초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
- 본 연구과제에서는 가상/증강현실의 상황에 따라 컨트롤러의 형태 및 부피가 자동으로 변화되어 도구 종류에 관계없이 사용자가 가상의 도구(탁구채, 테니스라켓, 야구방망이, 골프채 등)를 잡는 느낌을 그대로 모사할 수 있으며, 콘텐츠 상황에 따라서 컨트롤 러의 무게중심이 변화되어 마치 실제 환경에서 사용자가 도구를 잡고 움직일 때 발생하는 운동감을 가상 환경에서 실감나게 표현 할 수 있는 신개념의 “다형성 햅틱컨트롤러”를 개발함.

◼ 전체 내용
- 제안하는 다형성

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
- 본 연구과제에서는 가상/증강현실의 상황에 따라 컨트롤러의 형태 및 부피가 자동으로 변화되어 도구 종류에 관계없이 사용자가 가상의 도구(탁구채, 테니스라켓, 야구방망이, 골프채 등)를 잡는 느낌을 그대로 모사할 수 있으며, 콘텐츠 상황에 따라서 컨트롤 러의 무게중심이 변화되어 마치 실제 환경에서 사용자가 도구를 잡고 움직일 때 발생하는 운동감을 가상 환경에서 실감나게 표현 할 수 있는 신개념의 “다형성 햅틱컨트롤러”를 개발함.

◼ 전체 내용
- 제안하는 다형성 햅틱컨트롤러는 결합형 근감각 제시장치와 결합하여 사용할 수 있도록 개발되어, 사용자가 마치 VR 컨트롤러가 아닌 데스크톱 햅틱장치를 사용하는 것과 같이 당기는 힘 및 미는 힘까지 전달 받을 수 있음.
- 또한 본 연구에서는 가상/증강현실의 콘텐츠 제어를 위해 모핑형 촉각터치패드를 개발하고, 사용자의 엄지가 닿는 부분에 모핑형 촉각터치패드를 배치하여 조작버튼들이 필요한 순간에 사용자가 원하는 형태로 터치패드 위에 생성되어 사용자로 하여금 상황에 맞도록 콘텐츠를 제어할 수 있도록 함.
- 다형성 햅틱컨트롤러의 입/출력장치 관련 명령들을 처리하기 위한 햅틱SDK를 개발하고, 디바이스 드라이버를 통해 다형성 햅틱 컨트롤러와 가상 환경사이의 데이터를 전달하는 모듈을 개발함. 또한 다형성 햅틱컨트롤러 연동을 위한 장면그래프, 물리/수학, LOD, 사운드, 3D애니메이션 모듈을 개발하고 이를 이용하여 실감형 치/의학 시뮬레이터를 개발함.
- 가상 물체의 기하학적 정보를 바탕으로 가상 물체와 인지적 모델의 길이/굽힘/부피가 합치하는 다형성 햅틱컨트롤러의 길이/굽힘/부피변형 알고리즘 개발하고 사용자 실험을 통해 인지적 유사도를 평가하고 성능을 검증함.
- 가상 환경 내에서 존재하는 강체, 변형체, 유체 상태를 동시에 표현하고 각 물체 간의 상호작용을 계산 할 수 있는 그래픽/햅틱모델 설계하며 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 GPU 기반의 렌더링 기법을 개발함. 고점성 유체 시뮬레이션 시 안정된 시뮬레이션 결과를 제공하기 위해 Data-driven 기반의 가속화 기법을 도입하여 개발된 유체 시뮬레이터 상에서 햅틱시뮬레이션을 가능하게 함.
- 웹 기반 3D 유체 모델링을 위한 정보경량화 기술개발 및 이를 이용한 실시간 모델링/렌더링 기술개발을 수행함. 그리고 웹 기반 가상 현실 메타데이터 및 리소스 자원관리 시스템을 개발하며, 다형성 햅틱컨트롤러를 이용한 가상현실 햅틱 UX 프로그램을 개발함.
*연구개발결과 창출되는 결과물(부산물 포함) 및 개발규격 기능/성능 등을 중심으로 기술

◼ 1단계
❏ 목표
길이 변형 및 무게 중심이동이 가능하며 모핑형 촉각터치패드 시험 모듈을 포함한 햅틱컨트롤러 프로토타입 및 이를 기반으로 한 가상 콘텐츠 개발
❏ 내용
• 1차년도 성과 목표
- 길이 변형(변형률 10%) 및 무게 중심이동(사용자 인지 단계 2단계) 이 가능한 컨트롤러 개발
- 모핑형 촉각터치패드 시험 모듈 개발 (필름형 구동기 가속도 0.5 G, 모핑형 구동기 최대 변위 0.5 mm)
- 역동적 접촉 기반 길이 인지 모델(정확도 70%) 및 길이 변형 알고리즘 개발
- 햅틱장치 기반의 VR 프레임워크 개발

◼ 2단계
❏ 목표
길이/굽힘/부피 변형 및 무게 중심이동이 가능하며 모핑형 촉각터치 패드를 통한 진동감/버튼감을 생성할 수 있는 다형성 햅틱컨트롤러 개발 및 이를 기반으로 하는 가상 콘텐츠 제작
❏ 내용
• 1차년도 성과 목표
- 길이(변형률 20%)/굽힘(곡률반지름 400 mm)/부피(변형률 5%) 변형 및 무게 중심이동(사용자 인지 단계 3단계)이 가능한 다형성 햅틱컨트롤러 개발
- 모평형 촉각터치패드 프로토타입 개발(필름형 구동기 가속도 1G, 모핑형 구동기 최대 변위 1 mm)
- 무게 중심변화 인지 모델(정확도 70%) 기반 굽힘 변형 알고리즘 개발
- 오픈소스 엔진용 VR 프레임워크의 plug-in 개발, 그래픽 엔진 기반 가상 의료용 수술 시뮬레이터 개발
- 강체, 변형체, 유체간의 햅틱상호작용이 가능한 실시간 물리 시뮬레이터 개발 (렌더링 해상도1920*1080 픽셀, 렌더링 프레임 레이트 60 Hz, 햅틱접촉점 개수 1개, 동시 표현 가능한 상 종류 3개)
- 웹 기반 3D 유체 모델링을 위한 정보경량화 기술개발 및 이를 이용한 실시간 모델링/렌더링 기술개발
• 2차년도 성과 목표
- 다형성 햅틱컨트롤러 성능 고도화 (길이 변형률 25%, 굽힘 곡률반지름 200 mm, 부피 변형률 15%, 무게 중심이동(사용자 인지 단계 5단계)) 및 결합형 근감각 제시장치 개발 및 다형성 햅틱컨트롤러와 연동
- 모핑형 촉각터치패드의 다형성 햅틱컨트롤러 내장 및 사용자 평가(필름형 구동기 가속도 1.2 G, 모핑형 구동기 최대 변위 1.5 mm)
- 역동적 접촉 기반 부피 인지 모델(정확도 70%) 및 길이/굽힘/부피 변형 알고리즘 개발
- 고도화된 치아형 햅틱장치로 가상 치과 시뮬레이터 개발
- 고점성 유체 햅틱시뮬레이션, 복잡한 강체-변형체 상호작용에 대한 시뮬레이션 고도화 (렌더링 해상도 2160*1200 픽셀, 렌더링 프레임 레이트 90 Hz, 햅틱접촉점 개수 3개, 동시 표현 가능한 상 종류 3개, 수집 데이터 대비 시뮬레이션의 사실성 75%)
- 웹 기반 가상현실 메타데이터 및 리소스 자원관리 시스템을 개발하며, 다형성 햅틱컨트롤러를 이용한 가상현실 햅틱UX 프로그램을 개발

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
• 수요처
- Sony, Microsoft, Nintendo와 같은 콘솔 게임기 개발 업체
- HTC, Valve와 같은 VR·AR 컨트롤러 개발 업체
- Facebook, 알리바바, WEARVR과 같은 VR·AR 콘텐츠 개발 업체
- Apple, LG, 삼성과 같은 태블릿, 휴대폰 개발 업체
- Immersoin과 같은 햅틱기술 관련 업체
- Symbionix, VIRTABED, VIvid Vision과 같은 시뮬레이션 및 가상 재활훈련 업체
• 활용 계획 및 적용 시스템
- 문화체험 (가상의 공연, 작품 감상 등)이나 가상유적탐사에 적용하여 시간과 장소에 구애받지 않고 다양한 경험을 제공
- 산업현장에서의 직업교육에 적용하여 고가의 장비를 활용해야 하거나 특수한 환경에 서만 이루어질 수 있는 교육을 가상현실 상에서 수행함으로써 비용과 시간 절감
- 특수한 환경과 장소, 특수 장비 및 무기 등이 필요한 군사훈련 및 워게임 (War Game)
- 위험도가 높은 의료분야에 적용하여 수술 중 발생할 수 있는 위험요소들을 제거하면서 동시에 교육과 훈련의 효과를 유지
- VR·AR 기반 영화 및 실내스포츠에 적용하여 사용자에게 몰입감 제공 및 흥미유발
• 파급효과
- 본 연구에서 제안하는 다형성 햅틱컨트롤러는 VR·AR 콘텐츠를 효율적으로 제어 및 조작하기 위한 세계에서도 유래가 없는 새로운 기술로 과제가 성공적으로 완료되었을 경우, 원천특허를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 후속기술개발의 시발점이 될 것으로 판단됨.
- 새로운 형태의 햅틱기술의 개발은 국외 시장에 비해 활성화 되지 않은 국내 햅틱기술 시장을 활성화시킬 수 있는 촉매제 역할을 할 수 있을 것으로 예상됨.
- 미국/일본 등 기술선진국에서 수입하고 있는 가상현실 컨트롤러의 수입대체효과와 더불어 해외 판매를 통해 하이엔드 시장을 선점하고 있는 선진 메이커들과도 경쟁할 뿐 아니라 더 나아가서는 가상현실 시장을 선도할 것이라고 판단됨.
- 또한 본 과제를 개발하면서 개발되는 햅틱액츄에이터 및 렌더링 기법은 다양한 소비자 가전, IT기기, 자동차 등에 적용할 수 있으며, 사용자에게 높은 몰입감을 제공할 수 있으므로 교육 및 훈련, 엔터테인먼트, 게임을 포함한 다양한 분야에 폭넓게 적용할 수 있는 확장성을 가짐.

(출처 : 요약문 11p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 요 약 문 ... 11
• 목차 ... 15
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 16
• 1) 기술개발의 필요성 ... 16
• 2) 기술개발 대상의 국내외 현황 ... 17
• 3) 연구개발 목표 ... 24
• 4) 본 연구의 기술·경제·산업적 중요성 ... 30
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 31
• 1) 수행과정 ... 31
• 2) 수행 내용 ... 34
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 55
• 1) 연구수행 결과 ... 55
• 2) 목표 달성 수준 ... 148
• 4. 목표 미달 또는 미흡한 사항에 대한 원인분석 ... 149
• 1) 목표 미달 또는 미흡한 연구결과에 대한 원인(사유) 자체분석 내용 ... 149
• 2) 미달 또는 미흡한 결과물에 대한 보완 활동 ... 149
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 149
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 149
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 150
• 1) 향후 5년간 성과활용·확산 활용방안 및 계획(활동계획) ... 150
• 2) 주요 성과활용 (기대)성과목표 ... 152
• 3) 성과활용·관리 추진체계 ... 153
• 4) 기타 ... 153
• 7. 연구개발성과에 대한 후속연구 및 추가 개발 계획 ... 154
• 1) 한국기술교육대학교 ... 154
• 2) 한국과학기술원 ... 154
• 3) 포항공과대학교 ... 154
• 4) ㈜부품디비 ... 154
• 8. 연구개발비 사용실적 ... 154
• 1) 연구개발비 사용명세서 ... 154
• 2) 발생이자 사용명세서 ... 157
• 3) 반납액 명세서 ... 158
• 끝페이지 ... 161