[논문]가상현실 기반 실전적 정밀사격훈련 구현 연구

이병학; 김종환; 신규용; 김동욱; 이원우; 김남혁

가상현실 기반 실전적 정밀사격훈련 구현 연구
A study on the actual precision shooting training based on virtual reality 원문보기

융합보안논문지 = Convergence security journal, v.18 no.4, 2018년, pp.62 - 71

이병학 (육군사관학교) , 김종환 (육군사관학교) , 신규용 (육군사관학교) , 김동욱 (육군사관학교) , 이원우 (육군사관학교) , 김남혁 (옵티머스 시스템(주))

초록
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4차 산업혁명 시대에 가상현실 기술의 급속한 성장은 국방 분야에서도 ICT 융합과 더불어 군사훈련체계의 과학화를 가속 시키고 있다. 최근 육군에서는 사격장 소음문제에 따른 민원증가, 사격장 안전사고 예방, 그리고 훈련비용 절감과 같은 민감한 사안을 해결하기 위해 모의 사격훈련 시뮬레이터 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 본 논문에서는 기존의 사격훈련시뮬레이터의 기술적 한계점을 살펴보고 이를 극복하기 위해 훈련자 중심의 공간 동기화 기법과 미소각 근사 수정질점탄도모델을 제안한다. 자체 개발한 정밀사격 시뮬레이터 MARS(medium range assault rifle shooting simulator)에 조성된 혼합현실(mixed reality) 환경에서 반응조끼(haptic vest)를 착용한 훈련자는 가상적군과 양방향 교전간 실시간 피격을 경험할 뿐만 아니라 실제 탄도궤도가 적용된 정밀사격훈련을 수행하게 되어 훈련 결과에 따른 신뢰 높은 훈련평가를 받을 수 있게 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The rapid growth of virtual reality technology in the era of the 4th Industrial Revolution has accelerated scientification of combat training systems in addition to ICT(information and communications technology) in military field. Recently, research and development of simulators based on virtual reality have been actively conducted in order to solve sensitive issues such as increase of civil complaints due to the noise of a shooting range, prevention of shooting accident, and reduction of training cost. In this paper, we propose two key solutions: spatial synchronization method and modified point mass trajectory model with small angle approximation to overcome technical limitations of a current training simulator. A trainee who wears a haptic vest in a mixed reality environment built in MARS(medium-range assault rifle shooting simulator) is able to conduct not only precision shooting but also two-way engagement with virtual opponents. It is possible for trainee to receive more reliable evaluations in the MARS than an existing rifle simulator based on laser.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 앞서 언급한 레이저 기반 영상사격훈련시뮬레이터의 기술적 한계를 극복하고 실전적인 정밀사격훈련환경을 조성하기 위해 다음과 같은 핵심 이론 및 기술을 제시한다.
본 연구에서 기존의 레이저 조준 방식 영상 사격 시뮬레이터의 기술적 한계를 살펴보고 실전적 사격훈련환경구축에 필요한 핵심 기술들을 소개하였다. 레이저는 지구중력장에 영향을 받지 않는 직진성이 강한빛으로서 조준선 정열 및 25미터 영점사격훈련에는 유용하나 소구경탄의 탄도곡선을 구현할 수 없으므로표준사거리 250 또는 300미터이내 표적에 대한 예측사격 및 전투 가늠자 획득에는 부적합하다.
본 연구에서는 레이저 기반 영상 사격훈련 시뮬레이터의 기술적 한계점을 분석하고, 보다 실전적인 사격훈련을 위한 새로운 방식의 가상현실 요소 기술 및 구현 방법론을 제안한다. 실전적 정밀 사격훈련을 위한 공간 동기화 기법과 총기/탄종에 따른 정밀 탄도곡선 구현을 통해 새로운 방식이 적용된 가상현실기반 훈련 환경을 조성하였다.

가설 설정

⁹⁾ 따라서 수정질점해석기법을 적용한 직사화기 소구경탄 운동방정식을 세우기 위해 다음과 같이 가정한다. ① 지구 자전효과는 무시한다. ② 지표면은 평탄하다.
① 지구 자전효과는 무시한다. ② 지표면은 평탄하다. ③ 지구 중력가속도는 모든 위치에서 일정하다.
② 지표면은 평탄하다. ③ 지구 중력가속도는 모든 위치에서 일정하다. ④ 소구경 탄자의 질량 중심과 압력중심은 일치한다.
③ 지구 중력가속도는 모든 위치에서 일정하다. ④ 소구경 탄자의 질량 중심과 압력중심은 일치한다. ⑤ 질량중심에 작용하는 주요 힘은 지구 중력, 항력, 양력이며 전복모멘트 이외에 모멘트는 무시한다.
(그림 1)은 사수 위치 또는 시점 변경에 따른 조준선변화를 보여준다. 사수가 실내 영상 사격장에서 직선거리 5m 전방 스크린상 표적에 25m 영점사격을 실시한다고 가정해보자. 사수가 최초 위치①에서 위치②로 사로를 변경하여 같은 표적 Ⓐ에 대해 사격을 실시할경우, 위치②에서 조준선 정열은 최초 표적 Ⓐ를 벗어나 가상공간 붉은 점선 조준선 상 표적 Ⓑ를 지향하게 된다.

제안 방법

훈련자가 실공간차폐물(검정색 상자)과 가상 장애물(회색 벽) 후방에 각각 앉아쏴 자세로 은폐한 경우, 가상적군의 공격으로부터 모두 방호(적색 실선 타원형)되었다. 또한 훈련자가 은폐물 후방에서 좌우로 위치 이동을 하였을 때, 가상적군은 훈련자의 위치를 추적하며 조준 및 지향 사격을 실시하였다. 특히, 훈련자가 착용한 haptic vest는 적으로부터 피격여부를 가시화시켜주는 자체 개발한 장비로써, 피격부분이 청색으로 발광(LED)되며, 동시에 피탄결과를 data화하여 훈련자에게 제공한다.
본 연구를 위해, 과학기술정보통신부 지원(’17.7 ∼‘18.12)을 받아 육군사관학교(Korea Military A cademy) 연구개발팀은 (그림 6)과 같이 훈련자가 실제 또는 가상공간의 주변 지형지물(은폐물)과상호 반응하며 사실적인 정밀사격훈련을 수행할 수 있는 가상현실 기반 정밀사격훈련 시뮬레이터, MARS(Medium range Assault rifle shooting si mulator)를 자체 개발하였다.
본 연구에서는 레이저 기반 영상 사격훈련 시뮬레이터의 기술적 한계점을 분석하고, 보다 실전적인 사격훈련을 위한 새로운 방식의 가상현실 요소 기술 및 구현 방법론을 제안한다. 실전적 정밀 사격훈련을 위한 공간 동기화 기법과 총기/탄종에 따른 정밀 탄도곡선 구현을 통해 새로운 방식이 적용된 가상현실기반 훈련 환경을 조성하였다.
또한 스크린에 묘사된 가상적군이 훈련자의 전술적 행동이나 사격자세와 무관하게 대응함으로써 훈련자는 실전적인 양방형 교전을 수행하기가 어렵다. 이러한 기술적문제점들을 극복하고 개선하기 위해 정밀사격훈련 시뮬레이터 MARS를 자체 연구 개발하였다. MARS의적용된 핵심기술은 공간동기화 기법으로 스크린을 경계로 실공간과 가상공간을 동기화시켜 MR환경을 조성한 기술이다.
여기서, W은 S평면의 너비, W′은 S'평면의 너비, H는 S평면의 높이, 그리고 H′은 S‘평면의 높이를 나타낸다. 이러한 방식을 통해 훈련자의 위치 이동에 따른 스크린 상에 2차원 영상을 왜곡시켜 3차원적인 시각적 효과를 구현 하였다.
이를 입증하기 위해, 조준선 정열·훈련자의 전술적 사격자세에 의한 가상공간 변화, 실제 및 가상공간 은폐물 활용한 피탄 실험, 그리고 소구경탄 탄도곡선 적용에 따른 사격결과를 레이전 기반 영상사격결과와 비교 실험하였다.
레이저 기반 스크린 영상사격 시뮬레이터에서는 구현 불가능한 사격결과이나 MARS에서 제공하는 MR환경에서는 실제적인 영점사격과 실거리정밀 조준 사격을 수행할 수 있게 되었다. 특히, 훈련자가 조준선 정열간 탄종별 탄도곡선을 이해하고 사거리별 표적에 대한 예측사격술을 배양할 수 있도록 획기적인 사격훈련 환경을 조성하였다.

데이터처리

따라서 지구 지표면 대기 중에 비행하는 탄자의 이상적인곡선 궤도는 탄종별로 약간의 차이가 있지만 사거리 25미터와 250/300미터 조준점과 탄착점이 일치한다. MPTMS 기반으로 계산된 직사화기 탄도곡선의 신뢰도를 검증하기 위해 PRODAS S/W (Arrow Tech Associate, 1999)의 결과 값과 비교하였다.

이론/모형

미소각 근사(small angle approximation)를 적용한 수정질점해석기법(MPMTS)기반 직사화기 소구경탄 운동방정식인의 해는 식 (14)에 식 (11)을 대입하고 고정좌표계에 대해 decoupled 시간의 함수로 전개한 후 MATLAB을 이용하여 획득하였다.

성능/효과

이는 MPTMS의 미소각 근사를 적용한 4자유도수정질점해석기법과 PRODAS의 6자유도 강체해석기법의 차이가 탄도궤도 계산결과 탄착점의 수치적 위치차이로 반영된 것이다. 다시 말해서, PR ODAS는 MPTMS에 비해 추가적으로 전향력, 감쇄힘, Magnus 효과, 회전모멘트, 감쇄 모멘트, 회전 감쇄모멘트, 비선형적 항력ㆍ모멘트 계수, 그리고 탄자 속도에 따른 항력 계수변화 등을 고려하므로 MPTMS보다 이상적인 탄도궤도를 구현한다. 그러나 표준거리 300미터에 대해 M16A2의 상하(탄도고)/좌우(수평편차) 가늠자 조절나사 1 c lick당 탄착점 위치변화량(±10.
대기 중에 탄자의 수평 편류 현상은 MPTMS가 PRODAS의 비해 표준사거리 300미터에서Δd(=dPR-dMP)=-1.09cm로 우측편류 정도가 작았다.
특히, 훈련자가 착용한 haptic vest는 적으로부터 피격여부를 가시화시켜주는 자체 개발한 장비로써, 피격부분이 청색으로 발광(LED)되며, 동시에 피탄결과를 data화하여 훈련자에게 제공한다. 따라서 haptic vest를 착용한 훈련자는 공간 동기화된MR 환경에서 실적전인 양방향 교전훈련과 가상 및 실제 은폐물을 이용하여 적의 공격으로부터 방호 및 회피하는 전술적 사격훈련을 수행할 수 있었다.
MARS의적용된 핵심기술은 공간동기화 기법으로 스크린을 경계로 실공간과 가상공간을 동기화시켜 MR환경을 조성한 기술이다. 따라서 동기화된 공간에서 훈련자는 ① 전술적 행동의 자유도 향상, ② 실사격 훈련과 동일한 정밀사격, ③ 지형지물을 이용한 전투 사격술, 그리고 ④ 양방향 교전시 실시간 상호작용들이 가능한 실전적인 사격훈련을 경험할 수 있게 되었다. 특히, MPTMS 산출된 미군 M계열 탄종의 탄도곡선은6자유도 강체해석 기법기반의 PRODAS와 비교하여볼 때, 표준 사거리 300미터에서 신뢰 높은 결과를 보여 다양한 탄종에 대한 독립적인 탄도궤도 연구기반을 마련하게 되었다.
사수의 전방·우측· 좌측 pointed quick fire 자세에 따라 훈련자 관점으로 가상공간이 동기화되어 있음을 확인하였다.
이러한 MPTMS를 적용한 동기화된 공간 MR환경에서 사거리 100, 200 그리고 300미터 표적에 대한 모의 소총 M16A2로 사격한 결과 (그림 11)과 같이 M855 탄도궤도가 반영된 조준점 기준 탄착점의 위치변화를 확인할 수 있었다.
사수의 전방·우측· 좌측 pointed quick fire 자세에 따라 훈련자 관점으로 가상공간이 동기화되어 있음을 확인하였다.이를 통해 전방, 좌우측방 지향사격 및 사주 경계자세 자유도를 향상시키고 사격훈련 몰입감을 높일 수 있었다.

후속연구

특히, MPTMS 산출된 미군 M계열 탄종의 탄도곡선은6자유도 강체해석 기법기반의 PRODAS와 비교하여볼 때, 표준 사거리 300미터에서 신뢰 높은 결과를 보여 다양한 탄종에 대한 독립적인 탄도궤도 연구기반을 마련하게 되었다. 앞으로 몰입도가 높은 1인용가상현실 기반 사격시뮬레이터 개발을 넘어 가상공간에서 공용화기 및 곡사화기가 구현된 입체적인 팀단위 훈련이 가능하도록 지속적인 연구개발을 수행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	군인이라는 직업은 어떤 환경에 놓여 있는가?	군인은 일반 직업보다 근본적으로 위험한 환경에 노출되어 있다. 영국 공영 방송 BBC는 2016년 1월 12일자 뉴스1)에서 영국 국방부 관계자의 말을 인용해 2001년부터 2016년까지 15년간 평시작전간 사망한 영군군인 수는 총 131명이라고 밝혔다.
	효율적인 전투력 관리를 위해서 미국과 영국은 무엇을 하고 있나?	미국과 영국은 이러한 문제점을 해결하고 효율적인 전투력 관리를 위해 최근 급속하게 성장하고 있는 가상현실(Virtual Reality) 기술을 국방 분야에 접목시켜 활발한 연구개발을 진행하고 있다.3)4)5) 특히, 미국 Vi rtra 사(社)는 V-300TM, V-180TM, V-100TM, 그리고 V-ST PROTM와 같은 실제 영상기반으로 한 다양한 사격훈련용 시뮬레이터를 개발하여 미군에 적용하고 있다.
	효율적인 전투력 관리를 위한 가상현실 시물레이터에는 무엇이 있으며, 한국에선 어떻게 사용되고 있는가?	미국과 영국은 이러한 문제점을 해결하고 효율적인 전투력 관리를 위해 최근 급속하게 성장하고 있는 가상현실(Virtual Reality) 기술을 국방 분야에 접목시켜 활발한 연구개발을 진행하고 있다.3)4)5) 특히, 미국 Vi rtra 사(社)는 V-300TM, V-180TM, V-100TM, 그리고 V-ST PROTM와 같은 실제 영상기반으로 한 다양한 사격훈련용 시뮬레이터를 개발하여 미군에 적용하고 있다. 우리 육군에서는 금곡과학화 예비군훈련장에서 레이저 기반 영상사격훈련 시뮬레이터를 2014년도에 도입하여 현재까지 사격훈련(10만명/년, 1000여명/일, 개인당 사격훈련 시간 약 7분)을 실시하고 있다.6) 이러한 영상 사격훈련 시뮬레이터들은 훈련시 안전사고 예방 및 훈련비용 절감, 가상훈련 환경을 통한 다양한 상황에 대한 체험 훈련 등 많은 장점을 가지고 있다.

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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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