다. 특별히 캐릭터 특성을 부여하기 위한 음성 변조 기능과 립 싱크 기능을 추가해서 시스템을 설계하고 구현하였다.
학습자가 원격교육시스템에 접근할 수 있도록 하는 웹과 모바일 웹 페이지를 구현하였다. [Fig.

대상 데이터

학습자 프로그램은 음성 송/수신 모듈, 영상 송신 모듈, 화상 제어신호 수신모듈, 3차원게임엔진으로 구성된다. 음성 송/수신 모듈은 학습자와 교수자간의 음성신호를 송신과 수신하는 모듈이고, 영상 송신 모듈은 학습자의 영상을 송신하여 학습자의 상황을 파악하도록 하는 모듈(1:N 학습의 경우 생략될 수도 있음)이다.

성능/효과

특별히 이 원격교육시스템이 저연령 학습자 시장에서 기존의 시스템 보다 교수자의 공간이 적게 필요하며 기존의 공간을 그대로 활용할 수 있다는 강점을 가지고 있다는 것을 확인했다.
구현된 3차원 애니메이션 제어 기술을 활용한 원격교육시스템을 유치원과 저학년학생을 대상으로 한 학원에서 시연한 결과 학습 초기에는 학생들의 몰입도가 매우 높았다. 하지만 학습 시간이 경과함에 따라 몰입도가 감소하는 경향이 발생하여 모니터링한 결과 캐릭터의 입 모양이 좀 더 정교하게 표현되어야 한다는 것과 콘텐츠 안에 재미 요소를 추가해야 한다는 것을 확인했다. 향후 게임의 특성에 부합되는 재미 요소를 추가하면 몰입도는 더욱 증가할 것으로 판단된다.
학습자의 여러 3D 캐릭터 중에서 자신이 선호하는 캐릭터를 선택하여 교육에 참여할 수 있도록 함으로써 교육의 몰입감을 증가할 수 있도록 하였다. 동시에 여러 사용자가 교육을 받더라도 각 학습자들은 다른 캐릭터를 선택하여 학습을 진행할 수 있는 구조로 설계를 하였다.

후속연구

하지만 학습 시간이 경과함에 따라 몰입도가 감소하는 경향이 발생하여 모니터링한 결과 캐릭터의 입 모양이 좀 더 정교하게 표현되어야 한다는 것과 콘텐츠 안에 재미 요소를 추가해야 한다는 것을 확인했다. 향후 게임의 특성에 부합되는 재미 요소를 추가하면 몰입도는 더욱 증가할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	게임 기술이 많이 활용되는 분야는?	게임 기술을 다른 응용 분야에 활용하는 사례가 증가하고 있다. 게임 기술이 많이 활용되는 분야는 군사, 의료, 교육, 교육 분야이다[1]. 그 중에서 특별히 교육 분야에 게임을 활용하고자 하는 다양한 시도가 진행되고 있으며[2].
	원격교육시스템에서 3차원 캐릭터 제어 기능은 무엇인가?	3차원 캐릭터 제어 기능은 교수자의 얼굴의 움직임과 상반신 동작을 인식해서 교수자의 모습을 실제적으로 학습자에게 전달하는 기능으로 이 시스템의 핵심 기능이다. 이 두 가지 기능을 이용해서 학습자는 생동감있는 교수자의 얼굴 및 표정, 몸짓 등을 볼 수 있게 되어 원격교육이 가능해 진다.
	원격강의 방식이 주로 활용되는 곳은?	원격강의 방식은 현재 가장 많이 이용하는 방식으로 라이브 원어민 화상 영어 학습 등에 주로 활용된다.

참고문헌 (5)

Choongjae Im, "Status, development practices and views of the serious game", Journal of Korea Multimedia Society, Vol 15, No. 2, 2011.
Seong-won Park "A Study on the Development of Game for English Learning", Journal of Korean Society for Computer game, Vol 23, No. 3, 2010.
Choongjae Im, "Design of Realtime Interactive Quiz Broadcasting integrated Game and Broadcasting Technology", Journal of Korean Society for Computer game, Vol. 24, No. 2, 2011.
Seung-hun Lee at el, "Analysis of Core Technologies on Serious Games by their types", Journal of Korean Society for Computer game, Vol. 23, No. 3, 2010.
Choongjae Im, "Design and Implementation of 3 Dimensional Character Video English Conversation System using Game Technology", Journal of Korean Society for Computer game, Vol. 25, No. 2, 2012.

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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