KR100777600B1 - 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템 - Google Patents

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이준희
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(주)로그시스
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Abstract

본 발명은 무선통신 기술을 사용하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 상대위치좌표를 이용함으로써 종래까지의 엔터테인먼트 산업 분야에서의 응용 뿐만 아니라 일반적인 사용자의 실생활에 응용이 자유롭고 시스템 구현에 드는 비용이 저렴하며 정밀ㆍ정확하고 빠른 운동을 측정할 수 있는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법은, 측정모듈(100), 수신장치(200) 및 연산처리장치(300)를 포함하여 구성되는 시스템에 의한 모션캡처 방법에 있어서, a) 상기 측정모듈(100)들이 서로 간의 거리를 측정하여 송신하는 단계; b) 상기 수신장치(200)가 상기 각각의 측정모듈(100)로부터 송신되는 거리 측정값들을 수신하는 단계; c) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)로부터 수신된 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값들을 사용하여 기준좌표계를 구성하는 단계; d) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)로부터 수신된 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값들 및 상기 구성된 기준좌표계를 사용하여 상대위치좌표를 산출하는 연산을 수행하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템은, 상술한 바와 같은 모션캡처 방법을 채용하는 모션캡처 시스템에 있어서, 개별인식이 가능하고 무선통신을 사용하여 서로간의 거리를 측정하며 상기 측정값을 송신하는 다수 개의 측정모듈(100); 상기 측정모듈(100)들로부터 송신되는 측정값을 수신하는 수신장치(200); 및 상기 수신장치(200)와 연결되어 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값을 바탕으로 상기 측정모듈(100)들의 상대위치좌표를 산출하는 연산처리장치(300); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
모션캡처, 상대거리, 상대좌표, 무선통신, 대역확산, SS, DSSS, TOA, TWR, 의사거리

Description

상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템 {A Method and System for Motion Capture using Relative Coordinates}
도 1은 대역 확산 통신 시스템도.
도 2는 대역 확산 통신 기술에 의한 데이터 송신의 일례.
도 3은 선행기술에 의한 모션캡처 시스템.
도 4는 본 발명에 의한 모션캡처 시스템.
도 5는 OWR(One Way Ranging) 방식의 원리.
도 6은 TWR(Two Way Ranging) 방식의 원리.
도 7은 절대좌표를 이용한 운동 측정 및 궤적.
도 8은 상대좌표를 이용한 운동 측정 및 궤적.
도 9는 본 발명의 기준좌표계 설정 원리.
도 10은 카운터 클럭만을 사용하여 시간을 측정하는 경우의 원리.
도 11은 본 발명에서의 해상도 증가를 위한 논리회로.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1: 무선수신기 2: 기준태그
3: 마커태그 4: 연산처리장치
10: 버퍼 20: 검출 회로 30: 디코더
100: 측정모듈 200: 수신장치 300: 연산처리장치
본 발명은 무선통신 기술을 사용하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템에 관한 것이다.
모션캡처란 공간적으로 이동하는 하나 이상의 물체들의 위치를 추적하여 기록하는 것을 말하며, 상기 공간은 1차원, 2차원일 수도 있으나 통상적으로는 3차원이다. 특히 사람이나 동물의 움직임과 같이 복잡하고 분석이 어려운 운동에 있어서, 모션캡처는 이러한 운동을 분석하거나 재현하기 위한 가장 효율적인 방법으로 여겨지고 있다. 간단히 모션캡처 방법을 설명하자면, 관절이나 사지와 같은 물체의 각 요소들의 선형 및 회전 이동을 측정하기 위하여 상기 물체에 다수 개의 측정 가능한 포인트를 구비하여 그 운동을 추적하여 측정하여 기록하는 것이다. 이와 같은 모션캡처는 엔터테인먼트 사업에서 특히 중요시되고 있는데, 예를 들어 영화, 비디오 게임, 가상현실 시스템 등에서 사람의 동작을 모션캡처하고 이를 이용하여 상기 사람과 유사하거나 동일한 3차원 캐릭터의 움직임을 만듦으로써 보다 생동감이 있 고 현실적인 동작을 보일 수 있게 된다. 또한 스포츠 분야에서도 활용될 수 있는데, 예를 들어 골프 스윙 연습 시스템의 경우 프로 선수들의 동작을 사람의 몸 및 골프채 등의 각 부위에 다수 개의 포인트를 설정하여 모션캡처하고, 이를 저장해 두었다가, 사용자에게도 상기 포인트들과 위상학적으로 동일한 포인트를 설정하게 하고 모션캡처하여 자신의 동작 및 프로 선수의 동작, 그리고 그 사이의 차이점을 시각적으로 디스플레이 함으로써 자신의 동작을 교정할 수 있게 한다.
종래의 모션캡처 방법은 여러 가지가 있는데, 크게 음향식(acoustic) 시스템, 광학식(optical) 시스템, 자기식(magnetic) 시스템, 기계식(mechanic) 시스템으로 나눌 수 있다.
음향식 모션캡처 시스템은 다수의 초음파 발생장치와 3개의 수신장치로 구성되는데, 사람 또는 동물 등 모션캡처하고자 하는 대상의 각 관절, 사지 등의 요소에 초음파 발생장치를 부착하고, 초음파가 수신장치에 수신되기까지 걸린 시간과 이 때의 소리의 속도를 이용하여 발생장치로부터 수신장치까지의 거리를 계산하며, 이러한 방식으로 3개의 수신장치로부터의 측정된 거리를 사용하여 삼각 측량 원리에 의해 상기 발생장치의 3차원상 위치를 산출할 수 있도록 한다. 이러한 음향식 모션캡처 시스템은 광학식에서의 차폐(occlusion) 문제나 자기식에서의 주변 전자파 간섭에 의한 심한 노이즈 문제 등과 같은 문제가 발생하지 않으며, 위치 측정에 필요한 계산량이 적어 실시간 처리에 유용하고, 장비의 값이 싸다는 장점을 가지고 있는 반면, 하기와 같은 크게 두 가지 문제점을 가지고 있다. 첫 번째는 시스템 특 성상 각 초음파 발생장치의 위치를 순차적으로 측정할 수밖에 없어, 원하는 순간 연기자의 몸에 부착된 모든 초음파 발생장치의 위치를 동시에 측정할 수 없다는 것이다. 또한 이 문제점은 샘플링 빈도(sampling rate)를 저하시키거나, 동시에 사용할 수 있는 초음파 발생장치의 수를 제한시키는 요인이 되어 정밀한 동작을 캡처하기 어렵게 하는 부가적인 문제점을 발생시킨다. 또한 두 번째로, 상기 시스템은 음향장치의 특성상, 초음파의 반사에 의한 영향을 많이 받기 때문에 또한 정밀한 동작의 캡처가 어려운 문제점이 있고, 이에 따라 초음파 반사를 최소화할 수 있는 특수 시설이 필요하다는 부가적인 문제점을 또 발생시킨다.
광학식 모션캡처 시스템은, 모션캡처하고자 하는 대상의 몸이나 의상에 빛을 반사하는 성질이 좋은 마커를 부착하고, 상기 대상에 특정 광(일반적으로 적외선)을 비추며 광학 카메라로 촬영하여 상기 마커로부터의 반사를 기록하고, 상기 마커의 위치를 결정하기 위해 상기 카메라에 기록된 영상을 프로세싱함으로써 상기 대상의 움직임을 추적하는 방식이다. 이러한 광학식 모션캡처 시스템에 대하여 미국특허 제6,580,511호("Wavelet-Based Facial Motion Capture for Avatar Animation"), 미국특허 제6,567,116호("Multiple Object Tracking System") 등과 같은 특허 기술들이 공개되어 있다. 이와 같은 광학식 모션캡처 시스템은 다른 방식에 비해 움직임이 자유롭고, 일반적으로 초당 250프레임까지 촬영이 가능하기 때문에 격투 동작과 같은 빠른 움직임도 거의 완벽하게 캡처할 수 있을 뿐만 아니라, 거의 노이즈가 없는 애니메이션 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 장비가 고가이며 주변의 불빛에 영향을 많이 받는다는 문제점이 있고, 또한 상기 다 수 개의 마커를 부착한 대상이 카메라의 시야에서 벗어났다가 다시 시야에 들어오면, 시스템이 자동으로 상기 마커들을 식별하지 못하기 때문에 운영자가 각 마커를 수동으로 식별해 주어야 한다는 문제점이 있다.
자기식 모션캡처 시스템은, 태그가 그 주위에 전자기장을 발생시키거나 특정한 캡처 존(capture zone)에 걸쳐서 유도되었던 전자기장의 교란을 유도하는 원리를 이용한 전자기 추적기를 이용한다. 자기식 모션캡처 시스템은 한 개의 자기원(자기장 발생장치)을 고정된 위치에 두고, 사람 등 모션캡처하고자 하는 대상의 각 관절에 상술한 바와 같은 원리로 작동하는 자기 태그를 부착하여 각 관절의 위치와 각도를 측정하는데, 일반적으로 상기 자기 태그에서 선이 나와 집결기로 연결되고 상기 집결기에서 다시 컴퓨터(와 같은 프로세싱 시스템)로 들어가는 선으로 연결되는 형태로 구성된다. 이러한 자기식 모션캡처 시스템에 대하여 미국특허 제6,549,004호("Distributed Magnetic Field Positioning System using Code Division Multiple Access"), 미국특허 제6,400,139호("Methods and Apparatus for Electromagnetic Position and Orientation Tracking with Distortion Compensation") 등과 같은 특허 기술들이 공개되어 있다. 자기식 모션캡처 시스템은 운용이 쉽고 장비 장치 외의 시설 투자가 거의 필요 없으며 데이터 처리 계산량이 적어 실시간 처리가 편할 뿐 아니라 차폐 문제가 발생하지 않는다는 장점을 가지고 있는데, 종래에는 캡처 시 여러 가닥의 선이 몸에 붙어 있기 때문에 움직임이 불편하여 움직임이 큰 동작을 캡처하는데 어려움이 있었다. 최근에는 상기 특허들과 같이 무선 방식의 캡처 기술이 발달하고 있어 이와 같은 문제점은 해소되어 가 고 있으나, 캡처 주파수를 어느 한계 이상으로 높일 수 없고, 주변의 전자파 영향에 의해 움직임이 없어도 강한 떨림이 발생되는 경우가 많아서 필터링과 같은 후처리 기법을 사용해야 하는 불편함이 있다.
기계식 모션캡처 시스템은 관절의 회전과 같은 이동을 포착하기 위해 사람 등 모션캡처하고자 하는 대상에 관절이 있는 기계장치를 달고, 관절에 전위차계, 가변저항 등과 같은 센서을 구비하여 관절이 얼마나 굽혀졌는지를 측정하도록 한다. 상기 센서들은 유ㆍ무선에 의해 프로세싱 시스템에 접속되며, 상기 기계장치는 슈트와 같은 형태로 제작되기도 한다. 이러한 기계식 모션캡처 시스템은 가상현실 시뮬레이션 시스템들에서 광범위하게 사용되고 있으며, 이와 관련하여 미국특허 제6,563,107호("Topological and Motion Measuring Tool"), 미국특허 제6,070,269호("Data-Suit for Real-Time Computer Animation and Virtual Reality Applications") 등의 특허 기술들이 공개되어 있다. 기계식 모션캡처 시스템은 설치와 운영이 간편하고, 공간에 제약이 없어 먼 곳까지 이동하며 캡처하는 것이 가능하며, 매우 높은 샘플링 빈도로 모션 데이터를 획득할 수 있어 실시간 어플리케이션에 특히 강점을 가질 수 있다. 그러나 모션캡처 대상이 부착하거나 입어야 하는 기계장치 또는 기계슈트 자체가 움직임을 방해하여 자연스러운 동작을 연출하기 힘들고, 상기 센서들이 각 관절에 얼마나 정확하게 위치하고 있는지에 따라 정확도가 달라지며, 부피가 크고, 독립적인 물체들의 상대적인 이동을 추적하는데 적합하지 않다는 단점이 있다.
이와 같이 종래의 모션캡처 시스템들은, 어떤 종류는 이미 상용화되어 사용 되고 있음에도 불구하고 여러 가지의 불편한 점을 가지고 있어, 당업자들 간에 이에 대한 개선이 요구되어 오고 있는 실정이다.
모션캡처를 목적으로 하는 것은 아니지만 기본적으로 다수 개의 포인트에 대하여 위치를 측정한다는 점에서 모션캡처와 비슷하게 동작하는 여러 가지 시스템들이 있는데, 특히 몇 가지의 무선주파수 시스템들이 제안되어 있다. 미국특허 제6,204,813호는 다수의 물체들을 식별하고 각 물체의 위치를 결정하는 무선주파수 위치확인 시스템을 개시하고 있는데, 상기 시스템은 다수의 확산 스펙트럼(Spread Spectrum, 대역 확산) 무선 송수신기 및 신호 프로세서를 포함하고 있다. 상기 시스템에서, 적어도 하나의 송수신기가 다수의 물체들 각각에 위치되고, 적어도 세 개의 송수신기가 복수의 송수신기에 신호를 송신하며, 신호 프로세서가 상기 송수신기들과 연결되어 각 송수신기를 식별하고 위치를 파악함으로써 해당 송수신기가 부착된 물체의 위치를 파악하게 된다. 미국특허 제5,583,517호는 다중경로 저항성 주파수 호핑된 확산 스펙트럼 이동위치 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 중앙국, 복수의 기지국들 및 복수의 이동 송신기들로 구성되며, 상기 복수의 이동 송신기들은 주파수 호핑된 확산 스펙트럼 차동 2위상 시프트 키잉 통신신호를 사용하여 송신한다. 미국특허 제 5,513,854호는 필드의 각 플레이어가 소형화된 무선주파수 송신기를 지니는 시스템을 서술한 것으로, 한 세트의 적어도 세 개의 무선주파수 방위측정 수신기들은 송신기들이 송신하는 방향을 결정하며, 디지털 프로세서는 송신기들의 위치를 결정하기 위해 삼각측량법을 사용한다. 미국특허 제5,438,321호는 지하의 광부들을 추적하는 위치 시스템으로, 광부의 모자 램프에 휴대용 식별모듈을 부착하고, 상기 식별모듈이 일정한 간격으로 신호를 송신하며, 중앙제어국에 접속된 다수 개의 식별국들에 의해 상기 신호들이 포착됨으로써 광부의 위치를 측정한다. 미국특허 제5,056,106호는 골퍼와 골프 코스 상의 키 위치들 사이의 거리와 방향을 정하기 위해 휴대용 수신기 유닛들과 고정된 위치 기준 송신기들을 사용하는 확산 스펙트럼 기반 무선위치 시스템을 개시하고 있다. 또한 미국특허 제4,660,039호는 스포츠 물체를 찾아내는 시스템을 서술한 것으로, 사용자가 무선주파수 송신기를 지니고 스포츠 물체에 도전성 스트립을 구비시키되, 상기 도전성 스트립은 상기 무선주파수 송신기가 접근함에 따라 송신기 상의 부하가 증가되도록 하는 원리를 이용하여 거리를 측정하도록 한다.
상술한 바와 같은 종래의 무선주파수 시스템은 다수 개의 포인트에 대하여 위치를 측정한다는 점에 있어서 모션캡처 시스템과 그 기본 개념이 동일하지만, 모션캡처는 한 사람의 각 관절 및 사지가 움직일 때의 각 위치를 측정할 수 있어야 하는데 종래의 무선주파수 시스템들은 다수 명의 사람에 대하여 각 사람 한 명씩의 위치를 측정할 수 있는 정도가 최대인 해상도(resolution)를 가지고 있어, 상기 나열된 종래의 무선주파수 시스템들을 곧바로 모션캡처 시스템으로 전환하여 사용하는 것은 불가능하다. 그러나 무선주파수 기술이 점차로 발전함에 따라 모션캡처에 무선주파수 기술을 도입하려는 시도가 있어 왔다.
무선주파수 시스템의 원리는 대역 확산(Spread Spectrum: SS) 통신 기술에 그 기반을 두고 있으며, 따라서 대역 확산 통신 기술에 대하여 간단히 설명한다. 수학식 1은 섀넌(Shannon)과 하틀리(Hartley)의 채널-용량 이론에 의한 식이다.
Figure 112006059916842-pat00001
C는 초당 비트 수(bps)로 표현되는 채널 용량이며, 이는 이론적 비트 에러율(BER)에 대한 최대 데이터 전송 속도이다. B는 Hz 단위의 필요 채널 대역폭의 크기이고, S/N은 신호(Signal, S) 대 잡음(Noise, N) 출력비이다. 좀더 명백하게 하기 위해, 통신 채널에 의해 허용되는 정보의 양을 나타내는 C를 목표 성능으로 간주하는 경우도 있다. 주파수는 제한된 자원이기 때문에 상기 대역폭 크기 B는 상기 목표 성능을 얻기 위해 치러야 하는 비용으로 생각할 수 있다. S/N은 환경 조건 또는 물리적 특성(예를 들어 장애물, 방해 전파 존재, 간섭 등)을 나타낸다. 만일 잡음, 간섭 등으로 인하여 통신환경이 좋지 않은 상황일 경우(즉 상기 식에서 S/N의 값이 적은 경우), 보다 많은 대역폭(즉 상기 식에서 보다 큰 B 값)을 허용하거나 투입하면 신호 출력이 노이즈 플로어보다 낮은 경우에도 통신 성능 C를 유지하거나 심지어는 높일 수도 있다는 결론을 얻을 수 있다.
수학식 1에서 log2의 밑을 e로 바꾸고(즉 자연로그로 바꾸고), 맥로린(MacLaurin) 급수 전개 공식을 이용하여 전개한 후, S/N이 매우 작다는 조건을 가정하면, 하기의 수학식 2의 결론을 얻을 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00002
즉, 상기 식으로부터 정해진 채널 용량 C 안에서 주어진 S/N에 대해 전달되는 정보의 오류를 최소화하기 위해서는 채널 대역폭 B 값을 크게 해 주면 된다는 것을 알 수 있다. 대역 확산 통신 기술은 바로 이 점에 주목한 기술로서, 잡음이 많은 가혹한 환경에서도 신호를 오류없이 전송하고자, 신호 채널에 키(key, 코드(code) 또는 시퀀스(sequence)라고도 한다)를 덧붙임으로써 신호의 대역폭을 강제로 확장하는 기술이다. 간단히 말하자면, 대역 확산 통신 기술은 베이스밴드 신호 대역폭에 고주파의 신호를 삽입함으로써 보다 큰 대역폭으로 고의적으로 넓혀지는 통신 기술이다. 결과적으로 신호 전송에 사용되는 에너지는 보다 넓은 대역으로 퍼지게 되어 마치 잡음처럼 보이게 되며, 확산된 베이스밴드와 원래의 신호 간의 비(dB)를 프로세싱 이득(processing gain)이라고 하는데, 전형적인 대역 확산 프로세싱 이득은 10 ~ 60dB이다.
대역 확산 기술은 특히 다중 접속(동일 물리매체 상에서의 복수 및 동시 통신 링크의 실질적인 또는 명백한 공존)을 구현하는 방법으로 사용가능하다. 현재까 지는 다중 접속 방법은 다음과 같은 세 가지 방법이 개발되어 있다. 먼저 주파수 분할 다중 접속(Frequency Division Multiple Access, FDMA) 방식은, 통신 채널에 특정 반송 주파수를 지정하고 서로 다른 사용자의 수만큼을 주파수 스펙트럼 내에 일정 개수까지 나누어 배정하는 방식으로, 주파수 대역 사용률에 있어서는 가장 비효율적인 방법이며, 현재의 라디오, TV 등에서 이 방식을 사용한다. 시 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA) 방식은 서로 다른 사용자들이 말하고 듣는 신호들이 지정된 시간 슬롯에 따라 전달되는 것으로, 서로 다른 통신 채널이 단일 반송 주파수에 대해 구성될 수 있다. 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA) 방식은 송신측 및 수신측이 사전에 키를 정해 놓고 상기 키(또는 코드, 시퀀스라고도 한다)에 의해 접속이 이루어지는 방식이다. 비유적으로 설명하면, 여러 사람이 모여서 동시에 대화를 해야 하는 경우에 있어서, FDMA 방식은 모든 사람이 같은 언어를 사용하되 작은 구역을 나누어 서로 대화할 사람들끼리 각 구역으로 들어가서 대화하는 방법이고, TDMA 방식은 역시 모든 사람이 같은 언어를 사용하지만 모두 한 자리에 모여서 시간을 정해 자기에게 할당된 시간에만 말하는 방법이며, CDMA 방식은 모든 사람이 한 자리에 모여서 이야기하되 각자 다른 언어를 사용함으로써 자기가 알아들을 수 있는 언어만을 알아듣고 다른 소리는 잡음으로 간주, 무시함으로써 서로 대화하는 방법이라고 할 수 있다. 이러한 다중 접속 방법 중 특히 현재 무선통신에 가장 널리 사용되고 있는 CDMA 방식은 상술한 대역 확산 방식을 보다 발전시킨 방식으로, 개념적으로 두 방식은 동일한 방식이라고 할 수 있다.
도 1은 이와 같은 대역 확산 통신 시스템을 개략적으로 도시한 것으로서, 대역 확산 통신 기술을 적용하려면 안테나 단 이전의 어느 지점에서 해당 대역 확산 코드(SS Code)를 전송 체인(Transmission Chain) 내에 삽입하면 되며(이러한 삽입을 확산 동작이라고 한다), 그 결과 원래 전송하려던 데이터 신호(Data)가 보다 넓은 대역폭으로 확산되어 전송되게 된다. 송수신 중 발생하는 간섭(Interfere)이 상기 확산된 데이터(Data-Spread) 신호에 합쳐질 수도 있으나, 수신 체인(Receive Chain)에서 상기 전송 체인에서 사용한 대역 확산 코드(SS Code)와 동일한 코드를 이용하여 확산을 해제하게 되면, 원래의 데이터 신호는 확산해제되지만 송수신 중 삽입된 간섭 신호는 확산해제 동작에 의해 확산되므로, 결국 확산해제 동작에 의해 상기 수신 체인에서는 확산해제된 데이터(Data-Despread)와 확산된 간섭(Interfere-Spread)이 합쳐진 신호를 얻을 수 있다. 도 1 하단부의 각 그래프들은 각 단계에서의 신호를 그래프 상에 나타내고 있는데, 수신 체인에 수신된 신호에 포함된 간섭 신호는 이 단계에서 오히려 넓은 대역으로 확산되고, 따라서 상기 확산된 간섭 신호는 확산해제된 데이터 신호보다 크기가 훨씬 작아진다. 따라서 확산된 간섭 신호는 잡음으로 간주되어 쉽게 제거가 가능하여 원래의 데이터 신호를 높은 정확도로 재현할 수 있게 된다.
도 2는 이와 같은 시스템에서의 대역 확산 통신 기술에 의한 데이터 송신의 한 예이다. 먼저 송신하려는 송신데이터에 송신쪽 확산코드를 합친다. 도 2는 대역 확산 기술의 원리를 쉽게 보이기 위하여 송신데이터를 일정 시간 동안 단위 크기의 신호가 지속되었다가 다음 일정 시간 동안에는 (-) 방향으로 단위 크기의 신호가 지속되는 형태의 신호를 보였다. 송신데이터가 (+) 단위 크기일 때 송신데이터와 송신쪽 확산코드가 결합된 신호는 송신쪽 확산코드와 똑같은 형태가 되며, 송신데이터가 (-) 단위 크기일 때 송신데이터와 송신쪽 확산코드가 결합된 신호는 송신쪽 확산코드를 반전한 형태가 된다. 이와 같이 송신데이터와 송신쪽 확산코드가 합쳐진 확산신호가 수신되면, 수신측에서는 수신쪽 확산코드를 이용해 상기 확산신호를 확산해제한다. 이 때, 도시된 바와 같이 송신쪽 확산코드와 수신쪽 확산코드는 정확히 동일한 신호이다. 따라서 확산신호에서 확산코드를 제거하기만 하면 정확하게 원래의 송신데이터와 똑같은 수신데이터를 얻을 수 있게 되는 것이다. 그런데, 도 2의 아래쪽에 도시된 바와 같이 잘못된 수신쪽 확산코드(즉 송신쪽 확산코드와 상이한 확산코드)를 결합하게 되면 원래의 송신데이터와는 완전히 상이하여 전혀 의미가 없는, 잘못된 수신데이터를 얻게 된다. 뿐만 아니라, 마찬가지의 원리에 의해서 수신쪽에서 똑같은 확산코드를 사용한다고 하더라도 시작-끝 부분을 맞추지 못하면 잘못된 확산코드를 사용한 것과 마찬가지로 전혀 잘못된 수신데이터를 얻게 된다. 즉, 대역 확산 기술을 사용하여 정확한 데이터를 주고받기 위해서는 송신측과 수신측에서 서로 똑같은 확산코드를 알고 있어야 하며, 또한 수신측이 송신측에서의 데이터 전송 시작 시간도 알고 있어야 한다. 일반적으로 이러한 확산코드로는 의사잡음(擬似雜音, Pseudo Noise, 이하 PN)을 사용하는데, 이러한 PN은 거의 무한히 만들 수 있기 때문에 임의의 확산코드를 재생하는 것은 거의 불가능하다. 이와 같은 특성에 따라 대역 확산 기술을 이용한 통신 방법은 도청의 위험 등에서 매우 높은 안전성을 획득할 수 있으며, 또한 잡음이나 장애물 등이 많은 불량한 환경에 서도 높은 효율로 통신할 수 있게 된다.
상기 나열한 종래기술에 의한 무선주파수를 이용한 위치추적 시스템은 (가장 중요하게는) 해상도의 문제점으로 인하여 모션캡처 시스템으로 바로 전환하여 사용할 수 없다. 그런데, 무선주파수를 이용하여 모션캡처하는 시스템이 PCT특허공개 제WO2004/081602호(국내특허공개 제10-2005-0109981호, "무선주파수 모션추적 시스템 및 방법", 이하 선행기술)에 개시되어 있다. 도 3은 상기 선행기술에 의한 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 상기 선행기술은, 기본적으로는 4개 이상의 고정된 무선수신기(1)와 하나 이상의 기준태그(2), 그리고 다수의 마커태그(3) 및 연산처리장치(4)로 구성된다. 상기 무선수신기(1)는 DSSS(직접 시퀀스 대역 확산, Direct Sequence Spread Spectrum) 신호를 수신할 수 있는 수신기로서, 위치가 고정되어 있으며 그 위치의 좌표가 미리 연산처리장치(4)에 입력되어 있고, 상기 기준태그(2)와 마커태그(3)로부터 송신되는 신호를 수신하여 각각의 거리를 계산하는 데 사용된다. 상기 기준태그(2)는 상기 마커태그(3)의 공간좌표를 계산하기 위하여 기준을 잡아주는 역할을 하며, 도 3에 도시된 바와 같이 단일 개여도 되며 다수 개여도 무방하다. 상기 기준태그(2)는 상기 무선수신기(1)와 같이 위치가 고정되어 있으며 그 위치의 좌표가 미리 연산처리장치(4)에 입력되어 있다. 상기 기준태그(2)는 DSSS 신호를 정해진 시간에 보내도록 되어 있으며, 다른 태그들과의 구별을 위하여 고유의 PN(Pseudo Noise) 코드를 갖는다. 마커태그(3)는 실질적으로 모션을 캡처하기 위하여 사용되는 태그로서, 각 관절 등 움직임을 감지하고자 하는 위치에 부착된다. 마커태그(3)는 그 위치가 고정되어 있고 좌표가 알려져 있는 무선수신기(1) 및 기준태그(2)와는 달리 위치가 유동적이며, 기준태그(2)와 마찬가지로 자기식별을 위한 고유의 PN 코드를 가지고 DSSS 신호를 송출한다. 상기 무선수신기(1)와 기준태그(2)의 위치는 고정되어 있고 또한 그 위치의 좌표는 미리 연산처리장치(4)가 알고 있기 때문에, 상기 무선수신기(1)에 기준태그(2) 및 마커태그(3)의 신호가 동시에 수신되면, 상기 연산처리장치(4)는 상기 기준태그(2)와 마커태그(3)에서 송신된 DSSS 신호의 차이를 사용하여 기준태그(2)-무선수신기(1) 사이의 거리와 마커태그(3)-무선수신기(1) 사이의 거리와의 차이를 측정할 수 있게 되며, 기준태그(2) 및 무선수신기(1)의 좌표를 이용하여 결과적으로 마커태그(3) 위치의 좌표를 산출할 수 있게 된다.
상기 선행기술은 모션을 캡처하고자 하는 대상의 각 부분에 상기 기준태그(2) 또는 마커태그(3)를 부착한 후에도 움직임이 자유롭다는 장점을 가지고 있으며, DSSS 신호를 사용하기 때문에 빠른 움직임에 대해서도 정확한 위치를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 상기 선행기술은, 상기 무선수신기(1) 및 기준태그(2)의 위치가 고정되어 있어야만 하며 또한 그 좌표가 미리 알려져 있어야만 작동이 가능하여, 한정적인 장소에서만 사용이 가능하다는 단점이 있다. 즉, 마커태그(3)의 위치를 정확히 감지하기 위해서는 최소한 4개 이상의 무선수신기(1)가 상기 마커태그(3)의 신호를 모두 받을 수 있어야만 하기 때문에, 상기 무선수신기(1)들의 통신가능범위가 모두 겹치는 영역에서밖에는 사용할 수 없다. 또한, 상기 무선수신기(1), 기준태그(2) 및 마커태그(3)는 모두 DSSS 신호를 사용하여 통신하는데, DSSS 통신장비는 현재 매우 고가이기 때문에 장비 구성에 있어 비용이 매우 많이 들게 되는 문제점이 있다. 모션캡처 기술은 현재까지 영화 제작, 아바타와 같은 컴퓨터 그래픽을 위한 작업, 게임 캐릭터의 동작을 제작하기 위한 작업 등과 같이 엔터테인먼트 영역에서 주로 사용되고 있으며, 영상인식을 통한 모션캡처 기술이 골프 자세 교정 시스템과 같은 분야에 한정적으로 사용되고 있을 뿐이다. 이와 같이 모션캡처 기술의 응용분야가 한정적인 것은, 모션캡처 장비를 부착하였을 때 움직임이 거추장스럽거나(기계식, 전자기식), 빠르고 정밀한 움직임을 측정할 수 없는(음향식) 등의 문제도 있지만, 무엇보다도 상기 문제점들을 모두 해소할 수 있는 장비의 경우 너무 가격이 고가(광학식)라는 문제점에 기인한다. 따라서, 상기 선행기술은 광학식 모션캡처와 동일하거나 또는 우수한 모션캡처 성능을 보일 수 있다 하더라도 종래의 모션캡처 시스템이 극복해야 하는 가장 큰 문제점, 즉 장비 구성에 있어서의 고비용 문제를 해결하지 못한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상대위치좌표를 이용함으로써 종래까지의 엔터테인먼트 산업 분야에서의 응용 뿐만 아니라 일반적인 사용자의 실생활에 응용이 자유롭고 시스템 구현에 드는 비용이 저렴하며 정밀ㆍ정확하고 빠른 운동을 측정할 수 있는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법은, 측정모듈(100), 수신장치(200) 및 연산처리장치(300)를 포함하여 구성되는 시스템에 의한 모션캡처 방법에 있어서, a) 상기 측정모듈(100)들이 서로 간의 거리를 측정하여 송신하는 단계; b) 상기 수신장치(200)가 상기 각각의 측정모듈(100)로부터 송신되는 거리 측정값들을 수신하는 단계; c) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)로부터 수신된 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값들을 사용하여 기준좌표계를 구성하는 단계; d) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)로부터 수신된 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값들 및 상기 구성된 기준좌표계를 사용하여 상대위치좌표를 산출하는 연산을 수행하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 c) 단계는 c-1) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 원점을 나타내는 측정모듈0으로 지정하여, 상기 측정모듈0으로써 기준좌표계의 원점을 구성하는 단계; c-2) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈0을 제외한 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 항상 +x축 선상에 위치한다고 가정할 측정모듈1로 지정하고, 상기 측정모듈0-측정모듈1 간의 거리 측정값(d 10) 및 측정모듈 0의 상대위치좌표값(x 0)을 사용하여 상기 측정모듈0 및 측정모듈1로써 기준좌표계의 +x축을 구성하는 단계; c-3) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈0 및 측정모듈1을 제외한 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 항상 xy평면의 +y축 방향 평면상에 위치한다고 가정할 측정모듈2로 지정하고, 상기 측정모듈0-측정모듈2 및 측정모듈1-측정모듈2 간의 거리 측정값(d 20, d 21) 및 측정모듈1의 상대위치좌표값(x 1)을 더 사용하여 상기 측정모듈0, 측정모듈1 및 측정모듈2로써 기준좌표계의 xy평면을 구성하는 단계; c-4) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈0, 측정모듈1 및 측정모듈2를 제외한 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 항상 xyz공간의 +z축 방향 공간상에 위치한다고 가정할 측정모듈3으로 지정하여, 상기 측정모듈0-측정모듈3, 측정모듈1-측정모듈3 및 측정모듈2-측정모듈3 간의 거리 측정값(d 30, d 31, d 32) 및 측정모듈2의 상대위치좌표값(x 2)을 더 사용하여 상기 측정모듈0, 측정모듈1, 측정모듈2 및 측정모듈3으로써 기준좌표계의 구성을 완료하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 d) 단계는 d-1) 상기 연산처리장치(300)가 임의의 측정모듈i에 대하여 상기 측정모듈0-측정모듈i, 측정모듈1-측정모듈i 및 측정모듈2-측정모듈i 간의 거리 측정값(d i 0, d i 1, d i 2)을 더 사용하여 상기 측정모듈i의 상대위치좌표를 산출하는 연산을 수행하여 적어도 하나 이상의 해를 구하는 단계; d-2) 상기 연산처리장치(300)가 상기 산출된 상기 측정모듈i의 상대위치좌표 해의 값으로 계산된 측정모듈i-측정모듈3 간의 거리 연산값(∥x i -x 3∥)을 상기 측정모듈i-측정모듈3 간의 거리 측정값(d i 3)과 비교하여 올바른 해를 선택하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, e) 상기 연산처리장치(300)가 상기 산출된 각 측정모듈(100)의 상대위치좌표의 오차를 최소화하는 연산을 수행하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 e) 단계는 e-1) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈i의 상대위치좌표의 오차를 계산하는데 사용할 주위 측정모듈j의 개수를 미리 입력받는 단계; e-2) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)를 통해 모든 측정모듈i 각각에 대하여 상기 정해진 개수만큼의 주위 측정모듈j들과의 거리 측정값(d ij )들을 수신하는 단계; e-3) 상기 연산처리장치(300)가 상기 거리 측정값(d ij )들 및 각 측정모듈의 상대위치좌표값(x i , x j )을 사용하여 오차들을 계산하는 단계; e-4) 상기 연산처리장치(300)가 상기 오차계산을 축차적으로 수행하되 미리 입력된 기준값보다 상기 오차계산값이 작아지면 계산을 종료하고 상대위치좌표를 결정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, f-1) 임의의 일 측정모듈(100)이 상기 일 측정모듈과 동기화되어 있지 않은 타 측정모듈에 미리 정해진 특정 신호를 전송하는 단계; f-2) 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈로부터 전송된 특정 신호에 대한 응답 신호를 발생시키는 단계; f-3) 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈이 상기 응답 신호를 전송하는 단계; f-4) 상기 일 측정모듈이 상기 타 측정모듈에 전송한 특정 신호가 도달하는데 걸리는 시간, 상기 타 측정모듈이 응답 신호를 발생시키는데 걸리는 시간 및 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈에 전송한 응답 신호가 도달하는데 걸리는 시간을 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 일 측정모듈 및 타 측정모듈 간의 거리를 산출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 TWR 방법을 이용하여 측정모듈들 간의 거리를 측정하거나, 또는 g-1) 임의의 일 측정모듈(100)과 상기 일 측정모듈과 동기 화되어 있지 않은 타 측정모듈이 인식코드 및 발생시각 정보가 포함된 미리 정해진 특정 신호를 서로에게 전송하는 단계; g-2) 상기 일 측정모듈이 상기 타 측정모듈로부터 전송된 상기 특정 신호의 수신 시각을 측정하고, 상기 특정 신호에 포함된 타 측정모듈에서의 발생 시각 정보와 상기 수신 시각 정보를 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 일 측정모듈로부터 상기 타 측정모듈까지의 일 의사거리를 산출하며, 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈로부터 전송된 상기 특정 신호의 수신 시각을 측정하고, 상기 특정 신호에 포함된 일 측정모듈에서의 발생 시각 정보와 상기 수신 시각 정보를 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 타 측정모듈로부터 상기 일 측정모듈까지의 타 의사거리를 산출하는 단계; g-3) 상기 일 의사거리 및 타 의사거리를 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 일 측정모듈 및 타 측정모듈 간의 거리를 산출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 의사거리법을 이용하여 측정모듈들 간의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템은, 상술한 바와 같은 모션캡처 방법을 채용하는 모션캡처 시스템에 있어서, 개별인식이 가능하고 무선통신을 사용하여 서로간의 거리를 측정하며 상기 측정값을 송신하는 다수 개의 측정모듈(100); 상기 측정모듈(100)들로부터 송신되는 측정값을 수신하는 수신장치(200); 및 상기 수신장치(200)와 연결되어 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값을 바탕으로 상기 측정모듈(100)들의 상대위치좌표를 산출하는 연산처리장치(300); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 측정모듈(100)는 OWR, TWR 및 의사거리법을 포함하는 TOA 방식 을 사용하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 측정모듈(100)는 직렬로 연결되고 각각 수신된 신호를 지연시키는 동작을 수행하는 다수 개의 버퍼(10), 상기 버퍼(10)들을 통과하여 온 신호를 인식하여 클럭을 멈추는 검출(20) 로직 및 상기 신호가 통과된 버퍼(10)의 위치를 인식하는 디코더(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정모듈(100)은 TWR를 사용하여 거리를 측정하는 경우, 수신측 측정모듈(100)에서 재전송을 위해 응답 신호를 버퍼에 입력할 때 수신 시 최종 통과한 버퍼(10)의 다음 버퍼(10)에 응답 신호를 입력함으로써, 수신 시 신호가 통과한 버퍼(10)의 개수와 재전송 시 응답 신호가 통과하는 버퍼(10)의 개수 합이 항상 일정하게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정모듈(100) 및 연산처리장치(300)는 거리측정에 사용되는 측정모듈(100)의 수(N), 하나의 측정모듈(100)가 상대거리를 측정하고자 하는 상대 측정모듈(100)의 수(M), 측정을 위해 상호 주고받아야 할 데이터의 양(D) 및 전송비(transmit rate, R), 거리 측정 후 연산처리장치(300)로 전송하여야 할 측정거리 데이터(L), 측정가능한 최대거리 내에서 가장 멀리 떨어진 두 측정모듈(100) 사이의 거리를 측정하는데 걸리는 시간(T)을 포함하는 요소에 의해 결정되는 샘플링 빈도(1/P)로써 상대위치좌표를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 상대위치좌표를 이용 한 모션캡처 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법을 구현하기 위한 시스템이 도 4에 도시되어 있다. 본 발명에 의한 시스템은 다수 개의 무선통신 측정모듈(100), 상기 측정모듈(100)로부터의 데이터 신호를 수신하는 수신장치(200) 및 연산처리장치(300)로 구성되는데, 대역 확산 통신 기술을 사용하여 통신하게 되면 주변의 다른 측정모듈(100)들과 자기 자신의 신호를 구별할 수 있을 뿐만 아니라 잡음이나 장애물이 많은 불량한 환경에서도 높은 통신 효율을 얻을 수 있기 때문에 상기 측정모듈(100)는 상술한 바와 같은 대역 확산 통신 기술을 사용하여 통신하는 측정모듈인 것이 잡음에 대한 저항력을 키울 수 있다. 그러나 저가형 모션캡처 시스템을 생각한다면 거리측정을 위해 사용되는 UWB 자체를 통신으로 사용하는 것도 가능하다. 선행기술의 태그(도 1의 2 및 3)들이 수신기(1)로만 신호를 송신하는 것과는 달리, 본 발명에서의 상기 측정모듈(100)들은 수신장치(200)로 신호를 송신할 뿐만 아니라 자기 주변의 다른 측정모듈(100)들과도 신호를 주고받으면서 서로간의 거리를 측정한다. 상기 수신장치(200)는 상기 측정모듈(100)들로부터 측정된 거리 데이터 신호를 취합하여 수신하며, 상기 수신장치(200)에 연결된 상기 연산처리장치(300)는 상기 데이터를 저장하고 상기 데이터를 이용하여 각 측정모듈(100)들의 상대위치좌표를 산출하는 연산을 수행하며, 필요한 경우 상기 상대위치좌표를 가공하는 등의 처리 작업을 수행한다.
먼저, 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템을 구현하기 위해서는 기본적으로 각 측정모듈들 간의 상대적인 거리를 측정할 수 있어야 한다. 임의의 두 측정모듈 i, j 간의 상대거리를 d ij 라고 하면, d ij 는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112006059916842-pat00003
상기 수학식 3에서 x i 는 측정모듈 i의 위치벡터, x j 는 측정모듈 j의 위치벡터, d ij 는 측정모듈 j로부터 측정모듈 i까지의 거리벡터이다. 또한, n ij 는 측정모듈 j로부터 측정모듈 i까지의 단위방향벡터이다.
임의의 두 측정모듈 i, j 간의 상대거리 d ij 를 측정하는 방법 중 가장 간단한 방법은 OWR(One Way Ranging) 방식이다. 상기 임의의 측정모듈 i와 측정모듈 j가 서로 동기화되어(synchronized) 있으며, 도 5(A)에 도시되어 있는 바와 같이 서로 소정의 거리 d ij 만큼 떨어져 있다고 가정한다. 이들 사이의 상대거리를 측정하기 위하여 측정모듈 i에서 약속된 시각 T 0에 신호를 발생시키고, 측정모듈 j에서 이 신호를 시각 T 1에 수신했다고 할 때, 이 때의 시간차 T 1-T 0를 TOA(Time of Arrival)라고 한다. 이 경우 도 5(B)의 그래프에서 알 수 있듯이 측정모듈 i에서 측정모듈 j 까지 도착하는 데 걸리는 시간 T OF는 상기 시간차와 정확히 똑같다. 따라서 측정모듈 i에서 출발한 신호가 측정모듈 j에 도달하기까지의 시간은 TOA로 직접 측정할 수 있으며, 여기에 전파의 속도인 광속 c를 곱하면 간단히 측정모듈 j로부터 측정모듈 i까지의 거리 d ij 를 산출할 수 있다. 이러한 OWR에 의하여 계산된 상대거리 d ij 는 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00004
그러나 상술한 OWR 방법은 두 측정모듈이 동기화되어 있다는 가정에서 출발한 것으로, 두 측정모듈이 동기화되어 있지 않은 경우에는 사용할 수 없다. 두 측정모듈이 동기화되어 있지 않은 경우에는 다음과 같은 TWR(Two Way Ranging) 방법을 사용할 수 있다. 역시 도 6(A)와 같이 소정의 거리 d ij 만큼 떨어져 있는 임의의 측정모듈 i와 측정모듈 j 간에 일측 측정모듈이 어떤 정해진 신호를 발생시켜서 타측 측정모듈이 상기 신호를 받게 되면 그에 대한 응답을 상기 일측 측정모듈에 되돌려 보내도록 약속되어 있다고 가정한다. 측정모듈 i에서 시각 T 0에 약속된 신호를 발생시킨 후, 측정모듈 j가 상기 신호를 받고 이에 대한 응답을 발생시켜 상기 응답 신호가 다시 측정모듈 i에 수신된 시각이 T 1이라 한다. 이 때, 최초에 측정모듈 i에서 발생된 신호가 측정모듈 j까지 도달하는데 걸리는 시간은 T OF가 되며, 측정모듈 j에서 발생된 응답 신호가 측정모듈 i까지 도달하는데 걸리는 시간도 역시 T OF가 된다. 또한 측정모듈 j에서 신호를 받은 후 응답 신호를 발생시킬 때까지 걸리는 시간을 T Reply라고 한다. 이와 같은 경우 도 6(B)의 그래프에서 볼 수 있듯이 전체 걸린 시간 T 1-T 0에서 상기 T Reply 만큼을 뺀 나머지의 시간을 2로 나누면 순수하게 일측 측정모듈에서 타측 측정모듈까지 전파가 도착하는데 걸리는 시간을 구할 수 있다. 이제 이렇게 측정된 시간에 광속 c를 곱하면 두 측정모듈 간의 거리를 산출해낼 수 있게 된다. 이와 같은 TWR 방법에 의하여 계산된 상대거리 d ij 는 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00005
두 측정모듈이 동기화되어 있지 않은 경우에는 상술한 TWR 방법 외에 다음과 같은 의사거리(Pseudo-Range)를 이용하는 방법으로도 두 측정모듈간의 상대거리를 측정할 수 있다. 임의의 두 측정모듈 i, j가 동기화되어 있지 않다는 것은 각 측정모듈 i, j가 서로 다른 각자의 시계를 가지고 있다고 할 수 있으며, 따라서 절대시각 t에서의 각 측정모듈 i, j의 시각을 각각 T i (t), T j (t)로 표현한다고 하면, 상기 각 측정모듈의 시각은 다음과 같은 수학식 6으로 표현할 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00006
여기에서 T i ClockDelay 및 T j ClockDelay 는 각각 절대시각 t에 대한 각 측정모듈 i 및 j의 시간지연이다. 임의의 두 측정모듈 i, j가 서로 약속된 신호(이 신호에는 신호를 발생시키는 측정모듈의 인식코드 및 발생시각에 대한 정보가 포함된다)를 발생시키고, 또한 서로의 신호를 수신한다고 할 때, 측정모듈 i에서 시각 T i 0 에 발생한 신호를 측정모듈 j가 시각 T j i,1 에 수신하고, 반대로 측정모듈 j에서 시각 T j 0 에 발생한 신호를 측정모듈 i가 시각 T i j,1 에 수신하였다고 하면, 측정모듈 j에서 측정된 측정모듈 i까지의 의사거리 d ij PR 및 측정모듈 i에서 측정된 측정모듈 j까지의 의사거리 d ji PR 는 각각 하기의 수학식 7과 같이 정의된다.
Figure 112006059916842-pat00007
상기 수학식 7로부터, 상기 각각의 측정모듈에서 측정된 의사거리의 평균을 구하면 두 측정모듈 간의 실제 상대거리를 구할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 측정모듈들이 동기화되어 있지 않은 경우에라도 상술한 바와 같은 의사거리 측정법을 이용하여 하기의 수학식 8과 같이 측정모듈들 간의 상대거리를 구할 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00008
본 발명의 모션캡처 방법을 구현함에 있어서 측정모듈들 간의 상대거리를 측정하기 위해서는 상술한 바와 같은 OWR, TWR 및 의사거리 측정법들 중 어떤 방법을 사용하여도 무방하다.
상기 의사거리 측정법에 있어, 의사거리 측정을 위해 측정모듈 i는 시각 T i 0 을 측정모듈 j에게로, 측정모듈 j는 시각 T j 0 을 측정모듈 i에게 데이터 통신을 이용하여 전송을 하게 되며, 그리고 측정이 끝난 후 각각의 측정모듈은 수학식 7을 계산하기 위한 데이터 T i 0 , T j 0 , T i j,1 , T j i,1 을 수신장치(200)로 전송한다. 거리측정을 위해 신호를 보내는 것에 비해 데이터 통신에 소모되는 시간이 월등히 큰 것을 고려한다면, 가급적이면 데이터 전송을 줄이는 것이 유리하다. 이 경우, 측정모듈 i, j 간 신호 전송을 약속하고 신호 전송 후 측정모듈 i는 T i 0 , T j i,1 을, 측정모듈 j는 T j 0 , T i j,1 을 수신모듈(200)로 전송을 하면, 상기 수학식 7을 만족하면서도 측정모듈 간 전송시간을 보내는 데 사용되는 불필요한 데이터 전송을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이 임의의 두 측정모듈들 간의 상대거리를 측정할 수 있다고 할 때, 이제 측정된 상대거리를 사용하여 공간상에서의 상기 측정모듈들의 상대위 치좌표를 구하여야 한다. 상술한 선행기술(국내특허공개 제10-2005-0109981호)에서는 정지하여 있는 관측자를 기준으로 하여 고정되어 있는 점을 설정하고, 상기 고정된 점에 대해서 다른 측정모듈들의 위치 좌표를 구함으로써 모션캡처하는 방법 및 시스템을 제시한 바 있다. 그런데, 이와 같이 절대좌표계를 사용하는 방법은 물론 측정대상물의 운동에 대한 절대좌표값을 구할 수 있다는 장점이 있지만, 종래기술의 문제점에서 기술한 바와 같이 상기 고정점에 대하여 어떤 한계범위 이내에서만 측정이 가능하다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 절대좌표로 측정된 값들은 직관적으로 해석하기 어려워 상기 절대좌표 측정값들을 가공하여야 하는 경우 여러 가지 어려움이 따르게 된다.
예를 들어, 도 7 및 도 8에서와 같이 그 자체가 회전하는 운동을 함과 동시에 그 형상이 일그러지며 변화하는 축구공(football)이 있는데, 이와 같은 축구공의 형상 변화를 알고 싶다고 하자. 상기 축구공의 겉면에 다수 개의 측정모듈이 부착되어 있어 상기 측정모듈들의 위치를 측정한다고 할 때, 도 7은 절대좌표를 이용하는 경우이며 도 8은 축구공에 부착된 상대좌표를 이용하는 경우이다. 도 7에 도시된 바에 의하면, 축구공 전체가 움직이는 포물선 형태의 궤적을 따라 측정모듈들도 함께 이동하고 있다. 따라서 축구공 전체가 움직이는 포물선 형태의 궤적, 축구공 자체의 회전 및 형상 변화가 모두 합쳐진 측정값이 나타나게 되어 데이터 크기가 필요없이 증가하게 되며, 직관적으로 축구공 자체의 형상 변화를 파악하기 어려울 뿐만 아니라 데이터 처리의 관점에서도 축구공 전체가 움직이는 궤적에 의한 변화량 및 축구공 자체의 회전에 의한 변화량을 제거하는 작업을 거쳐야 하기 때문에 처리 효율이 떨어지게 된다. 물론 절대좌표를 이용하는 경우 운동을 미리 예측하여 가장 복잡하지 않게 나타날 수 있는 위치를 원점으로 잡음으로써 이러한 문제점을 해결하려고 시도할 수는 있겠으나, 이러한 방법을 사용할 수 있는 것은 극히 일부의 운동에 지나지 않으며 대부분의 경우 원점의 위치와는 상관없이 복잡한 측정값이 나올 수밖에 없다.
도 8은 똑같은 운동에 대하여 상대좌표계를 이용하였을 때 축구공에 부착된 측정모듈의 움직임을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 도 8에서는 상기 물체의 중심에 상대좌표계의 원점을 두고 있으므로, 상대좌표계 자체는 포물선운동 및 회전운동을 하되 측정모듈은 상대좌표계의 관점에서 볼 때 단지 원점으로부터 멀어지고 가까워지는 운동만을 하고 있는 것으로 측정되게 된다. 도 7과 도 8의 비교로만 비추어 보아도 물체 자체의 형상 변화를 측정하는데 있어서 절대좌표계를 사용할 경우 물체 형상의 변화와는 관계없는 변화량(즉 물체 자체의 회전, 이동 등에 의해 발생되는 변화량)을 제거해야만 하는 작업이 필요하지만, 상대좌표계를 사용할 경우에는 이와 같은 작업이 전혀 필요없고 매우 간단하고 직관적으로 물체의 형상 변화를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
물론 이 때 상대좌표계를 이용한 모션캡처에서는 상기 상대좌표계 자체의 운동(즉 이 경우에는 포물선운동 및 회전운동)을 측정할 수는 없다는 문제점이 있을 수 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 상대좌표계를 이용하는 모션캡처의 경우에도, 상대좌표계를 구성하는 데 사용하는 4개의 측정모듈들을 고정된 위치에 배치하면 절대좌표계를 이용하는 경우와 정확히 동일한 물리량을 측정할 수 있다. 반면에, 상대좌표계를 이용한 모션캡처방법에서는 앞에서 예로 든 운동중의 축구공의 모양변화를 알고자 하는 경우와 같이 상대좌표계의 운동을 측정할 필요가 없는 경우에는 도 8의 예에서와 같이 운동하는 물체 내에 상대좌표계의 원점을 둠으로써 (절대좌표계를 이용한 운동 측정값과 비교하여) 훨씬 간단하고 직관적으로 이해하기 쉬운 운동 측정값을 얻어낼 수 있다. 뿐만 아니라, 이렇게 얻은 측정값을 사용하여 가상공간에 운동을 재현하는 경우, 상대좌표계에 사용자가 원하는 적절한 운동을 부여하여 측정값을 가공하는 것이 매우 용이하기 때문에, 상술한 바와 같이 상대좌표계 자체의 운동을 측정할 수 없다는 문제점은 그다지 중요하게 고려될 가치가 없다는 것을 쉽게 알 수 있다.
도 9는 본 발명에서 각 측정모듈의 상대위치좌표 측정원리를 그래프로 도시한 것이다. 먼저 다수 개의 측정모듈들 중에서 좌표의 원점으로 삼을 측정모듈을 선정하여 이를 측정모듈0으로 지정하고, 상기 측정모듈의 위치벡터를 x 0이라 한다. (이후 x 1, x 2, …, x i, …는 모두 측정모듈1, 측정모듈2, …, 측정모듈i, …의 위치벡터를 나타내는 것으로 정한다.) 상기 측정모듈0의 위치벡터 x 0의 좌표는 원점으로 잡았기 때문에 당연히 (0, 0, 0)이 된다.
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Figure 112006059916842-pat00010
다음으로, 사용자가 전체 측정모듈 중에 항상 +x축 선상에 놓여있다고 가정할 측정모듈을 선정하여 이를 측정모듈1로 지정한다. 이와 같이 지정하면 상기 측정모듈0으로부터 측정모듈1로의 연장선이 기준좌표계의 +x축이 된다. 측정모듈1의 위치벡터 x 1의 좌표는 하기의 수학식 10과 같이 산출된다. 또한, 이후에서 e x, e y, e z는 각각 x축, y축, z축 방향의 단위벡터이다.
Figure 112006059916842-pat00011
Figure 112006059916842-pat00012
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다음으로, 사용자가 전체 측정모듈 중에 항상 xy 평면의 +y쪽 평면상에 놓여있다고 가정할 측정모듈을 선정하여 이를 측정모듈2로 지정한다. x축은 하나의 직선이므로 두 개의 점을 지정하면 결정될 수 있으며, xy평면은 평면의 결정조건에 따라 상기 이미 결정된 직선(x축) 하나와 상기 직선 위에 있지 않은 다른 한 점만 있으면 결정될 수 있다. 따라서 측정모듈0, 측정모듈1( 또는 측정모듈0, 측정모듈1로 결정되는 1개의 직선인 x축) 및 측정모듈2 세 점( 또는 직선 1개와 상기 직선 위에 있지 않은 점 1개에 의해) 결정되는 유일한 평면을 xy평면으로 잡을 수 있다. 측정모듈2의 위치벡터 x 2의 좌표는 하기의 수학식 11과 같이 산출된다.
Figure 112006059916842-pat00016
Figure 112006059916842-pat00017
Figure 112006059916842-pat00018
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Figure 112006059916842-pat00020
마지막으로, 사용자가 전체 측정모듈 중에 항상 xyz 공간의 +z쪽 공간상에 놓여있다고 가정할 측정모듈을 선정하여 이를 측정모듈3으로 지정한다. 상술한 바와 같은 방법으로 측정모듈0, 측정모듈1, 측정모듈2를 사용하여 xy평면을 정의한 바, 공간은 1개의 평면에 의해 반드시 두 부분으로 나누어지기 때문에 +z쪽 공간을 결정하기 위해서는 상기 평면 위에 있지 않은 다른 점이 1개만 더 있으면 된다. 따라서 측정모듈0, 측정모듈1, 측정모듈2, 측정모듈3만을 가지고 xyz 좌표계를 완전히 구성할 수 있다. 측정모듈3의 위치벡터 x 3의 좌표는 하기의 수학식 12과 같이 산 출된다.
Figure 112006059916842-pat00021
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Figure 112006059916842-pat00023
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수학식 10에서 x 1의 좌표를 구하는데 필요한 것은 d 10 뿐인데, 이 값은 상술 한 바와 같이 OWR, TWR 또는 의사거리법을 이용하여 측정이 가능하다. 수학식 11에서 x 2의 좌표를 구할 때에는, x 1 값은 수학식 10으로부터 이미 알려져 있는 값이며 d 20 및 d 21 역시 측정가능한 값이므로 x 2을 계산할 수 있고, 이에 따라 d 20 및 x 2 값이 알려지므로 y 2 역시 계산할 수 있게 된다. 수학식 12에서 x 3의 좌표를 구할 때에도 역시, x 1 값은 수학식 10으로부터 이미 알려져 있는 값이며 d 30 및 d 31은 측정가능한 값이므로 x 3를 계산할 수 있고, x 2 및 y 2 값은 수학식 11로부터 이미 알려져 있는 값이며 d 32는 측정가능한 값이므로 y 3를 계산할 수 있으며, 이에 따라 x 3 및 y 3가 모두 알려졌으므로 z 3를 계산할 수 있다. 따라서 도 9(A)에 도시된 바와 같이, 측정모듈0, 측정모듈1, 측정모듈2 및 측정모듈3 도합 4개의 측정모듈을 지정하고 각 측정모듈들 간의 거리 측정값을 얻음으로써 상기 측정모듈들이 포함되어 있는 공간의 좌표계를 완전히 정의할 수 있게 된다. 예를 들어 사람의 운동을 측정하고자 할 때, 도 9(B)에 도시되어 있는 것처럼 사람의 가슴 부위에 측정모듈0 ~ 측정모듈2를 부착하고 등 부위에 측정모듈3을 부착하면, 사람의 가슴 부위 및 가슴과 등의 위치는 아무리 크게 동작한다 해도 그다지 크게 변위가 생기지 않기 때문에 사람 자신을 중심으로 한 기준좌표계를 잡을 수 있게 되는 것이다.
이제 나머지 측정모듈들 위치의 상대위치좌표를 구한다. 상술한 바와 같이 기준좌표계를 설정하기 위해서는 사용자가 측정모듈0 ~ 측정모듈3을 지정하여 주면 되며, 나머지 측정모듈들 중 하나인 임의의 측정모듈i의 위치는 상기 측정모듈0 ~ 측정모듈3을 기반으로 하여 구성된 기준좌표계를 사용하여 하기의 수학식 13과 같은 방식으로 구할 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00026
Figure 112006059916842-pat00027
Figure 112006059916842-pat00028
Figure 112006059916842-pat00029
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상기의 수학식 13은 3이 i로 바뀌었다는 것을 제외하면 수학식 12와 거의 비 슷하며, 역시 d i 0, d i 1 및 d i 2는 측정가능한 값이고 x 1, y 1, x 2 및 y 2는 수학식 10 및 수학식 11로부터 이미 알려진 값이기 때문에 x i 및 y i 를 계산해 낼 수 있게 된다. 수학식 12에서와는 달리 그런데 z i 값에 있어서 두 개의 해가 존재하고 있어, 상기 식만으로는 어떤 부호를 선택하여야 하는지 결정할 수 없다. 이 때 z i 의 부호는 상기 두 개의 해 중에서
Figure 112006059916842-pat00031
가 d i 3에 가까운 쪽을 선택하게 한다. 역시 d i 3는 측정가능한 값이며 x3, y3 및 z3는 수학식 12로부터 이미 알려진 값이므로 상기 계산 및 선택이 가능하며, 따라서 측정모듈0 ~ 측정모듈3에 의해 구성된 기준좌표계에 대하여 임의의 측정모듈i의 상대위치좌표 유일해를 얻을 수 있게 된다. 도 9(C)는 이와 같이 측정모듈0 ~ 측정모듈3에 의해 구성된 기준좌표계 및 상기 기준좌표계를 이용하여 측정모듈4, 측정모듈5, …의 상대위치좌표를 구하는 원리를 도시하고 있다.
본 발명의 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법은 상술한 바와 같은 방법을 이용하여 다수 측정모듈의 상대위치좌표를 측정하는 것으로, 만일 상기 측정모듈들 간의 거리측정값들이 정확하다면 문제가 없겠으나 측정에 있어서는 항상 오차가 생길 수 있기 때문에, 하기에 서술하는 내용과 같은 방법을 통하여 최종적으로 계산되는 측정모듈들의 위치오차를 최소화하는 것이 더욱 바람직하다.
먼저 모든 측정모듈의 개수가 N개라 할 때, 모든 측정모듈의 좌표들이 반드 시 만족해야 하는 식은 다음과 같다.
Figure 112006059916842-pat00032
모든 측정모듈의 좌표들이 상기의 식을 모두 만족하는지 알아보기 위해서는 N(N-1)/2(N개의 측정모듈들을 두 개씩 짝지을 수 있는 경우의 수)개의 식을 모두 계산하여 확인하여야 하겠지만, 매번 이와 같이 하는 데에는 계산시간의 한계가 있기 때문에, 임의의 측정모듈i의 좌표의 오차를 계산하는데 사용할 주위 측정모듈의 개수를 M(M≥4)개로 제한하면, 상기 측정모듈i의 좌표 x i 가 만족하여야 할 식은 다음과 같다.
Figure 112006059916842-pat00033
상기 식은 측정모듈i의 좌표 x i 에 관한 비선형 방정식으로서 대수적으로 해를 구할 수 없으므로, 다음과 같은 축차적인 방법을 이용하여 오차를 계산한다. 먼저, 모든 측정모듈i 각각에 대하여 그 주위의 M개의 측정모듈
Figure 112006059916842-pat00034
들과의 상대거리 d ij 를 측정한다. 다음으로, 각 기준 측정모듈(측정모듈0 ~ 측정모듈3)들의 좌표 초기값 x i (0)(i=0, … ,3)을 상술한 수학식 10 ~ 수학식 12를 이용하여 계산하고, 또한 나머지 측정모듈들의 좌표 초기값 x i (0)(i=4, …, N-1)을 수학식 13을 이용하여 계산한다. 이제, 모든 측정모듈i 각각에 대하여 하기의 수학식 16을 이용하여 (k+1)번째 축차에서의 좌표 x i ( k +1)(i=0, …, N-1)를 갱신하며, 이러한 축차를 계산된 위치보정벡터 △x i ( k )가 충분히 작아질 때까지 반복한다.
Figure 112006059916842-pat00035
Figure 112006059916842-pat00036
이와 같은 방법으로 오차를 최소화함으로써 더욱 정밀하고 정확한 각 측정모듈들의 상대위치좌표를 구할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 의하여 다수 개의 측정모듈들에 대하여 기준좌표계를 설정하고 상기 기준좌표계에 대하여 나머지 측정모듈들의 정밀한 상대위치좌표를 측정하는 방법을 기술하였다. 본 발명에서 사용되는 측정모듈은 상술한 바와 같이 무선을 이용하여 각자 간의 거리를 측정하는데, 무선을 이용하여 거리를 측정할 때 실제로 시스템을 구현하는 데 있어서 몇 가지 문제점이 있다. 무선으로 거리를 측 정할 수 있는 방법은 현재의 과학 지식에 따르면 소리와 전파(즉 빛)를 이용하는 방법 두 가지만이 가능한 것으로 알려져 있음은 주지의 사실이다. 이 중 소리, 즉 음향을 이용하여 측정모듈들 간의 거리를 측정함으로써 모션을 캡처하는 시스템은, 종래기술의 문제점에서 논의한 바와 같이 주변의 소음에 영향을 받을 뿐만 아니라 모션캡처에 사용하는 초음파 자체가 반사되어 측정에 영향을 미치게 되기 때문에 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 특수 시설을 필요로 한다는 문제점이 있다. 더불어, 소리의 전파속도는 340m/s로서, 소리를 이용하여 거리를 측정하게 되면 높은 해상도를 얻을 수는 있지만 소리 자체의 속도가 너무 느리기 때문에 샘플링 빈도(sampling rate)를 높일 수가 없게 되어 빠른 동작을 정밀하게 측정하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 제거하기 위하여 대역 확산 통신 기술을 사용하는 전파 통신 무선 측정모듈을 사용하여 거리를 측정하는데, 이렇게 전파를 이용하는 방법에 있어서는 음향을 이용하는 방법과는 반대의 문제점이 발생한다. 빛(전파)의 속도는 3ㅧ108m/s로 매우 빠른데, 시간을 측정하기 위한 수단으로 사용되는 카운터의 주파수는 현재 기술로는 2 ~ 4GHz가 최대치이다. 예를 들어 1GHz의 카운터를 사용하여 전파의 속도를 측정한다면, 하기의 수학식 17에 의해 상기 카운터로 측정할 수 있는 최소 거리 단위는 30cm라는 것을 알 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00037
도 10은 카운터 클럭만을 사용하여 시간을 측정하는 경우를 도시하고 있는데, 상술한 바와 같이 현재 구현할 수 있는 주파수는 1GHz 정도이며, 클럭 주파수가 1GHz라고 할 때 1nsec마다 측정이 가능하다. 도 10에서, 측정모듈i에서 송신된 전파가 측정모듈j에 도착하는 데 걸린 시간이 예를 들어 3.4nsec였다면, 상기 카운터는 1nsec 간격으로밖에는 측정이 불가능하기 때문에 소수점 이하를 올린 값인 4nsec로밖에는 인식할 수 없어, 0.6nsec만큼의 측정오차가 발생하게 된다. 즉, 실제로는 상기 측정모듈i 및 측정모듈j는 3.4nsec 동안 전파가 이동한 거리인 1.02m만큼 떨어져 있으나, 상기 측정오차에 의해 4nsec 동안 전파가 이동한 거리인 1.2m만큼 떨어져 있는 것으로 측정되어 18cm만큼의 오차가 발생하게 된다.
모션캡처는 기본적으로 인체를 바탕으로 한 거리 단위를 측정할 수 있어야 하기 때문에 30cm를 한 단위로 하는 측정범위는 너무나 오차가 크고 효용성 측면에 있어서 무의미하다. 현재 기술로서 구현가능한 카운터의 주파수는 2GHz 정도로, 기술 발전 속도를 볼 때 앞으로 CMOS(상보성 금속 산화막 반도체, Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기술이 더욱 발전한다 해도 4GHz를 넘는 주파수를 갖는 카운터를 제작하기는 어려울 것으로 판단되고 있다. 물론 초전도체를 이용한 RSFQ(초고속 단자속양자, Rapid Single Flux Quantum) 기술을 사용할 경우에는 이론적으로 80GHz의 카운터를 제작하는 것이 가능할 것으로 예상되고 있으나 가까운 시일 내에 이와 같은 기술을 이용한 제품이 상용화되기는 어려울 것으로 예상되며, 또한 이러한 기술을 사용하게 될 경우 장비의 제작 비용이 매우 고가가 될 전망이기 때문에 본 발명의 목적을 이룰 수 없게 된다. 따라서 CMOS 기술을 이용한 카운터를 사용할 것을 전제로 해야 하는데, 현재 가장 빠른 2GHz 주파수의 카운터를 사용한다고 할지라도 측정가능한 최소 거리 단위는 15cm 정도로서 여전히 모션캡처 시스템으로서는 효용가치가 별로 없기 때문에, 해상도를 증가시키기 위한 방법이 필요하다.
도 11은 본 발명에서 다수 개의 버퍼를 이용한 논리회로를 사용함으로써 해상도를 증가시키기 위하여 사용한 논리회로를 간략하게 도시한 것이다. 버퍼(10)는 아날로그 신호를 단순히 지연시키는 동작을 하는 전자소자로서, 직렬로 연결된 다수 개의 버퍼(10)를 모두 지났을 때 지연된 시간이 카운터 클럭의 한 주기와 일치하도록 상기 버퍼(10)의 개수를 결정한다(도 10에서는 m개가 되도록 하였다). 이 때, 각 버퍼(10)를 통과한 신호 즉 약간의 지연이 있는 신호를 카운터 클럭을 이용하여 매 클럭마다 래치(latch)할 때, 반사되어 온 신호가 임의의 버퍼(10)를 지나게 되면(도 10에서는 3번째 버퍼를 통과한다) 검출(20) 로직에 의해 신호가 들어왔음이 인식되어 그 순간의 카운터가 기록되며, 또한 디코더(30)에 의해 몇 번째 버퍼를 통과하였는지를 알 수 있게 된다. 따라서 몇 번째 버퍼를 통과하였는지를 이 용하여 한 클럭을 m개로 나누어 시간을 측정할 수 있으며, 이에 따라 해상도가 버퍼(10)의 개수인 m배 증가하게 된다. 즉 똑같은 1GHz 주파수를 갖는 카운터를 사용하였다 하더라도, 예를 들어 30개의 버퍼(10)를 구비하면 해상도가 30배 증가하여 1cm 단위로 거리를 측정할 수 있게 되는 것이다.
상술한 바와 같은 다수 개의 직렬연결된 버퍼(10)를 사용하여 해상도를 증가시키는 방법을 TWR에 사용하는 경우, TWR의 원리에 따라 일측 측정모듈에서 전송된 신호를 타측 측정모듈에서 받아 다시 일측 측정모듈로 재전송을 할 때 카운터의 클럭에 맞추어 재전송하게 되면 앞서 설명한 바와 같이 클럭 수의 제한으로 인한 측정오차가 발생하게 되기 때문에, 재전송은 항상 일정한 시간이 될 수 있도록 반사를 하여야 한다. 이를 위해서는 도 11에서와 같이 수신 시 통과한 버퍼(10)의 개수와 재전송 시 통과하는 버퍼(10)의 개수의 합이 항상 일정하도록 만들어야 하며, 이는 재전송을 위해 응답 신호를 버퍼에 입력할 때 수신 시 최종 통과한 버퍼(10)의 다음 버퍼(10)에 응답 신호를 입력함으로써 구현이 가능하다. 이 경우 일측 측정모듈에 응답하는 타측 측정모듈의 응답 시간의 최대 시간 오차는 신호가 한 버퍼를 통과하는데 걸리는 시간이 된다. 일반적인 TWR 방식에서의 응답 시간의 최대 시간 오차는 한 클럭의 주기인 것과 반해, 본 발명에서의 상기 로직들을 이용하는 경우 상술한 바와 같이 최대 시간 오차는 한 버퍼를 통과하는데 걸리는 시간이 되어, 최대 시간 오차가 극명하게 줄어들게 되는 것을 알 수 있다. 일례로, 도 11의 실시예에서와 같이 버퍼를 m개 사용하는 경우 최대 시간 오차는 1/m이 된다.
본 발명에 의한 모션캡처 방법은 전파를 사용하여 측정모듈 간의 거리를 측정하도록 하고 있기 때문에 샘플링 빈도를 매우 높일 수 있다. 샘플링 빈도를 높이게 되면 측정된 거리의 오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 세밀한 움직임을 감지하여 보다 정확한 모션캡처를 할 수 있게 된다. 본 발명에서 샘플링 빈도의 한계를 결정하는 요소는, 거리측정에 사용되는 측정모듈의 수(N), 하나의 측정모듈이 상대거리를 측정하고자 하는 상대 측정모듈의 수(M), 측정을 위해 상호 주고받아야 할 데이터의 양(D) 및 전송비(transmit rate, R), 거리 측정 후 연산처리장치로 전송하여야 할 측정거리 데이터(L), 측정가능한 최대거리 내에서 가장 멀리 떨어진 두 측정모듈 사이의 거리를 TWR 방식으로 측정하는데 걸리는 시간(T)이다. 여기에서 N 및 M은 수학식 14 내지 수학식 16에서 사용된 N 및 M과 각각 동일하다.
N개의 측정모듈 각각이 주변 M개씩의 측정모듈들에 대하여 거리를 측정한다면, 한 주기를 도는데 걸리는 시간은 NㅧMㅧT가 된다. 만일 거리 측정을 하기 위한 수신 측정모듈이 미리 결정되어 있다면 데이터 전송은 각 측정모듈당 한 번씩 N번 발생하게 되며, 그렇지 않은 경우라면 송신-수신 쌍을 결정하기 위해 NㅧM번 데이터 전송이 발생된다. 이 때 소요되는 시간은 매 데이터마다 D/R이 되며, 송수신 규칙이 미리 설정되어 있을 경우 송신 측정모듈 / 수신 측정모듈을 결정하기 위해 소요되는 전체 시간은 D/RㅧN이 된다. 또한, 거리 측정 후 연산처리장치로 데이터를 전송하는 횟수는 각 측정모듈당 한 번씩이므로 N번이며 이 때 소요되는 시간은 L/RㅧN이 된다. 따라서, 모든 측정모듈이 거리를 측정하고 상기 거리 데이터가 연산처리장치로 모두 전송되는 한 주기를 P라 할 때 이 값은 하기의 수학식 18과 같이 산 출될 수 있다.
Figure 112006059916842-pat00038
따라서 본 발명에 의한 샘플링 빈도는 상기 수학식 18에 의해 계산된 주기의 역수, 즉 1/P가 된다. 사용되는 측정모듈의 개수 N을 100으로 하고, 상대거리를 측정하기 위해 사용되는 주변 측정모듈의 개수 M을 4로 하고, 두 측정모듈이 측정가능한 최대 거리가 30m라고 하면 상기 T는 0.1㎛가 되며, 상기 D/R 및 L/R의 차수가 대략 10-6정도 된다고 가정하면, 측정가능한 최대 샘플링 빈도 1/P는 4000 회 이상이 된다. 본 발명은 단순히 엔터테인먼트를 목적으로 한 영상을 만들기 위한 기반으로 사용되는 것을 목적으로 하는 모션캡처 방법을 제시하고자 하는 것이 아니라, 일반적인 사용자의 실생활에 응용되어 사용자의 움직임을 인식하여 교습ㆍ진단 등 직접적으로 실생활에 도움이 되는 역할을 할 수 있는 모션캡처 방법을 제시하고자 하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 종래의 모션캡처 방법 및 시스템에서 주로 사용되는 24 ~ 30Hz의 샘플링 빈도는 효용가치가 없으며 이보다 훨씬 높은 1000회 정도의 샘플링 빈도를 필요로 한다. 그런데 상기 수학식 18에 의하면, 본 발명에 의한 모션캡처 방법은, 측정모듈의 개수, 성능, 감도, 상대거리 측정을 위해 사용할 주변 측정모듈의 개수 등에 따라 차이가 있다고 하더라도 충분히 1000회 이상의 샘플링 빈도를 얻을 수 있으므로, 상술한 바와 같은 목적을 매우 만족스럽게 달성 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
종래의 모션캡처 방법을 이용한 시스템은 영화ㆍ게임 등에서의 CG 작업을 위해 사용되는 경우가 대부분이며, 극히 제한적으로 스포츠 학습용 시스템으로 사용되고 있다. 종래의 모션캡처 시스템이 이렇게 실생활에 사용되지 않는 이유는, 모션캡처 장비의 가격이 도저히 개인이 구입할 수 있는 가격이 아닐 만큼 고가이며, 또한 대부분 모션캡처가 가능한 특정한 장소를 마련해야 한다(종래의 모션캡처 시스템은 관측가능한 공간범위 및 환경이 결정되어 있었으므로, 적절한 환경 즉 외부 빛ㆍ소음 또는 전자파 등을 차폐한 환경을 만든 후 측정대상물에 장비를 부착하고 상기 관측 가능한 공간 내에서 움직여야만 모션캡처가 가능하다)는 문제점이 있으며, 또한 종래의 장치들은 몸에 부착하고 움직이기가 거추장스러운 경우가 많았기 때문이다.
본 발명의 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법을 이용한 시스템은, 대역 확산 기술을 기반으로 하고 있어 잡음, 장애물 등이 많은 불량한 환경에서도 만족스러운 성능으로 통신이 가능하며, CDMA의 기반 기술인 DSSS 방식을 사용하는 선행기술과 대비하여 본 발명은 UWB를 이용한 TOA 방식을 사용하기 때문에 훨씬 저렴한 비용으로 장비를 구성할 수 있으며, 또한 높은 해상도 및 샘플링 빈도로 움직임을 감지하기 때문에 빠른 동작이나 세밀한 동작도 정확하고 정밀하게 인식할 수 있다. 또한 본 발명은 무선으로 통신하는 측정모듈을 사용하기 때문에 측정모듈을 몸이나 의복에 부착한 후 움직이는 것이 매우 자유롭고 편안하다.
종래의 모션캡처 방법들이 비단 엔터테인먼트 산업에만 응용되었던 것과는 달리, 본 발명에 의한 모션캡처 방법은 상술한 바와 같은 장점들에 의해 실생활에의 응용 가능 분야가 매우 무궁하다. 예를 들어 골프나 스키 등과 같이 정확한 표준 자세가 요구되는 스포츠의 교습에 있어, 사용자가 본 발명에 의한 모션캡처 방법을 사용하는 측정모듈들이 부착된 의복을 입고 골프나 스키 등의 동작을 취하면, 연산처리장치에서 미리 입력된 프로 골퍼 또는 스키어의 동작과 비교하여 어느 부분이 잘못되었는지를 화면상에 출력하도록 할 수 있다. 특히 이와 같은 교습용 시스템을 구성함에 있어, 종래의 모션캡처 시스템들은 매우 고가였기 때문에 개인이 구비한다는 것은 거의 불가능하였으나, 본 발명은 저렴한 비용으로 시스템을 구성하는 것이 가능하기 때문에 본 발명에 의한 모션캡처 시스템을 일반 개인이 얼마든지 구입하여 사용할 수 있게 된다. 또 다른 예로, 사용자의 표준 움직임을 지속적으로 감지하고 누적 저장하다가, 사용자가 발목을 삐거나 근육통이 발생함으로써 사용자의 움직임 패턴이 평소와는 다르다는 것을 감지하면 어느 부위에 이상이 있는지를 자동으로 진단해 내는 자동 진단 시스템을 구축할 수도 있다. 물론, 종래의 모션캡처 시스템이 주로 사용되던 엔터테인먼트 사업 분야에도 얼마든지 응용가능하다는 것은 자명하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 음향식 모션캡처 시스템에서 다중 포인트의 동시측정 불가능으로 인하여 정밀한 동작을 측정할 수 없는 문제점이나, 기계식 시스템에서 측정장비를 사용자가 직접 입고 측정하기 때문에 매우 불편하다는 문제점, 또한 자기식 시스템에서 주변 전자기파에 의해 강한 잡음이 들어가 필터링 등의 후처리를 거쳐야만 하는 문제점, 그리고 광학식 시스템에서 장비의 가격이 매우 비싸고 주변 빛에 많은 영향을 받는다는 문제점 등을 일시에 해결하는 효과가 있다. 즉, 본 발명에 의한 모션캡처 방법은 무선주파수를 사용하기 때문에, 다중 포인트를 얼마든지 동시에 측정할 수 있으며 상기 다중 포인트의 개수에 제한받지 않고 종래와 비교하여 측정 가능한 공간 범위의 제약이 훨씬 줄어들게 되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 매우 불량한 환경에서도 사용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하는 대역 확산 통신 기술을 기반으로 하고 있으므로 잡음이나 장애물과 같은 불량한 환경에 강하여 잘못된 신호를 수신하게 될 염려가 극히 적기 때문에 정확한 동작을 캡처할 수 있는 효과가 있으며, 더불어 높은 해상도 및 샘플링 빈도를 사용할 수 있어 빠른 동작이나 세밀한 동작도 매우 정확하게 캡처할 수 있는 효과가 있다. 더불어, 본 발명에 의한 모션캡처 방법은 선행기술이 사용하는 DSSS 방식 뿐만 아니라 UWB를 이용한 TOA 기술을 사용함으로써 DSSS 방식보다 훨씬 저렴한 비용으로 모션캡처 시스템을 구축할 수 있게 해 주는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 저렴한 비용으로 정밀한 모션캡처가 가능한 시스템을 구축하는 것이 가능해짐에 따라, 종래에 엔터테인먼트 산업에서의 유용가치에만 지나치게 편중되어 있던 모션캡처를 일반인의 실생활에 적용하여 다양한 사용자 편의 시스템에 응용할 수 있는 효과도 있다.

Claims (12)

  1. 측정모듈(100), 수신장치(200) 및 연산처리장치(300)를 포함하여 구성되는 시스템에 의한 모션캡처 방법에 있어서,
    a) 상기 측정모듈(100)들이 서로 간의 거리를 측정하여 송신하는 단계;
    b) 상기 수신장치(200)가 상기 각각의 측정모듈(100)로부터 송신되는 거리 측정값들을 수신하는 단계;
    c) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)로부터 수신된 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값들을 사용하여 기준좌표계를 구성하는 단계;
    d) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)로부터 수신된 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값들 및 상기 구성된 기준좌표계를 사용하여 상대위치좌표를 산출하는 연산을 수행하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 c) 단계는
    c-1) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 원점을 나타내는 측정모듈0으로 지정하여, 상기 측정모듈0으로써 기준좌표계의 원점을 구성하는 단계;
    c-2) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈0을 제외한 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 항상 +x축 선상에 위치한다고 가정할 측정모듈1로 지정하고, 상기 측정모듈0-측정모듈1 간의 거리 측정값(d 10) 및 측정모듈 0의 상대위치좌표값(x 0)을 사용하여 상기 측정모듈0 및 측정모듈1로써 기준좌표계의 +x축을 구성하는 단계;
    c-3) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈0 및 측정모듈1을 제외한 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 항상 xy평면의 +y축 방향 평면상에 위치한다고 가정할 측정모듈2로 지정하고, 상기 측정모듈0-측정모듈2 및 측정모듈1-측정모듈2 간의 거리 측정값(d 20, d 21) 및 측정모듈1의 상대위치좌표값(x 1)을 더 사용하여 상기 측정모듈0, 측정모듈1 및 측정모듈2로써 기준좌표계의 xy평면을 구성하는 단계;
    c-4) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈0, 측정모듈1 및 측정모듈2를 제외한 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈(100)를 항상 xyz공간의 +z축 방향 공간상에 위치한다고 가정할 측정모듈3으로 지정하여, 상기 측정모듈0-측정모듈3, 측정모듈1-측정모듈3 및 측정모듈2-측정모듈3 간의 거리 측정값(d 30, d 31, d 32) 및 측정모듈2의 상대위치좌표값(x 2)을 더 사용하여 상기 측정모듈0, 측정모듈1, 측정모듈2 및 측정모듈3으로써 기준좌표계의 구성을 완료하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡 처 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 d) 단계는
    d-1) 상기 연산처리장치(300)가 임의의 측정모듈i에 대하여 상기 측정모듈0-측정모듈i, 측정모듈1-측정모듈i 및 측정모듈2-측정모듈i 간의 거리 측정값(d i 0, d i 1, d i 2)을 더 사용하여 상기 측정모듈i의 상대위치좌표를 산출하는 연산을 수행하여 적어도 하나 이상의 해를 구하는 단계;
    d-2) 상기 연산처리장치(300)가 상기 산출된 상기 측정모듈i의 상대위치좌표 해의 값으로 계산된 측정모듈i-측정모듈3 간의 거리 연산값(∥x i -x 3∥)을 상기 측정모듈i-측정모듈3 간의 거리 측정값(d i 3)과 비교하여 올바른 해를 선택하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    e) 상기 연산처리장치(300)가 상기 산출된 각 측정모듈(100)의 상대위치좌표의 오차를 최소화하는 연산을 수행하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 e) 단계는
    e-1) 상기 연산처리장치(300)가 상기 측정모듈(100)들 중 임의의 측정모듈i의 상대위치좌표의 오차를 계산하는데 사용할 주위 측정모듈j의 개수를 미리 입력받는 단계;
    e-2) 상기 연산처리장치(300)가 상기 수신장치(200)를 통해 모든 측정모듈i 각각에 대하여 상기 정해진 개수만큼의 주위 측정모듈j들과의 거리 측정값(d ij )들을 수신하는 단계;
    e-3) 상기 연산처리장치(300)가 상기 거리 측정값(d ij )들 및 각 측정모듈의 상대위치좌표값(x i , x j )을 사용하여 오차들을 계산하는 단계;
    e-4) 상기 연산처리장치(300)가 상기 오차계산을 축차적으로 수행하되 미리 입력된 기준값보다 상기 오차계산값이 작아지면 계산을 종료하고 상대위치좌표를 결정하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    f-1) 임의의 일 측정모듈(100)이 상기 일 측정모듈과 동기화되어 있지 않은 타 측정모듈에 미리 정해진 특정 신호를 전송하는 단계;
    f-2) 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈로부터 전송된 특정 신호에 대한 응답 신호를 발생시키는 단계;
    f-3) 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈이 상기 응답 신호를 전송하는 단계;
    f-4) 상기 일 측정모듈이 상기 타 측정모듈에 전송한 특정 신호가 도달하는데 걸리는 시간, 상기 타 측정모듈이 응답 신호를 발생시키는데 걸리는 시간 및 상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈에 전송한 응답 신호가 도달하는데 걸리는 시간을 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 일 측정모듈 및 타 측정모듈 간의 거리를 산출하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 TWR 방법을 이용하여 측정모듈들 간의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    g-1) 임의의 일 측정모듈(100)과 상기 일 측정모듈과 동기화되어 있지 않은 타 측정모듈이 인식코드 및 발생시각 정보가 포함된 미리 정해진 특정 신호를 서로에게 전송하는 단계;
    g-2) 상기 일 측정모듈이 상기 타 측정모듈로부터 전송된 상기 특정 신호의 수신 시각을 측정하고, 상기 특정 신호에 포함된 타 측정모듈에서의 발생 시각 정보와 상기 수신 시각 정보를 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 일 측정모듈로부터 상기 타 측정모듈까지의 일 의사거리를 산출하며,
    상기 타 측정모듈이 상기 일 측정모듈로부터 전송된 상기 특정 신호의 수신 시각을 측정하고, 상기 특정 신호에 포함된 일 측정모듈에서의 발생 시각 정보와 상기 수신 시각 정보를 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 타 측정모듈로부터 상기 일 측정모듈까지의 타 의사거리를 산출하는 단계;
    g-3) 상기 일 의사거리 및 타 의사거리를 사용하여 연산을 수행함으로써 상기 일 측정모듈 및 타 측정모듈 간의 거리를 산출하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 의사거리법을 이용하여 측정모듈들 간의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법.
  8. 제 1항의 모션캡처 방법을 채용하는 모션캡처 시스템에 있어서,
    개별인식이 가능하고 무선통신을 사용하여 서로간의 거리를 측정하며 상기 측정값을 송신하는 다수 개의 측정모듈(100);
    상기 측정모듈(100)들로부터 송신되는 측정값을 수신하는 수신장치(200); 및
    상기 수신장치(200)와 연결되어 상기 측정모듈(100)들 간의 거리 측정값을 바탕으로 상기 측정모듈(100)들의 상대위치좌표를 산출하는 연산처리장치(300);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡 처 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 측정모듈(100)은
    OWR, TWR 및 의사거리법을 포함하는 TOA 방식을 사용하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 측정모듈(100)은
    직렬로 연결되고 각각 수신된 신호를 지연시키는 동작을 수행하는 다수 개의 버퍼(10), 상기 버퍼(10)들을 통과하여 온 신호의 도착 여부를 확인하는 검출(20) 로직 및 상기 신호가 통과된 버퍼(10)의 위치를 인식하는 디코더(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 측정모듈(100)은
    TWR를 사용하여 거리를 측정하는 경우, 수신측 측정모듈(100)에서 재전송을 위해 응답 신호를 버퍼에 입력할 때 수신 시 최종 통과한 버퍼(10)의 다음 버퍼(10)에 응답 신호를 입력함으로써, 수신 시 신호가 통과한 버퍼(10)의 개수와 재전송 시 응답 신호가 통과하는 버퍼(10)의 개수 합이 항상 일정하게 하는 것을 특징 으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 측정모듈(100) 및 연산처리장치(300)는
    거리측정에 사용되는 측정모듈(100)의 수(N), 하나의 측정모듈(100)가 상대거리를 측정하고자 하는 상대 측정모듈(100)의 수(M), 측정을 위해 상호 주고받아야 할 데이터의 양(D) 및 전송비(transmit rate, R), 거리 측정 후 연산처리장치(300)로 전송하여야 할 측정거리 데이터(L), 측정가능한 최대거리 내에서 가장 멀리 떨어진 두 측정모듈(100) 사이의 거리를 측정하는데 걸리는 시간(T)을 포함하는 요소에 의해 결정되는 샘플링 빈도(1/P)로써 상대위치좌표를 측정하는 것을 특징으로 하는 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 시스템.
KR1020060079608A 2006-08-23 2006-08-23 상대위치좌표를 이용한 모션캡처 방법 및 시스템 KR100777600B1 (ko)

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