KR101253542B1 - 가상용접 훈련의 가시화 방법 - Google Patents

Abstract

금속 조형물 및 기계 구조물(예.선박)의 용접 작업 훈련을 위해 가상 현실 및 컴퓨터 그래픽 기술을 응용하여 용접 작업의 시각적 정보를 실제 용접 상황과 일치하도록 블록, 비드, 아크, 스패터, 연기 등을 고품질로 표현하는 가상용접 훈련의 가시화 방법을 제시한다. 제시된 방법에 의하면, 실제 훈련 환경과 동일하게 표현된 가상 용접 환경에서 훈련을 반복적으로 수행함으로써 안전한 훈련 환경 제공, 훈련 기간 단축, 현장의 생산성 향상에 기여할 수 있다.

Description

가상용접 훈련의 가시화 방법{Method of visual representation of a virtual welding training}

본 발명은 가상용접 훈련의 가시화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가상현실을 이용한 용접 작업 훈련을 위해 용접 요소들의 표현을 가시화하는 방법에 관한 것이다.

용접은 산업계 혹은 예술계에서 기계 조립 및 접합을 위한 공정에서 필요로 하는 필수적인 작업 과정이다.

자동차 산업에서는 예외적으로 로봇 및 자동화 기기를 이용해서 용접을 수행하지만, 조선, 중공업, 건설 등 산업 전반에 걸쳐 대부분의 작업 현장에서는 사람에 의해 수동적인 작업으로 수행한다.

용접 작업을 수행하는 용접 기술자는 산업 현장 훈련원과 직업 교육 학교에서 양성된다. 그러나, 용접 훈련 과정은 실습 초보자에게는 위험할 뿐 아니라 장시간 교육하기에 어려운 문제가 있다. 그러므로, 안전한 실습 환경 제공, 다양한 실습 환경 제공, 장시간 및 다수 교육 참여 지원 등이 가능한 시스템 구축 및 도입으로 숙련된 우수 인력 조기 확보와 훈련비용을 절감할 필요가 있다.

종래 가상 용접 훈련의 시각적 표현 기법에 관련하여 제시된 내용이 특허출원번호 10-2007-0074005(대한민국, 명칭: 용접 시뮬레이션 시스템)에 개시되어 있다. 특허출원번호 10-2007-0074005의 용접 시뮬레이션 시스템은 가상으로 용접 훈련을 수행하기 위해 모의 용접봉, 모의 시편대, 영상 출력을 위한 시뮬레이션 결과 표시 방법로 구성된다. 특허출원번호 10-2007-0074005의 용접 시뮬레이션 시스템은 모의 용접봉에 다수의 적외선 발광 소자를 설치하고 수광소자를 모의 시편대에 설치하여 위치 검출에 의한 용접 패턴을 결정하는 방식의 사용자 상호작용 방법을 제시하였다. 그러나, 특허출원번호 10-2007-0074005의 용접 시뮬레이션 시스템은 실제 용접 환경과 일치하는 비드 표현, 스패터(spatter) 및 연기 표현 등의 가시화 방법은 제시하지 못하였다.

또한, 특허출원번호 10-2007-0089853(대한민국, 명칭: 가상 페인팅 훈련 시스템 및 방법)는 가상현실 기술을 기반한 페인트 훈련 시뮬레이션 구축 방법을 제시하였다. 특허출원번호 10-2007-0089853은 가상 화면을 표시하는 디스플레이 방법, 페인팅 훈련 교육자가 가상 화면에 반응하는 동작부, 교육자의 반응을 처리하는 데이터 처리부를 포함한다. 특허출원번호 10-2007-0089853은 사용자가 현장 상황과 동일한 체험을 얻을 수 있도록 입출력 방법 및 스프레이 페인팅 시뮬레이션의 실시간 재현 및 가시화 방법을 제시하였다. 그리고, 특허출원번호 10-2007-0089853은 전반적인 가상현실 기반 훈련 시스템의 구현 방법, 사용자 상호작용 기법, 경험 기반 데이터 획득 방법을 제시하였다. 그러나, 특허출원번호 10-2007-0089853은 용접 훈련을 위해 필요한 가시화 방법(예컨대, 비드 표현 등)은 제시하지 못하였다.

상기한 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 가상 용접 훈련의 시각적 표현에서는 주로 사용자 상호작용, 데이터 획득 및 적용 방법에 대해 논하였을 뿐, 용접 훈련에 필요한 사실적인 가상 환경 가시화 기술은 제공하지 못하였다. 예를 들면, 비드 표현의 경우 단순하게 구 형태의 3D 모델을 사용자 상호작용에 따른 용접봉의 이동에 의해 반복적으로 생성하여 보여주는 등 실제와는 너무 다르게 보이는 가시화 방법을 이용하였다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 가상 용접 시뮬레이터 시스템에서 핵심적인 부분인 용접 시뮬레이션 환경(모재, 비드, 아크, 스패터, 연기 등)의 시각적 정보를 가시화시켜 줄 수 있도록 한 가상용접 훈련의 가시화 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 가상용접 훈련의 가시화 방법은, 가상용접 환경 가시화부가, 실제의 용접 작업환경에 상응하는 가상의 용접 작업환경 및 가상의 용접 대상체를 표시하는 가상용접 환경 가시화 단계; 가상용접 특수효과 가시화부가, 가상의 용접 대상체에 대한 가상용접 훈련에 따른 가상의 연기와 가상의 아크 및 가상의 스패터중 하나 이상을 표시하는 가상용접 특수효과 가시화 단계; 및 비드표현 가시화부가, 가상의 용접 대상체에 대한 가상용접 훈련에 따른 가상의 비드를 표시하는 비드표현 가시화 단계 를 포함한다.

가상용접 환경 가시화 단계는, 가상의 용접 대상체에 상응하는 모재를 표현하는 모재 표현 단계, 및 실제의 용접 작업환경에 상응하는 가상의 용접 작업환경을 표현하는 실 용접 환경 표현 단계를 포함한다.

모재 표현 단계는, 입력되는 설계 데이터를 이용한 가상현실 전용 데이터 및 텍스쳐 이미지에 근거하여 모재의 모델 외형을 생성하고, 입력되는 재질 데이터에 근거하여 모재의 모델 외형을 표현한다.

가상용접 특수효과 가시화 단계는, 가상의 연기를 표시하는 연기 표현 단계와 가상의 아크를 표시하는 아크 표현 단계 및 가상의 스패터를 표시하는 스패터 표현 단계중 하나 이상을 포함한다.

연기 표현 단계는 용접봉과 용접 대상체와의 거리, 및 가상의 연기의 생성 및 소멸시간에 대한 정보에 근거하여 가상의 연기를 표시한다.

아크 표현 단계는 용접봉에 대한 입력 온도의 변화와 선택된 와이어 금속의 종류에 근거하여 불의 색상 변화에 상응하는 텍스쳐 이미지를 기초로 가상의 아크를 표시한다.

아크 표현 단계는 경험 기반 용융풀 데이터를 이용하여 용융풀을 추가로 표시한다.

스패터 표현 단계는 용접봉과 용접 대상체와의 거리와 전압 설정값에 따른 파티클 수, 및 가상의 스패터의 크기 및 시작,끝 지점, 생성 및 소멸 시간에 대한 정보에 근거하여 가상의 스패터를 표시한다.

가상용접 특수효과 가시화 단계는, 보호헬멧 착용 표현에 따른 조명의 차감을 표현하고 용접봉의 그림자를 표현하는 기타 특수효과 표현 단계를 추가로 포함한다.

비드표현 가시화 단계는, 입력 파라미터를 근거로 가상의 비드를 표현하기 위한 데이터를 구축하는 용접비드 데이터 구축 단계, 및 용접비드 데이터 구축 단계에 의해 구축된 데이터에 기반하여 가상의 비드를 표시하는 비드 표현 단계를 포함한다.

이러한 구성의 본 발명에 따르면, 용접 대상체인 금속 모재의 실사와 같은 고품질 표현, 실시간으로 생성되는 가상 비드의 사실적인 표현, 실제 용접 과정에서 발생하는 아크, 스패터, 연기 등의 특수효과 표현 등 사실적인 가시화를 기반한 가상환경을 제시해 줌으로써, 가상 용접 훈련의 성과를 극대화시킨다.

또한, 본 발명의 가상 용접 훈련 환경은 금속 조형물 제작 및 기계 구조물 접합을 위한 훈련 시스템을 구축함으로써, 실 재료를 사용하지 않아 재료의 낭비를 줄일 수 있고 초보자에게도 안전한 실습이 가능하다. 그리고, 아크열 발생에 따른 장시간 훈련의 어려움을 극복할 수 있고 다양한 실습 환경을 바꾸어 가며 반복적인 훈련이 가능하여 환경 친화적인 실습 환경을 제공해 준다. 이로 인해, 숙련된 우수 인력을 조기에 확보하는 효과가 있다.

이하의 본 발명의 실시예는 특히 금속 조형물 제작 및 선박 건조, 중공업 플 랜트, 건축 등의 기계 구조물 접합에 대한 용접 상황을 컴퓨터 그래픽 기술에 기반하여 직관적이고 사실적인 훈련 환경을 가상환경상에서 제시해 주고자 한다. 즉, 이하의 본 발명의 실시예 설명에서는 훈련자가 실제와 같은 용접 훈련을 반복적으로 수행하는데 적합한 가상 용접의 모재, 비드, 아크, 스패터, 연기 등의 사실적인 가시화 표현 기법에 대해 기술한다.

본 발명의 명세서에서, 모재는 블록 형태의 용접 대상체를 의미한다. 비드는 용접을 통해 접합을 수행하는 과정에서 발생하는 응고된 용착 금속을 의미한다. 아크는 용접봉에서 온도에 따라 변하는 원호 형태의 불을 의미한다. 스패터는 용접 과정에서 녹은 금속이 튀어서 알갱이 모양으로 굳어지는 불꽃을 의미한다. 연기는 용접 작업의 초보자가 거리 조정을 잘못하였을 경우 발생하는 흐릿한 기체를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가상용접 훈련의 가시화 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명이 채용된 가상용접 훈련의 가시화 장치의 구성도이다. 가상 용접 훈련의 가시화 장치(100)는 용접을 훈련하는 훈련자에게 가상현실 기술을 이용한 하드웨어와 소프트웨어를 구축하여 실제와 같은 훈련 효과를 제시한다.

가상용접 훈련의 가시화 장치(100)는 가상용접 환경 가시화부(10), 가상용접 특수효과 가시화부(20), 및 비드표현 가시화부(30)를 포함한다.

가상용접 환경 가시화부(10)는 실제의 용접 작업환경에 상응하는 가상의 용접 작업환경 및 가상의 용접 대상체를 표시한다. 즉, 가상용접 환경 가시화부(10)는 모재 표현 및 실 용접 환경 표현을 수행한다. 보다 상세하게는, 가상용접 환경 가시화부(10)는 가상의 용접 대상체에 상응하는 모재를 표현하는 모재 표현부(12), 및 실제의 용접 작업환경에 상응하는 가상의 용접 작업환경을 표현하는 실 용접 환경 표현부(14)를 포함한다.

가상용접 특수효과 가시화부(20)는 가상 용접봉의 끝에서 나오는 아크, 용접 과정에서 발생하는 스패터, 용접 과정에서 사용자의 오류에 따라 발생하는 연기를 표현한다. 그에 따라, 가상용접 특수효과 가시화부(20)는 연기 표현부(22), 아크 표현부(24), 스패터 표현부(26)를 포함한다. 가상용접 특수효과 가시화부(20)는 보호헬멧 착용 표현에 따른 조명의 차감을 표현하고 용접봉의 그림자를 표현하는 기타 특수효과 표현부(28)를 추가로 포함한다.

비드표현 가시화부(30)는 용접 과정의 핵심 표현으로 접합 수행 과정에서 발생하는 응고된 용착 금속인 비드를 표현한다. 즉, 비드표현 가시화부(30)는 가상의 용접 대상체에 대한 가상용접 훈련에 따라 발생하는 비드를 표시하기 위해, 용접비드 데이터 구축부(32), 및 비드 표현부(34)를 포함한다.

도 2는 도 1에 도시된 가상용접 환경 가시화부(10)의 내부 구성 및 동작수순을 설명하기 위한 도면이다.

가상용접 환경 가시화부(10)의 모재 표현부(12)는 조선 혹은 금속 조형에서 사용하는 복수의 설계 CAD 데이터(211)중에서 선택된 어느 한 설계 CAD 데이터를 입력으로 하여 가상현실 전용 데이터로 변환한다. 모재 표현부(12)는 가상현실 전용 데이터와 선택된 텍스쳐 이미지(213)를 이용하여 모재 3D 모델(212)의 외형을 표현한다. 여기서, 텍스쳐 이미지(213)는 용접을 훈련하는 훈련자에 의해 선택되는 것으로 할 수도 있고, 변환된 가상현실 전용 데이터에 근거하여 자동으로 선택되는 것으로 하여도 무방하다. 모재 표현부(12)는 양방향 반사분포함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function; BRDF) 기반의 재질 데이터(214) 획득으로 용접 모재가 되는 실제 블록 표면의 빛에 대한 반사율을 측정한다. 여기서, 양방향 반사분포함수 기반의 재질 데이터는 용접을 훈련하는 훈련자에 의해 선택적으로 입력되는 것으로 한다. 모재 표현부(12)는 측정된 측정 데이터를 분해법(215)과 환경맵(216)을 이용하여 쉐이더(shader) 코드 기반의 디지털 재질 표현(217)을 수행한다. 여기서, 분해법(215)은 대용량의 4차원 BRDF 데이터를 최대한 손실이 없도록 데이터 용량을 간소화하여 2개의 2차원 데이터로 변환하는 방법이다. 분해법(215)은 쉐이더 코드에 반영되는 모재의 빛에 대한 반사 정보를 실시간으로 처리하기 위한 중간 과정이다. 환경맵(216)은 실 용접 환경 표현부(14)에서 생성되는 용접 환경을 정육면체에 이미지로 매핑하여 모재에 환경이 비치는 효과를 쉐이더 코드에 반영하여 제시할 수 있다. 이어, 모재 표현부(12)는 고품질 가시화(218)를 통해 모재 3D 모델에 대한 고품질 모재 가시화(219)를 수행한다. 모재 표현부(12)는 복수의 설계 CAD 데이터(211)와 복수의 텍스쳐 이미지(213) 및 복수의 재질 데이터(214)를 내장한 것으로 보면 된다.

가상용접 환경 가시화부(10)의 실 용접 환경 표현부(14)는 실제 용접에서 사용하는 용접 부품 및 실습 환경을 가상의 환경에서도 동일하게 제시하여 훈련 효과를 높인다. 이를 위해, 실 용접 환경 표현부(14)는 가상의 용접 작업환경(예컨대, 용접봉(221), 용접기(222), 가스통(223), 작업대 및 지그 등의 용접부스(224))의 3차원 데이터를 가시화한다.

도 3은 도 1에 도시된 가상용접 특수효과 가시화부(20)의 내부 구성 및 동작수순을 설명하기 위한 도면이다.

가상용접 특수효과 가시화부(20)의 연기 표현부(22)는 용접 작업의 초보자가 거리 조정을 잘못하였을 경우 주로 발생하는 흐릿한 기체를 표현한다. 연기 표현부(22)는 용접 훈련을 하는 훈련자에 대한 위치추적에 의해 가상의 용접봉과 모재와의 거리(311)를 산출한다. 연기 표현부(22)는 산출된 가상의 용접봉과 모재와의 거리(311)에 근거하여 연기 발생량을 산출한다. 여기서, 연기 발생량은 가상의 용접봉과 모재와의 거리에 따라 조정(312)된다. 그리고, 연기 표현부(22)는 산출된 연기 발생량 및 가상의 연기에 대한 생성 및 소멸 시간에 대한 입력 정보에 근거하여 실시간 텍스쳐 애니메이션(314)을 통해 연기 가시화(315)를 표현한다. 여기서, 가상의 연기에 대한 생성 및 소멸 시간은 훈련자에 의해 얼마든지 조정(313)이 가능하다. 상황에 따라서는 가상의 용접봉과 모재와의 거리에 따라 연기 발생량 산출 및 가상의 연기에 대한 생성 및 소멸 시간이 자동으로 제공되도록 하여도 무방하다. 실시간 텍스쳐 애니메이션(314)은 3D 모델을 이용하지 않고 몇 장의 이미지를 기반으로 하고, 사용자의 시선에 따라 보이는 방향을 조정하는 애니메이션 이미지를 재생한다. 즉, 실시간 텍스쳐 애니메이션(314)는 사용자의 시선 정면에서 각도를 조금씩 조정하여 여러 개를 겹칠 경우 3D 모델과 같은 효과를 얻을 수 있다.

가상용접 특수효과 가시화부(20)의 아크 표현부(24)는 가상의 용접봉에 대한 입력 온도 변화(322)와 와이어 금속 종류(321)에 따라 변하는 불의 색상 변화를 가상 환경에서 표현한다. 아크 표현부(24)는 실 용접 작업 이미지(323) 또는 동영상을 이용하여 텍스쳐 DB(324)를 획득하고, 해당 텍스쳐 이미지를 연기 표현과 동일하게 실시간 텍스쳐 애니메이션(325)를 이용해서 처리하여 아크 표현(326)을 수행한다. 여기서, 입력 온도 변화(322)는 용접 훈련을 하는 훈련자가 설정하는 전류 설정치에 따라 입열량이 달라지므로 전류 값의 설정과 연관이 있다. 와이어 금속 종류(321)는 용접의 종류에 따라 자동으로 결정되거나 용접 훈련을 하는 훈련자에 의해 선택된다. 또한, 아크 표현부(24)는 용접을 수행할 때 아크열에 의해 발생되는 철이 녹는 현상인 용융 풀(pool)을 표현하기 위해, 경험 기반 용융 pool데이터(327)를 동영상을 통해 경험적으로 판단하여 용융 풀 가시화(328)를 수행한다. 용융 풀(pool)은 용접 훈련자가 용접 수행시 정확도를 평가하는 중요한 요소이지만 측정방법이 없기 때문에 동영상을 이용해서 근사치를 추정한다.

가상용접 특수효과 가시화부(20)의 스패터 표현부(26)는 용접 과정에서 발생하는 녹은 금속이 튀어서 알갱이 모양으로 굳어지는 불꽃 현상을 표현한다. 이를 위해, 스패터 표현부(26)는 가상의 용접봉과 모재와의 거리(331), 전압 설정 값(332)에 따라 파티클 수(333)를 우선적으로 결정한다. 이후, 스패터 표현부(26)는 가상의 스패터의 크기 및 시작/끝 지점, 생성 및 소멸 시간에 대한 입력 정보에 근거하여 가상의 스패터에 대한 가시화(335)를 수행한다. 가상의 용접봉과 모재와의 거리(331)는 용접 훈련을 하는 훈련자에 대한 위치추적에 의해 산출가능하다. 전압 설정값(332)은 용접 훈련을 하는 훈련자에 의해 설정된다. 가상의 스패터의 크기 및 시작/끝 지점, 생성 및 소멸 시간에 대한 입력 정보는 용접 훈련을 하는 훈련자 또는 스패터 표현부(26) 내부의 프로그램에 의해 조정(334)가능하다.

가상용접 특수효과 가시화부(20)의 기타 특수효과 표현부(28)는 사실적인 용접 환경을 제시하기 위해 용접봉의 위치 인식(341)에 따른 모재와 작업대에 표현되는 용접봉의 그림자를 표현(342)한다. 그리고, 기타 특수효과 표현부(28)는 보호헬멧 착용의 표현(343)에 따른 조명차감 필터 효과(344)를 포함한다. 여기서, 보호헬멧 착용의 표현은 실제 용접에서 보호 헬멧 착용시 연기, 스패터 등이 거의 보이지 않고 아크와 용융 풀, 모재 일부만 보이는 효과를 표현하는 것이다. 이는 실제 용접과 가상 용접의 가시화 효과를 동일시하는 측면에서 필요하다.

도 4는 도 1에 도시된 비드표현 가시화부(30)의 내부 구성 및 동작수순을 설명하기 위한 도면이다. 도 5 내지 도 7은 도 4의 설명에 채용되는 예를 도시한 도 면이다.

비드표현 가시화부(30)의 용접비드 데이터 구축부(32)는 오프라인 경험 DB 및 시뮬레이션을 기반으로 한 용접비드 데이터를 구축한다. 용접비드 데이터 구축부(32)에서는 용접 입력/출력 파라미터 설정(411)이 우선적으로 이루어진다. 여기서, 용접 입력 파라미터의 설정이라 함은 용접종류, 모재 재질, 모재 형태, 모재길이, 모재두께, 자세, 전압, 전류, 속도, 작업각, 진행각, 모재와 용접봉과의 거리, 가스량 등에 대한 파라미터의 입력을 의미한다. 용접 입력 파라미터의 정보(값)의 대부분은 용접 훈련을 하는 훈련자에 의해 설정되고 일부(예컨대, 센싱에 의한 모재와 용접봉과의 거리)는 자동적으로 설정되는 것으로 보면 된다. 용접 출력 파라미터는 예를 들어 비드 폭, 비드 높이, 용입 깊이, 백(back) 비드 폭, 백 비드 높이, 토우각(tow angle; 비드가 생성되는 시작과 끝 지점에서 비드에 대한 접선의 외각), 비드 외형 이미지, 비드 단면 이미지 등이 된다. 용접비드 데이터 구축부(32)는 정의된 용접 입력 파라미터를 바탕으로 가상의 비드를 정확하게 표현하기 위한 데이터를 구축한다. 이를 위해, 용접비드 데이터 구축부(32)는 예를 들어 용접봉 이송방법 혹은 로봇 용접기(412)를 이용하는 방법, 전문가에게 위치 추적 방법를 부착하여 데이터를 확보하는 사용자 위치 추적 방법 기반 실 용접 작업(413) 방법, 및 기존 연구 자료 및 수치 해석(416)을 이용하는 방법 등을 사용한다. 용접봉 이송 방법 및 로봇 용접기(412)를 이용하는 방법 및 사용자 위치 추적 방법 기반 실 용접 작업(413) 방법은 작업 수행 후 비드 절단(414)을 통해 비드 단면을 얻고 단면을 측정하여 비드 폭, 비드 높이, 용입 깊이 등의 경험 DB 데이터 구 축(415)한다. 실 용접 작업(413) 방법은 각도, 속도, 모재와의 거리를 사용자 위치 추적 방법 부착에 의해 실시간으로 측정할 수 있다. 실 용접 작업(413) 방법은 실시간 측정시 입력조건에 따른 기준을 설정하는 것이 필요하다. 예를 들어, 전압, 속도, 모재와의 각도, 모재와의 거리가 동일하고 전류를 100A, 150A, 200A로 변경하였을 경우 전류의 변화에 따라 비드 폭, 비드 높이 등의 비드 표현이 변화가 없으면(전문가가 보았을 경우 비드 모양에 따른 용접에 차이가 없음) 모든 경우를 수행할 필요는 없고 대표되는 한가지만 수행하면 된다. 그러므로, 실 용접 작업(413) 방법은 사전에 테스트를 거쳐 어떤 입력값을 설정해서 데이터를 구축(수집)할 것인지 정의가 필요하다. 기존 연구 자료 및 수치 해석(416)을 이용하는 방법은 용접 입출력 파라미터에 따라 수치 해석 시뮬레이션을 수행한 결과로 시뮬레이션 데이터 구축(417)을 수행한다. 구축된 데이터는 가시화에서 실시간으로 비드를 표현하고 가시화할 때 매핑되는 데이터가 없는 경우를 대비해서 데이터 학습 및 분류(418)를 통한 후처리 작업을 수행해야 한다. 용접봉 이송방법 혹은 로봇 용접기(412)를 이용하는 방법은 입력 값에 따라 정확한 데이터를 구축한다는 장점은 있으나 굴곡이 있는 모재나 평면이 아닌 오버헤드(overhead), 버티컬(vertical) 형태의 다양한 용접 훈련 데이터는 확보하기 힘든 단점이 있다. 사용자 위치 추적 기반 실 용접 작업(413)을 이용한 데이터 구축 방법은 다양한 환경에서의 실험 데이터를 얻을 수 있으나 데이터에 대한 신뢰성에 문제가 있다. 기존 연구 자료 및 수치 해석(416)을 이용하는 방법은 원하는 자료 데이터를 찾거나 파라미터 조정에 따른 수치해석 컴퓨팅을 수행해야 하므로 데이터 구축에 많은 시간이 소요되는 특징을 가지고 있다.

비드표현 가시화부(30)의 비드 표현부(34)는 용접을 통해 접합을 수행하는 과정에서 발생하는 응고된 용착 금속을 표현한다. 비드 표현부(34)에 의해 표현된 가상의 비드는 실제 용접 훈련시 훈련 효과를 평가하는 기준이 된다. 비드 표현부(34)는 용접비드 데이터 구축부(32)에서 구축된 데이터에 기반하여 비드 폭 및 비드 높이 표현(442), 범프 매핑 기반 표면 가시화(443)를 통해 비드 표현 가시화(444)를 정밀하게 표현한다. 이를 위해, 비드 표현부(34)는 우선적으로 실시간의 용접봉 및 사용자 위치 추적(431) 입력을 바탕으로 비드 형태, 비드 외형 등에 관한 경험 DB 및 시뮬레이션 데이터(415,417)에서 실시간 데이터 검색(432) 및 매핑을 수행한다. 이후, 비드 표현부(34)는 검색을 통해 비드 폭, 비드 높이, 용입 깊이 획득(433), 백(Back) 비드 폭, 백 비드 높이 획득(434), 토우각 획득(왼쪽, 오른쪽)(435), 비드 외형 및 단면 이미지 획득(436)을 한다. 비드 표현부(34)는 획득한 각종의 정보들을 이용하여 비드의 형태를 곡선의 수식으로 표현하는 곡선 수치 모델 생성(437)을 수행한다. 곡선 수치 모델 생성에 의해서는 예를 들어 도 5에서의 곡선(50)을 갖는 비드의 형태를 얻게 된다. 이어, 비드 표현부(34)는 평면 높이(Height) 샘플링 및 데이터 획득(438) 방법, 및 원형 높이(Height) 샘플링 데이터 획득(439) 방법에 의해 얻어진 선의 길이를 저장하는 높이 맵(Height map) 구축(440)을 수행한다. 여기서, 평면 높이 샘플링 및 데이터 획득(438) 방법은 비드 단면을 표현한 곡선의 식에서 비드의 아래 부분에서 위 부분으로 반복적으로 선(도 6의 "52" 참조)을 그어 그 선의 길이를 이용한다. 원형 높이 샘플링 데이터 획득(439) 방법은 비드의 중심에서 비드의 끝 부분으로 일정한 각도만큼 반복적으로 선(도 7의 "54" 참조)을 그어 그 선의 길이를 이용한다. 비드 표현부(34)에서는 구축된 높이 맵을 이용하면 3차원의 폭과 높이가 표현되는 실시간 다이나믹(dynamic) 메쉬 생성(441)이 이루어질 수 있다. 여기서, 비드 폭, 비드 높이, 용입 깊이 획득(433), 백 비드 폭, 백 비드 높이 획득(434), 토우각 획득(왼쪽, 오른쪽)(435), 비드 외형 및 단면 이미지 획득(436)은 예를 들어 용접봉 이송 방법 또는 실 용접 작업을 수행한 결과 나타난 실제 비드를 비드 절단(414)을 통해 수치화하여 경험 DB에 저장된 값을 가져오면 된다. 부가적으로, 토우각(Tow angle)은 비드 모양의 오른쪽과 왼쪽의 기울여진(혹은 찌그러진) 정도를 표현하는데 이용된다. 백 비드 폭 및 높이는 모재보다 비드가 더 밑으로 파고들어가서 형성되는 비드를 표현하는데 이용된다. 실시간 다이나믹(dynamic) 메쉬 생성(441)은 컴퓨터 그래픽의 기초 데이터인 폴리곤으로 연결된 메쉬를 실시간으로 올렸다가 내렸다가 하는 방식으로 비드 폭 및 비드 높이 표현(442)이 가능하다. 비드 외형 및 단면 형태 데이터 획득(436)을 통해서는 텍스쳐 이미지 데이터를 얻을 수 있다. 비드 표현부(34)는 텍스쳐 이미지 데이터에 근거한 범프 매핑 기반 표면 가시화(443)를 이용하여 최종적으로 비드 표현 가시화(444)를 수행한다.

추가적으로, 비드 표현부(34)는 가상현실에서 용접 훈련 효과를 극대화하기 위해 비드에 대한 한 번의 패스뿐만 아니라 멀티 패스 표현 가시화를 지원한다. 예를 들면 조선 현장에서 많이 사용하는 20T(20mm) 모재의 경우 단 한번의 용접을 이용해서는 용접이 이루어지지 않는다. 그에 따라, 비드 표현부(34)는 용접을 여러 번 반복해서 같은 모재에 같은 패스로 용접을 수행하는 멀티 패스 방법을 이용한 다. 이러한 멀티 패스 작업을 가시화하는 방법은 경험 DB 또는 시뮬레이션 데이터가 있는 경우는 그대로 사용하면 된다. 반대로, 경험 DB 또는 시뮬레이션 데이터가 없는 경우는 첫 번째 패스 데이터를 그대로 매핑하거나 획득된 체적에 의해 그 체적만큼을 계속 확장해 나가는 방법이 있다. 한번의 용접을 이용해서 이루어지지 않는 두꺼운 모재의 경우에 수행하는 위빙 모션(즉, 빙글빙글 용접봉을 돌리면서 한 곳에 여러 번 용접을 수행하는 자세)은 위빙 모션이 가능한 용접봉 이송방법를 이용하는 것이 가장 바람직하다.

도면에 도시하지 않았지만, 비드표현 가시화부(30)는 비드 데이터 검증부를 포함할 수 있다. 도시하지 않은 비드 데이터 검증부는 용접비드 데이터 구축부(32)에서 구축된 데이터의 신뢰도를 평가하기 위한 것이다. 비드 데이터 검증부는 전문가 기반 검증 및 설문 방법 및/또는 실 용접 및 가상 용접 훈련 시스템 동시 수행 기반 검증 방법에 의해 신뢰도 평가를 행한다. 전문가 기반 검증 및 설문 방법은 용접 전문가가 가상 훈련 시스템에서 수행해서 실제와 동일한지를 설문을 통해 비교하는 방법이다. 실 용접 및 가상 용접 훈련 시스템 동시 수행 기반 검증 방법은 사용자 위치 추적 방법를 부착한 가상 용접 훈련 시스템을 연결한 상황에서 실제 용접을 수행하고 결과로 나온 가상의 비드와 실제 비드의 단면을 서로 비교하는 방법이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 필요한 금속 모재의 사실적 표현, 실제 용접의 데이터 및 수치 해석에 기반한 정확도가 높은 비드의 정밀 표현, 실제 용접 과정에서 발생하는 아크, 스패터, 연기 등의 특수효과 표현, 실제 용접 환경에서 제시되는 환경의 가시화, 실 용접에 기반한 데이터 구축, 처리, 검증 방법으로 가상현실 기반 훈련 시스템의 교육 훈련 성과를 극대화시키게 된다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예 설명에서는 가상 용접 훈련의 시각적 표현 기법에 대해 설명하였으나, 이러한 가상 용접 훈련의 시각적 표현 기법은 용접뿐만 아니라 다른 가상 훈련 시스템의 데이터 획득, 데이터 반영에 따른 가시화 방법, 데이터 검증 등에 적용할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해지는 것으로 보아야 한다.

도 1은 본 발명이 채용된 가상용접 훈련의 가시화 방법의 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 가상용접 환경 가시화부의 내부 구성 및 동작수순을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 가상용접 특수효과 가시화부의 내부 구성 및 동작수순을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 도 1에 도시된 비드표현 가시화부의 내부 구성 및 동작수순을 설명하기 위한 도면이다.

도 5 내지 도 7은 도 4의 설명에 채용되는 예를 도시한 도면이다.

Claims (10)

1. 가상용접 환경 가시화부가, 용접 부품 및 용접부스의 3차원 데이터를 근거로 상기 용접 부품 및 용접부스를 가시화하는 가상의 용접 작업환경 및 가상의 용접 대상체를 표시하는 가상용접 환경 가시화 단계;

   가상용접 특수효과 가시화부가, 상기 가상의 용접 대상체에 대한 가상용접 훈련에 따른 가상의 연기와 가상의 아크 및 가상의 스패터중 하나 이상을 표시하는 가상용접 특수효과 가시화 단계; 및

   비드표현 가시화부가, 상기 가상의 용접 대상체에 대한 가상용접 훈련에 따른 가상의 비드를 표시하는 비드표현 가시화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 가상용접 환경 가시화 단계는,

   상기 가상의 용접 대상체에 상응하는 모재를 표현하는 모재 표현 단계; 및

   상기 용접 부품 및 용접부스의 3차원 데이터를 근거로 상기 용접 부품 및 용접부스를 가시화하는 가상의 용접 작업환경을 표현하는 실 용접 환경 표현 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 모재 표현 단계는, 입력되는 설계 데이터를 이용한 가상현실 전용 데이 터 및 텍스쳐 이미지에 근거하여 상기 모재의 모델 외형을 생성하고, 입력되는 재질 데이터에 근거하여 상기 모재의 모델 외형을 표현하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 가상용접 특수효과 가시화 단계는, 상기 가상의 연기를 표시하는 연기 표현 단계와 상기 가상의 아크를 표시하는 아크 표현 단계 및 상기 가상의 스패터를 표시하는 스패터 표현 단계중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 연기 표현 단계는 용접봉과 상기 용접 대상체와의 거리, 및 상기 가상의 연기의 생성 및 소멸시간에 대한 정보에 근거하여 상기 가상의 연기를 표시하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 아크 표현 단계는 용접봉에 대한 입력 온도의 변화와 선택된 와이어 금속의 종류에 근거하여 불의 색상 변화에 상응하는 텍스쳐 이미지를 기초로 상기 가상의 아크를 표시하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 아크 표현 단계는 경험 기반 용융풀 데이터를 이용하여 용융풀을 추가로 표시하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
8. 청구항 4에 있어서,

   상기 스패터 표현 단계는 용접봉과 상기 용접 대상체와의 거리와 전압 설정값에 따른 파티클 수, 및 상기 가상의 스패터의 크기 및 시작, 끝 지점, 생성 및 소멸 시간에 대한 정보에 근거하여 상기 가상의 스패터를 표시하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
9. 청구항 4에 있어서,

   상기 가상용접 특수효과 가시화 단계는, 보호헬멧 착용 표현에 따른 조명의 차감을 표현하고 용접봉의 그림자를 표현하는 기타 특수효과 표현 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 비드표현 가시화 단계는,

    입력 파라미터를 근거로 상기 가상의 비드를 표현하기 위한 데이터를 구축하는 용접비드 데이터 구축 단계; 및

    상기 용접비드 데이터 구축 단계에 의해 구축된 데이터에 기반하여 상기 가 상의 비드를 표시하는 비드 표현 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상용접 훈련의 가시화 방법.

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