[논문]증강현실 기술과 삼차원 튜토리얼 방식을 활용한 단계별 치아 형태 조각 실습 컨텐츠 개발과 관련된 융합 연구

임은정; 이재기

doi:10.15207/jkcs.2020.11.10.081

증강현실 기술과 삼차원 튜토리얼 방식을 활용한 단계별 치아 형태 조각 실습 컨텐츠 개발과 관련된 융합 연구
Study on the Development of Stepwise Tooth Carving Practice Content Using Augmented Reality Technology and a Three-Dimensional Tutorial Method 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.10, 2020년, pp.81 - 88

초록
AI-Helper

본 연구의 목적은 증강현실 기술을 기반으로 상악 우측 중절치의 치아 형태 조각의 반복 실습이 가능한 콘텐츠를 개발하는 것이다. 치아 형태의 단계별 실습을 위해, 1단계부터 16단계까지의 단계별 실습스토리 보드에 의한 근심, 원심, 협면, 설면의 특징을 반영한 단계별 치아 조각 형태를 삼차원 모델링 하였다. 이 자료가 학습자의 모바일 기기 화면상에 출력될 수 있도록 단계별 이미지 마커를 인식하여, 증강현실 어플리케이션으로 사용할 수 있도록 제작하였다. 이를 통해 학습자는 치아 형태 조각 연습을 반복적으로 수행해 완성도 높은 상악 우측 중절치를 조각할 수 있었다. 이 콘텐츠를 이용하여 치아 형태학 강의실 수업과 치의학 입문자의 실습이 함께 연계되어 치아 형태 조각 능력 향상에 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This purpose of this study is to develop content that enables repetitive carving practice of the maxillary right central incisor (MRCI) based on augmented reality (AR). For a step-by-step practice of achieving the tooth shape, after creation of the storyboard from the square box shape in step 1 to the completed MRCI block in step 16, three-dimensional (3D) modeling data reflecting the characteristics of the mesial, distal, lingual, and labial surface of the MRCI were generated. An application was built in which 3D modeling data were output on the screen of the learner's mobile device, and image markers suitable for 3D modeling in steps 1 to 16 of the MRCI model were respectively generated. Using this information, the learner could carve a high-quality MRCI by repeatedly performing the tooth shape carving exercises. With AR, we intend to contribute to improved tooth morphology carving skills by linking the theory and practical techniques for a beginners in dentistry.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. The 16-step engraving process for the maxillary right central incisor.
그림 Fig. 2. Wolkflow of the "augmented reality-based content for tooth sculpting practice" using a mobile application interface.
그림 Fig. 3. 3D object modeling of the maxillary right central incisor. 1st step the shape of a square block (A), 5th step the deletion block is expressed according to the equidistant lines marked on the labial and lingual surfaces (B), and the 10th step the cervical area of the labial surface obtained from the 7th step is trimmed to round (C), and the completed maxillary cental incisor form the 16th step (D). a: The red dot represents the most convex part, b: The dotted lines represents the equidistant line of the tooth, c: The solid lines represents the line where the teeth are carved, d: caved blocks, e: The red arrows represents the direction of the indicative carving lines
그림 Fig. 4. Image markers of the tooth carving. Image marker(IM) of the first step (A), IM of the 5th step (B), IM of the 10th step (C), IM of the 16th step (D). a: The number in the IM indicates the carving step for the maxillary right central incisor
그림 Fig. 5. Carving of the maxillary right central incisor using the mobile content (A), Motion screen of the mobile content based on an augmented reality (B). WC: wax carving, AR: practice contents for dental carving stage based on augmented reality, IM: image marker
그림 Fig. 6. A carving model of the maxillary right central incisor using a textbook (A), A carving model of the maxillary right central incisor using augmented reality (AR) contents (B). MM: mesial margin, DM: distal margin, CA: contact area, MA: mesioincisal angle, DA: distoincisal angle, M: mamelon

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 치아 구조의 이해 및 조각에 어려움을 개선하기 위해 기존 교육 자료를 삼차원 구조로 제작하여 치아의 입체감을 통해 공간지각력 향상에 도움을 준다. 또한 치아 방향 전환 화면 터치 방법은 치아의 각 면의 특징을 쉽게 구분하기 어려운 입문자에게 방향 혼동을 줄이기 위해 증강현실 활용해 직접 원하는 방향으로 마커를 돌려 치아 구조를 학습하게 한다.
이 연구에서는 증강현실기술을 기반으로 3D 튜토리얼 방식의 단계별 치아 형태 조각 실습 콘텐츠를 개발하였다. 치아 형태에 대한 이론과 치아 조각의 수행과정을 연계시켜 치아 형태학 조각 과정 중 학습자가 시간과 장소에 구애받지 않고 콘텐츠를 활용하여 치아 형태 조각 연습을 할 수 있다.
이 연구의 목적은 치아 형태학 조각 입문에서 기존 이론 학습 과정을 실습으로 연계하여 기본 형태와 방법을 익히는 첫 모델로 상악 우측 중절치를 선정하였고 3D모델링 기술을 이용한 모바일 튜토리얼 방식으로 단계별로 진행하여 강의실 수업 시 실습 지원 도구의 역할과 학습자의 자가주도형 실습 반복 도구로 학습자의 참여도를 올려 실습 효과를 증가시키는 것이다.
이를 통해 학습자는 단계별 마커를 이용한 치아 형태학 조각 실습 단계의 정확한 구분이 가능해 학습자의 공간지각력 확장과, 자가 학습을 통한 실습 절차 이해 증대로 인해 교수자는 수업 시 효율적인 실습 진행을 이끌 수 있다. 학습자의 치아 형태학 조각 학습능력 향상으로 기초 역량을 구축하여 나아가 임상 활용 역량을 축적하게 할 수 있는 새로운 실습 교육 도구를 제시하고자 한다.

제안 방법

4’ 이다. 16단계 중 학습자가 원하는 단계를 쉽게 찾기 위해 마커에 번호를 삽입하였고, 마커의 배경 패턴을 모두 다르게 적용해 이미지 마커의 인식률을 높게 하였다. 이미지 마커의 총 개수는 16개이며 적힌 숫자 구성은 ‘1~8’, ‘8-1’, ‘8-2’, ‘8-3’, ‘9~13’ 이다.
초기 단계의 치아 면에 등분선을 이용하여 비율과 조각의 가이드를 제시하였다. 1단계부터 4단계는 치아 조각에 등분선을 표시한 후 근심면과 원심면을 다듬고 5단계부터 8단계는 순면과 설면에 등분선을 표시한 후 사용자가 관찰할 수 있도록 모델링 하였다. 9단계부터 14단계는 앞서 조각한 근, 원, 순, 설면의 특징을 부여하며 능각을 형성하였다.
3D 상악 중절치 모델링은 조각 단계에 따라 결과물을 3차원으로 관찰할 수 있게 제작하였다. 학습자는 이미지 마커, 치아 조각 블록과 앱을 구동할 수 있는 모바일 기기를 준비 후 학습자가 조각하기 원하는 단계의 이미지 마커를 선택하여 앱을 구동하면 이미지 마커 위에 구현된 3D 모델을 관찰하면서 치아 조각을 할 수 있다.
Unity 전용 SDK를 Unity 프로젝트 파일에 Import 시켜 Vuforia를 통해 License Manager에서 라이센스를 다운 받은 후에 License key를 생성하였다. Target Manager에서는 포토샵을 이용하여 각 모델링 단계에 맡게 제작된 이미지 타켓을 저장한 후에, 이미지 타겟은 single image 타입으로 제작하여 별 5개로 높은 인식률을 확인한 후에 Unity Edit version (open source: https://unity-landing.vuforia.com/#imagetarget, Qualcomm, USA)으로 이미지 마커를 생성하고 저장 하였다. Unity에서 License key를 복사하여 중절치 모델에 단계별로 만든 이미지 마커를 import 시켜 3D모델과 연동시키고, 이미지 마커에 구현되는 3D모델의 위치와 크기를 결정 하였다.
com 가입 후 Vuforia SDK Download for Unity를 설치하였다. Unity 전용 SDK를 Unity 프로젝트 파일에 Import 시켜 Vuforia를 통해 License Manager에서 라이센스를 다운 받은 후에 License key를 생성하였다. Target Manager에서는 포토샵을 이용하여 각 모델링 단계에 맡게 제작된 이미지 타켓을 저장한 후에, 이미지 타겟은 single image 타입으로 제작하여 별 5개로 높은 인식률을 확인한 후에 Unity Edit version (open source: https://unity-landing.
com/#imagetarget, Qualcomm, USA)으로 이미지 마커를 생성하고 저장 하였다. Unity에서 License key를 복사하여 중절치 모델에 단계별로 만든 이미지 마커를 import 시켜 3D모델과 연동시키고, 이미지 마커에 구현되는 3D모델의 위치와 크기를 결정 하였다. 치아 모델의 1단계부터 16단계까지의 이미지 마커와 치아모델의 연동을 확인 후 Unity를 통해 안드로이드 어플리케이션을 생성하였다.
따라서 이 연구에서는 치아 구조의 이해 및 조각에 어려움을 개선하기 위해 기존 교육 자료를 삼차원 구조로 제작하여 치아의 입체감을 통해 공간지각력 향상에 도움을 준다. 또한 치아 방향 전환 화면 터치 방법은 치아의 각 면의 특징을 쉽게 구분하기 어려운 입문자에게 방향 혼동을 줄이기 위해 증강현실 활용해 직접 원하는 방향으로 마커를 돌려 치아 구조를 학습하게 한다. 또한 수업을 통해서 제공되던 치아 단계 조각 모형을 모든 학습자가 언제 어디서든 사용할 수 있게 배포하였다.
학습자는 등록된 이미지 마커를 펼치고 학습자의 안드로이드 기반 모바일 기기에서 개발한 콘텐츠를 작동시킨 후 휴대기기 카메라를 치아 형태가 있는 마커에 초점을 맞춘다. 모바일 기기의 카메라가 이미지 마커를 인식하면 마커와 모바일 기기의 상대적인 위치를 계산하고 마커의 형상에 따라 상악 우측 중절치 3D 모델을 생성시킨 후, 마커의 해당 위치에 가상의 치아 모델을 투영한다. 학습자는 모바일 기기의 화면을 통해 상악 우측 중절치 3D 모델이 표현된다.
상악 우측 중절치 모델을 1단계부터 16단계로 총 16개 모델링의 각 이미지 마커를 생성하였다. 마커의 제작 순서는 증강현실 마커제작 소프트웨어인 http://developer.
상악 우측 중절치 조각을 위한 모바일 콘텐츠는 거치의 안정성과 방향 회전의 용이함을 위해 가로 화면을 고정하여 사용하도록 설계하였다. ‘Fig.
상악 우측 중절치의 전체 가공에 대한 사전 모델 구현을 위해 BIM (Building Information Modeling)의 핵심기술 요소인 파라메트릭 모델링 방법을 SOLIDWORKS (2019, SolidWorks Corporation, USA)을 이용하여 만들었다. 상악 우측 중절치 조각을 위해 초기 블록부터 완성된 단계까지 16단계로 나누어졌다.
이미지 마커의 총 개수는 16개이며 적힌 숫자 구성은 ‘1~8’, ‘8-1’, ‘8-2’, ‘8-3’, ‘9~13’ 이다. 상악 중절치 치아 조각단계별로 왁스 조각을 삭제하거나 해당 부위의 형태학적 특징을 살려 표현이 필요한 기점을 중심으로 단계를 구성하였다.
증강현실의 객체로 활용할 상악 우측 중절치 조각 단계별 3D 모델링 개발을 위해 스토리보드를 작성하였다. 상악 우측 중절치의 전체 가공에 대한 사전 모델 구현을 위해 BIM (Building Information Modeling)의 핵심기술 요소인 파라메트릭 모델링 방법을 SOLIDWORKS (2019, SolidWorks Corporation, USA)을 이용하여 만들었다.
초기 단계의 치아 면에 등분선을 이용하여 비율과 조각의 가이드를 제시하였다. 1단계부터 4단계는 치아 조각에 등분선을 표시한 후 근심면과 원심면을 다듬고 5단계부터 8단계는 순면과 설면에 등분선을 표시한 후 사용자가 관찰할 수 있도록 모델링 하였다.
Unity에서 License key를 복사하여 중절치 모델에 단계별로 만든 이미지 마커를 import 시켜 3D모델과 연동시키고, 이미지 마커에 구현되는 3D모델의 위치와 크기를 결정 하였다. 치아 모델의 1단계부터 16단계까지의 이미지 마커와 치아모델의 연동을 확인 후 Unity를 통해 안드로이드 어플리케이션을 생성하였다. 학습자의 증강현실 기반 치아형태 조각 실습 콘텐츠의 전체 구성도는 Fig.
치아의 3D 모델링은 학습자의 관찰 편의를 위해 학습자가 원하는 방향으로 회전하였을 때에도 단계별 절차가 반영된 서로 다른 면을 볼 수 있게 제공하였다. 치아 방향의 특수성으로 인한 방향 혼란을 줄이기 위해 상악 우측 중절치의 4개면(순면, 설면, 근심면, 원심면)에 색깔 구분을 하였다. 치아 조각시 삭제해서는 안되는 풍융 부위와 인접치와의 접촉점은 빨간색 점으로 하여 조각 시 주의할 수 있도록 최종 단계인 16단계를 제외한 15단계까지 빨간색 점이 나타나도록 하였다.
치아 방향의 특수성으로 인한 방향 혼란을 줄이기 위해 상악 우측 중절치의 4개면(순면, 설면, 근심면, 원심면)에 색깔 구분을 하였다. 치아 조각시 삭제해서는 안되는 풍융 부위와 인접치와의 접촉점은 빨간색 점으로 하여 조각 시 주의할 수 있도록 최종 단계인 16단계를 제외한 15단계까지 빨간색 점이 나타나도록 하였다. Fig.
학습자는 등록된 이미지 마커를 펼치고 학습자의 안드로이드 기반 모바일 기기에서 개발한 콘텐츠를 작동시킨 후 휴대기기 카메라를 치아 형태가 있는 마커에 초점을 맞춘다. 모바일 기기의 카메라가 이미지 마커를 인식하면 마커와 모바일 기기의 상대적인 위치를 계산하고 마커의 형상에 따라 상악 우측 중절치 3D 모델을 생성시킨 후, 마커의 해당 위치에 가상의 치아 모델을 투영한다.

이론/모형

상악 우측 중절치 3D 모델링 자료가 학습자의 모바일 기기 화면으로 출력될 수 있도록 모바일 어플리케이션의 사용자 인터페이스 프로그래밍에는 Unity Engine(2019.3.12., Unity Technologies, USA)을 활용하였다.
증강현실의 객체로 활용할 상악 우측 중절치 조각 단계별 3D 모델링 개발을 위해 스토리보드를 작성하였다. 상악 우측 중절치의 전체 가공에 대한 사전 모델 구현을 위해 BIM (Building Information Modeling)의 핵심기술 요소인 파라메트릭 모델링 방법을 SOLIDWORKS (2019, SolidWorks Corporation, USA)을 이용하여 만들었다. 상악 우측 중절치 조각을 위해 초기 블록부터 완성된 단계까지 16단계로 나누어졌다.
증강현실 Object 생성 모듈은 단계별로 구성된 상악 우측 중절치의 3D모델링 자료를 생성하기 위해 3D Studio Max (2019, Autodesk, USA)와 Zbrush 3D package (2019, Pixologic, USA)를 이용하였다.

후속연구

또한, 학습자에게 이 콘텐츠를 이용하여 치아 형태 조각 능력과 만족도에 대한 대규모 비교 검증 역시 요구된다. AR 기반 치아조각 실습 콘텐츠가 학습자의 학습역량 강화 도구로 활용성이 증대되어, 치아에 대한 융복합적인 창조 활동으로 연계될 수 있을 것으로 기대한다.
특히, 튜토리얼 과정에 따라서 단계별로 조각 실수가 발생한 곳을 즉시 수정하고 보완할 수 있기 때문에, 개인차에 따른 조각 기술 능력 차이를 줄여 효과적인 교육 목표에 접근이 용이하다. 추가적으로 AR 학습자가 치아 형태 조각을 할 때, 학습자가 조각하고 있는 왁스 블록을 카메라가 인식하여, 실시간 피드백 자료를 제공할 수 있는 연구도 필요하다. 또한, 학습자에게 이 콘텐츠를 이용하여 치아 형태 조각 능력과 만족도에 대한 대규모 비교 검증 역시 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치과 임상가가 갖추어야 할 필수적인 기본 실무 능력은 무엇인가?	치아 형태학 조각 능력은 치과 임상가가 갖추어야 할 필수적인 기본실무 능력이다. 치과 임상가는 다른 재료를 이용해 잃어버린 치아 구조를 복원하기 위해 지식, 손재주 및 예술적 감각을 개발해야 한다[1].
	임시치관은 어떠한 과정인가?	치과 임상가의 임무 중 하나인 임시치관의 제작 과정은 치아 형태학을 아는 것이 필요하다. 임시치관은 치아의 이동방지, 지대치 보호, 심미적 기능을 회복하는 중요한 과정으로[3,4] 치아 형태학을 기반으로 제작하여야 한다. 치아 형태학은 상실된 치아의 외형을 복원시켜주기 위해 필요하며 치아의 형태학적 지식을 통해 치아 처치 대한 사고, 진단 및 평가를 하게 된다.
	컴퓨터 기술을 활용한 기술 중 증강현실이 의학 분야의 교육적 도구로 시도되고 있는데 그 이유는 무엇인가?	특히, 시뮬레이션 장비 중에서도 모바일 기계를 통해 접근성을 높인 증강현실(Augmented Reality, AR)을 활용하는 것은 교육 분야에서 활용 가치가 높다. 지식 및 교육 분야에서도 단순한 동영상이나 플래시 기반의 일방형적인 교육 콘텐츠에서 벗어나 학습자가 스스로 몰입하여 배울 수 있는 학습 환경으로 실재감과 몰입감을 높여 학습효과를 향상할 수 있는 증강현실 시스템 개발이 의학 분야의 교육적 도구로 시도되고 있다[12]. 증강현실은 기본적 현실세계에 가상의 디지털 콘텐츠를 병합하여[13] 학습자의 감각과 인식을 확장시키는 실감 미디어로 맥락적 학습이 가능하게 하고, 학습자에게 높은 상호 작용성을 제공하여 흥미 유발을 위해 게임형식진행으로 구성되어[14] 증강현실에 관한 관심이 높아지고 있다[15].

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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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