[논문]가상현실을 이용한 경량전철 주행시뮬레이터 개발

전현규; 한선희; 한충한; 박성혁; 옥민환; 양도철

문제 정의

경량전철은 국외에서는 이미 상용화되어 운행되고 있으나 국내 에서는 상용화된 사례가 없어 일반 국민들에게는 아직까지 생소한 교통수단이다 . 따라서 경량전철에 대한 이해를높이고자 실제 경량전철을탄 것과 같은몰입감을 느낄 수 있는 환경을 구축하고자하며 비디오 인, 쇄물 등의 수동적 방식에서 사용자가 보고 싶은 관점 및 보고 싶은 시각에서 볼 수 있도록 하는 능동적 방 법으로의 전환을 시도하였다 . 본 연구를 토대로 향후에는 철도분야 가상현실 기술이 가상공간에서의 안전 , 방재시험 , 운전교육 시뮬레이터 , 경량전철 예정노선의 환경영향 평가 등 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고있다.
본 논문에서는 가상현실기술을 적용한 경량전철 주행시뮬레이터의 개발전략 및 구성에 대하여 설명하였 다 . 본 연구에서는 가상현실기술을 기반으로 한 시뮬레이터를 이용하여 경량전철의 주행시나리오를 분석해 보았으며 철도분야 가상현실기술의 토대를 마련하였다 .
본 논문에서는 가상현실기술을 적용한 경량전철 주행시뮬레이터의 개발전략 및 구성에 대하여 설명하였 다 . 본 연구에서는 가상현실기술을 기반으로 한 시뮬레이터를 이용하여 경량전철의 주행시나리오를 분석해 보았으며 철도분야 가상현실기술의 토대를 마련하였다 . 향후에는 종합사령실 , 각 역의 사령실 등도 모델링 함으로써화재및 방재등다양한 분야로응용할 수 있도록할예정이다.
본 연구의 목적은 한국철도기술연구원에서 주요도심교통수단을 연결하는 간선교통수단으로 개발한 경량 전철에 대한 이해를 높이고 향후 무인주행 , 화재 및 방재 시뮬레이터로써 활용할 수 있는 가상현실기반 경 량전철 주행시뮬레이터를 개발하는 것이다. .

제안 방법

차량 데이터베이스는 AutoCAD 도면을 바탕으로하여 실제치수와 동일하게개발하였다 . 이를위하여 먼저 2D AutoCAD 데이터를 Solidworks 프로그램을 이용하여 그림 5(a) 와 같이 3D 솔리드 모델로 변경하였 으며 3D 솔리드모델에서 표면 (surface) 정보만을 추출하여 스킨모델을 개발하였다 . 스킨모델은 stl 파일로 저장한 후 3D Max 에서 불러들여 이를 다시 3ds 파일로 저장하고 이를 Multigen-Creator 에서 불러들여 폴리곤 최적화 작업을 수행하여 최종적인 VR 모델을 개발하였다 .
특히 , 가상궤도는 실제와 동일한 운행을 시뮬레이션하기 위하여 경산에 설치된 경량전철 시험선의 CAD 데이터를 바탕으로 첨단역에서 갓바위역까지 3D 궤도를 생성하였으며 , 이를 연장하여 갓바위역에서 삼성현역 , 미래역을 거쳐 첨단역까 지가상궤도를 생성하였다 . 가상궤도는 열차의주행시뮬레이션을 사실감 있게 느끼게하는 직접적인 영향을 미치는인자로써 곡선 , 구배등 다양한 제반선로조건을 고려하여 열차의주행특성을 가급적 사실적으로시 뮬레이션 할 수 있도록 개발하였다 . 또한 가상도시 데이터베이스에는 상가를 포함한 각종 건물들과 아파트 단지 , 자동차 도로 및 각종 자동차 , 신호등 , 교차로 등 일반적인 도시환경에서 쉽게 찾아 볼 수 있는 것들 을 모델링하여 현실세계와 가상세계가 이질감을 느끼지 않도록 최대한 자연스러운 장면이 연출되도록 하였 다 .
또한 가상도시 데이터베이스에는 상가를 포함한 각종 건물들과 아파트 단지 , 자동차 도로 및 각종 자동차 , 신호등 , 교차로 등 일반적인 도시환경에서 쉽게 찾아 볼 수 있는 것들 을 모델링하여 현실세계와 가상세계가 이질감을 느끼지 않도록 최대한 자연스러운 장면이 연출되도록 하였 다 . 가상도시 데이터베이스는 앞서 개발한 지형 데이터베이스를 바탕으로 하고 가상궤도를 생성한 다음 궤 도 주변에 도로 , 상가 , 아파트 , 나무 등을 배치하였으며 경량전철을 반복하여 주행해 보면서 각 물체들이 자연스럽게보이도록위치를 적절히조절하였다.
사용자가 가․ 감속 레버를 조작하면 공유메 모리를 통해 신호가 주제어 모듈로 전달되고 주제어 모듈에서는 신호를 분석하여 계기제어모듈 , 선로영상 디스플레이모듈로 각각 전송되도록 함으로써더욱 더 사실적인 시뮬레이션이가능하도록 구성하였다 . 계기 제어 모듈에서는 신호를 공학적으로 분석하여 경량전철의 속도를 계기판에 표시하였으며 선로영상 모듈에 서는경량전철의 주행속도에 맞게 선로영상및 주위환경을 디스플레이장치에 출력하도록하였다 . 또한 무인 운전모드에서는주행시나리오에 따른운행상황이출력영상에 반영되도록하였다.
가상궤도는 열차의주행시뮬레이션을 사실감 있게 느끼게하는 직접적인 영향을 미치는인자로써 곡선 , 구배등 다양한 제반선로조건을 고려하여 열차의주행특성을 가급적 사실적으로시 뮬레이션 할 수 있도록 개발하였다 . 또한 가상도시 데이터베이스에는 상가를 포함한 각종 건물들과 아파트 단지 , 자동차 도로 및 각종 자동차 , 신호등 , 교차로 등 일반적인 도시환경에서 쉽게 찾아 볼 수 있는 것들 을 모델링하여 현실세계와 가상세계가 이질감을 느끼지 않도록 최대한 자연스러운 장면이 연출되도록 하였 다 . 가상도시 데이터베이스는 앞서 개발한 지형 데이터베이스를 바탕으로 하고 가상궤도를 생성한 다음 궤 도 주변에 도로 , 상가 , 아파트 , 나무 등을 배치하였으며 경량전철을 반복하여 주행해 보면서 각 물체들이 자연스럽게보이도록위치를 적절히조절하였다.
행시뮬레이터는 향후 확장성을 고려하여 PC 급 컴퓨터로 구성하였다 . 또한 향후 모듈의 추가를 고려하여 호 환성이 뛰어난 Windows XP 운영체제를 사용하였으며 윈도우 사용규칙에 따라 개발하여 일반인도 친숙하 게 사용하도록 하였다 . 그림 2는 시뮬레이터의 구성도로써 시뮬레이터는 크게 경량전철 운행을 조작하는 컨트롤 모듈( 터치모니터) 과 운행환경을 화면에 출력하는 디스플레이 모듈 (19" 모니터 , HMD, PDP TV) 로 구성하였다 .
지형 데이터베이스는 컴퓨터의 성능과 직접적인 관계가 있으므로 무한히 넓게 구성할 수는 없으므로 시뮬레이션 성능을 고려하여 전체 영역을 결정하였으 며 산과 바다 등으로 둘러쌓아 경량전철 주행시 시야가 분산되지 않도록 하였다 . 본 연구에서는 가로 2, 500m × 세로 2, 500m 의영역에대한 지형데이터베이스를구성하였다 .
차량주행 중 발생하는 속도 및 가속도 변화 등을 조작하는 사용자 인터페이스는 터치모니터를 이용하였으며 디스플레이 모듈과 주행신호를 주고받도록 하였다 . 사용자가 가․ 감속 레버를 조작하면 공유메 모리를 통해 신호가 주제어 모듈로 전달되고 주제어 모듈에서는 신호를 분석하여 계기제어모듈 , 선로영상 디스플레이모듈로 각각 전송되도록 함으로써더욱 더 사실적인 시뮬레이션이가능하도록 구성하였다 . 계기 제어 모듈에서는 신호를 공학적으로 분석하여 경량전철의 속도를 계기판에 표시하였으며 선로영상 모듈에 서는경량전철의 주행속도에 맞게 선로영상및 주위환경을 디스플레이장치에 출력하도록하였다 .
이를위하여 먼저 2D AutoCAD 데이터를 Solidworks 프로그램을 이용하여 그림 5(a) 와 같이 3D 솔리드 모델로 변경하였 으며 3D 솔리드모델에서 표면 (surface) 정보만을 추출하여 스킨모델을 개발하였다 . 스킨모델은 stl 파일로 저장한 후 3D Max 에서 불러들여 이를 다시 3ds 파일로 저장하고 이를 Multigen-Creator 에서 불러들여 폴리곤 최적화 작업을 수행하여 최종적인 VR 모델을 개발하였다 . 그림 5(b) 는 최적화 작업을 수행하기 전 의 전두부 폴리곤 모델이며 그림 5(c) 는 최적화 작업을 수행한 후의 전두부 폴리곤 모델이다 .
현재 모델의 수정작업은 설계자에 의해 수동으로 이루어지며 , 인간의 인지 기능이 요구되고 복잡한 3차원 모델을 다루 어야 하므로 과다한 시간이 소요되고 작업오류 등으로 인한 편집효율 저하가 생길 수 있다. 아직까지 설계 모델의 단순화를 완전 자동화하는 것은 작업자의 의도와 다른 형상이 생성되는 문제점들이 나타나므로 사 용자와의 상호작용에 의해 점진적으로 모델의 단순화가 이루어지도록 하였다.
국내의 경우 현대자동차에서는 디자인센터를 구축하여 CAD, CAS(Computer Aided Styling) 등 툴을 이용한 디자인 작업을 디지털화 하였으며 영상 품평과정을 통하여 설계시 발생할 수 있는 오류를 사전에 수정하고 있다. 이를 위하여 영상품평 실제화를 위한 3D 실시간 품평환경을 구축하였으며 내부 인테리어 검토의 실 제화를위한몰입형 가상현실체험실을구축하였다.
지형 데이터베이스는 컴퓨터상에 가상세계를 구현하기 위한 바탕이 되는 것으로 지형 데이터베이스에서 는 얼마나 넓은 영역에 대한 가상세계를 구현할지 결정한 다음 실세계에 대한 지형을 고려하여 잔디 , 산, 바다 , 나무 등을 모델링하여 데이터베이스로 구성하였다 . 지형 데이터베이스는 컴퓨터의 성능과 직접적인 관계가 있으므로 무한히 넓게 구성할 수는 없으므로 시뮬레이션 성능을 고려하여 전체 영역을 결정하였으 며 산과 바다 등으로 둘러쌓아 경량전철 주행시 시야가 분산되지 않도록 하였다 .
지형 데이터베이스는 컴퓨터상에 가상세계를 구현하기 위한 바탕이 되는 것으로 지형 데이터베이스에서 는 얼마나 넓은 영역에 대한 가상세계를 구현할지 결정한 다음 실세계에 대한 지형을 고려하여 잔디 , 산, 바다 , 나무 등을 모델링하여 데이터베이스로 구성하였다 . 지형 데이터베이스는 컴퓨터의 성능과 직접적인 관계가 있으므로 무한히 넓게 구성할 수는 없으므로 시뮬레이션 성능을 고려하여 전체 영역을 결정하였으 며 산과 바다 등으로 둘러쌓아 경량전철 주행시 시야가 분산되지 않도록 하였다 . 본 연구에서는 가로 2, 500m × 세로 2, 500m 의영역에대한 지형데이터베이스를구성하였다 .
차량 데이터베이스는 AutoCAD 도면을 바탕으로하여 실제치수와 동일하게개발하였다 . 이를위하여 먼저 2D AutoCAD 데이터를 Solidworks 프로그램을 이용하여 그림 5(a) 와 같이 3D 솔리드 모델로 변경하였 으며 3D 솔리드모델에서 표면 (surface) 정보만을 추출하여 스킨모델을 개발하였다 .
그림 7은 경량전철의 동역학적 모델로써 가상의 무게중심으로부터 위치(x, y, z)와 방향(heading, pitching, rolling)을 정의하였다. 차량의 위치 및 방향은 속도 및 가속도에 따라 실시간으로 계산하여 디스 플레이 창에 출력하였으며 옵저버(observer)의 위치 등도 같은 방식으로 이동하여 화면이 다이내믹하게 이 동하도록 하였다.
그림 2는 시뮬레이터의 구성도로써 시뮬레이터는 크게 경량전철 운행을 조작하는 컨트롤 모듈( 터치모니터) 과 운행환경을 화면에 출력하는 디스플레이 모듈 (19" 모니터 , HMD, PDP TV) 로 구성하였다 . 차량주행 중 발생하는 속도 및 가속도 변화 등을 조작하는 사용자 인터페이스는 터치모니터를 이용하였으며 디스플레이 모듈과 주행신호를 주고받도록 하였다 . 사용자가 가․ 감속 레버를 조작하면 공유메 모리를 통해 신호가 주제어 모듈로 전달되고 주제어 모듈에서는 신호를 분석하여 계기제어모듈 , 선로영상 디스플레이모듈로 각각 전송되도록 함으로써더욱 더 사실적인 시뮬레이션이가능하도록 구성하였다 .
가상역사는 경산시험선에설치된 실제 역사를모델로 하여 첨단역 , 갓바위역 , 삼성현역 및미래역 등 4개의 역사를 모델링하였다 . 첨단역은 CAD 데이터를 바탕으로 경산에 설치된 실제역사와 동일하게 모델링 하 였으며갓바위역 , 삼성현역 및미래역은 간이역 및건물에 역사를 설치하여접근성이 용이한 경량전철의이 미지를표현하였다.
가상도시 데이터베이스는 현실의 도시세계와 동일한 느낌을 갖도록 구현하였다 . 특히 , 가상궤도는 실제와 동일한 운행을 시뮬레이션하기 위하여 경산에 설치된 경량전철 시험선의 CAD 데이터를 바탕으로 첨단역에서 갓바위역까지 3D 궤도를 생성하였으며 , 이를 연장하여 갓바위역에서 삼성현역 , 미래역을 거쳐 첨단역까 지가상궤도를 생성하였다 . 가상궤도는 열차의주행시뮬레이션을 사실감 있게 느끼게하는 직접적인 영향을 미치는인자로써 곡선 , 구배등 다양한 제반선로조건을 고려하여 열차의주행특성을 가급적 사실적으로시 뮬레이션 할 수 있도록 개발하였다 .
컴퓨터에서 생성된 가상도시환경에서의 경량전철 주행가시화를 위하여 주행시뮬레이터를 개발하였다 주. 행시뮬레이터는 향후 확장성을 고려하여 PC 급 컴퓨터로 구성하였다 . 또한 향후 모듈의 추가를 고려하여 호 환성이 뛰어난 Windows XP 운영체제를 사용하였으며 윈도우 사용규칙에 따라 개발하여 일반인도 친숙하 게 사용하도록 하였다 .

대상 데이터

또한 향후 모듈의 추가를 고려하여 호 환성이 뛰어난 Windows XP 운영체제를 사용하였으며 윈도우 사용규칙에 따라 개발하여 일반인도 친숙하 게 사용하도록 하였다 . 그림 2는 시뮬레이터의 구성도로써 시뮬레이터는 크게 경량전철 운행을 조작하는 컨트롤 모듈( 터치모니터) 과 운행환경을 화면에 출력하는 디스플레이 모듈 (19" 모니터 , HMD, PDP TV) 로 구성하였다 . 차량주행 중 발생하는 속도 및 가속도 변화 등을 조작하는 사용자 인터페이스는 터치모니터를 이용하였으며 디스플레이 모듈과 주행신호를 주고받도록 하였다 .
가상역사는 경산시험선에설치된 실제 역사를모델로 하여 첨단역 , 갓바위역 , 삼성현역 및미래역 등 4개의 역사를 모델링하였다 . 첨단역은 CAD 데이터를 바탕으로 경산에 설치된 실제역사와 동일하게 모델링 하 였으며갓바위역 , 삼성현역 및미래역은 간이역 및건물에 역사를 설치하여접근성이 용이한 경량전철의이 미지를표현하였다.
가상현실 데이터베이스는 현실세계의 건물 , 산 , 바다 등을 가상세계에서 표현하기 위하여 컴퓨터로 모델 링한 데이터를 저장한 것으로 그림 3과 같이 구성하였다 . 가상현실 데이터베이스는 크게 전체 지형을 구현 하기 위한 지형 데이터베이스 , 가상도시를 구현하기 위한 도시 데이터베이스 , 경량전철을 구현하기 위한 차 량데이터베이스및 시뮬레이션을컨트롤하기위한 컨트롤데스크데이터베이스로 구성하였다.

후속연구

따라서 경량전철에 대한 이해를높이고자 실제 경량전철을탄 것과 같은몰입감을 느낄 수 있는 환경을 구축하고자하며 비디오 인, 쇄물 등의 수동적 방식에서 사용자가 보고 싶은 관점 및 보고 싶은 시각에서 볼 수 있도록 하는 능동적 방 법으로의 전환을 시도하였다 . 본 연구를 토대로 향후에는 철도분야 가상현실 기술이 가상공간에서의 안전 , 방재시험 , 운전교육 시뮬레이터 , 경량전철 예정노선의 환경영향 평가 등 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고있다.
본 연구에서는 가상현실기술을 기반으로 한 시뮬레이터를 이용하여 경량전철의 주행시나리오를 분석해 보았으며 철도분야 가상현실기술의 토대를 마련하였다 . 향후에는 종합사령실 , 각 역의 사령실 등도 모델링 함으로써화재및 방재등다양한 분야로응용할 수 있도록할예정이다.

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가상현실을 이용한 경량전철 주행시뮬레이터 개발
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