KR102126270B1 - 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법 - Google Patents

실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모션 데이터 통신 비용을 최소화한 고성능 모션 플랫폼 제어를 통해 고품질의 사용자 경험(User Experience)을 제공하고, 모션 시뮬레이션 시스템과 동기화된 운동감을 전달하여 VR 멀미를 감소할 수 있도록 한 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에 관한 것으로, 모션제어소프트웨어(SW)가 설치된 시뮬레이션시스템(11)과, 모션입력부(12), 후면버퍼(13), 전면버퍼(14), 모션송신부(15)로 이루어진 모션시스템(20)으로 구성된 모션제어단말기(100)와; 링버퍼(16), 모션처리부(17), 모션수신부(19)로 이루어진 모션컨트롤러(21)와 액추에이터(18)가 구비된 모션플랫폼(200)을 이용한 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에 있어서; 상기 모션 입력부(12)는 실시간 모션 시뮬레이션시스템(11)에서 시뮬레이션 주기와 동일한 모션 제어 주기로 각 축 모션 위치 값을 모션컨트롤러(21)에 전달하여 동기화하고, 모션 제어 소프트웨어(SW)는 시뮬레이션 주기에 동기화된 모션 버퍼에 모션 샘플들을 저장하여, 모션 버퍼 단위로 모션 컨트롤러(21)에 전송할 수 있도록 하며, 시뮬레이션 결과의 모션 입력 신호 또는 보간 신호로 부터 샘플링된 PCM 데이터를 생성하고 후면버퍼(13)에 저장하고; 상기 모션 송신부(15)는 모션 수신부(19)의 버퍼 처리 대기로 인한 모션 입력부(12)의 동기화 지연을 줄이기 위해, 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)로 구성된 더블 버퍼로 모션을 제어하며; 상기 모션 입력부(12)와 상기 모션송신부(15)는 항상 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)를 사용하고, 모션입력부(12)는 모션송신부(15)에 후면버퍼(13)를 전송 요청한 후 모션송신부(15)의 전면버퍼(14)의 전송 완료를 감지하면 두 버퍼의 데이터를 서로 교환하는 것을 특징으로 하는 한다.

Description

실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법{Motion Buffer Control Method of Real-Time Motion Simulation System}
본 발명은 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 모션 데이터 통신 비용을 최소화한 고성능 모션 플랫폼 제어를 통해 고품질의 사용자 경험(User Experience)을 제공하고, 모션 시뮬레이션 시스템과 동기화된 운동감을 전달하여 VR 멀미를 감소할 수 있도록 한 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모션시뮬레이터(Motion Simulator)란 특정 명령을 받아들여 명령에 이행하는 모션(움직임)을 취하는 로봇과는 반대로 특정 움직임을 만들어 인간에게 가상의 현실-로봇의 지능에 해당하는 컴퓨터 현실 속에 몰입하도록 만드는 장치이다.
특허 공개번호 10-2016-0113491호(모션플랫폼 시스템)에 따르면, "모션 플랫폼 시스템이 개시된다. 모션 플랫폼 시스템은 사용자의 머리 움직임에 따른 영상을 제공하는 광시야각 디스플레이, 사용자가 탑승하는 패러글라이딩 하네스, 사용자가 조종하는 조종 손잡이 브레이크, 패러글라이딩 하네스가 고정되는 상단 프레임, 상단 프레임을 지지하는 스탠드 구조물 및 영상에 대한 콘텐츠를 재생하는 컴퓨팅 장치를 포함한다."라고 개시된 바가 있다.
상술한 바와 같은 모션 시뮬레이터와 VR 게임과 같은 실시간 모션 시뮬레이션 시스템에서 모션 플랫폼 제어 SW의 처리 성능과 동기화는 가상 세계의 몰입도를 높이고 멀미를 줄이는 핵심 기술이다. 모션 플랫폼 제어는 응용프로그램의 실행 주기 마다 모션 제어 SW(송신부)에서 모션 샘플(축 위치)을 모션 컨트롤러에 전달하여 제어 방식과 모션 컨트롤러에 전달된 보간 정보로 부터 모션 위치를 보간하는 방식이 사용되고 있다. 하지만, 두 컴퓨터 간의 빈번한 통신 부하와 동기화 지연으로 인해 모션 컨트롤러의 처리 성능에 비해 효율성이 떨어지고, 보간 방법에 있어서는 왜곡된 움직임과 사용성에 한계를 보이고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 모션 데이터 통신 비용을 최소화한 고성능 모션 플랫폼 제어를 통해 고품질의 사용자 경험(User Experience)을 제공하고, 모션 시뮬레이션 시스템과 동기화된 운동감을 전달하여 VR 멀미를 감소할 수 있도록 하기 위하여, 모션 플랫폼 위치 제어에 관한 모션 버퍼 스트리밍 일괄 처리 및 동기화 방식을 개선한 실시간 모션시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실시간 모션시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에서 모션 플랫폼 위치 제어에 관한 모션 버퍼 스트리밍 일괄 처리 및 동기화 방식을 개선한 기술에 특징이 있다.
본 발명은 모션제어소프트웨어(SW)가 설치된 시뮬레이션시스템(11)과, 모션입력부(12), 후면버퍼(13), 전면버퍼(14), 모션송신부(15)로 이루어진 모션시스템(20)으로 구성된 모션제어단말기(100)와; 링버퍼(16), 모션처리부(17), 모션수신부(19)로 이루어진 모션컨트롤러(21)와 액추에이터(18)가 구비된 모션플랫폼(200)을 이용한 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에 있어서; 상기 모션 입력부(12)는 실시간 모션 시뮬레이션시스템(11)에서 시뮬레이션 주기와 동일한 모션 제어 주기로 각 축 모션 위치 값을 모션컨트롤러(21)에 전달하여 동기화하고, 모션 제어 소프트웨어(SW)는 시뮬레이션 주기에 동기화된 모션 버퍼에 모션 샘플들을 저장하여, 모션 버퍼 단위로 모션 컨트롤러(21)에 전송할 수 있도록 하며, 시뮬레이션 결과의 모션 입력 신호 또는 보간 신호로 부터 샘플링된 PCM 데이터를 생성하고 후면버퍼(13)에 저장하고; 상기 모션 송신부(15)는 모션 수신부(19)의 버퍼 처리 대기로 인한 모션 입력부(12)의 동기화 지연을 줄이기 위해, 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)로 구성된 더블 버퍼로 모션을 제어하며; 상기 모션 입력부(12)와 상기 모션송신부(15)는 항상 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)를 사용하고, 모션입력부(12)는 모션송신부(15)에 후면버퍼(13)를 전송 요청한 후 모션송신부(15)의 전면버퍼(14)의 전송 완료를 감지하면 두 버퍼의 데이터를 서로 교환하는 것을 특징으로 하는 한다.
실시예에서, 상기 모션 컨트롤러(21)는 연속적으로 수신된 위치를 바로 처리하지 않고, 모션 버퍼 단위로 저장된 모션 위치를 자동 제어할 수 있도록 링버퍼 구조로 저장하며, 링버퍼(16)는 모션 처리가 완료된 가용 공간에 저장될 수 있도록 하며, 버퍼 단위로 저장 버퍼 위치(Write)를 이동하고 모션 송신부(15)와 동기화하는 모션 수신부(19)를 더 포함한다.
실시예에서, 모션 제어 주기마다 링버퍼(16)의 현재 읽기 버퍼(Read)에서 모션 샘플을 읽고, 모션 플랫폼(200)의 액추에이터(18)를 제어하며, 하나의 읽기 버퍼 처리가 완료되면 링버퍼(16)의 다음 읽기 버퍼로 이동하며, 수신된 버퍼가 있는 동안 샘플 처리와 버퍼 이동을 반복적으로 수행하는 모션 처리부(17)를 더 포함한다.
본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 모션 컨트롤러의 처리 성능을 최대한 활용한 모션 플랫폼의 제어 정밀도를 향상시키는 장점이 있다.
둘째, 비주얼 신호와 모션 신호 동기화를 통한 운동감 인지의 부조화를 개선할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 링버퍼 구조를 통한 모션 제어 SW 및 모션 컨트롤러의 병렬 처리가 용이해지는 장점이 있다.
넷째, 모션 제어 단말기와 모션 플랫폼 간 모션 제어에 대한 통신비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
다섯째, 모션 컨트롤러의 모션 샘플을 연속으로 처리하고, 보간, 신호 복원으로 성능 개선이 용이해지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모션버퍼제어방법을 구현하기 위한 시스템구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 모션버퍼제어방법에서 모션제어단말기 측에서 버퍼의 비트깊이를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 모션버퍼제어방법에서 모션컨트롤러 측에서 버퍼의 비트깊이를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 모션버퍼제어방법을 구현하기 위한 시스템구성을 나타낸 블록도로서, 모션제어단말기(100)와 모션플랫폼(200)이 구비되고, 양자는 모션버퍼통신으로 데이터를 주고 받는다.
모션제어단말기(100)에는 시뮬레이션시스템(11)과 모션시스템(20)이 구비되고, 모션시스템(20)에는 모션입력부(12), 후면버퍼(13), 전면버퍼(14), 모션송신부(15)가 구비된다.
모션플랫폼(200)에는 모션컨트롤러(21)와 액추에이터(18)가 구비되고, 모션컨트롤러(21)에는 링버퍼(16), 모션처리부(17), 모션수신부(19)가 구비된다.
1)모션 입력부(12)
실시간 모션 시뮬레이션시스템(11)에서 시뮬레이션 주기와 동일한 모션 제어 주기로 각 축 모션 위치 값을 모션컨트롤러(21)에 전달하여 동기화한다. 하지만, 시뮬레이션보다 정밀한 운동감의 전달이 가능하도록 시뮬레이션 주기 이상의 모션주기로 제어가 필요하다.
모션 제어 소프트웨어(SW)는 시뮬레이션 주기에 동기화된 모션 버퍼에 모션 샘플들을 저장하여, 모션 버퍼 단위로 모션 컨트롤러(21)에 전송할 수 있도록 한다.
모션 입력부(12)는 시뮬레이션 결과의 모션 입력 신호 또는 보간 신호로 부터 샘플링된 PCM 데이터를 생성하고 모션 버퍼 즉, 후면버퍼(13)에 저장하는 작업을 수행한다.
모션 입력부(12)가 상술한 바와 같은 과정을 거치는 이유를 살펴보면 다음과 같다.
시뮬레이션 주기에 맞게 모션 버퍼를 생성하여 비주얼 큐와 모션 큐의 동기화를 용이하게 하고, 동기 지점 사이에 더 많은 모션 큐들을 추가하여 모션 제어의 정밀도를 향상시킨다. 즉, 비주얼 신호와 모션 신호가 동시에 발생하는 각 모션 버퍼의 시작 샘플에서 동기화가 수행되고, 샘플링 주기에 따라 각 샘플들이 모션 컨트롤러에서 자동제어 될 수 있도록 함으로써 별도 통신 없이도 모션 제어 정밀도를 높이는 작용효과를 가져온다.
2)모션 송신부(15)
모션 수신부(19)의 버퍼 처리 대기로 인한 모션 입력부(12)의 동기화 지연을 줄이기 위해, 모션 입력 저장 버퍼 즉, 후면버퍼(13)와 송신 버퍼 즉, 전면버퍼(14)로 구성된 더블 버퍼로 모션을 제어한다.
모션 입력부(12)와 모션송신부(15)는 항상 더블버퍼(Back, Front) 즉, 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)를 사용하고, 모션입력부(12)는 모션송신부(15)에 작업된 버퍼(Back) 즉, 후면버퍼(13)를 전송 요청한 후 모션송신부(15)의 이전 요청 버퍼(Front) 즉, 전면버퍼(14)의 전송 완료를 감지하면 두 버퍼의 데이터를 서로 교환한다.
여기서, 두 버퍼의 데이터를 서로 교환하는 이유를 살펴보면 다음과 같다.
모션 제어의 출력 대기시간 없이 연속적으로 시뮬레이션이 수행될 수 있도록 입력부와 송신부는 각자의 버퍼에서 동시에 수행될 수 있으며 두 버퍼를 서로 교체하는 방법으로 시뮬레이션 루프의 모션 제어 동기 시간을 최소화하는 작용효과를 가진다.
3)모션 수신부(19)
모션 컨트롤러(21)는 연속적으로 수신된 위치를 바로 처리하지 않고, 모션 버퍼 단위로 저장된 모션 위치를 자동 제어할 수 있도록 링버퍼 구조로 저장한다. 링버퍼(16)는 모션 처리가 완료된 가용 공간에 저장될 수 있도록 하고, 버퍼 단위로 저장 버퍼 위치(Write)를 이동하고 모션 송신부(15)와 동기화 한다.
이러한 과정을 거치는 이유를 살펴보면 다음과 같다.
시뮬레이션의 입력 대기 시간없이 연속적으로 모션제어가 수행될 수 있도록 모션수신부(19)와 모션처리부(17)는 링버퍼의 각 버퍼에서 동시에 수행될 수 있으며 링 버퍼의 읽기 또는 쓰기 위치를 이동시키는 방법으로 모션 제어 루프의 시뮬레이션 동기 시간을 최소화하는 작용효과를 가진다.
4)모션 처리부(17)
모션 제어 주기마다 링버퍼(16)의 현재 읽기 버퍼(Read)에서 모션 샘플을 읽고, 모션 플랫폼(200)의 액추에이터(18)를 제어한다. 하나의 읽기 버퍼 처리가 완료되면 링버퍼(16)의 다음 읽기 버퍼로 이동하고, 수신된 버퍼가 있는 동안 샘플 처리와 버퍼 이동을 반복적으로 수행한다.
모션처리부(17)가 상술한 과정을 거치는 이유를 살펴보면 다음과 같다.
시뮬레이션의 두 버퍼 교환 방법과 동일한 목적으로 2개 이상의 버퍼로 구성하여 통신환경에 따라 버퍼링의 정도를 조절할 수 있도록 하기 위한 것으로, 전체적인 모션 버퍼의 수신 비트레이트는 동일하지만 항상 동일한 주기로 수신되지 않기 때문에 버퍼링이 필요하다.
첨부된 그래프인 도 2 및 도 3을 참조하여 모션버퍼제어방법의 작용효과를 살펴보도록 한다.
도 2는 모션제어PC 측에서 버퍼의 비트깊이를 나타낸 그래프이고, 도 3은 모션컨트롤러 측에서 버퍼의 비트깊이를 나타낸 그래프로서, X축은 헤르츠(Hz)를 단위로 하는 주기를 나타내고, Y축은 Bit를 단위로 하는 비트깊이를 나타낸다.
참고로, 동그라미 모양(● 표시)는 모션큐를 나타내고, 엑스(× 표시)모양은 비주얼큐를 나타내며, 모션큐(motion cue)는 모션 플랫폼(Motion Platform)을 움직이는 입력신호를 의미한다.
실시간 시뮬레이션을 시작하면 시뮬레이션 주기의 비주얼 신호(× 표시)보다 정밀한 모션주기의 모션 신호(● 표시)가 입력 버퍼(Back)에 저장된다.
링버퍼를 2개 즉, 읽기버퍼 및 쓰기버퍼를 사용하는 실시예에서 최초 링버퍼 크기(①②)만큼 대기 없이 모션 버퍼에 저장과 송신을 할 수 있고, 모션송신부의 3번 입력 버퍼(③)는 모션처리부가 1번 버퍼(①)의 처리 완료까지 대기 이후 송신(③) 된다.
모션 제어 소프트웨어(SW)와 모션 컨트롤러(21)의 모션 주기는 일치하기 때문에 모션 버퍼 동기 지연은 간헐적이고 짧은 시간이 소요된다.
실시간 시뮬레이션의 연속된 모션 입력 신호의 처리를 위해 가로 시간 축을 따라 우측으로 입력 버퍼가 계속 이동하고, 모션 컨트롤러(21)의 수신부 및 처리부는 링버퍼(16)의 크기만큼 계속 순환한다.
미리 생성된 모션 데이터 로딩이나 힘 제어 로딩으로부터 실시간 계산된 모션 버퍼 스트리밍 방식의 높은 비트 레이트(BitRate)로 고품질의 운동감을 제공할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 주기와 일치하는 비주얼 신호(Visual Cue)과 모션 신호(Motion Cue)의 모션 버퍼 동기화로 가상현실(VR) 멀미를 감소할 수 있는 작용효과가 있다.
11 ; 시뮬레이션시스템 12 ; 모션입력부
13 ; 후면버퍼 14 ; 전면버퍼
15 ; 모션송신부 16 ; 링버퍼
17 ; 모션처리부 18 ; 액추에이터
19 ; 모션수신부 20 ; 모션시스템
21 ; 모션컨트롤러 100; 모션제어PC
200; 모션플랫폼

Claims (3)

  1. 모션제어소프트웨어(SW)가 설치된 시뮬레이션시스템(11)과, 모션입력부(12), 후면버퍼(13), 전면버퍼(14), 모션송신부(15)로 이루어진 모션시스템(20)으로 구성된 모션제어단말기(100)와; 링버퍼(16), 모션처리부(17), 모션수신부(19)로 이루어진 모션컨트롤러(21)와 액추에이터(18)가 구비된 모션플랫폼(200)을 이용한 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법에 있어서,
    상기 모션 입력부(12)는 실시간 모션 시뮬레이션시스템(11)에서 시뮬레이션 주기와 동일한 모션 제어 주기로 각 축 모션 위치 값을 모션컨트롤러(21)에 전달하여 동기화하고, 모션 제어 소프트웨어(SW)는 시뮬레이션 주기에 동기화된 모션 버퍼에 모션 샘플들을 저장하여, 모션 버퍼 단위로 모션 컨트롤러(21)에 전송할 수 있도록 하며, 시뮬레이션 결과의 모션 입력 신호 또는 보간 신호로 부터 샘플링된 PCM 데이터를 생성하고 후면버퍼(13)에 저장하고;
    상기 모션 송신부(15)는 모션 수신부(19)의 버퍼 처리 대기로 인한 모션 입력부(12)의 동기화 지연을 줄이기 위해, 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)로 구성된 더블 버퍼로 모션을 제어하며;
    상기 모션 입력부(12)와 상기 모션송신부(15)는 항상 후면버퍼(13)와 전면버퍼(14)를 사용하고, 모션입력부(12)는 모션송신부(15)에 후면버퍼(13)를 전송 요청한 후 모션송신부(15)의 전면버퍼(14)의 전송 완료를 감지하면 두 버퍼의 데이터를 서로 교환하며;
    상기 모션 컨트롤러(21)는 연속적으로 수신된 위치를 바로 처리하지 않고, 모션 버퍼 단위로 저장된 모션 위치를 자동 제어할 수 있도록 링버퍼 구조로 저장하며, 링버퍼(16)는 모션 처리가 완료된 가용 공간에 저장될 수 있도록 하며, 버퍼 단위로 저장 버퍼 위치(Write)를 이동하고 모션 송신부(15)와 동기화하는 모션 수신부(19)와;
    상기 모션 제어 주기마다 링버퍼(16)의 현재 읽기 버퍼(Read)에서 모션 샘플을 읽고, 모션 플랫폼(200)의 액추에이터(18)를 제어하며, 하나의 읽기 버퍼 처리가 완료되면 링버퍼(16)의 다음 읽기 버퍼로 이동하며, 수신된 버퍼가 있는 동안 샘플 처리와 버퍼 이동을 반복적으로 수행하는 모션 처리부(17)를 포함하고;
    실시간 시뮬레이션을 시작하면 1)시뮬레이션 주기의 비주얼 신호(× 표시)보다 정밀한 모션주기의 모션 신호(● 표시)가 입력 버퍼[후면버퍼(13); 도 2의 ③Back Buffer]에 저장되며;
    3)상기 모션제어소프트웨어(SW)는 링버퍼를 2개(읽기버퍼 및 쓰기버퍼)를 사용하는 실시예에서 최초 링버퍼 크기(①②)만큼 대기 없이 모션 버퍼에 저장과 송신을 할 수 있고, 2)모션송신부의 입력 버퍼[후면버퍼(13); 도 2의 ③Back Buffer]는 모션처리부가 1번 버퍼(①)의 처리 완료까지 대기 이후 송신(③)되며;
    모션 제어 소프트웨어(SW)와 모션 컨트롤러(21)의 모션 주기는 일치하기 때문에 모션 버퍼 동기 지연은 기존대비 간헐적이고 짧은 시간이 소요되며;
    실시간 시뮬레이션의 연속된 모션 입력 신호의 처리를 위해 가로 시간 축을 따라 우측으로 입력 버퍼가 계속 이동하고, 모션 컨트롤러(21)의 수신부 및 처리부는 링버퍼(16)의 크기만큼 계속 순환하는 것을 특징으로 하는 실시간 모션 시뮬레이션 시스템의 모션버퍼 제어방법.
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