초록

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최근들어 제품을 개발하는 과정 중, 디자이너와 개발자, 의사 결정권자들이 FEM, CFD 시뮬레이션 결과를 리뷰할 때에 가상현실기술을 도입하는 사례가 늘고 있다. 몰입감을 높여주는 가상현실환경은 모델에 대한 해석 결과물을 정확하고 효과적으로 분석할 수 있도록 돕는다. 데이터의 실제 크기와 같게 혹은 그보다 더 크고 자세한 이미지를 제공하는 가상현실 몰입환경은 사용자가 데스크탑 환경만을 사용할 때 경험할 수 없는 높은 사실감을 제공함으로써 사용자에게 시각적인 만족감을 줄 수 있다. 하지만 데스크탑 환경에 비해 해상도가 낮고, 어두운 곳에서 스테레오 안경이나 HMD(Head Mounted Display), Data glove등을 착용해야 하는 불편함과 멀미, 시각적인 피로, 방향감각 상실로 대표되는 가상멀미 등으로 인해 장시간 사용에 어려움이 있다. 데스트탑 환경에서의 데이터 리뷰는 고해상도 이미지 분석은 가능하지만, 입체감이 떨어지기 때문에 리뷰 데이터의 실제감이 떨어진다. 이와 같은 문제점들을 보완하기 위해서 본 논문에서는 데스크탑 환경과 가상현실 환경 간의 협업이 가능한 FEM/CFD 가시화 시스템을 제시한다. 본 시스템은 가상현실 몰입환경에서 해석 데이터를 단순히 가시화하는 것뿐만이 아니라, 데스크탑 시스템과 동일한 3D 인터페이스 구조를 제공한다. 따라서, 해석 결과 분석을 위한 동일한 post-processing 작업이 네트워크로 연결된 원격 공간의 사용자들이 사용하는 시스템들 사이에서 실시간으로 진행될 수 있다.

최근들어 제품을 개발하는 과정 중, 디자이너와 개발자, 의사 결정권자들이 FEM, CFD 시뮬레이션 결과를 리뷰할 때에 가상현실기술을 도입하는 사례가 늘고 있다. 몰입감을 높여주는 가상현실환경은 모델에 대한 해석 결과물을 정확하고 효과적으로 분석할 수 있도록 돕는다. 데이터의 실제 크기와 같게 혹은 그보다 더 크고 자세한 이미지를 제공하는 가상현실 몰입환경은 사용자가 데스크탑 환경만을 사용할 때 경험할 수 없는 높은 사실감을 제공함으로써 사용자에게 시각적인 만족감을 줄 수 있다. 하지만 데스크탑 환경에 비해 해상도가 낮고, 어두운 곳에서 스테레오 안경이나 HMD(Head Mounted Display), Data glove등을 착용해야 하는 불편함과 멀미, 시각적인 피로, 방향감각 상실로 대표되는 가상멀미 등으로 인해 장시간 사용에 어려움이 있다. 데스트탑 환경에서의 데이터 리뷰는 고해상도 이미지 분석은 가능하지만, 입체감이 떨어지기 때문에 리뷰 데이터의 실제감이 떨어진다. 이와 같은 문제점들을 보완하기 위해서 본 논문에서는 데스크탑 환경과 가상현실 환경 간의 협업이 가능한 FEM/CFD 가시화 시스템을 제시한다. 본 시스템은 가상현실 몰입환경에서 해석 데이터를 단순히 가시화하는 것뿐만이 아니라, 데스크탑 시스템과 동일한 3D 인터페이스 구조를 제공한다. 따라서, 해석 결과 분석을 위한 동일한 post-processing 작업이 네트워크로 연결된 원격 공간의 사용자들이 사용하는 시스템들 사이에서 실시간으로 진행될 수 있다.

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 논문에서는 데이터 모델의 실제감을 높이도록 향상된 가상현실 몰입환경을 이용하면서도 위에서 기술한 몰입환경의 단점을 극복하기 위해 데스크탑 환경과 몰입환경에서 동시에 가시화 및 인터렉션이 수행되는, 다중 환경에서의 협업 지원 시뮬레이션 가시화 시스템을 소개하고자 한다. 몰입환경용 시스템에서도 Iso-surface 가시화, cross section을 이용한 단면 분석, color-mapping 조정, streamline 형성 등의 다양한 post-processing이 가능하도록 3D 위젯 기반 사용자 인터페이스를 개발하였으며, CSCW connection 으로 데스크탑과 다양한 몰입 환경을 위한 시스템들을 연결하여 동시 협업이 가능하도록 하였다.
• 또한, 가상현실 에디션은 몰입환경용 사용자 인터페이스와 Scenegraph를 지원하도록 본 연구원에서 기개발한 AICI, 가상 몰입 협업 인터렉션 프레임웍를 기반으로 개발되었다. 이는 다양한 가상현실 몰입 환경에서 사용될 수 있으며, 본 논문에서는 virtual workbench, Tiled display, Curved display 등 다중 환경에서의 협업을 제시하였다.

제안 방법

• IFX Desktop edition은 Qt 라이브러리 4.2를 기반으로 사용자 인터페이스를 개발하였다. Qt 라이브러리는 사용하기 쉽고, 플랫폼에 구애받지 않는 강력한 툴킷이다.
• Qt 라이브러리는 사용하기 쉽고, 플랫폼에 구애받지 않는 강력한 툴킷이다. Qt를 이용하여 IFX 사용자 인터페이스를 구성하기 위한 QtLib(ifxQtLib)를 먼저 개발하였고, 로딩되는 시뮬레이션 데이터(Pipeline)의 파라메터들과 모듈들에 따라 다이나믹하게 메뉴가 생성되도록 하였다.
• 몰입 환경을 위한 IFX VR Edition의 사용자 인터페이스와 가시화를 위한 뷰어는 본 연구원에서 개발된 AICI, 진보된 가상 몰입 협업 인터렉션 프레임웍과 OpenSG를 기반으로 구현되었다. 가상현실 에디션에서 사용자 인터페이스를 구성하기 위하여 AICI와 IFX를 연결하는 ifxAICILib 라이브러리를 개발하였다. 이는 데스크탑 에디션의 ifxQtLib과 같은 기능과 구조를 갖는다.
• 논문에서 제시된 IFX 시뮬레이션 가시화 시스템은 데스크탑 환경과 가상현실 몰입환경을 기반으로 개발되었다. 이는 고해상도 데스크탑 화면에서의 해석 데이터 분석 뿐만 아니라, 동시간에 가상 현실 몰입환경 시스템에서의 실제감있는 데이터 모델 및 디자인 리뷰 또한 가능하게 한다.
• 데스크탑 에디션은 qt 라이브러리 기반의 사용자 인터페이스로 개발되어 일반 데스크탑 및 UMPC(Ultra mobile PC) 시스템에서 사용된다. 또한, 가상현실 에디션은 몰입환경용 사용자 인터페이스와 Scenegraph를 지원하도록 본 연구원에서 기개발한 AICI, 가상 몰입 협업 인터렉션 프레임웍를 기반으로 개발되었다. 이는 다양한 가상현실 몰입 환경에서 사용될 수 있으며, 본 논문에서는 virtual workbench, Tiled display, Curved display 등 다중 환경에서의 협업을 제시하였다.
• 몰입 환경을 위한 IFX VR Edition의 사용자 인터페이스와 가시화를 위한 뷰어는 본 연구원에서 개발된 AICI, 진보된 가상 몰입 협업 인터렉션 프레임웍과 OpenSG를 기반으로 구현되었다. 가상현실 에디션에서 사용자 인터페이스를 구성하기 위하여 AICI와 IFX를 연결하는 ifxAICILib 라이브러리를 개발하였다.
• 본 논문에서는 데이터 모델의 실제감을 높이도록 향상된 가상현실 몰입환경을 이용하면서도 위에서 기술한 몰입환경의 단점을 극복하기 위해 데스크탑 환경과 몰입환경에서 동시에 가시화 및 인터렉션이 수행되는, 다중 환경에서의 협업 지원 시뮬레이션 가시화 시스템을 소개하고자 한다. 몰입환경용 시스템에서도 Iso-surface 가시화, cross section을 이용한 단면 분석, color-mapping 조정, streamline 형성 등의 다양한 post-processing이 가능하도록 3D 위젯 기반 사용자 인터페이스를 개발하였으며, CSCW connection 으로 데스크탑과 다양한 몰입 환경을 위한 시스템들을 연결하여 동시 협업이 가능하도록 하였다. 발표되는 시스템은 본 연구소에서 개발된 AICI(Advanced Immersive Collaborative Interaction Framework)을 기반으로 개발되었으며[6], 데스크탑 환경과 몰입현실 환경에서 실시간 동시 수행이 가능하다.
• 본 논문에서 제시된 IFX 가상현실 에디션과 데스크탑 에디션은 네트워크로 연결되어 다중 환경에서의 실시간 협업을 진행하였다. 또한, 데스크탑 에디션의 사용자 인터페이스에서 이루어지는 인터렉션이 가상현실 에디션의 인터페이스에서도 동일하게 가능하며, 그 인터렉션에 따라 해석 데이터에 대한 Post-processing이 실시간으로 동시에 수행되었다.
• 본 논문에서 제시하는 데스크탑 – 몰입 환경 간 협업을 위한 FEM/CFD 가시화 시스템은 CFD나 FEM 시뮬레이션이 수행된 데이터 모델에 대한 post-processing 및 가시화를 수행하는 시스템이다.
• IFX 시스템은 기본적으로 FEM/CFD 해석 데이터에 대한 다양한 post-processing을 지원한다. 유동 해석 모델 데이터 내의 유체 입자가 움직이는 경로를 가시화하는 Streamline, clip plane을 이용하여 해석된 데이터의 단면을 분석하는 Cross Section, 해석결과를 효과적으로 분석할 수 있도록 color space를 조절하고 mesh나 surface, line 등의 컬러를 조정하는 color mapping, 볼륨 데이터에 대한 유체 해석 후 데이터 값이 같은 등위면을 추출하여 그 분포를 조사할 수 있도록 하는 iso-surface 등의 기능들을 제공한다.

성능/효과

• 본 논문에서 제시된 IFX 가상현실 에디션과 데스크탑 에디션은 네트워크로 연결되어 다중 환경에서의 실시간 협업을 진행하였다. 또한, 데스크탑 에디션의 사용자 인터페이스에서 이루어지는 인터렉션이 가상현실 에디션의 인터페이스에서도 동일하게 가능하며, 그 인터렉션에 따라 해석 데이터에 대한 Post-processing이 실시간으로 동시에 수행되었다. 이러한 협업은 영상처리 속도 30fps 이상, 동기화 Latency 1sec 미만의 결과를 보여주었다.

후속연구

• 향후 본 시스템은 100MB 데이터에 대해서 15fps의 병렬 처리 속도를 낼 수 있도록 개선할 예정이다. 또한, CAVE나 Virtual Screen 등 보다 다양한 가상현실 환경과 HMD 등을 이용한 혼합현실 환경 등과도 연계하여 다중 환경 지원 시뮬레이션 가시화 협업 시스템으로 구축할 예정이다. 이는 실시간으로 다수의 사용자들이 다양한 환경에서 시뮬레이션 결과를 리뷰하고 협업하게 되는 시스템으로 발전될 것이다.
• 또한, CAVE나 Virtual Screen 등 보다 다양한 가상현실 환경과 HMD 등을 이용한 혼합현실 환경 등과도 연계하여 다중 환경 지원 시뮬레이션 가시화 협업 시스템으로 구축할 예정이다. 이는 실시간으로 다수의 사용자들이 다양한 환경에서 시뮬레이션 결과를 리뷰하고 협업하게 되는 시스템으로 발전될 것이다.
• 향후 본 시스템은 100MB 데이터에 대해서 15fps의 병렬 처리 속도를 낼 수 있도록 개선할 예정이다. 또한, CAVE나 Virtual Screen 등 보다 다양한 가상현실 환경과 HMD 등을 이용한 혼합현실 환경 등과도 연계하여 다중 환경 지원 시뮬레이션 가시화 협업 시스템으로 구축할 예정이다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
유한 요소 해석 방법	유한 요소 해석 방법은 어느 분야에서 왜 쓰이는가?	소형 모델인 휴대폰에서 자동차, 항공기, 선박과 같은 대형 모델까지 다양한 제조업 분야에서 모델 설계 해석을 위해 유한 요소 해석 방법(Finite element method)이나 유체 역학 해석(Computational Fluid Dynamics)이 많이 사용된다. 최근 들어 이러한 방법으로 해석된 결과를 분석하기 위하여 가상현실 몰입환경의 리뷰 시스템이 많이 도입되고 있다[1].
가상현실 기술	가상현실 기술에 관련해 어떤 연구들이 진행되고 있는가?	가상현실 기술은 자동차, 철도, 해양 선박, 전자제품 등 제조업에 있어서 다양한 분야의 제품 개발을 위해 연구되어 왔다. 가상현실기술은 CAD 모델 설계에서부터 FEM/ CFD 시뮬레이션 등에까지 연결되고 있으며, 가상시제품(Virtual Mock-up) 구축기술, 3D 컴퓨터모델을 이용하여 공간/환경적 제약 및 위험도에 따라 현실에서는 수행하기 힘든 물리적 시험을 대체하는 가상시험(Virtual testing) 수행 기술, 가상시제품과 가상생산을 통한 제품평가 기술, 3D 모델을 이용하여 가공, 조립, 생산공정 등 전 제조과정을 시뮬레이션 할 수 있는 가상운영(Virtual Operation)기술 및 가상생산(Virtual Manufacturing), 가상시제품을 위한 협업 기술 등 다양한 기술들이 연구되고 있다[7].
실제와 같은 디지털 시제품	실제와 같은 디지털 시제품의 장점은?	Virtual workbench, tiled display 나 CAVE 등의 가상현실 몰입환경에 기반한 디지털 제조(Digital Manufacturing)는 데이터 모델 자체의 크기와 같게 혹은 그보다 더 크게 볼 수 있게 하기 때문에 모델에 대한 실재감을 높여준다. 이렇게 실제와 같은 디지털 시제품은 제품의 내외관 디자인 품평 및 가상의 운동성 실험의 효율성을 높여주고, 시간적/공간적 제약을 극복하며 개발비용을 감소할 수 있게 해준다. 또한, 이는 설계되는 데이터 모델에 대한 설계자와 개발자 그리고 관리자 간의 신속한 의사결정을 지원하며, 설계 리드 타임을 단축시키는 장점을 제공한다[2, 3].

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