KR20190060625A - 관성 측정 유닛 센서의 위치 보정 장치 및 그 보정 방법 - Google Patents

관성 측정 유닛 센서의 위치 보정 장치 및 그 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 형태는 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치되어, 움직임의 각도 정보, 속도 정보, 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정하는 IMU 센서; 상기 IMU 센서에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표인 IMU좌표를 산출하는 IMU좌표 산출부; IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표인 보정기준좌표를 산출하는 보정기준좌표 산출부; 및 상기 보정기준좌표를 이용하여 상기 IMU좌표를 보정하는 게임 플레이어 위치 보정부;를 포함할 수 있다.

Description

관성 측정 유닛 센서의 위치 보정 장치 및 그 보정 방법{Apparatus for compensating position of IMU and Method for compensating the same}
본 발명은 위치 보정 장치 및 그 보정 방법으로서, 관성 측정 유닛 센서를 통해 측정되는 위치값을 보정하는 위치 보정 장치 및 보정 방법에 관한 것이다.
추적 정밀도, 추적 볼륨, 추적 마커(markers), 제조 비용 및 게임 플레이어설정의 복잡성과 같은 파라미터를 변화시키는 다양한 위치 추적 시스템 및 방법이 공지되어 있다.
예컨대, 가상현실(VR;Virtual Reality)은 고정된 컴퓨터 (개인용 컴퓨터 ("PC"), 랩탑 또는 게임 콘솔(console)과 같이)에 테더될(tethered) 수 있는 헤드-마운트 디스플레이(HMD, head-mounted display) 또는 독립식(self-contained)을 이용하여 생성된다. 또한, 가상현실(VR)은 일반적으로 완전히 몰입하여 사용자의 감각이 주변 환경에서 끊긴다. 이러한 기술 공간에서 다양한 응용 프로그램에 대한 추적 요구 사항은, 일반적으로 약 2 입방 미터로 제한된 추적 볼륨에서 여러 강체 (예, HMD, 입력 막대, 데스크톱 기하학적 구조)의 6 자유도("6DOF") 위치를 추적할수 있다.
그런데 위치 추적에 있어서 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서가 사용되는데, 이러한 IMU 센서를 이용한 위치 추적은 그 정확도에 한계가 있다. IMU 센서는 기본적으로 (3축자이로/가속도/지자기센서)로 구성되어진 모듈로서, 3축 자이로 센서를 이용해 피치, 롤 값등 각도 정보를 실시간으로 추출하고, 가속도 센서를 이용하여 속도 방향을 추적(점프 이동속도 등 추적)하고, 지자기 센서를 이용하여 지구의 자기장 값을 추적해 움직임 방향을 추적하도록 하고 있다.
VR용 체험공간에서 포지셔닝 트랙킹에 대한 위치 정보는 사람끼리의 충돌문제, 가상 설치물과 실제 물체와의 위치 오차가 발생할 경우의 안전문제, 벽 충돌 문제 등 공간인식 포지셔닝의 매우 기능을 담당 하게 된다.
현재의 일반적인 IMU 센서는 가상의 공간에 형성된 캐릭터는 실제 사람과 동일한 비율로 구성이 되어 각 관절의 각도(3축값), 이동을 하는데 이때 지자기 센서 방향데이터로　가상 캐릭터를 컨트롤　하게 된다. 이때 가상 캐릭터의 다리가 실제 착용자의 다리보다 짧거나 다를 경우 각도값만 적용하기에 계속적인 이동 시 누적오차로 인해 거리값 추적이 문제가 발생하며 이동거리에서 차이가 날 수 도 있다.
또 하나의 IMU 센서의 가장 큰　문제점은　실제 현장 체험장소에서 나타날 수 있는 건물 주변의 전자기파나 강한 자기장등이 발생할 경우　모든 센서의 좌표 값이 틀어지는 단점이 있다. 그렇게 되면 플레이어가 VR HMD를 쓰고 가상 공간을 돌아다니게 되면 원점으로 복귀할 때 주변의 상황에 따라 오차가 매우 크게 벌어질 수 있다. 이러한 단점으로 인하여 VR모션트랙 시스템에서 가장 중요한 공간인식을 할 수 없다는 문제를 야기할 수 있다.
한국공개특허 10-2017-0057993
본 발명의 기술적 과제는 관성 측정 유닛 센서를 통해 측정되는 위치값을 보정하는 위치 보정 수단을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치되어, 움직임의 각도 정보, 속도 정보, 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정하는 IMU 센서; 상기 IMU 센서에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표인 IMU좌표를 산출하는 IMU좌표 산출부; IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표인 보정기준좌표를 산출하는 보정기준좌표 산출부; 및 상기 보정기준좌표를 이용하여 상기 IMU좌표를 보정하는 게임 플레이어 위치 보정부;를 포함할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, GPS 위성을 이용하여 측정되는 GPS 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값에 대하여 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 GPS 보정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 UWB 측정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, 삼각 측정 보정 방식으로 측정되는 삼각 측정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 마커 측정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, 라이다(초음파/레이저)를 이용하여 실시간으로 3D 스캔하여 파악되는 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출부는, GPS 위성을 이용하여 측정되는 위치값을 GPS 위치값이라 하며, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값을 기준으로 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 위치값을 GPS 보정 위치값이라 하며, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 위치값을 UWB 측정 위치값이라 하며, 삼각 측정 보정 측위 방식으로 측정되는 위치값을 삼각 측정 위치값이라 하며, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 위치값을 마커 측정 위치값이라 할 때, 상기 GPS 위치값, GPS 보정 위치값, UWB 측정 위치값, 삼각 측정 위치값, 마커 측정 위치값이 두 개 이상 측정되는 경우, 측정되는 위치값의 평균값을 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 게임 플레이어 위치 보정부는, IMU좌표와 보정기준좌표간의 좌표 오차를 산출한 후, 파악된 좌표 오차가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 현재의 보정기준좌표를 가상현실 캐릭터의 원점 좌표로 재설정하는 보정을 수행할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 형태는, IMU 센서가, 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치되어, 움직임의 각도 정보, 속도 정보, 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정하는 움직임 정보 측정 과정; 게임 제어 유닛이, IMU 센서에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표인 IMU좌표를 산출하는 IMU좌표 산출 과정; 상기 게임 제어 유닛이, IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표인 보정기준좌표를 산출하는 보정기준좌표 산출 과정; 및 상기 게임 제어 유닛이, 상기 보정기준좌표를 이용하여 상기 IMU좌표를 보정하는 게임 플레이어 위치 보정 과정;을 포함할 수 있다.
상기 보정기준좌표 산출 과정은, GPS 위성을 이용하여 측정되는 위치값을 GPS 위치값이라 하며, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값을 기준으로 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 위치값을 GPS 보정 위치값이라 하며, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 위치값을 UWB 측정 위치값이라 하며, 삼각 측정 보정 측위 방식으로 측정되는 위치값을 삼각 측정 위치값이라 하며, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 위치값을 마커 측정 위치값이라 할 때, 상기 GPS 위치값, GPS 보정 위치값, UWB 측정 위치값, 삼각 측정 위치값, 표식 마커 측정 위치값이 두 개 이상 측정되는 경우, 측정되는 위치값의 평균값을 상기 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
상기 게임 플레이어 위치 보정 과정은, IMU좌표와 보정기준좌표간의 좌표 오차를 산출한 후, 파악된 좌표 오차가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 현재의 보정기준좌표를 가상현실 캐릭터의 원점 좌표로 재설정하는 보정을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 관성 측정 유닛 센서를 통해 측정되는 위치값을 GPS 좌표 등을 통하여 보정함으로써, VR 게임시에 캐릭터의 정확한 위치를 실시간으로 파악할 수 있다.
도 1은 IMU 센서가 적용된 가상현실 게임 시스템을 모식도로 나타낸 그림.
도 2는 IMU 센서가 적용된 가상현실 게임 시스템의 구성 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 IMU 센서의 위치 보정 장치의 구성 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 HMD의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표시 마커가 마련된 모습을 도시한 그림.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 IMU 센서의 위치 보정 과정들을 도시한 플로차트.
이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 IMU 센서가 적용된 가상현실 게임 시스템을 모식도로 나타낸 그림이며, 도 2는 IMU 센서가 적용된 가상현실 게임 시스템의 구성 블록도이다.
본 발명의 실시예 설명에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 IMU 센서(20)가 적용된 가상현실 게임 시스템에 대하여 도 1 및 도 2와 함께 간략하게 설명한다.
가상현실 게임 시스템은 액티브 영역(A/A)이 정의되는 장소에서 게임 플레이어가 위치함에 따라 실행되는 게임 콘텐츠를 제공하는 가상 현실 게임 시스템으로서, 게임 플레이어의 손에 의한 조작을 입력받는 게임 컨트롤러(40)와, 게임 플레이어의 착용 슈트(50)에 적어도 하나가 설치되고, 게임 플레이어의 조작, 동작 및 이동을 감지하는 IMU 센서(20), 게임 플레이어가 머리에 착용하며 게임 콘텐츠를 표시하는 HMD(30) 및, 게임 컨트롤러(40) 및 IMU 센서(20)로부터 각각 수신되는 조작신호 및 감지신호에 대응하여 게임 콘텐츠를 실행하고 HMD(30)를 통해 표시하는 게임 제어 유닛(10)를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 가상현실 게임 시스템은 지면으로는 하나 이상의 영역으로 구분되는 스테이지가 정의되어 있을 수 있으며, 게임 플레이어는 게임 컨트롤러(40)를 소지하고 모션인식 마커나 센서를 부착한 착용 슈트(50) 및 게임 플레이어를 착용한 상태로 별도의 하드웨어 패턴 실행명령을 통해 게임 콘텐츠를 실행할 수 있다. 또한, 가상현실 게임 시스템은 반복적인 특정 동작패턴 분석을 통한 이동 실행 명령 알고리즘이 적용된다.
게임 컨트롤러(40)(Game Controller)는 게임 콘텐츠를 진행하기 위해 게임 플레이어의 조작을 입력받는 역할을 하는 것으로, 게임 콘텐츠가 FPS 장르일 경우 트리거를 입력버튼으로 하는 총기, 활, 칼 등의 형상일 수 있으며, 이동을 위한 방향키, 복수의 스위치형 버튼 및 터치형 버튼을 구비하는 일반적인 게임 컨트롤러(40) 형상일 수 있다.
이러한 게임 컨트롤러(40)는 유선 또는 무선으로 게임 제어 유닛(10)와 전기적으로 연결되며, 게임 중 사용자의 조작을 입력받아 제임 제어장치에 실시간으로 전송하게 된다.
또한, 게임 컨트롤러(40)는 게임 콘텐츠에서 아바타(Avatar)의 행위 중, 무기조작에 관련된 행위뿐만 아니라, 아바타의 이동 및 동작에 대한 행위를 구현하는 데 이용될 수 있다. 일 예로서, FPS 장르의 게임인 경우 게임 컨트롤러(40)는 사격 또는 장전 등의 아바타가 총기를 조작하는 행위에 주로 이용될 수 있고, 또는 시스템의 구성에 따라 아바타가 제자리에서 앉거나 특정 좌표로 이동하는 행위를 제어하는 데도 이용될 수 있다.
예를 들어, 가상현실 게임 시스템은 사용자가 소지하는 게임 컨트롤러(40)의 작동설정에 따라 2가지의 아바타 제어방식이 적용될 수 있다. 제1제어방식은 게임 컨트롤러(40)에 구비된 특정버튼을 누르거나 혹은 소정횟수 반복하여 버튼을 누르면 조작뿐만 아니라, 아바타가 가상공간에서 다른 공간으로의 이동 및 특정동작을 행하도록 제어하는 방식이고, 제2제어방식은 게임 컨트롤러(40)는 아바타의 게임 컨트롤러(40) 등의 조작에만 이용되며, 이동 및 동작과 같은 행위는 게임 플레이어가 직접 스테이지상의 영역을 이동하거나, 대응되는 동작을 행하면 이를 시스템에서 인식하여 아바타에게 반영하는 방식이다.
착용 슈트(50)는 게임 중 게임 플레이어가 착용하는 것으로, 게임 플레이어의 충돌방지 및 안전을 위해 이동거리를 제한하며, HMD(30)를 착용함에 따라 실제 시야가 가려진 게임 플레이어가 이동 및 동작 중에 벽면에 부딪침에 따라 발생할 수 있는 안전사고로부터 게임 플레이어를 보호하게 된다. 특히, 착용 슈트(50)에는 IMU 센서(20)가 하나 이상 구비될 수 있으며, 이는 사용자의 동작 및 이동을 보다 정확하게 인식할 수 있도록 한다.
IMU 센서(20)는, 게임 플레이어의 이동 및 동작을 감지하는 것으로, HMD(30)에 구비되거나, 또는 별도로 사용자의 신체부위에 부착되는 형태로 구성될 수 있다.
IMU 센서(20)는 기본적으로 3축자이로/가속도/지자기센서로 구성되어진 모듈로서, 3축 자이로 센서를 이용해 피치, 롤 값등 각도 정보를 실시간으로 추출하고, 가속도 센서를 이용하여 속도 방향을 추적(점프 이동속도 등 추적)하고, 지자기 센서를 이용하여 지구의 자기장 값을 추적해 움직임 방향을 추적하도록 하고 있다. 자이로 센서에는 피치(Pitch), 롤(Roll), 요(Yaw) 3축 중피치(Pitch), 롤(Roll)은 중력을 기준으로 상대적 수치가 있는 반면 요(Yaw)는 지자기가 없으면 기준점이 없어서 다른 자이로 센서와 다른 요(Yaw) 값을 가지게 된다. 정밀한 자이로 센서는 지자기가 없어도 3축 값을 얻을 수 있다.
HMD(30)(Head Mounted Display Device)는 게임 콘텐츠를 게임 플레이어가 시청할 수 있도록 디스플레이하는 역할을 하며, 게임 플레이어는 머리에 HMD(30)를 착용하여 실시간으로 게임 콘텐츠의 진행에 따른 화면을 확인할 수 있다.
특히, HMD(30)는 게임 플레이어가 바라보는 방향에 대응되는 게임 화면을 표시하게 된다. 이러한 HMD(30)는 무선 통신을 통해 게임 콘텐츠의 실행에 따른 게임화면을 실시간으로 전송받아 표시한다. 즉, HMD(30)는 무선 스트리밍 방식으로 콘텐츠에 대응하는 영상을 전송받거나, 모션트랙킹에 의해 산출된 각 신호 값을 무선으로 수신할 수도 있다. 이러한 무선 통신 방식은, 적외선 통신(Infrared Radiation), 블루투스(Bluetooth), 홈 RF(Radio Frequency) 및 무선 랜(Wireless LAN)과 같은 무선 통신 방식이 사용될 수도 있다.
게임 제어 유닛(10)는 가상현실 게임 시스템에서 제공하는 서비스를 전반적으로 제어하는 역할을 하는 것으로, 전술한 게임 컨트롤러(40), IMU 및 HMD(30)와 유선 또는 무선방식으로 연결되어 사용자의 행위를 감지하고 게임 콘텐츠를 실행하게 된다.
게임 제어 유닛(10)는 게임 컨트롤러(40)에 입력되는 게임 플레이어의 조작과, IMU 센서(20)로부터 사용자의 이동 및 동작에 대한 감지결과를 수신하여 제어신호를 생성하고, 그 제어신호를 게임 콘텐츠에 반영하여 게임을 진행하게 된다. 동시에, 게임 제어 유닛(10)는 실행중인 게임 콘텐츠에 대한 게임 화면을 HMD(30)에 전송하여 게임 플레이어가 게임 화면을 시청할 수 있도록 한다. 게임 제어 유닛(10)는 이러한 기능을 구현하기 위한 복수의 모듈을 포함하는 컴퓨터 프로그램과, 이를 실행하는 프로세서 및 기록매체로 구성될 수 있다.
상기의 구조에 따라, 게임 제어 유닛(10)를 포함하는 가상현실 게임 시스템은 사용자의 조작뿐만 아니라, 동작 및 이동에 따른 실감나는 게임 콘텐츠를 제공할 수 있다.
그런데 IMU 센서(20)를 이용한 위치 추적의 경우, 계속적인 이동 시에 누적오차로 인해 거리값 추적이 문제가 발생하며 이동거리에서 차이가 날 수 있다. 또한 　실제 현장 체험장소에서 나타날 수 있는 건물 주변의 전자기파나 강한 자기장등이 발생할 경우　IMU 센서(20)의 좌표 값이 틀어지는 단점이 있다.
이러한 IMU 센서(20)의 단점을 보완하기 위하여 본 발명은, IMU 센서(20)의 위치값(캐릭터의 위치)을 실시간으로　추적 비교해서 GPS로 추적된 위치 정보와 가상 캐릭터의 이동거리를 비교 분석하여 차이가 발생하면 GPS값을 최우선 원점 좌표기준으로 보상하도록 한다. 즉, 본 발명은 GPS의 위치값을 기준점(보정기준좌표로 기준점 삼음)으로 사용하여 실시간으로 비교추적해서 거리값을 재 보정하는 것이다. 이하 도 3 내지 도 5와 함께 상술한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 IMU 센서의 위치 보정 장치의 구성 블록도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 HMD의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표시 마커가 마련된 모습을 도시한 그림이다.
IMU 센서의 위치 보정 장치는, 도 3에 도시한 바와 같이 IMU 센서(20), IMU좌표 산출부(110), 보정기준좌표 산출부(120), 및 게임 플레이어 위치 보정부(130)를 포함할 수 있다.
IMU 센서(20)는, 상술한 바와 같이 3축자이로/가속도/지자기센서로 구성되어진 모듈로서, 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치될 수 있는데, 예컨대, 도 3에 도시한 에MD의 내부 또는 외부에 마련될 수 있다. 또는 게임 플레이어가 착용한 착용 슈트(50)에 마련될 수 있다. HMD(30)(Head Mounted Display Device)는 도 3에 도시한 바와 같이, 머리에 쓰고 대형 영상을 즐길 수 있는 영상표시기기로서, 가상현실(VR) 콘텐츠가 표시된다. 따라서 게임 플레이어는 머리에 HMD(30)를 착용하여 실시간으로 가상현실 게임 콘텐츠의 진행에 따른 화면을 확인하며 가상현실 게임을 즐길 수 있다. HMD(30)는 IMU 센서(20)가 탑재될 수 있는데, 이러한 IMU 센서(20)는, HMD(30)의 내부 또는 외부에 마련될 수 있다.
IMU 센서(20)는, 이동물체의 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정한다. 즉, IMU 기반의 위치추정은 가속도계, 각속도계, 지자기계 및 고도계를 이용하여 보행자 및 이동물체의 움직임 상황을 인식하는 센서이다. IMU 센서(20)에는 일반적으로 3축 가속도계와 3축 각속도계가 내장되어 있어 진행방향, 횡방향, 높이방향의 가속도와 롤링(roll), 피칭(pitch), 요(yaw) 각속도의 측정이 가능하며, IMU 센서(20)로부터 얻어지는 가속도와 각속도를 적분하여 이동물체(보행자)의 속도와 자세각과 움직임 방향 등의 산출이 가능하여,
IMU좌표 산출부(110)는, 관성 측정 유닛에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표(이하, 'IMU좌표'라 함)를 산출한다. IMU 센서(20)에는 일반적으로 3축 가속도계와 3축 각속도계가 내장되어 있어 진행방향, 횡방향, 높이방향의 가속도와 롤링(roll), 피칭(pitch), 요(yaw) 각속도의 측정이 가능하며, IMU좌표 산출부(110)는, IMU 센서(20)로부터 얻어지는 가속도와 각속도를 적분하여 이동물체(보행자)의 속도와 자세각과 움직임 방향 등의 파악하여 상대 좌표를 산출할 수 있다.
참고로, 상기의 IMU좌표 산출부(110)는 게임 제어 유닛(10)에서 구현될 수 있다. 즉, IMU 센서(20)가 HMD(30)에 마련되는 경우, IMU좌표 산출부(110)는, HMD(30)를 제어하는 연산 장치인 MCU(Main Control Unit)으로 구현되는 게임 제어 유닛(10)의 프로그램상에서 구동될 수 있다. 이는 후술할 보정기준좌표 산출부(120), 및 게임 플레이어 위치 보정부(130) 역시, 게임 제어 유닛(10) 상에서 구현될 수 있다.
보정기준좌표 산출부(120)는, IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표(이하, '보정기준좌표'라 함)를 산출하는 모듈이다. 이러한 보정기준좌표 산출부(120)는, 다음과 같이 다양한 방식으로 측정되는 위치값을 산출하여 보정기준좌표로 결정할 수 있다.
(1) GPS 위치값 이용
GPS 위성을 이용하여 측정되는 GPS 위치값을 산출하여 보정기준좌표로 결정하는 방식이다. GPS(Global Positioning System)는 미국이 제공하는 인공위성 기반 측위 데이터 제공 시스템으로서 GPS 수신 장치는 위성 전파를 참조하여 위성에서 송신한 신호가 수신 장치에 도달하는데 걸리는 시간(TOA: Time of Arrival)을 계산하여 거리를 계산하여 삼각 측량에 의하여 위치를 산출한다.
참고로, 현재 기술로는 GPS의 데이터가 수 미터로 오차가 크기 때문에 정밀 측량이 현실적으로 사용이 어려운 문제가 있는데, 따라서 기존의 GPS수신을 받는 기준국(고정밀GPS수신장치)을 고정 장소에 설치하여 GPS위성좌표를 받아 오차를 정밀 보정하고 이때 스마트폰과 같은 이동국 GPS수신장치로 전송하여 삼각 측위 보정 방식에 의하여 착용자에 부착된 이동국 GPS 장치의 위치를 재 보정 산출하게 된다.
(2) GPS 위치값 + GPS 보정 위치값 이용
GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값을 기준으로 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 GPS 보정 위치값을 산출하여 보정기준좌표로 결정하는 방식이다. 오차 값을 알고 있는 기준국인 이동통신국으로부터 보정정보를 받은 후 위치계산에 적용하면, 이동국에서는 위치계산 중 발생하는 오차를 줄이고, 정밀한 위치 획득이 가능하게 된다.
(3) UWB 측정값 이용
초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 UWB 측정 위치값을 산출하여 보정기준좌표로 결정하는 방식이다. 즉, 초광대역펄스를 이용하는 UWB(Ultra Wide Band) 초정밀 측위기술로서 건물내부나 공원 운동장 등 범위가 제한되어 있는 개방된 구간에서 이동체의 위치를 파악할 수 있다.
(4) 삼각 측정값 이용
삼각 측정 보정 방식으로 측정되는 삼각 측정 위치값을 보정기준좌표로 산출하여 보정기준좌표로 결정하는 방식이다. 이와 같이 전파를 이용하여 삼각 측정 보정 방식을 통해 위치값을 산출하는 것은, 다수의 고정형 중계기를 통한 무선 5G무선통신, LiFi통신, 블루투스, 전파 레이다(라이다) 방식, 초음파 센서, 레이저센서, 카메라 영상 추적 기법, 기타 무선신호　전송 측위 장치를 이용한 삼각 측정 보정을 통해 위치값을 산출할 수 있다. 상술하면, 찾고자 하는 물체에 송신 안테나를 장착하고 가로 세로 임의의 크기의 공간에 설치된 사각형 포지션에 각 꼭지점 마다 수신 안테나를 달아서 송수신 되는 신호의 수신 파형을 분석하고 파형의 위상 차와 도달 시간의 차이를 계산하면 위치좌표를 얻을 수 있다. 또한 다른 방법은 바닥에 센서를 장착하는 방법도 있는데 광학적으로 위치 데이터를 얻을 수 있다. 또한 꼭지점에　분석을 위한 카메라를 3개 가량　달고 각 점에서 얻어진 데이터를 분석해서 물체의 크기와 주변 물체와의 비교를 통해 거리와 각도를 환산하여 삼각 측정 위치값을 산출할 수 있다.
(5) 마커 측정 위치값
도 5에 도시한 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커(M)를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 마커 측정 위치값을 산출하여 보정기준좌표로 결정하는 방식이다. 즉, 본 출원인에 의해 출원된 "게임 제어 유닛 및 이를 포함하는 가상현실 게임 시스템"에서 제시된 바와 같이, 실내의 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커(M)를 인식하여 위치 추적을 하는 경우, 추적된 위치값을 보정기준좌표로 결정하는 것이다.
(6) 라이다(초음파/레이저) 실시간 스캔값 이용
라이다(초음파/레이저)를 이용하여 실시간으로 게임 플레이어를 3D 스캔하여 파악되는 위치 값을 보정기준좌표로 결정하는 방식이다. 라이다(초음파/레이저)를 이용하여 사물의 3D형상이 추적이 되면 실시간 실제위치도 추적이 가능하기 때문이다.
한편, 본 발명의 보정기준좌표 산출부(120)는, 상기의 다수개의 위치값을 활용하여 보정기준좌표로 결정할 수 있다. 즉, 보정기준좌표 산출부(120)는, GPS 위성을 이용하여 측정되는 위치값을 GPS 위치값이라 하며, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값을 기준으로 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 위치값을 GPS 보정 위치값이라 하며, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 위치값을 UWB 측정 위치값이라 하며, 삼각 측정 보정 측위 방식으로 측정되는 위치값을 삼각 측정 위치값이라 하며, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 위치값을 마커 측정 위치값이라 할 때, GPS 위치값, GPS 보정 위치값, UWB 측정 위치값, 삼각 측정 위치값, 마커 측정 위치값이 두 개 이상 측정되는 경우, 측정되는 위치값의 평균값을 보정기준좌표로 결정할 수 있다. 따라서 다수의 방식으로 측정되는 위치값의 평균값을 이용함으로써 보다 정확한 좌표 산출이 가능해진다.
한편, 게임 플레이어 위치 보정부(130)는, 보정기준좌표를 이용하여 IMU좌표를 보정한다. 즉, 게임 플레이어 위치 보정부(130)는 IMU좌표와 보정기준좌표간의 좌표 오차를 산출한 후, 파악된 좌표 오차가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 현재의 보정기준좌표를 가상현실 캐릭터의 원점 좌표로 재설정하는 보정을 수행한다.
예를 들어, 게임 플레이어가 HMD(30)를 쓰고 가상공간을 돌아다니게 되면 원점으로 복귀할 때 주변의 상황에 따라 오차가 매우 크게 벌어질 수 있는데, 게임 플레이어 위치 보정부(130)는, 캐릭터의 위치에 대해서 IMU 센서(20)의 측정 좌표인 IMU좌표를 실시간으로　추적 비교해서 GPS로 추적된 GPS 위치값과 가상 캐릭터의 이동거리를 비교 분석하여 차이가 임계치를 초과하면 GPS 위치값을 최우선 원점 좌표기준으로 보상하게 된다. 즉, GPS 위치값을 활용할 경우 GPS 위치값을 기준점으로 사용하여 실시간으로 비교추적해서 거리값을 재보정하는 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 IMU 센서의 위치 보정 과정들을 도시한 플로차트이다.
게임 플레이어의 HMD(30)에 마련된 IMU 센서(20)에서 측정되는 위치를 보정하는 IMU 센서(20)의 위치 보정 방법에 있어서, 본 발명의 IMU 센서(20)의 위치 보정 방법은 도 6에 도시한 바와 같이, 움직임 정보 측정 과정(S610), IMU좌표 산출 과정(S620), 보정기준좌표 산출 과정(S630), 및 게임 플레이어 위치 보정 과정(S640)을 포함할 수 있다.
움직임 정보 측정 과정(S610)은, IMU 센서(20)가, 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치되어, 움직임의 각도 정보, 속도 정보, 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정하는 과정이다.
IMU좌표 산출 과정(S620)은, 게임 제어 유닛(10)이, IMU 센서(20)에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표인 IMU좌표를 산출하는 과정이다.
보정기준좌표 산출 과정(S630)은, 게임 제어 유닛(10)이, IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표인 보정기준좌표를 산출하는 과정이다.
보정기준좌표 산출 과정(S630)은, GPS 위성을 이용하여 측정되는 GPS 위치값을 GPS 위치값이라 하며, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값에 대하여 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 GPS 보정 위치값이라 하며, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 게임 플레이어의 위치값을 UWB 측정 위치값이라 하며, 삼각 측정 보정 측위 방식으로 측정되는 게임 플레이어의 삼각 측정 위치값이라 하며, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 게임 플레이어의 위치값을 표식 마커 측정 위치값이라 할 때, 이들중 어느 하나의 위치값을 보정기준좌표로 산출한다.
또한 다른 실시예로서 보정기준좌표 산출 과정(S630)은, GPS 위치값, GPS 보정 위치값이라 하며, UWB 측정 위치값, 삼각 측정 위치값, 마커 측정 위치값이 두 개 이상 측정되는 경우, 측정되는 위치값의 평균값을 보정기준좌표로 결정할 수 있다. 따라서 두 개 이상의 복수의 방식으로 보정기준좌표가 산출되는 경우 이들의 평균값을 보정기준좌표로 결정하여, 보정기준좌표의 정확도를 높일 수 있다.
게임 플레이어 위치 보정 과정(S640)은, 게임 제어 유닛(10)이, 상기 보정기준좌표를 이용하여 상기 IMU좌표를 보정하는 과정이다. IMU좌표와 보정기준좌표간의 좌표 오차를 산출한 후, 파악된 좌표 오차가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 현재의 보정기준좌표를 가상현실 캐릭터의 원점 좌표로 재설정하는 보정을 수행한다.
한편, 본 발명의 실시예는 실내 및 실외 구분없이 사용되어 구현될 수 있으며, 또한 한 명의 게임 플레이어뿐만 아니라 다수의 게임 플레이어가 한 공간(가상 공간상은 네트워크시스템으로 참여진행)에서 동시에 참여해서 하는 게임 방식에도 마찬가지로 적용 가능함은 자명할 것이다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
10:게임 제어 유닛
20:IMU 센서
30:HMD
110:IMU 좌표 산출부
120:보정기준좌표 산출부
130:게임플레이어 위치 보정부

Claims (12)

  1. 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치되어, 움직임의 각도 정보, 속도 정보, 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정하는 IMU 센서;
    상기 IMU 센서에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표인 IMU좌표를 산출하는 IMU좌표 산출부;
    IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표인 보정기준좌표를 산출하는 보정기준좌표 산출부; 및
    상기 보정기준좌표를 이용하여 상기 IMU좌표를 보정하는 게임 플레이어 위치 보정부;
    를 포함하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    GPS 위성을 이용하여 측정되는 GPS 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값에 대하여 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 GPS 보정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 UWB 측정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    삼각 측정 보정 방식으로 측정되는 삼각 측정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 마커 측정 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    라이다(초음파/레이저)를 이용하여 실시간으로 3D형상을 스캔하여 파악되는 위치값을 산출하여 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출부는,
    GPS 위성을 이용하여 측정되는 위치값을 GPS 위치값이라 하며, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값을 기준으로 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 위치값을 GPS 보정 위치값이라 하며, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 위치값을 UWB 측정 위치값이라 하며, 삼각 측정 보정 측위 방식으로 측정되는 위치값을 삼각 측정 위치값이라 하며, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 위치값을 마커 측정 위치값이라 할 때,
    상기 GPS 위치값, GPS 보정 위치값, UWB 측정 위치값, 삼각 측정 위치값, 마커 측정 위치값이 두 개 이상 측정되는 경우, 측정되는 위치값의 평균값을 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 게임 플레이어 위치 보정부는,
    IMU좌표와 보정기준좌표간의 좌표 오차를 산출한 후, 파악된 좌표 오차가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 현재의 보정기준좌표를 가상현실 캐릭터의 원점 좌표로 재설정하는 보정을 수행하는 IMU 센서의 위치 보정 장치.
  10. IMU 센서가, 게임 플레이어가 착용한 장비에 설치되어, 움직임의 각도 정보, 속도 정보, 움직임 방향 정보를 포함하는 움직임 정보를 측정하는 움직임 정보 측정 과정;
    게임 제어 유닛이, IMU 센서에서 측정되는 움직임 정보를 기반으로 게임 플레이어의 움직임에 따른 위치 좌표인 IMU좌표를 산출하는 IMU좌표 산출 과정;
    상기 게임 제어 유닛이, IMU좌표를 보정하는데 사용되는 기준좌표인 보정기준좌표를 산출하는 보정기준좌표 산출 과정; 및
    상기 게임 제어 유닛이, 상기 보정기준좌표를 이용하여 상기 IMU좌표를 보정하는 게임 플레이어 위치 보정 과정;
    을 포함하는 IMU 센서의 위치 보정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 보정기준좌표 산출 과정은,
    GPS 위성을 이용하여 측정되는 위치값을 GPS 위치값이라 하며, GPS 위성을 통해 측정되는 GPS 위치값을 기준으로 통신기지국으로부터 수신되는 GPS 보정값을 이용하여 보정한 위치값을 GPS 보정 위치값이라 하며, 초광대역펄스를 이용한 UWB(Ultra Wide Band) 측위 방식으로 측정되는 위치값을 UWB 측정 위치값이라 하며, 삼각 측정 보정 측위 방식으로 측정되는 위치값을 삼각 측정 위치값이라 하며, 바닥, 벽, 천정 등에 부착된 표식 마커를 통한 위치 추적을 통해 파악되는 위치값을 마커 측정 위치값이라 할 때,
    상기 GPS 위치값, GPS 보정 위치값, UWB 측정 위치값, 삼각 측정 위치값, 표식 마커 측정 위치값이 두 개 이상 측정되는 경우, 측정되는 위치값의 평균값을 상기 보정기준좌표로 결정하는 IMU 센서의 위치 보정 방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 게임 플레이어 위치 보정 과정은,
    IMU좌표와 보정기준좌표간의 좌표 오차를 산출한 후, 파악된 좌표 오차가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 현재의 보정기준좌표를 가상현실 캐릭터의 원점 좌표로 재설정하는 보정을 수행하는 IMU 센서의 위치 보정 방법.
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