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변형물체 시뮬레이션을 활용한 비 마커기반 증강현실 시스템 구현
Implementation of Markerless Augmented Reality with Deformable Object Simulation 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.17 no.4, 2016년, pp.35 - 42  

성낙준 (Dept. of Computer Software Engineering, SoonChunHyang University) ,  최유주 (Dept. of Newmedia, Seoul Media Institute of Technology) ,  홍민 (Dept. of Computer Software Engineering, SoonChunHyang University)

초록
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최근 제한적인 마커기반 증강현실의 여러 가지 단점들을 보완하기 위해 사용자의 얼굴, 발, 손 등을 활용한 비 마커기반 증강현실 시스템에 관한 연구들이 활발하게 진행되고 있는 추세이다. 또한 대부분의 기존 증강현실 시스템들은 사용자에게 보여주는 것과 기본적인 상호작용에 목표를 두고 강체를 증강하여 수행되는 경우가 많았다. 본 논문에서는 단지 보여주는 것에 국한되는 것이 아니라 여러 분야에서 활용이 가능한 변형물체를 사용자와의 상호작용을 바탕으로 시뮬레이션을 제공하는 비 마커기반의 증강현실 시스템을 설계 및 구현하였다. 변형물체는 질량-스프링 모델, 유한 요소 모델 두 가지 방법을 주로 사용하여 구현한다. 질량-스프링 모델은 실시간 시뮬레이션에 장점이 있으며 유한 요소 모델은 변형물체의 정밀함을 나타낼 때 장점을 가진다. 본 논문에서는 실시간으로 시뮬레이션을 목표로 하고 있기 때문에 질량-스프링 모델을 기반으로 하는 테트라헤드론 구조를 이용하여 변형물체를 구현하였다. 변형물체의 자연스러운 움직임을 실시간으로 시뮬레이션하기 위해 키넥트 SDK를 통해 사용자의 손의 위치를 추적 하고, 손의 위치 변화량을 바탕으로 힘을 계산한다. 이를 바탕으로 $4^{th}$ order Runge-Kutta Integration 수치적분법을 이용하여 물체의 다음 위치를 계산하여 시뮬레이션 하도록 하였다. 그리고 자연스러운 동작을 표현하기 위해서 사용자의 손을 통해 물체에 작용하는 힘이 너무 많이 작용하지 않기 위해 제스처에 임계값을 정하였으며 해당 임계값을 넘는 힘이 작용할 경우 임계값으로만 적용되도록 설정하였다. 각 실험을 5회씩 반복하였으며 실험에 따른 시뮬레이션 연산속도를 분석하였다. 본 논문을 통해 구현한 변형물체를 활용한 비 마커기반 증강현실 시스템을 바탕으로 기존의 강체 기반의 증강현실에서 활용하기 힘들었던 의료, 교육 및 다양한 방면으로 시뮬레이션이 가능할 것으로 기대한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently many researches have been focused on the use of the markerless augmented reality system using face, foot, and hand of user's body to alleviate many disadvantages of the marker based augmented reality system. In addition, most existing augmented reality systems have been utilized rigid objec...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 여러 가지 환경에서 활용이 가능한 변형물체를 기반으로 증강현실 시스템을 설계하고 구현 한다. 또한 기존의 사용이 불편한 마커기반의 증강현실 기술을 대신하여 사용자와의 상호작용이 원활하도록 비 마커기반의 증강현실 기술을 통해 사용자의 손의 위치를 기반으로 물체를 증강하는 시스템을 구현하였다.
  • 본 논문에서는 변형물체를 구현하기 위해 질량-스프링 모델을 기반으로 하는 테트라헤드론 구조의 3D 입체 변형물체 모델을 설계 및 모델링 하였다. 본 논문에서 적용된 변형물체 내부의 모든 노드들은 테트라헤드론 구조를 이용하여 구체를 설계하였다.
  • 본 논문은 마이크로소프트사의 키넥트 v2를 기반으로 하여 변형물체를 사용하는 비 마커기반의 증강현실 시스템을 설계 및 구현하였다. 시스템 실험 결과 사용자와의 상호작용을 통해 여러 가지 간단한 행동을 성공적으로 수행할 수 있는 것을 확인하였으며 증강하는 변형물체의 해상도에 따라 시스템의 성능이 변하는 것을 확인하였다.
  • 본 논문은 실시간으로 입력되는 현실 영상으로부터 왼손의 위치를 추적하고 그 위치를 바탕으로 3차원 물체를 증강하는 비 마커기반의 증강현실 시스템을 설계 및 구현하였다. 다음 그림3은 본 논문에서 설계 및 구현한 증강현실 시스템의 흐름도이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
증강현실은 무엇인가? 증강현실(Augmented Reality)은 현실과 가상세계를 혼합한 것으로 현실의 영상에 가상의 물체들을 이식하여 사용자의 실제 눈에 보이지 않는 물체에 대한 감각과 인식을 높이는 역할을 하는 기술이다. 최근 사용자의 손, 머리, 발 등을 이용하여 사용자와 물체간의 상호작용이 가능한 증강현실 시스템에 관한 수요가 늘고 있고, 이에 따라 관련 기술들이 나날이 발전하고 있는 추세이다.
증강현실은 무슨 분야에서 활용되고 있는가? 또한 증강현실을 편리하게 구현하기 위한 Software Developer Kit(SDK)[1]과 라이브러리 Toolkit[2]이 제공되고 있어 증강현실 기술 발전 및 확장에 기여하고 있다. 현재 증강현실은 의료, 산업, 교육 분야 등에서 다양하게 활용되고 있다. 특히 의료 분야의 경우 수술 시뮬레이션을 위해 증강현실을 사용하는 경우가 증가하고 있고, 교육 분야에서도 2차원인 책을 3차원 정보로 변환하여 학생들의 집중도를 높이기 위한 방법으로 증강현실을 사용하고 있다[3].
변형 물체 시뮬레이션을 표현하는 방식에는 무엇이 있는가? 이러한 변형 물체 시뮬레이션을 표현하는 방식은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 연산 속도는 느리지만 물체 변형의 정밀함을 나타내기 위한 유한 요소 방법(Finite Element Method), 연산 속도가 빨라 실시간으로 시뮬레이션을 하기 위한 질량-스프링 모델(Mass-Spring Model) 방법이 널리 사용되고 있다. 이러한 방법들은 변형물체 시뮬레이션들이 크게 적용되는 두 가지 방법이며, 이러한두 가지 모델을 통하여 상황에 맞게 표현 및 시뮬레이션하고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. Vuforia Developer, https://developer.vuforia.com 

  2. AR Toolkit, http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/ 

  3. Korea Communications Agency, "Augmented Reality (AR) technology and services, the latest trends and forecasts", Information Communication Technology Issues & Outlook, No. 9, 2013. 

  4. Xavier provot, "Deformation Constraints in a Mass-Spring Model to Describe Rigid Cloth Behavior", Graphics Interface, pp.147-155, 1995. 

  5. Vassilev, Tzvetomir, Bernhard Spanlang, "A mass-spring model for realtime deformable solids", Proceedings of the East-West Vision, pp.149-154, 2002. 

  6. Baraff, David, Andrew Witkin, "Large Steps in Cloth Simulation", COMPUTER GRAPHICS Proceedings, Annual Conference Series, pp.19-24, 1998. http://dx.doi.org/10.1145/280814.280821 

  7. Science Fun, princelab, http://www.princelab.co.kr/ 

  8. Junchul Chun, "Vision-based Motion Control for the Immersive Interaction with a Mobile Augmented Reality Object", JICS 2011, Vol.12, No.3, pp.119-129, 2011. 

  9. Seonho Lee, Junchul Chun, "Dynamic Behavior Modelling of Augmented Objects with Haptic Interaction", JICS 2014, Vol.15, No.1, pp.171-178, 2014. http://dx.doi.org/10.7472/jksii.2014.15.1.171 

  10. Lee, T. and Hollerer, T., "Hand AR: Markerless Inspection of Augmented Reality Objects Using Fingertip Tracking", In Proceedings of IEEE International Symposium on Wearable Computers, pp. 83-90, 2007. http://dx.doi.org/10.1109/iswc.2007.4373785 

  11. Lee, T. and Hollerer, T.,"Hybrid Feature Tracking and User Interaction for Markerless Augment Reality", In IEEE Int'l Conference on Virtual Reality, pp. 145-152, 2008. http://dx.doi.org/10.1109/vr.2008.4480766 

  12. Frati, V., Prattichizzo, D., "Using Kinect for Hand Tracking And Rendering in Wearable Haptics", World Haptic Conference IEEE, pp.317-321, 2011. http://dx.doi.org/10.1109/whc.2011.5945505 

  13. Microsoft kinect v2 software development kit reference, https://dev.windows.com/en-us/kinect 

  14. Tetgen, http://wias-berlin.de/software/tetgen/ 

  15. Hanhoon Park, Junyeong Choi, Jong-Il Park, Kwang-Seok Moon, "A Study on Hand Region Detection for Kinect-Based Hand Shape Recognition", Journal of broadcast Engineering, Vol. 18, No. 3, pp.393-400, 2013. http://dx.doi.org/10.5909/jbe.2013.18.3.393 

  16. Eigen Library, http://eigen.tuxfamily.org/dox/ 

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