[논문]SPH 기반의 유체 및 용해성 강체에 대한 시각-촉각 융합 상호작용 시뮬레이션

김석열; 박진아

doi:10.5407/jksv.2017.15.1.032

SPH 기반의 유체 및 용해성 강체에 대한 시각-촉각 융합 상호작용 시뮬레이션
Real-time Simulation Technique for Visual-Haptic Interaction between SPH-based Fluid Media and Soluble Solids 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.15 no.1, 2017년, pp.32 - 40

김석열 (School of Computing, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 박진아 (School of Computing, Korea Advanced Institute of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Interaction between fluid and a rigid object is frequently observed in everyday life. However, it is difficult to simulate their interaction as the medium and the object have different representations. One of the challenging issues arises especially in handling deformation of the object visually as well as rendering haptic feedback. In this paper, we propose a real-time simulation technique for multimodal interaction between particle-based fluids and soluble solids. We have developed the dissolution behavior model of solids, which is discretized based on the idea of smoothed particle hydrodynamics, and the changes in physical properties accompanying dissolution is immediately reflected to the object. The user is allowed to intervene in the simulation environment anytime by manipulating the solid object, where both visual and haptic feedback are delivered to the user on the fly. For immersive visualization, we also adopt the screen space fluid rendering technique which can balance realism and performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 입자로 정의된 유체와 용해성 강체 간의 양방향 상호작용을 실현하고 이에 수반하는 시각 및 촉각 피드백을 사용자에게 충실히 전달하기 위한 SPH 기반의 실시간 시뮬레이션 기법을 제시하였다. 이를 통해 우리는 유체에 의한 강체의 용해나 침식 현상 등을 간편하게 체감할 수 있으며 유체에 대한 가시화 기법을 선택적으로 적용하여 사용자의 의도에 부합하는 렌더링 결과를 얻을 수 있다.
그리고 유체 영역의 가시화를 위해 화면 공간 유체 렌더링(screen space fluid rendering) 기법을 응용하여 보다 사실적인 묘사를 시도하였다. 이러한 요소 기술들을 통해 궁극적으로는 몰입감 높은 대화형 멀티모달 유체 시뮬레이션 환경을 구축하는 것을 목표로 하였다.
이에 본 연구에서는 SPH 및 통합 입자 모델을 기반으로 하여 유체와 강체 간의 상호작용을 처리 하고 그 결과를 시각 및 촉각 채널을 통해 실시간으로 사용자에게 제공하기 위한 시뮬레이션 시스템을 제안한다. 이때 강체 객체를 위한 시뮬레이션 모델은 단순히 유체와의 접촉뿐만 아니라 용해 현상에 의한 비가역적 변형을 표현할 수 있도록 설계되었다.

제안 방법

이때 강체 객체를 위한 시뮬레이션 모델은 단순히 유체와의 접촉뿐만 아니라 용해 현상에 의한 비가역적 변형을 표현할 수 있도록 설계되었다. 그리고 유체 영역의 가시화를 위해 화면 공간 유체 렌더링(screen space fluid rendering) 기법을 응용하여 보다 사실적인 묘사를 시도하였다. 이러한 요소 기술들을 통해 궁극적으로는 몰입감 높은 대화형 멀티모달 유체 시뮬레이션 환경을 구축하는 것을 목표로 하였다.
를 참고하여 CUDA를 통해 구현하였다. 그리고 화면 공간 유체 렌더링에 필요한 각 렌더링 패스는 OpenGL 셰이딩 언어(GLSL)로 작성되었으며 OGRE의 컴포지터(compositor)를 이용하여 각 패스의 중간 결과물을 합성하고 최종 결과물을 도출하였다. 사용자는 Fig.
화면 공간 유체 렌더링 기법은 유체 영역에 대한 표면 재구성 과정을 거치지 않고 각 입자의 위치에 해당하는 포인트 스프라이트(point sprite)를 프레임 버퍼 상에 바로 그린 다음 이를 후처리하여 유체를 표현하는 방식이다. 기본적으로는 유체 입자에 대한 깊이 맵(depth map)과 두께 맵(thickness map), 법선 맵(normal map)을 생성한 후 이를 최종 패스에서 모두 합성하게 되나 우리는 Fig. 3과 같이 유체 영역 후면(backface)에 대한 깊이 맵을 추가하여 유체 내부나 후면에 위치한 객체에 대한 사실성을 증진시키고자 하였다.
본 연구에서 제안한 시뮬레이션 기법은 오픈 소스 그래픽스 엔진인 OGRE를 기반으로 개발되었으며 충돌 처리 및 커널 함수 적용 부분은 병렬처리를 통한 실시간성 확보를 위해 Krog 등의 연구⁽¹⁴⁾를 참고하여 CUDA를 통해 구현하였다. 그리고 화면 공간 유체 렌더링에 필요한 각 렌더링 패스는 OpenGL 셰이딩 언어(GLSL)로 작성되었으며 OGRE의 컴포지터(compositor)를 이용하여 각 패스의 중간 결과물을 합성하고 최종 결과물을 도출하였다.
따라서 이를 통합 입자 모델에 적용하기 위해서는 표면 모델의 내부 영역을 확인하여 이를 입자로 채우는 샘플링 과정을 필요로 한다. 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 입력된 표면 모델에 대해 일정 간격으로 추적 광선을 투사하여 홀수 번째 충돌이 일어나는 지점부터를 모델의 내부, 짝수 번째 충돌이 일어나는 지점부터를 모델의 외부로 간주하고 내부에 해당하는 영역에 대해 광선을 따라 일정 간격으로 입자를 생성하는 방식을 적용하였다.
하지만 이러한 조건을 모두 만족하는 오프라인 렌더링 방식의 경우 즉각적인 반응이 요구되는 실시간 상호작용에는 적합하지 않기 때문에 사실성과 실시간성을 절충한 포인트 기반 렌더링 기법⁽¹¹⁾ 이나 거리 영역(distance field) 기반의 광선 투사(ray casting) 기법⁽¹²⁾ 등이 제안되어 왔다. 우리는 이러한 실시간 유체 렌더링 기법 중 화면 공간 유체 렌더링⁽¹³⁾ 기법을 응용하여 시뮬레이션 결과를 가시화하였다.
깊이 맵이 준비되면 이를 바탕으로 뷰 공간 (view space)에서의 법선 맵을 생성한다. 우선 법선 벡터를 구하고자 하는 프래그먼트(fragment)의 텍스처 좌표와 깊이 값을 이용하여 뷰 공간에서의 위치를 계산한다. 그리고 현재 프래그먼트를 기준으로 깊이 맵의 X축과 Y축 방향을 따라 약간씩 이동한 지점의 위치를 동일한 방법으로 계산한다.
이에 본 연구에서는 SPH 및 통합 입자 모델을 기반으로 하여 유체와 강체 간의 상호작용을 처리 하고 그 결과를 시각 및 촉각 채널을 통해 실시간으로 사용자에게 제공하기 위한 시뮬레이션 시스템을 제안한다. 이때 강체 객체를 위한 시뮬레이션 모델은 단순히 유체와의 접촉뿐만 아니라 용해 현상에 의한 비가역적 변형을 표현할 수 있도록 설계되었다. 그리고 유체 영역의 가시화를 위해 화면 공간 유체 렌더링(screen space fluid rendering) 기법을 응용하여 보다 사실적인 묘사를 시도하였다.
이때 유체의 경우에는 각각의 입자가 독립적으로 운동하기 때문에 계산된 접촉력이 해당 입자의 이동 속도에 바로 반영되지만 강체의 경우 동일한 객체를 구성하는 입자들은 결합되어 함께 움직이기 때문에 강체 전체의 이동 및 회전을 결정하기 위해서는 개별 입자들의 접촉력을 합산하여 적용할 필요가 있다. 이를 위해 우리는 Cirio의 연구⁽⁷⁾를 바탕으로 접촉력을 합산하여 강체가 받는 반력을 구하는 한편 강체의 무게중심과 각 입자들 간의 상대위치를 이용하여 돌림힘(torque)을 계산함으로써 강체의 자세를 갱신한다. 이 과정에서 도출되는 반력과 돌림힘은 햅틱 장치를 통해 사용자에게도 전달되어 유체와의 상호작용에 수반하는 촉각 피드백으로 작용하게 된다.
최종 패스에서는 선행 렌더링 패스에서 획득한 각종 텍스처를 바탕으로 굴절과 표면 반사, 색상 감쇠 효과 등을 계산하여 렌더링 결과물을 도출한다. 굴절의 경우 유체의 후면 깊이 맵과 일반 객체의 깊이 맵을 비교하여 유체 내부에 있거나 배경에 있는 객체 영역을 구분한다.

대상 데이터

구현된 시뮬레이션 시스템의 작동 검증 및 성능 평가를 위한 테스트 환경은 Intel Core i7-870 CPU 와 NVIDIA GeForce GTX 480 GPU로 구성되었다. 상기 테스트 환경에서 입자의 수를 31,247개(유체 입자 15,625개, 강체 입자 15,622개)로 설정하였을 때 렌더링 과정을 제외한 시뮬레이션 속도는 초당 평균 114프레임을 기록하였으며 포인트 스프라이트로 렌더링하였을 경우에는 초당 평균 73프레임, 화면 공간 유체 렌더링을 적용하였을 때에는 초당 평균 55프레임을 기록하였다.

이론/모형

만약 해당 객체가 유체 외부나 전경에 위치할 경우에는 객체만 렌더링한 후 종료되며 유체의 내부나 배후에 위치할 경우에는 객체와 유체 영역 간의 깊이 차를 이용하여 두께 값을 보정한 후 굴절 효과를 적용한다. 감쇠 효과는 비어-람베르트 법칙(Beer-Lambert law)에 의거하여 각 색상 채널의 감쇠율과 두께 값에 의해 결정되며 표면 반사는 법선 벡터로부터 계산된 계수에 반사될 색상을 곱하여 표현한다.

성능/효과

12는 화면 공간 유체 렌더링을 적용한 상태에서의 시뮬레이션 과정을 보여준다. 광선 추적법 등을 이용한 유체 렌더링 기법에 비해 사실성은 다소 떨어지지만 시각적으로 수용 가능한 수준의 결과물을 일반적인 PC 환경에서도 실시간으로 생성할 수 있음을 확인하였다.
사용자가 햅틱 장치를 이용하여 강체 모델을 유체 영역에 접한 상태로 움직일 경우 상호간의 접촉력 발생과 이로 인한 유체의 거동이 의도한 대로 묘사되었으며 강체의 용해 또한 Fig. 9와 같이 정상적으로 시뮬레이션되는 것을 확인하였다. 또한 포인트 스프라이트 렌더링 상태에서는 입자의 현재 속도나 용질의 잔여 농도 등을 개별 입자 단위로 색상화하여 표시함으로써 상호작용을 통해 발생하는 각종 변화를 직관적으로 확인할 수 있다.
구현된 시뮬레이션 시스템의 작동 검증 및 성능 평가를 위한 테스트 환경은 Intel Core i7-870 CPU 와 NVIDIA GeForce GTX 480 GPU로 구성되었다. 상기 테스트 환경에서 입자의 수를 31,247개(유체 입자 15,625개, 강체 입자 15,622개)로 설정하였을 때 렌더링 과정을 제외한 시뮬레이션 속도는 초당 평균 114프레임을 기록하였으며 포인트 스프라이트로 렌더링하였을 경우에는 초당 평균 73프레임, 화면 공간 유체 렌더링을 적용하였을 때에는 초당 평균 55프레임을 기록하였다. 이는 일반적으로 통용되는 촉각 렌더링의 요구조건(초당 1,000프레임 이상)에는 미달되지만 유체와의 상호작용은 높은 강성(stiffness)을 필요로 하지 않기 때문에 사용자가 실제로 인지하는 촉각 피드백의 품질 차이는 크지 않을 것으로 판단된다.

후속연구

본 렌더링 기법의 한계점으로는 한정된 정보로 인해 발생하는 렌더링 결과물 상의 각종 시각적 결함(artifact)을 들 수 있다. 그 중에서도 Fig.
이를 개선하기 위해 렌더링과 시뮬레이션 루프를 비동기적으로 작동하도록 분리하고 시간 변화량을 5ms 수준으로 줄일경우 우측과 같이 시뮬레이션의 안정성은 확보할 수 있으나 시뮬레이션 루프가 초당 200프레임 이상으로 동작할 수 있는 환경이 아니라면 실제 시간에 비해 시뮬레이션 상의 시간이 느리게 흘러가는 문제가 남는다. 이러한 성능 한계의 근본적인 해결을 위해서는 알고리듬 및 하드웨어 측면에서의 개선이 요구되지만 대상의 특성과 실행 환경에 따라 시뮬레이션 규모를 최적화하는 것도 효과적이고 즉각적인 해결책이 될 수 있을 것이다.
추후 우리는 실측치에 기반한 물성 모델을 적용하고 검증하는 과정을 거쳐 시뮬레이션의 사실성을 제고하는 한편 충돌 처리의 고속화와 가시화 기법의 보완을 통해 시뮬레이션 환경의 전반적인 품질을 개선하고자 한다. 이와 더불어 현재 연구가 활발하게 진행 중인 몰입형 가상현실 기술과의 접목을 통해 관련 분야에 대한 교육 및 훈련, 시제품 검증 등에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
현 시점에서 제안한 기법은 시뮬레이션의 정확성보다는 상호작용성에 초점을 맞추어 개발되었기 때문에 실제 물질의 거동과는 다소 차이가 존재할 수 있다. 추후 우리는 실측치에 기반한 물성 모델을 적용하고 검증하는 과정을 거쳐 시뮬레이션의 사실성을 제고하는 한편 충돌 처리의 고속화와 가시화 기법의 보완을 통해 시뮬레이션 환경의 전반적인 품질을 개선하고자 한다. 이와 더불어 현재 연구가 활발하게 진행 중인 몰입형 가상현실 기술과의 접목을 통해 관련 분야에 대한 교육 및 훈련, 시제품 검증 등에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유체와 강체 간의 상호작용이 활용되는 분야는 어디인가?	유체와 강체 간의 상호작용은 분자 단위의 용해나 확산과 같은 미시적인 자연 현상에서부터 조선 해양, 토목 등의 거시적인 응용 분야에 이르기까지 다양한 영역에 걸쳐 폭넓게 관측되며 활용되고 있다. 그리고 이러한 산업 분야의 기저에는 유체의 거동을 보다 신속하고 정확하게 분석하여 이를 제품 개발에 적용하는 동시에 개발된 시제품에 대한 검증 및 훈련 수단으로서 유체 시뮬레이션에 대한 수요가 꾸준히 제기되고 있다.
	라그랑주 기술법에 기초한 대표적인 입자 기반의 유체 모델은 무엇인가?	이로 인해 상호작용성이 중시되는 실시간 유체 시뮬레이션 환경에서는 라그랑주 기술법(Lagrangian specification)에 기초한 입자법을 주로 사용한다. 대표적인 입자 기반의 유체 모델로는 입자 완화 유체 동역학(smoothed particle hydrodynamics, 이하 SPH) 기법(1)을 들 수 있는데, 이는 인접한 입자들의 물리량을 커널 함수(kernel function)에 따라 가중합하여 현재 입자의 상태를 결정하는 방식으로써 동적 유체를 표현하거나 외부 객체와의 상호작용을 처리하기가 편리하다는 장점을 가진다.
	포인트 기반 렌더링 기법이나 거리영역 기반의 광선투사 기법등이 제안된 이유는 무엇인가?	입자 기반의 유체 시뮬레이션 결과를 사실적으로 가시화하기 위해서는 표면을 재구성하여 유체 영역의 경계를 정확하게 정의하고 영역 내에서 발생하는 굴절 등의 광학적 현상을 추적하여 재현하여야 한다. 하지만 이러한 조건을 모두 만족하는 오프라인 렌더링 방식의 경우 즉각적인 반응이 요구되는 실시간 상호작용에는 적합하지 않기 때문에 사실성과 실시간성을 절충한 포인트 기반 렌더링 기법(11) 이나 거리 영역(distance field) 기반의 광선 투사(ray casting) 기법(12) 등이 제안되어 왔다. 우리는 이러한 실시간 유체 렌더링 기법 중 화면 공간 유체 렌더링(13) 기법을 응용하여 시뮬레이션 결과를 가시화하였다.

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저자의 다른 논문 :

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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