KR102137040B1 - 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법 - Google Patents

혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이용자에게 실제 공간에서 발생하는 화재를 예측하기 위하여 혼합현실 상에서 제공되는 것으로,
화재 구현 공간의 3D정보가 구축되는 공간 데이터베이스;
화재가 발생할 객체의 정보가 구축되는 인테리어 라이브러리;
HMD 디바이스를 포함한 혼합현실 기기를 착용한 이용자가 혼합현실 공간에서 화재발생 위치 및 규모를 설정하면 상기 화재 구현 공간에 가상의 화재를 발생시키는 화재제어모듈;
을 포함하여 구성되되,
상기 이용자는 1인칭 시점에서 상기 HMD 디바이스를 통하여 화재에 대한 시각적 정보를 직접 경험하는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 제공한다.
더불어 상기 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 것으로,
(1) 이용자가 현실공간을 스테레오 카메라로 촬영하면 촬영 데이터가 화재 구현 공간의 3D정보로 구축되어 상기 공간 데이터베이스로 변환되는 3D 공간정보 변환단계;
(2) 이용자가 상기 3D정보의 각 객체에 상기 인테리어 라이브러리에 구축된 객체 정보가 연동되는 인테리어 라이브러리 연동단계;
(3) 이용자가 상기 HMD 디바이스를 통하여 상기 3D정보에 화재원의 위치 및 규모를 포함한 화재정보를 설정하는 화재설정단계;
(4) 상기 화재제어모듈이 상기 HMD 디바이스를 통하여 혼합현실에서 이용자에게 시각적 또는 청각적으로 화재의 상기 시각적 정보와 시간적 변이를 제공하는 화재구현단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 화재 시뮬레이션 방법을 제공한다.

Description

혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법{the fire simulation system based mixed reality and the fire simulation method using the same}
본 발명은 스테레오 카메라를 이용하여 현실공간을 실시간 3차원 데이터로 변환하고, 현실공간에서 화재, 소화기 등의 위치를 가상으로 지정한 후 혼합현실을 이용하여 화재를 예측하고 진압하는 교육이 가능한 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 화재 교육장면을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 기존에는 소방교육 시 실제로 화재를 발생시켜 교육하거나, 영상 및 교재를 통해 소화기 등의 사용방법을 교육하는 방법 등이 사용되었다.
그러나 이와 같은 종래의 방법은 실제로 화재를 발생시키고 소화기를 통해 훈련하는 방식으로, 시간과 비용이 많이 소요되고 공간의 제약을 받음과 동시에. 또한 안전사고의 위험이 높다.
이를 대체한 영상 및 교재를 통해 간접적으로 소방 훈련을 하는 방법은 교육 몰입도가 낮은 문제점이 지적되어 왔다.
이에 본 발명자는 스테레오 카메라를 이용하여 현실공간을 실시간 3차원 데이터로 변환하고, 현실공간에서 화재, 소화기 등의 위치를 가상으로 지정한 후 혼합현실을 이용하여 화재를 예측하고 진압하는 교육이 가능한 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법을 개발하기에 이르렀다.
[문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-1881222호 ‘도시 화재 시뮬레이션 장치’, 2018년07월17일 [문헌 2] 대한민국 등록특허 제10-1112189호 ‘화재 시뮬레이션 장치 및 이를 이용한 소화기 교육 시스템’, 2012년01월27일
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 제시되는 것이다. 그 목적은 스테레오 카메라를 이용하여 현실공간을 실시간 3차원 데이터로 변환하고, 현실공간에서 화재, 소화기 등의 위치를 가상으로 지정한 후 혼합현실을 이용하여 화재를 예측하고 진압하는 교육이 가능한 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법을 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 이용자에게 실제 공간에서 발생하는 화재를 예측하기 위하여 혼합현실 상에서 제공되는 것으로,
화재 구현 공간의 3D정보가 구축되는 공간 데이터베이스;
화재가 발생할 객체의 정보가 구축되는 인테리어 라이브러리;
HMD 디바이스를 포함한 혼합현실 기기를 착용한 이용자가 혼합현실 공간에서 화재발생 위치 및 규모를 설정하면 상기 화재 구현 공간에 가상의 화재를 발생시키는 화재제어모듈;
을 포함하여 구성되되,
상기 이용자는 1인칭 시점에서 상기 HMD 디바이스를 통하여 화재에 대한 시각적 정보를 직접 경험하는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 제공한다.
더불어 상기 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 것으로,
(1) 이용자가 현실공간을 스테레오 카메라로 촬영하면 촬영 데이터가 화재 구현 공간의 3D정보로 구축되어 상기 공간 데이터베이스로 변환되는 3D 공간정보 변환단계;
(2) 이용자가 상기 3D정보의 각 객체에 상기 인테리어 라이브러리에 구축된 객체 정보가 연동되는 인테리어 라이브러리 연동단계;
(3) 이용자가 상기 HMD 디바이스를 통하여 상기 3D정보에 화재원의 위치 및 규모를 포함한 화재정보를 설정하는 화재설정단계;
(4) 상기 화재제어모듈이 상기 HMD 디바이스를 통하여 혼합현실에서 이용자에게 시각적 또는 청각적으로 화재의 상기 시각적 정보와 시간적 변이를 제공하는 화재구현단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 화재 시뮬레이션 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 스테레오 카메라를 이용하여 현실공간을 실시간 3차원 데이터로 변환하고, 현실공간에서 화재, 소화기 등의 위치를 가상으로 지정한 후 혼합현실을 이용하여 화재를 예측하고 진압하는 교육이 가능한 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법을 제공한다.
도 1은 종래의 화재 교육장면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템의 개념을 도시한 개요도이다.
도 3 내지 6은 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 HMD 디바이스를 사용하여 화재 발생지점을 설정하는 것을 도시한 것이다.
도 7은 도 6과 달리 화재 규모를 설정하는 것을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 HMD 디바이스를 사용하여 소화기를 설정하는 것을 도시한 것이다.
도 9는 도 8에 따라 소화기 위치가 설정된 것을 도시한 것이다.
도 10 내지 13은 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 혼합현실 상에서 소화기 사용법이 디스플레이되는 과정을 도시한 것이다.
도 14 내지 15는 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 혼합현실 상에서 화염이 발생한 상황을 도시한 것이다.
도 16 내지 22는 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 혼합현실 상에서 소화기로 화재를 진화하는 상황을 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면과 함께 상기와 같은 본 발명의 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
Ⅰ. 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템
도 2는 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템의 개념을 도시한 개요도이다.
본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템은,
이용자에게 실제 공간에서 발생하는 화재를 예측하기 위하여 혼합현실 상에서 제공되는 것으로,
화재 구현 공간의 3D정보가 구축되는 공간 데이터베이스;
화재가 발생할 객체의 정보가 구축되는 인테리어 라이브러리;
HMD 디바이스를 포함한 혼합현실 기기를 착용한 이용자가 혼합현실 공간에서 화재발생 위치 및 규모를 설정하면 상기 화재 구현 공간에 가상의 화재를 발생시키는 화재제어모듈;
을 포함하여 구성되되,
상기 이용자는 1인칭 시점에서 상기 HMD 디바이스를 통하여 화재에 대한 시각적 정보를 직접 경험하는 것을 특징으로 한다.
상기 공간 데이터베이스는 미리 설정된 BIM 등의 공간정보를 이용할 수도 있고, 후술하듯이 이용자가 스테레오 카메라로 촬영된 정보가 이용될 수도 있다.
그리고 상기 화재제어모듈은,
상기 이용자가 상기 HMD 디바이스를 통하여 소화기를 작동하여 화재를 진압하는 과정을 구현하는 것을 특징으로 한다.
상기 시각적 정보는,
화재의 규모, 밝기, 색상을 포함한 정보로 구현되는 것을 특징으로 하며,
보다 실감나는 화재 현장을 구현하기 위하여 화재로 인한 소리를 포함한 청각적 정보가 상기 시각적 정보와 더불어 상기 HMD 디바이스로 구현되는 것을 특징으로 한다. 이때 소방차 사이렌 등의 주변 상황 소음이 추가될 수 있다.
상기 인테리어 라이브러리는,
상기 화재가 발생할 객체의 정보가 구축되되,
상기 화재가 발생할 객체의 재질, 크기 그리고 형상에 따라 화재의 성상이 달라지는 객체의 정보가 구축되는 것을 특징으로 한다.
상기 시각적 정보는,
상기 화재가 발생할 객체의 재질, 크기 그리고 형상에 따라 화재의 성상이 달라져 구현되는 것을 특징으로 한다.
실제 화재는 화재원의 재질 등 상태에 따라 화염과 연기가 달리 발생하므로,
본 발명에서는 상기 인테리어 라이브러리에 다양한 화재원의 재질 등 상태를 데이터베이스화하여 구성한다.
또한 상기 시각적 정보는,
불길과 연기로 분류되고 상기 화재 구현 공간 내의 창호의 개방 여부 및 공조의 작동여부를 포함한 기류에 따라 상기 불길과 상기 연기가 제어되어 구현되는 것을 특징으로 하며,
상기 화재 구현 공간 내의 온도, 습도를 포함한 내부 환경요소를 고려하여 상기 불길과 상기 연기가 제어되어 구현되는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 화재제어모듈은 에어콘 이나 FCU 등의 공조기의 작동여부, 창호의 개폐여부와 기류발생시 기류의 방향 및 세기 등을 고려하여 기류를 시뮬레이션하며, 상기 기류에 따른 화염과 연기의 확산을 시뮬레이션하여 제공한다.
도 3 내지 6은 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 HMD 디바이스를 사용하여 화재 발생지점을 설정하는 것을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 이용자는 혼합현실 상에서 화재 발생지점을 설정할 수 있다.
도 7은 도 6과 달리 화재 규모를 설정하는 것을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 이용자는 화재의 규모를 소정의 단계별로 세밀하게 구분하여 설정할 수 있으며, 각 단계에 따른 화재 시뮬레이션과 소방 훈련이 가능하다.
도 8은 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 HMD 디바이스를 사용하여 소화기를 설정하는 것을 도시한 것이고,
도 9는 도 8에 따라 소화기 위치가 설정된 것을 도시한 것이다.
도 10 내지 13은 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 혼합현실 상에서 소화기 사용법이 디스플레이되는 과정을 도시한 것이다.
도 14 내지 15는 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 혼합현실 상에서 화염이 발생한 상황을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 화재가 발생할 객체의 재질, 크기 그리고 형상에 따라 화재의 성상이 달라져 구현되며,
도시되지는 않았으나, 연기 또한 구현이 가능하다.
도 16 내지 22는 본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템에서 혼합현실 상에서 소화기로 화재를 진화하는 상황을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 이용자는 HMD 디바이스를 사용하여 소화기의 분사 방향, 각도 및 세기 등을 조절할 수 있으며,
이에 따라 화재제어모듈이 작동하여 화염과 연기를 소멸시키게 된다.
물론 소화기의 잘못된 사용이나 기류 등의 요인이 발생하면 화재제어모듈은 화염과 연기를 소멸시키지 않고 더 규모가 커지게 하므로 이용자로 하여금 더 세밀한 소화기 사용법을 숙지하게 한다.
본 발명은 구체적으로 백팩PC, 스테레오카메라가 부착된 HMD, 트래킹 가능한 도구(양손) 등을 구비하면 하드웨어적인 준비는 마치게 된다.
이용자는 교육 또는 훈련할 공간에서 스테레오 카메라가 부착된 HMD(백팩 PC와 연결)로 공간을 둘러보고, 이 과정에서 스테레오 카메라가 현재의 공간을 인식하여 3차원 데이터로 변환한다.
이때 BIM 정보가 있는 경우에는 구축된 3차원 데이터와 서버에 저장된 BIM 모델을 매칭하여, 객체별로 자재특성 정보(난연성능, 불연성능 등)가 자동으로 부여되고,
BIM 정보가 없는 경우에는 스테레오 카메라로 촬영된 영상에서 객체의 색상, 재질, 형태 등을 기존에 저장된 실내 인테리어 라이브러리와 비교하여, 객체의 재질을 유추하게 된다.
이용자의 스테레오 카메라가 촬영하는 영상은 HMD 디스플레이에서 실시간 확인이 가능하다.
그리고 현재의 실제 공간에 증강된 정보 인터페이스를 통해 불의 위치, 불의 크기, 소화기 위치, 소화기 종류 등을 설정할 수 있으며,
조작기의 휠 버튼을 통해 불의 크기를 3단계로 조절할 수 있다.
본 발명은 쓰레기통 등 위치를 지정하여 화재 발생 시나리오에 따라 화재가 발생하는 객체의 위치를 설정하는 기능을 가지며,
화염 및 연기의 변화뿐만 아니라 화재로 인해 쓰레기통 등의 객체의 외형이 변화하도록 화재의 진행 상황에 따라 설정이 가능하다.
본 발명은 자재의 특성에 따라 불이 번지는 시간이 연계되도록 할 수 있으며,
자재의 특성에 따라 연기의 발생양과 발현색이 연계되어 제공될 수 있다.
그리고 마커가 부착되고 손잡이에 압력센서가 부착된 모형 소화기를 실제로 제공하여 상기 손잡이를 일정 힘 이상 누르면 혼합현실에서 소화기의 분말이 뿜어져 나와 가상의 화재를 진화하는 시뮬레이션이 가능하다.
그리고 보다 실감나는 화재진압훈련을 위하여 소화기의 분말 투입 시간에 따라 불의 크기가 줄어들도록 할 수 있다.
본 발명은 불이 난 이후 연기가 발생하면 현재의 공간에 천정에서부터 퍼져서 시간이 지나감에 따라 연기가 아래쪽으로 내려오도록 하여 화염과 연기를 실제 상황과 같이 구현이 가능하며,
연기가 이용자의 시야 위치보다 내려오면 시야가 제한되는 상황 연출할 수 있다.
화재 진압훈련 시 실험자의 호흡기관 위치(높이)와 연기가 내려온 높이가 일치할 경우 일정시간이 지나면 화재 진압이 실패한 것으로 판단할 수 있다.
Ⅱ. 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 화재 시뮬레이션 방법
본 발명의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 화재 시뮬레이션 방법은,
상기 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 것으로,
(1) 이용자가 현실공간을 스테레오 카메라로 촬영하면 촬영 데이터가 화재 구현 공간의 3D정보로 구축되어 상기 공간 데이터베이스로 변환되는 3D 공간정보 변환단계;
(2) 이용자가 상기 3D정보의 각 객체에 상기 인테리어 라이브러리에 구축된 객체 정보가 연동되는 인테리어 라이브러리 연동단계;
(3) 이용자가 상기 HMD 디바이스를 통하여 상기 3D정보에 화재원의 위치 및 규모를 포함한 화재정보를 설정하는 화재설정단계;
(4) 상기 화재제어모듈이 상기 HMD 디바이스를 통하여 혼합현실에서 이용자에게 시각적 또는 청각적으로 화재의 상기 시각적 정보와 시간적 변이를 제공하는 화재구현단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
결론으로, 본 발명은 스테레오 카메라를 이용하여 현실공간을 실시간 3차원 데이터로 변환하고, 현실공간에서 화재, 소화기 등의 위치를 가상으로 지정한 후 혼합현실을 이용하여 화재를 예측하고 진압하는 교육이 가능한 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법을 제공하는 장점이 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다.
따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

Claims (13)

  1. 이용자에게 실제 공간에서 발생하는 화재를 예측하기 위하여 혼합현실 상에서 제공되는 것으로,
    화재 구현 공간의 3D정보가 구축되는 공간 데이터베이스;
    화재가 발생할 객체의 정보가 구축되는 인테리어 라이브러리;
    HMD 디바이스를 포함한 혼합현실 기기를 착용한 이용자가 혼합현실 공간에서 화재발생 위치 및 규모를 설정하면 상기 화재 구현 공간에 가상의 화재를 발생시키는 화재제어모듈;
    을 포함하여 구성되되,
    상기 이용자는 1인칭 시점에서 상기 HMD 디바이스를 통하여 화재에 대한 시각적 정보를 직접 경험하는 것을 특징으로 하고,
    상기 인테리어 라이브러리는 상기 화재가 발생할 객체의 정보가 구축되되, 상기 화재가 발생할 객체의 재질, 크기 그리고 형상에 따라 화재의 성상이 달라지는 객체의 정보가 구축되며, BIM 정보가 있는 경우에는 구축된 3차원 데이터와 서버에 저장된 BIM 모델을 매칭하여, 객체별로 난연성능 또는 불연성능을 포함한 자재특성 정보가 자동으로 부여되고, BIM 정보가 없는 경우에는 스테레오 카메라로 촬영된 영상에서 객체의 색상, 재질, 형태 등을 기존에 저장된 인테리어 라이브러리와 비교하여 객체의 재질을 유추하여 자재특성 정보가 자동으로 부여되며,
    상기 화재제어모듈은 상기 이용자가 상기 HMD 디바이스를 통하여 소화기를 작동하여 화재를 진압하는 과정을 구현하는 것을 특징으로 하되,
    상기 HMD 디바이스를 통하여 상기 이용자에게 혼합현실 상에서 소화기 사용법이 디스플레이되며, 상기 이용자는 상기 HMD 디바이스를 사용하여 소화기의 분사 방향, 각도 및 세기 등을 조절할 수 있고,
    불이 난 이후 연기가 발생하면 현재의 공간에 천정에서부터 퍼져서 시간이 지나감에 따라 연기가 아래쪽으로 내려오도록 하여 화염과 연기를 실제 상황과 같이 구현하되,
    화재 진압훈련 시 이용자의 호흡기관 위치(높이)와 연기가 내려온 높이가 일치할 경우 일정시간이 지나면 화재 진압이 실패한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 시각적 정보는,
    화재의 규모, 밝기, 색상을 포함한 정보로 구현되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템.
  4. 제3항에서,
    화재의 소리를 포함한 청각적 정보가 상기 시각적 정보와 더불어 상기 HMD 디바이스로 구현되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에서,
    상기 시각적 정보는,
    불길과 연기로 분류되고 상기 화재 구현 공간 내의 창호의 개방 여부 및 공조의 작동여부를 포함한 기류에 따라 상기 불길과 상기 연기가 제어되어 구현되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 시각적 정보는,
    상기 화재 구현 공간 내의 온도, 습도를 포함한 내부 환경요소를 고려하여 상기 불길과 상기 연기가 제어되어 구현되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템.
  9. 제1항의 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 것으로,
    (1) 이용자가 현실공간을 스테레오 카메라로 촬영하면 촬영 데이터가 화재 구현 공간의 3D정보로 구축되어 상기 공간 데이터베이스로 변환되는 3D 공간정보 변환단계;
    (2) 이용자가 상기 3D정보의 각 객체에 상기 인테리어 라이브러리에 구축된 객체 정보가 연동되는 인테리어 라이브러리 연동단계;
    (3) 이용자가 상기 HMD 디바이스를 통하여 상기 3D정보에 화재원의 위치 및 규모를 포함한 화재정보를 설정하는 화재설정단계;
    (4) 상기 화재제어모듈이 상기 HMD 디바이스를 통하여 혼합현실에서 이용자에게 시각적 또는 청각적으로 화재의 상기 시각적 정보와 시간적 변이를 제공하는 화재구현단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템을 이용한 화재 시뮬레이션 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
KR1020190166333A 2019-12-13 2019-12-13 혼합현실 기반의 화재환경 시뮬레이션 시스템 및 이를 이용한 화재 시뮬레이션 방법 KR102137040B1 (ko)

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