최근 들어 햅틱 분야는 디지털 콘텐츠를 만질 수 있게 촉감을 제공함으로써 의학, 교육, 군사, 엔터테인먼트, 방송 분야 등에서 널리 연구되고 있다. 그러나 햅틱 분야가 사용자에게 시청각 정보와 더불어 추가적인 촉감을 제공함으로써 보다 실감 있고 자연스러운 상호작용을 제공하는 등 여러 가지 장점을 가진 것에 비해 아직은 일반 사용자들에게 생소한 분야다. 그 이유 중 하나로 촉감 상호작용이 가능한 콘텐츠의 부재를 들 수 있다. 또한 최근에 가상환경(Virtual Environment, VR)에 관심이 증가 되고, 가상환경에 햅틱이라는 기술을 접목시키는 시도가 많이 일어나고 있어서, 촉감 모델링에 대한 욕구 또한 증대 되고 있다. 일반적으로 촉감 모델링은 Material properties를 가지고 있는 그래픽 모델들로 구성이 된다. 그래픽 모델링은 일반적인 모델링툴 (MAYA, 3D MAX, 기타 등)으로 할 수 있다. 하지만 촉감 관련된 촉감 모델들은 콘텐츠를 제작한 이후에 일일이 수작업으로 넣어 주어야 한다. 그래픽 모델링에서는 사용자가 직접 눈으로 확인 하면서 작업을 이루어 지기 때문에 직관적으로 이루어질 수 있다. 이와 비슷하게 촉감 모델링은 직관적인 모델링을 하기 위해서 사용자가 직접 촉감을 느껴 보면서 진행이 되어야 한다. 또한 그래픽 모델링과 촉감 모델링이 동시에 진행이 되지 않기 때문에 촉감 콘텐츠를 만드는데 시간이 많이 걸리게 되고 직관적이지 못하는 단점이 있다. 더 나아가서 이런 촉감 모델링을 포함한 모델링 높은 생산성을 위해서 신속히 이루어져야 한다. 이런 이유들 때문에 촉감 모델링을 위한 새로운 인터페이스가 필요하다. 본 논문에서는 촉감 상호작용이 가능한 촉감 콘텐츠를 직관적으로 생성하고 조작할 수 있게 하는 촉감 모델러를 기술한다. 촉감 모델러에서 사용자는 3 자유도 촉감 장치를 사용하여 3 차원의 콘텐츠 (정적 이거나 동적이거나 Deformation이 가능한 2D, 2.5D, 3D Scene)를 실시간으로 만져보면서 생성, 조작할 수 있는 촉감 사용자 인터페이스 (Haptic User Interface, HUI)를 통해서 콘텐츠의 표면 촉감 특성을 직관적으로 편집할 수 있다. 촉감 사용자인터페이스는 마우스로 조작하는 기존의 2 차원 그래픽 사용자 인터페이스를 포함하여 3 차원으로 사용자 인터페이스도 추가되어 있고 그 형태는 촉감 장치로 조작할 수 있는 버튼, 라디오버튼, 슬라이더, 조이스틱의 구성요소로 이루어져있다. 사용자는 각각의 구성요소를 조작하여 콘텐츠의 표면 촉감 특성 값을 바꾸고 촉감 사용자 인터페이스의 한 부분을 만져 그 촉감을 실시간으로 느껴봄으로써 직관적으로 특성 값을 정할 수 있다. 또한, XML 기반의 파일포맷을 제공함으로써 생성된 콘텐츠를 저장할 수 있고 저장된 콘텐츠를 불러오거나 다른 콘텐츠에 추가할 수 있다. 이러한 시스템은 햅틱이라는 분야를 잘 모르는 사람들도 직관적으로 촉감 모델링을 하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
최근 들어 햅틱 분야는 디지털 콘텐츠를 만질 수 있게 촉감을 제공함으로써 의학, 교육, 군사, 엔터테인먼트, 방송 분야 등에서 널리 연구되고 있다. 그러나 햅틱 분야가 사용자에게 시청각 정보와 더불어 추가적인 촉감을 제공함으로써 보다 실감 있고 자연스러운 상호작용을 제공하는 등 여러 가지 장점을 가진 것에 비해 아직은 일반 사용자들에게 생소한 분야다. 그 이유 중 하나로 촉감 상호작용이 가능한 콘텐츠의 부재를 들 수 있다. 또한 최근에 가상환경(Virtual Environment, VR)에 관심이 증가 되고, 가상환경에 햅틱이라는 기술을 접목시키는 시도가 많이 일어나고 있어서, 촉감 모델링에 대한 욕구 또한 증대 되고 있다. 일반적으로 촉감 모델링은 Material properties를 가지고 있는 그래픽 모델들로 구성이 된다. 그래픽 모델링은 일반적인 모델링툴 (MAYA, 3D MAX, 기타 등)으로 할 수 있다. 하지만 촉감 관련된 촉감 모델들은 콘텐츠를 제작한 이후에 일일이 수작업으로 넣어 주어야 한다. 그래픽 모델링에서는 사용자가 직접 눈으로 확인 하면서 작업을 이루어 지기 때문에 직관적으로 이루어질 수 있다. 이와 비슷하게 촉감 모델링은 직관적인 모델링을 하기 위해서 사용자가 직접 촉감을 느껴 보면서 진행이 되어야 한다. 또한 그래픽 모델링과 촉감 모델링이 동시에 진행이 되지 않기 때문에 촉감 콘텐츠를 만드는데 시간이 많이 걸리게 되고 직관적이지 못하는 단점이 있다. 더 나아가서 이런 촉감 모델링을 포함한 모델링 높은 생산성을 위해서 신속히 이루어져야 한다. 이런 이유들 때문에 촉감 모델링을 위한 새로운 인터페이스가 필요하다. 본 논문에서는 촉감 상호작용이 가능한 촉감 콘텐츠를 직관적으로 생성하고 조작할 수 있게 하는 촉감 모델러를 기술한다. 촉감 모델러에서 사용자는 3 자유도 촉감 장치를 사용하여 3 차원의 콘텐츠 (정적 이거나 동적이거나 Deformation이 가능한 2D, 2.5D, 3D Scene)를 실시간으로 만져보면서 생성, 조작할 수 있는 촉감 사용자 인터페이스 (Haptic User Interface, HUI)를 통해서 콘텐츠의 표면 촉감 특성을 직관적으로 편집할 수 있다. 촉감 사용자인터페이스는 마우스로 조작하는 기존의 2 차원 그래픽 사용자 인터페이스를 포함하여 3 차원으로 사용자 인터페이스도 추가되어 있고 그 형태는 촉감 장치로 조작할 수 있는 버튼, 라디오버튼, 슬라이더, 조이스틱의 구성요소로 이루어져있다. 사용자는 각각의 구성요소를 조작하여 콘텐츠의 표면 촉감 특성 값을 바꾸고 촉감 사용자 인터페이스의 한 부분을 만져 그 촉감을 실시간으로 느껴봄으로써 직관적으로 특성 값을 정할 수 있다. 또한, XML 기반의 파일포맷을 제공함으로써 생성된 콘텐츠를 저장할 수 있고 저장된 콘텐츠를 불러오거나 다른 콘텐츠에 추가할 수 있다. 이러한 시스템은 햅틱이라는 분야를 잘 모르는 사람들도 직관적으로 촉감 모델링을 하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
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문제 정의
본 논문에서는 6개의 가상 카메라를 이용한 햅틱 렌더링알고리즘[5]을 기반으로 한 K-TouchTM API [6]를 이용하여 촉감 콘텐츠를 직관적으로 생성하고 조작하고, 촉감 상호 작용이 가능한 촉감 모델러를 기술한다. 촉감 모델러에서 3 자유도 햅틱 장치를 사용하여 3 차원의 콘텐츠를 실시간으로 만져 보면서 생성, 조작할 수 있고 촉감 사용자 인터페이스를 통해서 콘텐츠의 표면 특성을 직관적으로 편집 할 수 있다.
본 논문은 그래픽 모델링과 촉감 모델링을 동시에 작업 할 수 있는 촉감 모델러를 개발 하였다. 본 시스템에서 3자유도 촉감 장치를 사용하여 촉감 사용자 인터페이스(Haptic User Interface, HUI)를 사용함으로써 3차원의 콘텐츠의 Material Properties를 실시간으로 만져 보고, 느낌으로서 생성, 조작을 가능하게 하고, 촉감 특성을 직관적으로 편집할 수 있게 하였고, 이 모델러로 인하여 촉감 콘텐츠를 편리하고 효율적으로 제작할 수 있다.
본 시스템은 데스크톱 컴퓨터에서 주로 사용되고 있는 선택 인터페이스 방법론을 사용하여 사용자로 하여금 좀 더 친숙함을 주려고 노력하였다. 3차원 화면의 객체는 선택 되면 Bounding Box로 표시가 되며, parents와 child 객체의 화면 구소 (Scene hierarchy)도 제공하기 때문에 객체에 또 다른 객체를 child처럼 추가 할 수 있다.
일반적으로 사용자 인터페이스 (User Interface)란 일반 사용자들이 컴퓨터 시스템 또는 프로그램에서 데이터 입력이나 동작을 제어하기 위하여 사용하는 명령어 또는 기법을 말한다. 사용자가 컴퓨터나 프로그램과 의사소통을 하고 쉽고 편리하게 사용할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 윈도우에서는 동작의 목록을 아이콘이나 메뉴로 보여주고 사용자가 마우스로 작업이 수행되는 방식인 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 채택했다.
제안 방법
본 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 3D 인터페이스, 2D 인터페이스, 그리고 3차원 화면의 네 가지 부분으로 크게 나뉘어진다. 3D 인터페이스는 작게 메인 메뉴와 툴 바로 나뉘어지며 일반 마우스를 사용하는 사용자를 위하여 3D 인터페이스의 기능을 모두 갖춘 2D 인터페이스를 추가하였다. 그리고 두 가지의 제어 인터페이스가 제공되는데 첫 번째가 그림 1에서와 같이 버튼 형식의 3차원 인터페이스이다.
본 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 3D 인터페이스, 2D 인터페이스, 그리고 3차원 화면의 네 가지 부분으로 크게 나뉘어진다. 3D 인터페이스는 작게 메인 메뉴와 툴 바로 나뉘어지며 일반 마우스를 사용하는 사용자를 위하여 3D 인터페이스의 기능을 모두 갖춘 2D 인터페이스를 추가하였다.
본 시스템은 일반적인 CAD Tool과 같이 3차원 화면 (Scene)을 로딩, 편집 하고 저장할 수 있는 기능을 기본 적으로 제공한다. 이것은 두 가지 햅틱적 측면의 역할이 있는데 한가지는 햅틱 장치로 화면을 직접 만져 볼 수 있게 하는 것이고 다른 하나는 3 차원 그리고 마우스 사용자를 위한 2 차원 인터페이스를 통해 편집 등의 기능을 제어 할 수 있다는 것이다.
이론/모형
기존의 상용화된 FreeForm® Concept™과 ClayTools™에서는 모델을 구현한 다음에 Surface 특성을 바꾸기 위하여 마우스나 키보드를 이용하였다.
성능/효과
촉감 모델러에서 3 자유도 햅틱 장치를 사용하여 3 차원의 콘텐츠를 실시간으로 만져 보면서 생성, 조작할 수 있고 촉감 사용자 인터페이스를 통해서 콘텐츠의 표면 특성을 직관적으로 편집 할 수 있다. 또한 본 논문에서는 XML 기반의 파일 포맷을 제공함으로써 생성된 콘텐츠를 저장할 수 있고 저장된 콘텐츠를 불러 오거나 다른 콘텐츠에 추가할 수 있는 등 확장성을 증가 시켰다.
본 논문은 그래픽 모델링과 촉감 모델링을 동시에 작업 할 수 있는 촉감 모델러를 개발 하였다. 본 시스템에서 3자유도 촉감 장치를 사용하여 촉감 사용자 인터페이스(Haptic User Interface, HUI)를 사용함으로써 3차원의 콘텐츠의 Material Properties를 실시간으로 만져 보고, 느낌으로서 생성, 조작을 가능하게 하고, 촉감 특성을 직관적으로 편집할 수 있게 하였고, 이 모델러로 인하여 촉감 콘텐츠를 편리하고 효율적으로 제작할 수 있다. 또한 햅틱에 관한 전문적인 지식이 없는 사용자들도 쉽게 햅틱 모델링을 할 수 있다.
본 시스템은 촉감 장치를 이용하여 미리 표면 성질을 느껴 보고 결정함으로써, 촉감 모델을 만드는데 편리하고 효과적이다. 물체 표면의 stiffness와 friction을 조정 할 때는 햅틱 장치를 이용하여 3D 인터페이스[그림 3]의 슬라이더를 왼쪽 또는 오른쪽으로 움직임으로서 조정할 수 있으며, 마우스가 익숙한 사용자는 2D 인터페이스를 이용하여 편집을 할 수 있다.
이와 같은 방법은 단순히 시행 착오 방법을 거쳐서 모델의 적절한 표면 성질은 만드는데 사용되었다. 하지만, 본 논문의 촉감 모 사용자 인터페이스를 이용하여 미리 표면의 성질을 느껴 보고 결정함으로, 촉감 모델을 만드는데 편리하고 효과적이며 직관적으로 편집할 수 있다. [표 4]에서와 같이 Surface 라는 메뉴에는 다시 3 가지의 항목이 있으며, 그 항목들은 각각 Stiffness, Friction, H-texture (Haptic Texture)등이 있다.
후속연구
향후 연구 과제로서는 버튼과 슬라이더에 사용된 동역학과 최대 그래픽 렌더링을 지원케 할 수 있도록 개선해야 하고, 3차원 장면의 물체들의 위치에 대한 한계도 정의해야 한다. 또한 향후 촉감 획득에 관한 연구를 진행할 예정이다. 촉감 획득기능을 추가 하여 사용자가 원하는 촉감을 직접 측정하여 편집할 수 있는 기능을 추가 할 것이다 마지막으로 물체를 조작하는데 있어서 촉감 신호 또한 개발해야 한다.
또한 향후 촉감 획득에 관한 연구를 진행할 예정이다. 촉감 획득기능을 추가 하여 사용자가 원하는 촉감을 직접 측정하여 편집할 수 있는 기능을 추가 할 것이다 마지막으로 물체를 조작하는데 있어서 촉감 신호 또한 개발해야 한다.
향후 연구 과제로서는 버튼과 슬라이더에 사용된 동역학과 최대 그래픽 렌더링을 지원케 할 수 있도록 개선해야 하고, 3차원 장면의 물체들의 위치에 대한 한계도 정의해야 한다. 또한 향후 촉감 획득에 관한 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
햅틱 기술이 가장 효과적으로 쓰이고 있는 제품은 무엇인가?
햅틱 분야는 디지털 콘텐츠를 만질 수 있게 촉감을 제공함으로써, 의학 교육, 군사, 엔터테인먼트, 방송분야에 널리 연구 되고 있다 [1][2][3][4]. 햅틱 기술이 가장 효과적으로 쓰이고 있는 제품은 게임용 조이스틱과 시뮬레이터이다. 최근에는 마우스나 자동차에도 햅틱 기술이 쓰이고 있다.
햅틱 기술에 관한 연구는 어떻게 구분되는가?
그러나 사용자는 가상현실을 통해 더욱 구체적이고 실감나는 정보를 원하게 되고, 이를 충족시키기 위해 개발된 것이 촉각과 힘까지 전달하는 햅틱 기술이다. 햅틱 기술은 크게 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 햅틱 장치를 만드는 연구, 햅틱 렌더링 기술, 사람의 촉감 인지에 대한 연구, 그리고 햅틱 장치를 활용하는 애플리케이션 영역으로 구분된다. 초창기에는 주로 햅틱 장치 자체를 개발하는데 중점을 두었으나 최근 실감 있는 햅틱 렌더링 기술, 햅틱 모델링 기술 등, 햅틱 기술을 다양한 산업 분야로 응용하기 위한 노력들이 시도되고 있다.
햅틱 분야가 아직은 일반 사용자들에게 생소한 분야인 이유로는 어떠한 것이 있는가?
그러나 햅틱 분야가 사용자에게 시청각 정보와 더불어 추가적인 촉감을 제공함으로써 보다 실감 있고 자연스러운 상호작용을 제공 하는 장점을 가진 것에 비해 아직은 일반 사용자들에게 생소한 분야이다. 그 이유 중 하나로 촉감 상호 작용이 가능한 콘텐츠 부재를 들 수 있다. 일반적으로 촉감 모델링은 Material properties를 자기고 있는 그래픽 모델들로 구성이 된다.
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