[논문]온기를 느끼게 하는 VR 센싱 모델링

문동민; 진성아

doi:10.17703/jcct.2020.6.3.341

온기를 느끼게 하는 VR 센싱 모델링
Let's feel warmth with VR sensing modeling 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.3, 2020년, pp.341 - 346

문동민 (성결대학교 미디어소프트웨어학과 XICOM LAB) , 진성아 (성결대학교 미디어소프트웨어학과)

초록
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가상현실 콘텐츠에서 시각과 다른 감각의 불일치로 인한 멀미나 어지럼증이 큰 문제로 논란이 되고 있다. 해당 문제를 해결하기 위해 오감을 만족시키는 기기들이 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중 촉감에 관한 연구가 가장 많은데 경도나 질감에 의한 연구는 많지만 온도의 관한 연구가 상대적으로 적다. 따라서 본 논문에서는 재질의 온도가 아닌 고온에서 저온으로 이동하는 열에너지의 양을 기반으로 온도를 느낄 수 있는 계산모델을 제시하고자 한다. 열에너지는 물질의 고유특성인 열전도도와 온도, 접촉면적 등에 의해 결정되기 때문에 재질의 종류, 재질과 손의 온도, 물체와 닿는 부위에 따라 사람이 느끼는 열의 정도가 달라진다. 열전도법칙과 비열공식을 이용해 재질의 단위시간당 열에너지 이동양을 계산하고 열전소자를 이용하여 재질의 단위시간당 변하는 열에너지 재현방법을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Motion sickness or dizziness caused by visual and other sensory inconsistencies In virtual reality content seems to be a major problem. To solve the problem, research has been actively underway to satisfy the five senses. Among them, the most researches on the touch are many studies on hardness and texture, but the studies on temperature seem relatively small. Therefore, in this paper, we present a calculation model that can sense the temperature derived from the principle of heat energy moving from high temperature to low temperature, not the temperature of the material. Because heat energy is determined by the heat conductivity, temperature, and area of contact, which are the inherent characteristics of a material, the degree of heat felt by a person depends on the type of material, the temperature of the material and the area of contact with the object. The thermal energy shift per unit time of the material was calculated using the thermal conductivity law and the specific heat formula, and the thermal energy reproduction method that changes per unit time of the material was studied using the thermoelectric element.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1. 열전달과 펠티어 소자를 통한 열표현 Figure 1. Heat transfer and thermal representation through Peltier effect device
그림 그림 2. 원통과 원통의 열류 Figure 2. Cylinder and heat flow of cylinder
표 표 2. 재질의 세부 규격 및 온도 Table 2. Tools with size and temperature
표 표 3. 재질에 따른 물성치 Table 3. Material property according to material
그림 그림 3. 각 재질별 초당 손실 열에너지와 초당 온도변화 Figure 3. Loss heat per second by material
그림 그림 4. 다른 재질을 표현하기 위한 세라믹의 초당 온도 Figure 4. Per second temperature of ceramics to express other material

AI 본문요약
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문제 정의

증강현실과 가상현실에 관련한 최근의 연구는 그래픽, 평가, 훈련 등에서 꾸준히 보고되고 있다 [11, 12, 13]. 본 연구는 열전도와 관련된 가상현실 기술의 기반 연구를 수행하였다. 재질의 물성치를 기반으로 이동하는 열에너지의 VR센싱 모델링과 열전소자를 통한 재질의 열에너지 재현방법을 제안하였다.
인간의 촉감으로 느낄 수 있는 성질로는 크게 경도, 온도, 질감, 무게감 등이 있지만 대부분의 Haptic Glove기기들을 보면 경도나 질감을 표현하는 기기들이 많다. 본 연구에서는 온도에 관련하여 사람이 물체를 만졌을 때 체온에 의한 열의 이동과 물체에 따른 열량의 차이에 대해 컴퓨터 모델링을 제안하였다. 또한 열전소자를 이용해 물체의 열에너지를 재현하는 방법을 제안한다.

제안 방법

7℃ 로 나타났다. 개인의 신장이나 체지방에 따라 오차가 있지만 본 연구에서는 손 온도를 32.0℃로 조건을 설정하였다 [8]. 그리고 물체의 온도가 손의 평균 온도인 32.
대류 열전달에너지는 식(2)를 이용해서 구해야 하지만 원통 내부의 대류 열전달계수(h_i)를 구하기 위해서는 고려해야할 조건이 너무 많다. 그리고 많은 조건에 비해 전달되는 열에너지의 값이 너무 작기 때문에 위 공식 대신 시설원예연구소에서 제시한 공식을 사용하였다 [5].
[표 3]은 실험도구의 재질에 대한 물성치에 대한 특성을 보여주고 있다 [6, 7]. 도구들의 실제 비열과 열전도도를 측정하기에 제한이 있어서 사전이나 다른 연구소에서 정의된 재질의 일반적인 측정치를 기입하였다. 상온 25℃에서 측정된 값이고 측정에 오류가 있을 수 있기 때문에 여러 연구소에서 제시한 값 중 가장 일반적인 값을 취했다.
본 연구에서는 온도에 관련하여 사람이 물체를 만졌을 때 체온에 의한 열의 이동과 물체에 따른 열량의 차이에 대해 컴퓨터 모델링을 제안하였다. 또한 열전소자를 이용해 물체의 열에너지를 재현하는 방법을 제안한다.
실험의 변수로는 각 실험도구의 재질로 설정하였고 재질에 따른 물성치와 측정값에 따라 이동하는 열에너지의 차이가 어떻게 나타나는지 실험하였다. 원통의 경우 손에 닿아있는 부분은 원통의 열전도 공식을 사용했고, 나머지 부분은 푸리에 열전도 공식으로 두 가지 공식을 동시에 계산하여 영향을 주고받을 수 있게 설정하였다.
재질의 물성치를 기반으로 이동하는 열에너지의 VR센싱 모델링과 열전소자를 통한 재질의 열에너지 재현방법을 제안하였다. 열전소자의 전압 조절로 발생하는 온도를 제어해서 다른 재질의 열에너지를 표현하였다. 이 기술을 VR콘텐츠에 도입하면 가상에서 만진 모든 물체의 온도를 실제로 느낄 수 있어서 더 현실감 있는 체험을 도와 줄 수 있다.
본 연구에서 사용하는 실험도구는 [표 2]에서 보는바와 같이 총 3가지의 서로 다른 재질을 사용하였다. 온도는 상온 25℃에서 적외선온도계를 사용하여 측정하였고 무게는 CAS사의 전자저울을 이용해 측정하였다. 아크릴관과 버블채는 원통의 열전도 공식을 이용해 계산 하였고, 로프의 경우 푸리에열전도 공식을 사용하였다.
실험의 변수로는 각 실험도구의 재질로 설정하였고 재질에 따른 물성치와 측정값에 따라 이동하는 열에너지의 차이가 어떻게 나타나는지 실험하였다. 원통의 경우 손에 닿아있는 부분은 원통의 열전도 공식을 사용했고, 나머지 부분은 푸리에 열전도 공식으로 두 가지 공식을 동시에 계산하여 영향을 주고받을 수 있게 설정하였다. 열대류에 의한 온도변화는 유체의 속도나 밀도, 점성계수 등 고려해야할 사항이 많이 때문에 원통 내부의 열대류 현상만 고려하였고 외부의 열대류 현상에 의한 온도변화는 고려하지 않았다.
이 실험에서 온도변화의 중요한 요인인 온도차는 실험도구의 온도와 사람의 손바닥 온도의 차이로 설정하였다. 인간은 항온동물로 체온을 36.
본 연구는 열전도와 관련된 가상현실 기술의 기반 연구를 수행하였다. 재질의 물성치를 기반으로 이동하는 열에너지의 VR센싱 모델링과 열전소자를 통한 재질의 열에너지 재현방법을 제안하였다. 열전소자의 전압 조절로 발생하는 온도를 제어해서 다른 재질의 열에너지를 표현하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용하는 실험도구는 [표 2]에서 보는바와 같이 총 3가지의 서로 다른 재질을 사용하였다. 온도는 상온 25℃에서 적외선온도계를 사용하여 측정하였고 무게는 CAS사의 전자저울을 이용해 측정하였다.

이론/모형

14cm라는 측정값을 얻었다[9]. 손너비 값을 원통의 열전도 공식에서 길이의 값으로 넣었고 손너비를 뺀 나머지 부분은 푸리에법칙으로 계산하였다.
온도는 상온 25℃에서 적외선온도계를 사용하여 측정하였고 무게는 CAS사의 전자저울을 이용해 측정하였다. 아크릴관과 버블채는 원통의 열전도 공식을 이용해 계산 하였고, 로프의 경우 푸리에열전도 공식을 사용하였다. [표 3]은 실험도구의 재질에 대한 물성치에 대한 특성을 보여주고 있다 [6, 7].
열전도도는 열전도의 크기를 나타내는 물질의 성질로 같은 온도에서 물질마다 모두 다르다. 이를 이용해 푸리에 열전도 법칙으로 이동하는 열에너지를 구한다. 그리고 구한 열에너지를 표현하기 위해 열전소자를 이용한다.

성능/효과

실험 결과 세 가지의 재질 모두 시간이 지날수록 온도의 차이가 감소하고 손실되는 열에너지의 값도 또한 감소되었다. 처음 식을 세웠을 때는 1초 단위로 열에너지의 이동을 계산했는데 알루미늄의 경우 1초 동안 이동하는 열에너지의 값이 처음 온도차일 때 비열의 열량보다 커서 체온의 변화가 음수까지 떨어지는 결과가 나왔다.
처음 식을 세웠을 때는 1초 단위로 열에너지의 이동을 계산했는데 알루미늄의 경우 1초 동안 이동하는 열에너지의 값이 처음 온도차일 때 비열의 열량보다 커서 체온의 변화가 음수까지 떨어지는 결과가 나왔다. 알루미늄의 열전도도가 너무 높아서 잘못된 결과가 나왔는데 단위 시간을 0.01로 바꾸어 시간이 지날수록 손실되는 열에너지가 0에 수렴하는 결과를 얻을 수 있었다. 알루미늄의 경우만 이러한 오류가 있었고 다른 재질은 단위시간을 1초로 설정해도 문제가 없었다.

후속연구

또 제한되는 점으로 한 가지 재질이 아닌 여러 재질의 혼합물 또는 복합 물체의 경우 열전도도의 측정이 어렵고 열을 표현하는 것도 어렵다. 이러한 제한점을 해결한다면 더욱 현실적인 VR 체험이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온도란?	온도는 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 나타내는 물리량으로 열평형 상태를 나타내는 척도이다. 열역학적 관점에서의 온도는 물체 구성 입자의 내부운동에너지의 평균값으로 온도가 높을수록 큰 에너지를 갖는다.
	온도감각은 무엇에 의해 일어나는가?	온도는 고온에서 저온으로 열이 이동하고 열의 이동이 없을 때는 두 물체의 온도가 같다는 성질을 갖는다. 즉 사람이 특정 물건을 만졌을 때 차갑거나 뜨겁다고 느끼는 온도감각은 열의 이동에 의해 발생하고 열의 크기에 따라 느끼는 정도가 달라진다. 따라서 같은 온도의 물건이라도 재질에 따라 이동하는 열에너지가 다르기 때문에 만졌을 때의 온도감각도 다르게 느껴진다.
	동일한 조건에서 온도감각의 차이에 가장 큰 영향을 미치는 요인은?	따라서 같은 온도의 물건이라도 재질에 따라 이동하는 열에너지가 다르기 때문에 만졌을 때의 온도감각도 다르게 느껴진다. 이러한 감각의 차이는 면적이나 분자배열, 온도 등의 영향이 있지만 동일한 조건에서는 열전도도의 차이가 가장 크게 나타난다. 열전도도는 열전도의 크기를 나타내는 물질의 성질로 같은 온도에서 물질마다 모두 다르다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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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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