KR101156221B1 - 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치 - Google Patents

역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것으로, 펄린 노이즈를 입력받는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 랜덤 신호를 추출하여 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계 후 역 펄린 노이즈에 따른 랜덤 신호를 추출하여 출력하는 제 3 단계;를 포함하여 구성함으로서, 각기 다른 엔벨롭을 갖는 랜덤 시그널을 추출하기 위하여 오리지널 신호를 추출한 뒤 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하여 새로운 신호를 생성하는 역 펄린 노이즈를 수행하고 렌더링 처리를 수행하여 사용자가 재질감에 의한 햅틱 감각을 느낄 수 있도록 할 수 있게 되는 것이다.
역 펄린, 펄린, 노이즈, 재질감, 렌더링, 햅틱, 촉감, 촉각

Description

역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치{Method and apparatus for tactile rendering by inverse perlin noise}
본 발명은 햅틱 기술의 재질감 렌더링(tactile rendering)에 관한 것으로, 특히 햅틱 기술에 관한 것으로, 특히 각기 다른 엔벨롭(envelop)을 갖는 랜덤 시그널(random signal)을 추출하기 위하여 오리지널 신호(original signal)를 추출한 뒤 리 샘플링(re-sampling)과 리 인터폴레이션(re-interpolation)을 수행하여 새로운 신호를 생성하는 역 펄린 노이즈(inverse perlin noise)를 수행하고 렌더링 처리를 수행하여 사용자가 재질감에 의한 햅틱 감각을 느낄 수 있도록 하기에 적당하도록 한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱(Haptic)이란 그리스어로 'Haptesthai'에서 유래한 단어로 '촉각의'라는 뜻을 가진 단어이다. 촉각은 시각, 청각 이전에 인간이 태어나서 최초로 교감하는 언어로 물체를 만지거나 조작할 때 특성을 구분하는데 중요한 역할을 한다. 2006년 2월 미국의 경제 전문지 포브스(Forbes)는 "인류의 미래 삶의 모습을 변화시킬 10가지 기술"에 햅틱 기술을 선정하였다.
이러한 햅틱(Haptic) 기술은 현재 가상현실, 게임, 원격 조종 로봇, 수술 로봇, 휴대폰 산업 등에서 많이 응용되고 있다. 사용자가 실제의 물체를 만지는 것과 같은 촉각을 제공하기 위해서 햅틱 장치(Haptic Device)와 햅틱 렌더링(Haptic Rendering) 기법이 필요하다. 햅틱 장치는 사용자의 촉감을 자극할 수 있는 장치이고, 햅틱 렌더링은 사실감 있는 촉각 제시를 위하여 사람의 인지학적 생리학적 특성을 고려하여 촉감을 생성하는 기법을 말한다.
'햅틱' 느낌은 크게 물체의 굳기 등을 표현하는 근감각 힘인 역감과 물체표면의 거칠기 등을 표현하는 촉감(재질감)으로 구분된다.
현재까지 햅틱 연구는 근감각 힘을 표현할 수 있는 장치와 렌더링에 초점이 맞춰져 왔으며 최근 들어 재질감을 표현하는 장치에 대한 연구가 시작되고 있다.
그러나 재질감 제시장치 (Tactile Device)를 이용하여 물체의 거칠기를 햅틱적으로 모사하는 모델과 이를 기반으로 한 렌더링 방법에 대한 연구가 거의 진행되고 있지 않아 사용자에게 실제적인 재질감을 전달하는 것은 매우 어렵다.
그러므로 물체 표면 거칠기에 대한 모델을 개발하고, 이를 기반으로 하여 실제 미세면을 만질 때와 같은 효과를 생성하는 재질감 렌더링(Tactile Rendering) 기법이 제시된 필요성이 대두되었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 각기 다른 엔벨롭(envelop)을 갖는 랜덤 시그널(random signal)을 추출하기 위하여 오리지널 신호(original signal)를 추출한 뒤 리 샘플링(re-sampling)과 리 인터폴레이션(re-interpolation)을 수행하여 새로운 신호를 생성하는 역 펄린 노이즈(inverse perlin noise)를 수행하고 렌더링 처리를 수행하여 사용자가 재질감에 의한 햅틱 감각을 느낄 수 있도록 할 수 있는 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법의 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 펄린 노이즈를 입력받는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 랜덤 신호를 추출하여 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하는 제 2 단계(ST2 ~ ST8)와; 상기 제 2 단계 후 역 펄린 노이즈에 따른 랜덤 신호를 추출하여 출력하는 제 3 단계(ST9);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 단계는, 사용자(10)가 힘을 입력하면 햅틱 장치(20)에서 분석한 위치정보를 전달받아 오브젝트 정보로부터 펄린 노이즈를 입력받는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 단계는, 다음의 수학식을 수행하고,
Figure 112009081924388-pat00001
여기서 Pt는 오리지널 펄린 노이즈이고, x는 샘플링 포인트(sampling point)이며, Pi(1 <= i <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이고, n은 옥타브인 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계는, 역 펄린 노이즈에 따른 랜덤 신호를 추출하여 출력한 후 렌더링 처리가 수행되도록 하여 사용자(10)에게 재질감이 느껴지는 힘을 출력하도록 하는 것을 특징으로 한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 장치의 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 사용자(10)가 힘을 입력하면 위치정보를 분석하는 햅틱 장치(20)와; 상기 햅틱 장치(20)로부터 위치정보를 전달받고 가상공간 처리를 수행하고, 오브젝트 정보를 출력하는 가상공간 처리부(30)와; 상기 가상공간 처리부(30)에서 오브젝트 정보를 전달받아 역 펄린 노이즈를 수행하여 랜덤 신호를 추출해 출력하는 역 펄린 노이즈 처리부(40)와; 상기 역 펄린 노이즈 처리부(40)에서 출력한 랜덤 신호를 전달받아 렌더링 처리를 수행하여 상기 햅틱 장치(20)를 통해 사용자(10)에게 힘을 출력하여 사용자(10)가 재질감을 느끼도록 하는 렌더링 처리부(50);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 역 펄린 노이즈 처리부(40)는, 펄린 노이즈를 입력받고, 랜덤 신호를 추출하여 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하여 역 펄린 노이즈에 따른 랜덤 신호를 추출하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 역 펄린 노이즈 처리부(40)는, 다음의 수학식을 수행하고,
Figure 112009081924388-pat00002
여기서 Pt는 오리지널 펄린 노이즈이고, x는 샘플링 포인트(sampling point)이며, Pi(1 <= i <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이고, n은 옥타브인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치는 각기 다른 엔벨롭을 갖는 랜덤 시그널을 추출하기 위하여 오리지널 신호를 추출한 뒤 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하여 새로운 신호를 생성하는 역 펄린 노이즈를 수행하고 렌더링 처리를 수행하여 사용자가 재질감에 의한 햅틱 감각을 느낄 수 있는 효과가 있게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법 및 그 장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 각기 다른 엔벨롭을 갖는 랜덤 시그널을 추출하기 위하여 오리지널 신호를 추출한 뒤 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하여 새로운 신호를 생성하는 역 펄린 노이즈를 수행하고 렌더링 처리를 수행하여 사용자가 재질감에 의한 햅틱 감각을 느끼도록 한 것이다.
도 1은 일반적인 3차원 가상 오브젝트의 정보 파악 예를 보인 개념도이다.
그래서 일반적으로 사용자는 타켓 오브젝트의 전체적인 쉐입(shape)에 대한 정보는 시각을 사용하여 알아내지만, 사용자가 물체의 내부구조나 표면의 거칠기를 알기 위해서는 촉각정보가 필요하다. 특히 물체를 조정하거나 물체의 특성을 조사할 경우 촉각정보는 가장 중요한 정보가 된다.
촉각감각을 생성하기 위해서는 '햅틱스'가 필요하다. 햅틱스란 촉각정보를 생성하고 전달해주는 기술을 말한다.
도 2는 일반적인 햅틱 시스템의 개념도이다.
그래서 햅틱 시스템은 사용자에게 피드백 힘을 제공하기 위한 햅틱 디바이스 와 안정적인 상호작용을 위한 컨트롤러와 피드백 힘을 생성하기 위한 햅틱 렌더링 등으로 이루어져 있다. 이 햅틱 컴포넌트 중에 햅틱 렌더링은 사용자에게 가상의 오브젝트의 촉각 감각을 사실적으로 생성하고 힘을 컨트롤 하는 일련의 과정을 의미한다.
도 3은 일반적인 햅틱 개념을 보인 개념도이다.
실제 오브젝트의 표면은 마크로 쉐입(macro shape)이나 마이크로 쉐입(micro shape)으로 구성되어 있다. 사람은 마크로 쉐입은 근감각(kinesthetic sensation)을 통하여 느끼고 마이크로 쉐입은 피부감각(tactile sensation)을 사용하여 느낀다. 피부감각은 피부에 있는 수용기를 사용하여 감각을 느낄 수 있고, 근감각은 근육이나 인대, 관절 등을 사용하여 느낄 수 있다. 따라서 사실적인 피부감각과 근감각을 제공하기 위해서는 피부감각, 근감각 등을 고려하여 햅틱 감각을 생성해야 한다.
많은 햅틱 관련된 연구활동에서 놀랄만한 성과가 있었으나, 이는 거의 대부분 근감각을 위한 연구이다. 이 연구 결과를 사용하여 미세면 감각을 생성할 수 있으나 제한적인 감각이나 제한적인 상황에서의 감각 생성이 가능하다.
따라서 직접적으로 표면정보를 얻어내고, 이 정보를 통하여 마이크로, 마크로 표면에 대한 햅틱 감각을 생성할 수 있는 새로운 햅틱 렌더링 메소드가 필요하다.
그래픽스에서 시각적으로 마이크로 페잇셋(micro facets, 미세면)을 생성하기 위해 켄펄린(K. Perlin)은 프렉탈(fractal)의 합을 사용하여 펄린 노이 즈(perlin noise)를 발명했다. 프렉탈의 합(fractal summation)이란 전체적인 지오메트릭 쉐입(geometric shape)이 작은 크기로 계속해서 반복되면서 전체적인 쉐입을 생성하는 것을 말한다. 이는 곧 자기 반복성과 자기 유사성을 말한다.
도 4는 본 발명에서 이용하는 역 펄린 노이즈의 개념을 보인 도면이다.
펄린 노이즈는 고유한 주파수(frequency)와 엠플리튜드(amplitude)를 가진 랜덤(random) 신호들의 합으로 생성된다. 만약 우리가 펄린 노이즈에서부터 이 각각의 신호들을 추출할 수 있다면, 이 신호를 햅틱 디바이스의 입력신호로 사용할 수 있다. 본 발명에서는 텍타일 렌더링을 위한 시그널 생성을 위하여 펄린 노이즈의 반대 컨셉을 제안하고 이를 텍타일 렌더링에 사용한다.
본 발명에서는 이를 역 펄린 노이즈(inverse perlin noise)라 부를 것이다.
도 5는 본 발명에서 이용하는 펄린 노이즈를 설명하기 위한 파형도이다.
펄린 노이즈는 각기 다른 랜덤 신호들의 합으로 이루어진다.
도 5는 일차원(1D) 펄린 노이즈를 보인 것이다. 도 5에서 (f)는 펄린 노이즈이고, (a) ~ (e) 는 펄린 노이즈를 합성하기 위한 5개의 랜덤 신호이다.
a) ~ (e) 의 5개의 랜덤 신호는 각기 다른 주파수와 엠플리튜드를 갖는다.
인터폴레이션(interpolation)을 거치면 각 랜덤 신호는 동일한 주파수를 갖게 된다.
도 5의 (f)와 같은 펄린 노이즈를 생성하기 위해서는 3개의 도미넌트한 요소를 갖는데, 이는 퍼시스턴스(persistence), 래큐널리티(lacunarity), 옥타브(octave)이다. 퍼시스턴트(persistence)는 엠플리튜드의 변화량을 의미하며, 레 큐널리티(lacunarity)는 주파수의 변화량을 의미하고, 옥타브(octave)는 합성되는 신호의 개수를 의미한다.
도 5에서 각 랜덤신호들의 엠플리튜드와 주파수가 같다면, 합성된 신호는 프렉탈의 정의를 따르기 어렵기 때문에 각 신호들의 변화량을 다르게 생성해야 한다. 만약 각 요소들의 값이 증가하면 증가할수록 펄린 노이즈는 고주파성분을 갖는 신호가 생성된다.
도 6은 도 5의 펄린 노이즈의 특성 분석을 보인 파형도이다.
그래서 펄린 노이즈의 특성을 분석하기 위해 1D(일차원) 펄린 노이즈를 생성하였다.
생성한 펄린 노이즈는 퍼시스턴트를 0.5, 레큐널리티를 2, 옥타브를 4로 설정하였다. 각 신호들의 주파수가 다르면 각 신호를 합성하는데 문제가 발생 할 수 있으므로 주파수를 동일하게 설정하기 위해서 인터폴레이션을 통해 각 신호의 주파수를 동일하게 생성한다. 인터폴레이션 기법은 선형(linear), 코싸인(cosine), 큐빅(cubic) 인터폴레이션이 존재하는데, 이중 가장 부드러운 결과를 생성할 수 있는 큐빅 인터폴레이션을 사용하였다.
도 6에서 (a)는 인터폴레이션을 하기 전의 신호를 보인 것이고, 도 6의 (b)는 인터폴레이션 후의 신호를 보인 것이다. 도 6의(c)는 4개의 랜덤 신호를 합성한 신호, 즉 펄린 노이즈를 보인 것이다.
도 7은 도 5의 펄린 노이즈의 데이터 분석을 보인 도면이다.
도 7에서 Signal 1(붉은색)의 엠플리튜드는 160이고, 주파수는 0.125hz이다. Signal 1의 랜덤 신호를 생성하기 위해서는 랜덤 함수를 사용해아 하는데, 랜덤 함수를 생성하기 위해서는 시드값이 필요하다. 시드값에 따라서 랜덤 신호의 패턴이 결정되기 때문에 다른 패턴을 갖는 신호를 생성하기 위해서는 다른 시드값을 사용해야 한다. Signal 1은 1024를 시드값으로 사용하였다.
일반적으로 랜덤 신호에서 엠플리튜드는 랜덤 신호가 생성될 수 있는 최대값과 최소값을 의미한다. 따라서 첫 번째 신호(Signal 1)의 엠플리튜드와 두 번째 신호(Signal 2)의 엠플리튜드는 1/2 배 차이가 나고, 주파수는 2배 차이가 난다. 그 이유는 우리가 이미 퍼시스턴트와 주파수를 0.5와 2로 설정했기 때문이다.
도 8은 도 5의 펄린 노이즈의 특성 분석을 보인 도면이다.
펄린 노이즈의 특징을 분석하기 위해서, 펄린 노이즈의 평균, 최대, 최소, 표준편차를 계산하였다.
도 8의 (a) ~ (d)를 보면, 각 랜덤 신호들은 정규분포를 따고 있음을 알 수 있다.
또한 도 8 (f)의 표를 보면, N번째 신호는 n-1번째 신호에 비해 평균값이 두 배가 되는 것을 알 수 있다.
이러한 사실들은 역 펄린 노이즈를 생성할 때 중요한 요소로 작용된다. 이는 뒷 부분에서 다시 언급할 것이다.
한편 용어에 대한 오인을 최소화시키기 위하여, 본 발명에서는 펄린 노이즈를 오리지널 펄린 노이즈라 부르고, 오리지널 펄린 노이즈를 생성하기 위한 랜덤 신호들을 오리지널 랜덤 신호들이라고 부른다.
다음의 수학식 1은 펄린 노이즈를 생성하기 위한 수학식이다.
Figure 112009081924388-pat00003
수학식 1에서 x는 샘플링 포인트(sampling point)이고, Pt는 오리지널 펄린 노이즈이며, Pj(1 <= j <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이다. 또한 n은 옥타브이며, 본 발명에서는 4개의 신호를 합성하였으므로 값은 4가 된다.
일반적인 랜덤 변수 Rv와 Y가 있다고 가정하자. 이중 Rv가 정규분호 N(μ, σ2) 을 따르고, 랜덤 변수 Y = a Rv라 하면, Y는 normal distributed function N(aμ, a2σ2) 을 따른다.
펄린 노이즈에서 Signal 1의 엠플리튜드는 Signal 2의 엠플리튜드의 두 배였고, Signal 2는 Signal 3의 두 배였다. 이러한 성질을 이용하면 수학식 1은 다음의 수학식 2로 근사할 수 있으며, 이를 일반화하면 다음의 수학식 3으로 표현할 수 있다.
Figure 112009081924388-pat00004
Figure 112009081924388-pat00005
여기서 Pt는 오리지널 펄린 노이즈이고, x는 샘플링 포인트(sampling point)이며, Pi(1 <= i <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이고, n은 옥타브이다.
도 9는 본 발명에서 이용하는 역 펄린 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
펄린 노이즈는 Pt는 기존에 알고 있는 값이기 때문에 수학식 3을 사용하면 각각의 신호들(Pi)을 쉽게 추출할 수 있다. 그러나 펄린 노이즈를 사용하여 각 신호를 추출했을 때는 도 9의 (a)와 같은 결과로 신호가 생성된다. 이는 원래의 펄린 노이즈 신호와 매우 상이하며, 각기 다른 랜덤 신호들의 합으로 정의되는 펄린 노이즈의 정의와 다르기 때문에 이를 해결해야 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법의 흐름도이다.
그래서 앞에서 언급한 문제를 해결하기 위해 시드값을 사용하지 않고, 각기 다른 엔벨롭을 갖는 랜덤 신호를 생성하기 위하여 새로운 역 펄린 노이즈의 프로세스를 제안한다. 도 10의 흐름도는 본 발명에서 제안하는 역 펄린 노이즈의 프로세스이다.
각기 다른 엔벨롭을 갖는 랜덤 신호들을 추출하기 위하여 본 발명에서는 리 샘플링(re-sampling) 과 리 인터폴레이션(re-interpolation) 기법을 사용하였다. 이는 펄린 노이즈에서 각 신호들의 주파수가 다르게 랜덤값들이 생성되고, 이를 인터폴레이션 하여 주파수를 맞추는 데 기인한다. 이 기법을 수식을 통한 오리지널 랜덤 신호를 추출한 뒤 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 통해 새로운 신호를 생성한다.
도 11은 본 발명에 의해 역 펄린 노이즈를 수행한 결과를 보인 파형도이다.
역 펄린 노이즈 방법을 통해 생성된 신호들의 특성을 분석하고, 기존의 펄린 노이즈와의 차이를 알아보기 위하여 추출된 랜덤 신호들을 합성하여 새로운 펄린 노이즈를 생성하였다. 이 새로 합성된 펄린 노이즈를 재구성된 노이즈 함수(reconstructed noise function)하고 명명한다.
도 11에서 (a)는 추출된 랜덤 신호들을 보이며, (b)는 왼쪽 그림은 재구성된 노이즈 함수이고, (c)는 재구성된 노이즈 신호와 오리지널 펄린 노이즈 신호를 보인 것이다.
도 12는 도 11의 역 펄린 노이즈의 데이터 분석을 보인 도면이다.
재구성된 펄린 노이즈와 오리지널 펄린 노이즈의 엔벨롭은 거의 동일한 포락선(엔벨롭)을 갖는다. 따라서 도 11의 (a) ~ (d)에서와 같이 재구성된 펄린 노이즈는 정규분포를 따른다.
또한 도 12 (g)의 표에서 볼 수 있듯이 평균값은 오리지널 펄린 노이즈와 거의 동일하게 나타나며, 더욱이 오리지널 펄린 노이즈처럼 n번째 신호의 엠플리튜드는 n-1번째 신호의 엠플리튜드의 약 두 배가 된다.
도 13은 역 펄린 노이즈의 비교에서, 재구성된 펄린 노이즈와 오리지널 펄린 노이즈를 비교한 도면이다.
본 발명에서는 오리지널 펄린 노이즈와 재구성된 펄린 노이즈의 차이를 알아보기 위하여 비교를 실시하였다. 그러나 최대, 최소, 분산값에서 두 노이즈 신호들에서 차이점이 발생하였는데, 그 이유는 오리지널 펄린 노이즈의 생성시 네 개의 랜덤 신호를 합성하는 과정이 로패스 필터(low pass filter)로 작용하기 때문이다. 따라서 이러한 이유로 인하여 두 신호 사이에 차이점(에러)이 발생하는 데, 이 차이점이 사람에게 어떠한 영향을 미치는 지 조사하였다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 장치의 개념도이다. 이러한 도 14는 새로운 햅틱 렌더링의 프레임 워크(frame work) 컨셉(concept)을 보인 것이다.
그래서 사용자(10)가 햅틱 장치(20)를 손에 쥔 상태로 움직이면, 햅틱 장치(20)의 위지정보가 가상공간 처리부(30)로 전달된다. 햅틱 장치(20)의 포인트와 그래픽 오브젝트 사이에 충돌이 된 후 역 펄린 노이즈 처리부(40)에서 각 랜덤 신호들을 추출한다. 이 정보를 사용하여 렌더링 처리부(50)에서 힘(force)을 생성하고, 이 힘을 햅틱 장치(20)로 전달하게 된다. 이에 따라 사용자(10)는 오브젝트의 미세면에 대한 햅틱 감각(재질감)을 느낄 수 있게 된다.
본 발명에서는 계산된 에러(오리지널 펄린 노이즈와 익스트렉트(extract) 펄린 노이즈 사이의 에러)가 사람의 수용기에서 어떠한 영향을 미치는 지 조사하였다. 즉, 에러가 발생해도 이 에러로 인해 생성되는 원하지 않는 힘을 사람이 느끼지 못하면 둘 사이에 에러는 무시할 수 있기 때문에 위와 같은 실험을 실시하였다.
홍 탄(H. Z. Tan), 힐레만(E. D. Hirleman)은 다른 미세면을 갖는 오브젝트를 사람이 문지를 때 이 물체들을 구분하기 위해서 얼마만큼의 차이가 있어야 하는지에 대한 연구를 실시하였다.
본 발명에서는 이 표면 구분 스레솔스(texture discrimination threshold)를 TDT(texture discrimination threshold)라고 부를 것이다.
결과적으로 실제 오브젝트(real object)의 경우 TDT는 3.90μm 이고, 가상 오브젝트(virtual objects) 인 경우 TDT 는 5.09μm. 이다.
도 15는 본 발명에 의해 수행된 결과를 평가한 도면이다. 이러한 도 15는 매 샘플링 포인트에서 생성되는 에러들을 보인 것이다.
도 15의 (a)에서 X축은 샘플링 포인트를 의미하고, y축은 에러의 엠플리튜드를 의미한다.
본 발명에서는 이 에러들을 50마이크로미터로 다시 연산하여 에러의 크기를 조사하였다.
또한 두 개의 오리지널 펄린 노이즈와 재구성된 펄린 노이즈를 생성하여 이중 TDT를 넘는 에러의 개수(사람이 에러를 느낄 수 있는 갯수)를 카운팅 해보았더니, 각각 4개 10개 6개의 에러가 TDT를 넘어서는 것을 확인할 수 있었다.
이 결과에 따르면, 최악의 경우에서라도 정확도는 1024개의 데이터 중에 1014개의 데이터는 사람이 에러를 느끼지 못하는 즉, 정확도가 99.02% 인 것을 알 수 있다.
그러므로 본 발명에서 제안한 기술은 재질감 렌더링(tactile rendering)에 적용시켜 사용할 수 있는 가능성이 충분함을 알 수 있다.
이처럼 본 발명은 각기 다른 엔벨롭을 갖는 랜덤 시그널을 추출하기 위하여 오리지널 신호를 추출한 뒤 리 샘플링과 리 인터폴레이션을 수행하여 새로운 신호를 생성하는 역 펄린 노이즈를 수행하고 렌더링 처리를 수행하여 사용자가 재질감에 의한 햅틱 감각을 느낄 수 있게 되는 것이다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 3차원 가상 오브젝트의 정보 파악 예를 보인 개념도이다.
도 2는 일반적인 햅틱 시스템의 개념도이다.
도 3은 일반적인 햅틱 개념을 보인 개념도이다.
도 4는 본 발명에서 이용하는 역 펄린 노이즈의 개념을 보인 도면이다.
도 5는 본 발명에서 이용하는 펄린 노이즈를 설명하기 위한 파형도이다.
도 6은 도 5의 펄린 노이즈의 특성 분석을 보인 파형도이다.
도 7은 도 5의 펄린 노이즈의 데이터 분석을 보인 도면이다.
도 8은 도 5의 펄린 노이즈의 특성 분석을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명에서 이용하는 역 펄린 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법의 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 의해 역 펄린 노이즈를 수행한 결과를 보인 파형도이다.
도 12는 도 11의 역 펄린 노이즈의 데이터 분석을 보인 도면이다.
도 13은 역 펄린 노이즈의 비교에서, 재구성된 펄린 노이즈와 오리지널 펄린 노이즈를 비교한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 장치의 개념도이다.
도 15는 본 발명에 의해 수행된 결과를 평가한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 사용자
20 : 햅틱 장치
30 : 가상공간 처리부
40 : 역 펄린 노이즈 처리부
50 : 렌더링 처리부

Claims (7)

  1. 사용자가 힘을 입력하면 위치정보를 분석하는 제 1 단계와;
    상기 위치정보에 기반하여 가상공간 처리를 수행하고, 오브젝트 정보를 출력하는 제 2 단계와;
    상기 오브젝트 정보로부터 오리지널 펄린 노이즈를 추출하는 제3 단계와;
    상기 오리지널 펄린 노이즈에 대해 합성되는 신호의 개수를 나타내는 옥타브(octive), 주파수 변화량을 나타내는 레큐널리티(lacunarity) 및 주파수를 설정하는 제 4 단계와,
    상기 옥타브, 상기 레큐널리티 및 상기 주파수에 기초하여 상기 오리지널 펄린 노이즈에 대해 샘플링을 수행하여 각기 다른 주파수를 갖는 랜덤 신호들을 생성하는 제 5 단계와;
    상기 랜덤 신호들이 동일한 주파수를 갖도록 상기 랜덤 신호들을 인터폴레이션하는 제 6 단계와;
    상기 랜덤 신호들에 기초하여 재구성된 펄린 노이즈를 생성하는 제 7 단계와;
    상기 재구성된 펄린 노이즈에 기초하여 렌더링 처리를 수행하여 사용자에게 재질감이 느껴지는 힘을 출력하도록 하는 제 8 단계;
    를 포함하며,
    상기 오리지널 펄린 노이즈는 다음 [수학식 1]에 의해 표현되며,
    [수학식 1]
    Figure 112012032222019-pat00023
    상기 Pt(x)는 오리지널 펄린 노이즈이며, Pj(1 <= j <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이며,
    상기 오리지널 펄린 노이즈는 상기 각각의 오리지널 랜덤 신호의 엠플리튜드가 그 이전 오리지널 랜덤 신호의 엠플리튜드의 2배이므로, 수학식 1은 다음의 수학식 2로 근사될 수 있으며,
    [수학식 2]
    Figure 112012032222019-pat00024
    상기 제 2 단계는,
    다음의 수학식 3을 수행하는데,
    [수학식 3]
    Figure 112012032222019-pat00025
    여기서 Pt는 오리지널 펄린 노이즈이고, x는 샘플링 포인트이며, Pi(1 <= i <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이고, n은 옥타브인 것을 특징으로 하는 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 사용자가 힘을 입력하면 위치정보를 분석하는 햅틱 장치와;
    상기 햅틱 장치로부터 위치정보를 전달받고 상기 위치정보에 기반하여 가상공간 처리를 수행하고, 오브젝트 정보를 출력하는 가상공간 처리부와;
    상기 가상공간 처리부에서 오브젝트 정보로부터 펄린 노이즈를 추출하고, 상기 오리지널 펄린 노이즈에 대해 합성되는 신호의 개수를 나타내는 옥타브(octive), 주파수 변화량을 나타내는 레큐널리티(lacunarity) 및 주파수를 설정하고, 상기 옥타브, 상기 레큐널리티 및 상기 주파수에 기초하여 상기 펄린 노이즈에 대해 샘플링을 수행하여 각기 다른 주파수를 갖는 랜덤 신호들을 생성하고, 상기 랜덤 신호들이 동일한 주파수를 갖도록 상기 랜덤 신호들을 인터폴레이션하며 상기 랜덤 신호들에 기초하여 재구성된 펄린 노이즈를 생성하는 역 펄린 노이즈 처리부와;
    상기 역 펄린 노이즈 처리부에서 출력한 상기 재구성된 펄린 노이즈를 전달받아 렌더링 처리를 수행하여 상기 햅틱 장치를 통해 사용자에게 힘을 출력하여 사용자가 재질감을 느끼도록 하는 렌더링 처리부;
    를 포함하며,
    상기 오리지널 펄린 노이즈는 다음 [수학식 1]에 의해 표현되며,
    Figure 112012032222019-pat00026
    상기 Pt(x)는 오리지널 펄린 노이즈이며, Pj(1 <= j <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이며,
    상기 오리지널 펄린 노이즈는 상기 각각의 오리지널 랜덤 신호의 엠플리튜드가 그 이전 오리지널 랜덤 신호의 엠플리튜드의 2배이므로, 수학식 1은 다음의 수학식 2로 근사될 수 있으며,
    [수학식 2]
    Figure 112012032222019-pat00027
    상기 역 펄린 노이즈 처리부는,
    다음의 수학식 [수학식 3]을 수행하는데,
    Figure 112012032222019-pat00028
    여기서 Pt는 오리지널 펄린 노이즈이고, x는 샘플링 포인트이며, Pi(1 <= i <= n)은 각각의 오리지널 랜덤 신호이고, n은 옥타브인 것을 특징으로 하는 청구항 1의 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 방법을 수행하는 역 펄린 노이즈를 이용한 재질감 렌더링 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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