WO2020111380A1 - 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치 - Google Patents

키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치 Download PDF

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kinetic
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art device
motor
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    • B44B—MACHINES, APPARATUS OR TOOLS FOR ARTISTIC WORK, e.g. FOR SCULPTURING, GUILLOCHING, CARVING, BRANDING, INLAYING
    • B44B1/00—Artist's machines or apparatus equipped with tools or work holders moving or able to be controlled three-dimensionally for making single sculptures or models
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B44B1/00—Artist's machines or apparatus equipped with tools or work holders moving or able to be controlled three-dimensionally for making single sculptures or models
    • B44B1/06—Accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B44—DECORATIVE ARTS
    • B44C—PRODUCING DECORATIVE EFFECTS; MOSAICS; TARSIA WORK; PAPERHANGING
    • B44C3/00—Processes, not specifically provided for elsewhere, for producing ornamental structures
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/10—Constructive solid geometry [CSG] using solid primitives, e.g. cylinders, cubes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for producing a kinetic art device, and more particularly, to a system and method for producing a kinetic art device and a kinetic art device produced thereby, which can shorten a working time according to the production of a kinetic art device. It is about.
  • Kinetic art is an art based on movement. Kinetic art can be embodied as a mechanical piece that is powered by an air flow or a motor by giving mechanical motion to a stationary piece. Recently, it has been developed infinitely in various forms by fusion with cutting-edge technologies such as video art, laser art, and holography. It is a genre of art.
  • Kinetic art is a moving work of art that can attract people's attention, maximize movement according to the effects of materials and light, and actively combine with other genres of media art in advertising, brand promotion, exhibitions, public sculptures, performances, etc. It is utilized.
  • the movement of the kinetic art device is mostly controlled by the artist who produces the kinetic art or controlled through a program, and for this, the writer or developer designs the movement.
  • the movement part of the kinetic art device is determined according to the intention of the composition artist or the desire to express it, but the size and quantity of the kinetic art device are currently implemented as large-scale, large-scale motion parts.
  • the present invention has been devised in view of the above-mentioned points, by separating the engineering field and the art field required for the production of the kinetic art device, so that artists without engineering knowledge can participate in the production of the kinetic art device, and the customer is the final result.
  • the system for producing a kinetic art device according to the present invention for solving the above-described object is a system for producing a kinetic art device for producing a kinetic art device having a motion part that implements motion according to the movement of a plurality of moving members.
  • 3D modeling modeling a 3D object corresponding to the moving member and a 3D coordinate space in which the 3D object is disposed, and creating an animation in which the modeled 3D object moves according to a pre-planned motion to store the created animation as intermediate data part;
  • a kinetic simulation unit that loads the intermediate data created by the 3D modeling unit to simulate the motion of the 3D object, and detects time-series coordinates of the 3D object to extract coordinate data;
  • a motor control module that loads coordinate data of the 3D object extracted by the kinetic simulation unit and generates control signals for controlling a plurality of motors that provide driving force to the plurality of moving members.
  • the intermediate data generated by the 3D modeling unit may include polygons and vertices of the 3D object.
  • the kinetic simulation unit directly obtains the moving coordinates of the 3D object from the coordinates of the 3D object, and when the reference point cannot be specified from the 3D object, the topmost point of the 3D object A negative distance may be obtained from a fixture on the 3D coordinate space, and a moving distance for each time of the 3D object may be obtained to obtain a moving coordinate of the 3D object.
  • the kinetic simulation unit obtains a movement coordinate on a single axis from a fixture positioned in a direction in which the 3D object linearly moves, for linear motion of the 3D object.
  • the moving coordinates may be obtained by obtaining a moving distance from each of the two fixtures arranged to be orthogonal in the 3D coordinate space.
  • the kinetic simulation unit may detect the 3D object from an angle inclined with respect to the reference part in the 3D coordinate space. You can get the moving coordinates.
  • the kinetic simulation unit includes a grand-view simulation showing the overall motion of a kinetic art device model composed of 3D objects in a 3D coordinate space, and a visitor view simulation showing the motion of the 3D object with the viewer's eyes.
  • -View Simulation and at least one simulation among lighting simulations showing the motions of only the light emitting unit provided in the motion unit may be performed.
  • the motor control module includes a plurality of motor controllers each controlling a plurality of motor groups in which two or more motors are grouped among a plurality of motors operating the motion unit, and the plurality of motors according to a pre-planned motion of the motion unit. It may include a control server for managing and controlling the plurality of motor controllers so that the control.
  • the method of manufacturing a kinetic art device according to the present invention for solving the above-described object, the production of a kinetic art device for manufacturing a kinetic art device having a motion unit for realizing motion according to the movement of a plurality of moving members
  • a method comprising: (a) modeling a 3D object corresponding to the moving member and a 3D coordinate space in which the 3D object is disposed using a 3D modeling unit; (b) creating an animation in which the modeled 3D object moves according to a pre-planned motion using the 3D modeling unit, and storing the created animation as intermediate data; (c) Loading the intermediate data created by the 3D modeling unit into a kinetic simulation unit, simulating the motion of the 3D object using the kinetic simulation unit, and detecting time-series coordinates of the 3D object to extract coordinate data To do; And (d) loading control data of the 3D object extracted from the kinetic simulation unit into a motor control module, and using a motor control module to generate a control signal for controlling
  • the intermediate data created in step (b) may include polygons and vertices of the 3D object.
  • step (c) when the kinetic simulation unit can specify a reference point from the 3D object, if the moving coordinates of the 3D object are directly obtained from the coordinates of the 3D object and the reference point cannot be specified from the 3D object ,
  • the distance of the uppermost end of the 3D object may be obtained from a fixture on the 3D coordinate space, and a moving distance for each time of the 3D object may be obtained to obtain movement coordinates of the 3D object.
  • step (c) when the kinetic simulation unit cannot specify a reference point from the 3D object, for linear motion of the 3D object, movement on a single axis from a fixture positioned in a direction in which the 3D object linearly moves Moving coordinates are obtained by obtaining a distance, and for the rotational movement of the 3D object, moving coordinates may be obtained by obtaining a moving distance from each of two fixtures arranged to be orthogonal in the 3D coordinate space.
  • the 3D object when the movement direction of the 3D object is not horizontal or vertical with respect to the reference part in the 3D coordinate space, the 3D object is tilted with respect to the reference part in the 3D coordinate space.
  • the moving coordinates of the 3D object can be obtained from an angle.
  • step (c) the kinetic simulation unit performs grand-view simulation showing the overall motion of the kinetic art device model composed of 3D objects in 3D coordinate space, and the motion of the 3D object with the viewer's eyes. At least one simulation may be performed between a visible visitor view simulation and a lighting simulation showing only the motion of the light emitting unit provided in the motion unit.
  • the kinetic art device for solving the above-described object, in the kinetic art device having a motion unit for realizing motion according to the movement of a plurality of moving members, stores the motion data for the motion unit Management server; A plurality of motors providing driving force to the plurality of moving members; And a motor control module receiving the motion data from the management server and generating a control signal for controlling the plurality of motors according to the motion data.
  • the motor control module includes two of the plurality of motors.
  • a plurality of motor controllers for controlling a plurality of motor groups, each of which is grouped by one or more motors, and a control server unit for managing and controlling the plurality of motor controllers such that the plurality of motors are controlled according to a pre-planned motion of the motion unit do.
  • the control server unit includes a main motion control server that manages and controls the plurality of motor controllers so that the plurality of motors can be integrated and controlled according to the pre-planned motion of the motion unit, and the plurality of motions according to the pre-planned motion of the motion unit. It may include a time synchronization server for managing and controlling the plurality of motor controllers so that the motor of the time synchronization control.
  • the motor control module includes a kinetic sensor that senses the movement of the spectator, a detection signal from the kinetic sensor, and a detection signal of the kinetic sensor so that the motion unit can produce a pre-planned motion according to the movement of the spectator. Accordingly, an interactive motion control server for managing and controlling the plurality of motor controllers may be included to control the plurality of motors.
  • the motor controller may receive a synchronization command signal from the control server unit, compare the current time stamp accumulated after the start command signal with the time stamp of the command signal, and feedback control the motor according to the comparison value.
  • the motor control module implements a basic control algorithm in a manner of estimating an actual position value for the motor according to the following equation, and calculating a position value and speed to update based on the estimated actual position value.
  • the motor can be controlled.
  • the motor control module measures a data transmission time (Round-Trip Time) and a change in data transmission time (Jitter) of data transmitted to each of the plurality of motor controllers, and measures the time of each of the plurality of motor controllers in real time.
  • a uniform time interval motion that can utilize the uneven time state created by the correction algorithm and the transmission time (Delay) and the transmission time deviation (Jitter) of the motion data for the plurality of motors to control the position of the motion part
  • the plurality of motors can be controlled by applying an algorithm that changes data.
  • the motion programming process is processed as a motion data extraction process through the kinetic simulation unit using the kinetic simulation unit, the programming process by the developer can be omitted. Therefore, it is possible to significantly shorten the development period, to pre-filter for technical errors in motion, and to apply quick customer feedback, so efficient work is possible and it is possible to manufacture a more complete kinetic art device.
  • the motion of the motor in charge of driving the motion unit can be more precisely controlled, the motion of the motion unit of the kinetic art device that needs to generate motion by driving tens to thousands of motors is more harmonious, It can be made in various ways and can improve the workability of kinetic art.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a production system of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a flow chart showing a step-by-step production method of a kinetic art device using a production system of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 show examples of simulations performed by the kinetic simulation unit of the production system of the kinetic art device according to an embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are for explaining a method of obtaining a moving coordinate of a 3D object using the kinetic simulation unit of the production system of the kinetic art device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram schematically showing a kinetic art device produced by a production system of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a motor control module of the kinetic art device shown in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a control flowchart for describing an operation method of the kinetic art device shown in FIG. 8.
  • 11 is a graph showing a comparison between a command value for motor control and the actual motor motion.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of a production system of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a production of a kinetic art device using the production system of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention It is a flowchart showing the method step by step.
  • the production system 100 of a kinetic art device includes a 3D modeling unit 110, a kinetic simulation unit 120, and a motor control module 130.
  • the production system 100 of the kinetic art device is for producing a kinetic art device having a motion unit that implements motion according to the movement of a plurality of moving members, and even writers without engineering knowledge can make the kinetic art device do.
  • the 3D modeling unit 110 models a 3D coordinate space in which 3D objects and 3D objects corresponding to a plurality of moving members constituting the motion unit of the kinetic art device are arranged, and the modeled 3D object moves in accordance with the pre-planned motion To write That is, through the 3D modeling unit 110, the movement members constituting the kinetic art device and the structures are modeled as 3D objects of the same size as the real object on the 3D, and these 3D objects are placed in the 3D coordinate space and the coordinate system is set. do. In addition, by using the 3D modeling unit 110, an operator can easily edit and move the artistic movement by 3D objects to create and save animation.
  • the 3D modeling work may be performed by a professional engineer, and the animation creation work may be performed by a writer. In this way, by using the 3D modeling unit 110, it is possible for artists without engineering sophistication to edit the motion of the 3D object without difficulty to create an animation.
  • the animation created by the 3D modeling unit 110 is stored as intermediate data including moving coordinates of the 3D object. Maya, 3DMax, Cinema4D, or other various 3D image production tools may be used as the 3D modeling unit 110.
  • the kinetic simulation unit 120 loads the intermediate data created by the 3D modeling unit 110 to simulate the motion of a 3D object, detects time-series coordinates of the 3D object, and extracts coordinate data.
  • the kinetic simulation unit 120 may perform various types of simulation on 3D objects.
  • the kinetic simulation unit 120 may include Grand-View Simulation, Visitor-View Simulation, Lighting Simulation, Movie Simulation, and Audio Simulation. ) To show to the worker.
  • Grand-View Simulation shows the overall motion of a kinetic art device model composed of 3D objects in 3D coordinate space.
  • Visitor-View Simulation shows the motion of 3D objects with the viewer's eyes.
  • the lighting simulation shows the motion of only the light emitting unit provided in the motion unit 210.
  • Movie Simulation shows the direction of the kinetic art device through virtual wall movie play
  • Audio Simulation shows the motion of 3D objects moving according to music.
  • the motor control module 130 loads coordinate data of the 3D object extracted from the kinetic simulation unit 120 to control signals for controlling a plurality of motors that provide driving force to a plurality of moving members (not shown) constituting the motion unit. To create.
  • the motor control module 130 controls the motor according to the motion data according to the motion of the pre-planned motion unit 210, and corrects the error due to data transmission and the physical movement of the motor to control the motor. Generate a control signal.
  • the detailed synchronization control method of the motor control module 130 will be described later.
  • a method of manufacturing a kinetic art device using the production system 100 of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention is as shown in FIG. 2.
  • a method of manufacturing a kinetic art device includes a production planning step (S11), a 3D modeling step (S12), an animation creation step (S13), and a simulation step (S14). ), a coordinate extraction step (S15 ), a hardware manufacturing step (S16 ), a demonstration step (S17 ), and an installation step (S18 ).
  • the production planning stage (S11), the 3D modeling stage (S12), the animation creation stage (S13), and the simulation stage (S14) can be performed by the artist
  • the hardware production stage (S16), and demonstration Step S17 and installation step S18 may be performed by an engineer.
  • the work part of the artist and the work part of the engineer are not clearly distinguished.
  • Directing planning step (S11) is a step of planning the motion of the kinetic art device. At this stage, the concrete shape, design, and motion of the kinetic art device that the artist intends to produce can be planned. If there is a customer who has commissioned the production of a kinetic art device, the artist may plan the kinetic art device by reflecting the customer's opinion in the stage of planning (S11).
  • the 3D modeling step (S12) is a step of modeling a 3D coordinate space in which 3D objects and 3D objects corresponding to a plurality of moving members constituting a motion unit of the planned kinetic art device are disposed.
  • the moving members constituting the kinetic art device and the structures are modeled as 3D objects of the same size as the real object on the 3D, and these 3D objects are placed in the 3D coordinate space and coordinate system Can be set.
  • the animation creation step (S13) is a step of creating an animation in which the 3D object modeled in the 3D modeling step (S12) moves in accordance with the pre-planned motion.
  • the operator can use the 3D modeling unit 110 to edit the artistic movement by the 3D object without difficulty to create an animation.
  • the animation created by the 3D modeling unit 110 is stored as intermediate data including moving coordinates of the 3D object.
  • the intermediate data may be stored in a form (for example, an obj file) including polygons and vertices of all 3D objects on the 3D spatial suppository, and motion coordinates of the 3D objects while the animation is being played.
  • the simulation step (S14) is a step of simulating the motion of the 3D object by loading the intermediate data created in the 3D modeling unit 110 into the kinetic simulation unit 120. At this time, various types of simulation on the 3D object may be performed through the kinetic simulation unit 120.
  • the kinetic simulation unit 120 performs a grand-view simulation, as shown in FIG. 3, of a kinetic art device model composed of 3D objects in 3D coordinate space. You can show the overall motion. In Grand-View Simulation, you can also show the movement of visitors and the distance between kinetic art devices and visitors.
  • the kinetic simulation unit 120 may perform a visitor-view simulation (Visitor-View Simulation) to show the motion of the 3D object with the eyes of the viewer.
  • the kinetic simulation unit 120 as shown in Figure 5, by performing a lighting simulation (Lighting Simulation) can show the motion of only the light emitting unit provided in the motion unit of the kinetic art device.
  • the light emitting unit of the motion unit may be made of LEDs or various elements capable of generating light.
  • the intermediate data generated by the 3D modeling unit 110 is loaded into the kinetic simulation unit 120, and coordinates of all 3D objects on the 3D spatial coordinates time-series in the kinetic simulation unit 120. It is a step of detecting and extracting data.
  • the motion of the 3D object is time-serialized at a time interval that is a reference for the synchronization operation of the motion unit to extract data. That is, in the coordinate extraction step (S15), the moving coordinates of all 3D objects are extracted at a time interval that is a reference for the synchronization operation of the motion unit.
  • the kinetic simulation unit 120 may directly determine the moving coordinates of the 3D object from the coordinates of the 3D object when the reference point can be specified from the 3D object.
  • the kinetic simulation unit 120 obtains a distance from the top end of the 3D object from a specific fixture (for example, a wall, a ceiling, etc.) in the 3D coordinate space, and the time of the 3D object. You can get the moving distance to get the moving coordinates of a 3D object.
  • a specific fixture for example, a wall, a ceiling, etc.
  • the kinetic simulation unit 120 is positioned in the direction in which the 3D object 10 moves linearly.
  • Moving coordinates can be obtained by obtaining a moving distance on a single axis from the fixture 20.
  • the kinetic simulation unit 120 includes two fixtures 40 and 50 that are arranged to be orthogonal in the 3D coordinate space. ) Moving coordinates can be obtained from each.
  • the kinetic simulation unit 120 may reference the 3D object on the 3D coordinate space.
  • the moving coordinates of the 3D object can be obtained from an angle inclined with respect to.
  • the kinetic simulation unit 120 obtains and stores coordinate data for each 3D object in a time sequence, and saves the file as a file when the entire simulation is finished, thereby moving the motor in the motor control module 130. Convert it to a distance so that it can be used.
  • the hardware manufacturing step (S16) is a step of manufacturing the kinetic art device in hardware according to the result confirmed and determined through simulation.
  • the kinetic art device created at this stage can be a demonstration or an actual installation.
  • the demonstration step (S17) is a step of operating the actually produced kinetic art device according to the planned production. In the demonstration step (S17), it can be finally confirmed whether the motion of the kinetic art device matches the planned one. At this stage, if there is a problem with the motion of the kinetic art device, or if a design change is required partially or entirely for the kinetic art device, the redesign process may be reflected by reflecting the intention of the customer.
  • the kinetic art device produced in the installation step (S18) is installed in the actual viewing place.
  • the present invention processes the motion programming process using the kinetic simulation unit 120 as a motion data extraction process of the motion unit through the kinetic simulation unit 120, so that the programming process by the developer can be omitted. Therefore, it is possible to significantly shorten the development period, to pre-filter for technical errors in motion, and to apply quick customer feedback, so that efficient work is possible and a more complete kinetic art device can be produced.
  • FIG. 8 is a block diagram schematically showing a kinetic art device produced by a production system of a kinetic art device according to an embodiment of the present invention.
  • the kinetic art device 200 includes a motion unit 210, a plurality of motors 220, a motor control module 130, and a management server 240 It includes.
  • the motion unit 210 is a part that implements motion according to the movement of a plurality of moving members, and may take various structures representing various motions.
  • the plurality of motors 220 provide driving force to the plurality of moving members. Two or more motors 220 are grouped into one motor group 225.
  • Kinetic art device 200 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of motor groups (225).
  • the management server 240 may perform a directed simulation, generate and store motion data, and control the overall movement of the kinetic art device 200.
  • the motor control module 130 receives motion data from the management server 240 and generates control signals for controlling the plurality of motors 220 according to the motion data.
  • the motor control module 130 includes a plurality of motor controllers 131, a main motion control server 132, a time synchronization server 133, an interactive motion control server 134, and a kinetic sensor 135. .
  • the plurality of motor controllers 131 respectively control the plurality of motor groups 225.
  • the main motion control server 132, the time synchronization server 133, and the interactive motion control server 134 include a plurality of motor controllers such that the plurality of motors 220 are controlled according to the pre-planned motion of the motion unit 210.
  • a control server unit 136 that manages and controls 131 is configured.
  • the main motion control server 132 receives the motion data from the management server 240 and the plurality of motor controllers 131 so that the plurality of motors 220 can be integrated and controlled according to the pre-planned motion of the motion unit 210.
  • the time synchronization server 133 manages and controls the plurality of motor controllers 131 so that the plurality of motors 220 can be time-synchronized controlled according to the pre-planned motion of the motion unit 210.
  • the interactive motion control server 134 receives a detection signal from the kinetic sensor 135 that senses the movement of the spectator, and a plurality of motors so that the plurality of motors 220 can be controlled according to the detection signal of the kinetic sensor 135
  • the controller 131 is managed and controlled.
  • the motion unit 210 can produce a pre-planned motion according to the movement of the viewer. For example, when the spectator approaches the motion unit 210 within a preset distance, the kinetic sensor 135 detects this, so that the motor 220 can be controlled to operate only the movement members located within the preset distance from the spectator. .
  • the motor control module 130 controls the motor 220 using various control techniques for accurate timing synchronization and precise control of a large number of motion units 210. That is, the motor control module 130 is a technique for correcting an error when more or less movement occurs when driving the motor 220 than by actual control, and multiple motors controlled by one motor controller 131 Control technology that can control the motor 220 at the same time, motor control technology that can control the entire motor 220 by controlling multiple motor controllers 131, synchronization between the motor controller 131 distributed in multiple ways Through this, the motor 220 is controlled using a synchronization technology capable of controlling the motor 220 in synchronization with the entire scenario, and a linkage technology between the simulation software and the motor controller 131.
  • the motor control module 130 can control a large-scale motor 220 through the Ethercat method.
  • the number of motors 220 in charge of one motor controller 131 can be set to a maximum of 256, and the motor controller 131 transmits motor control signals such as position, speed, and acceleration to an Ethercat-type network for about 1 ms. Motor control can be performed within the following cycle.
  • the motor control module 130 applies a feedback control algorithm so that the moving member can reach the correct position at the correct time to solve the operating error that occurs when a large number of motors 220 are simultaneously driven. do.
  • the motor control module 130 may receive motion data from the management server 240 through a TCP/IP network.
  • FIG. 10 is a control flow chart for explaining an operation method of the kinetic art device 200.
  • the management server 240 transmits a motion data signal to the motor control module 130 through a TCP/IP network. Then, the motor control module 130 controls the motor 220 accordingly.
  • the management server 240 transmits a Play signal to the main motion control server 132 of the motor control module 130.
  • the Play signal includes the motion profile ID (MotionID).
  • the main motion control server 132 according to the received Play signal, a Play signal including the motion profile ID (MotionID) and the absolute time (AbsTime), and a Position including the absolute time (AbsTime) and the target position value (Pos) Signals are generated and transmitted to each motor controller 131.
  • the main motion control server 132 transmits the position data of about 30fps to each motor controller 131 so that the motion unit 210 can display the forward exchange motion in accordance with the motion data transmitted by the management server 240. Can be.
  • Each motor controller 131 receives a Play signal and a Position signal, and controls the motor 220 according to each signal.
  • the management server 240 transmits a stop signal including the motion profile ID (MotionID) to the main motion control server 132.
  • the main motion control server 132 generates a stop signal including the motion profile ID (MotionID) and the absolute time (AbsTime) and transmits it to each motor controller 131, and accordingly the motor controller 131 The motor 220 is stopped.
  • FIG. 11 is a graph showing a comparison between a command value for motor control and the actual motion of a motor, and when generating and applying an acceleration/deceleration profile for performance optimization without burdening the motor, a command value and a motor as shown in FIG. Position error occurs between the actual position values of.
  • Position error occurs between the actual position values of.
  • the exact position cannot be read because a time delay occurs. Therefore, in order to control the position of the motor synchronized with the motion data signal, real-time control that tracks time and position is required.
  • the number of motors 220 constituting the kinetic art device 200 is a large number, since the number of motors 220 that can be controlled by one motor controller 131 is limited, the plurality of motor controllers 131 ). Therefore, in order to accurately control the movement of the kinetic art device 200 in which a plurality of motors 220 are used, a special synchronization control algorithm for controlling the synchronization position between the plurality of motor controllers 131 is required.
  • the motor control module 130 provides motion data to a plurality of motors 220 through synchronization control for motion data signals transmitted to a TCP/IP network and feedback control for correcting a position value of the motor 220. Can be precisely controlled according to.
  • the data transmission synchronization algorithm is an algorithm capable of canceling Jitter (transmission latency variation) that may occur while transmitting large amounts of data having respective motor position values to a plurality of motor controllers 131.
  • the data transmission synchronization algorithm can be implemented through the following two-stage algorithm.
  • the first is to apply a solution that accurately matches the time of the entire system.
  • an algorithm that real-time corrects the time of each motor controller 131 by measuring the data transmission time (Round-Trip Time) and the amount of change (Jitter) of the data transmission time it is possible to perform time synchronization within about 1 ms.
  • the second is the application of a buffering-based event algorithm to respond to a change in latency, and utilizes data transmitted to the motor controller 131 to control the position of the motor 220.
  • a buffering-based event algorithm In order to utilize irregular motion data such as motion of the kinetic art device 200 for the position control of the motor 220, many position control commands must be transmitted at precise intervals.
  • the buffering-based event algorithm is a uniform time interval that can utilize the uneven time state created by the transmission time (Delay) and the transmission time deviation (Jitter) of the motion data coming through the network to control the position of the kinetic art device 200. It can be changed into the motion data.
  • the motor controller 131 receives a synchronization command signal from the control server unit 136, compares the current time stamp accumulated after the start command signal with the time stamp of the command signal, and compares the comparison
  • the motor 220 is feedback-controlled according to the value. For example, the motor controller 131 receiving the synchronization command from the control server unit 136 determines whether it is late or fast compared to the current time by comparing the current time stamp accumulated after the start command with the time stamp of the command signal, If it is fast, the motor 220 is controlled to move as fast as it is late through the feedback control, and if the time stamp of the command signal is later than the current time, the motor 220 is controlled to store and execute the command in the next cycle.
  • the feedback control for correcting the position value of the motor 220 is a control method that allows the following error deviation for each motor to be kept constant when the entire motor 220 is simultaneously sent to a specific position. Tuning enables synchronization control between a plurality of motor controllers 131.
  • Following Error refers to an error in which a difference occurs between the target position value and the actual position value due to physical characteristics when controlling the motor.
  • This feedback control algorithm is a real-time control method that tracks speed, time, and position by using the position value of the motor 220 and the actual motor position value that is updated at regular intervals, and can be expressed by the following equation.
  • the actual position of the motor 220 can be estimated, and the newly updated position and speed can be calculated based on the estimated actual position value.
  • the basic control algorithm is implemented in this way, and the motor 220 can be controlled through tuning for the motor driver parameter, the acceleration/deceleration parameter, and the speed parameter.
  • a standard value of the following error for each speed can be generated to tune the acceleration/deceleration value for each motor, and the proper acceleration/deceleration value is corrected to minimize synchronization errors that can occur during motor control. have.
  • the kinetic art device 200 includes multiple motors through synchronization control for motion data signals transmitted to a network and feedback control for correcting a position value of the motor 220
  • the 220 can be accurately controlled according to the motion data, the motion of the motion unit 210 provided in the kinetic art device 200 can be accurately controlled, and the elaborate motion of the motion unit 210 can be implemented.
  • the specific structure of the motor control module 130 is not limited to that shown.
  • the configuration of the control server unit 136 of the motor control module 130 may be variously changed.
  • the signal transmission method between the management server 240 and the motor control module 130, the type of network used for signal transmission, the signal transmission method or signal between the control server unit 136 and the plurality of motor controllers 131, The type of network used for transmission, the signal transmission method between the motor controller 131 and the motor 220, or the type of network used for signal transmission may be variously changed.

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Abstract

본 발명에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템은, 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치를 제작하기 위한 키네틱 아트 장치의 제작 시스템으로서, 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하고, 모델링된 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 작성하여 작성된 애니메이션을 중간 데이터로 저장하는 3D 모델링부와, 3D 모델링부에서 만들어진 중간 데이터를 로딩하여 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하고, 3D 오브젝트의 시계열화된 좌표를 검출하여 좌표 데이터를 추출하는 키네틱 시뮬레이션부와, 키네틱 시뮬레이션부에서 추출한 3D 오브젝트의 좌표 데이터를 로딩하여 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 모터 제어모듈을 포함한다.

Description

키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치
본 발명은 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 키네틱 아트 장치의 제작에 따른 작업 시간을 단축시킬 수 있는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치에 관한 것이다.
키네틱 아트(Kinetic Art)는 움직임을 본질로 한 예술이다. 키네틱 아트는 정지된 조각에 기계공학적 움직임을 부여하여 공기의 흐름이나 모터에 의해 동력을 얻는 기계 조각으로 구현될 수 있으며, 최근 비디오 아트, 레이저 아트, 홀로그래피 등 첨단기술과 융합하여 다양한 형태로 무한히 발전하고 있는 예술 장르이다.
키네틱 아트는 움직이는 예술 작품으로 사람들의 이목을 집중시키고, 소재와 빛의 효과에 따라 움직임을 극대화할 수 있으며, 타 장르의 미디어 아트와 결합하여 광고, 브랜드 홍보, 전시회, 공공조형물, 공연 등에서 적극적으로 활용되고 있다.
키네틱 아트 장치의 움직임은 대부분 키네틱 아트를 제작하는 작가에 의해 조절되거나 프로그램을 통해 제어되며, 이를 위해 작가 또는 개발자가 움직임을 설계하게 된다.
키네틱 아트 장치가 움직임을 구현하기 위해서는 움직이는 부분의 동작을 제어하기 위한 하드웨어 구동부가 필요한데, 대부분 모터가 그 역할을 하게 된다. 즉, 모터에서 발생하는 회전력을 기어, 크랭크, 와이어 등을 이용하여 동작부의 직선 운동, 원운동, 비정형적인 운동을 구현하게 된다.
키네틱 아트 장치의 운동 부분은 구성 작가의 의도나, 표현하고자 하는 바에 따라 그 규모와 수량이 결정되지만, 현재 대부분의 키네틱 아트 장치는 대형화, 대량의 모션부로 구현되고 있다.
따라서, 현재 키네틱 아트는 대규모의 자금과 기술이 필요한 분야가 되었으며, 실제로 이 시장에 진출한 소수의 업체의 전유물로 여겨지고 있는 실정이다.
한편, 키네틱 아트 장치의 제작을 의뢰한 고객이 있는 경우, 고객은 공기가 끝날 즈음에야 대략적 혹은 완성된 최종 결과물의 연출을 확인할 수 있다. 따라서, 고객의 입장에서는 완성 전에 자신이 원하는 의도를 키네틱 아트 결과물에 반영시키기 어렵고, 제작자 입장에서도 고객의 의도를 확인해가며 키네틱 아트 장치를 보완해 나가는데 어려움이 있다. 또한, 결과물에 대한 평가에 따라 연출 및 조형물의 동작을 변경하고자 할 경우 기 발생한 공기에 상응하는 수정 작업 기간과, 추가 비용이 소요되는 문제가 있다.
이러한 점은 키네틱 아트 분야에서 일부 기존 제작 업체의 입지를 고착화시키고, 일반적으로 고비용이 드는 만큼 그 결과물의 완성도에 대한 리스크를 회피하기 어렵게 만든다.
본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 키네틱 아트 장치 제작에 필요한 엔지니어링 분야와 아트 분야를 분리함으로써, 키네틱 아트 장치 제작에 엔지니어링 소양이 없는 작가들이 참여할 수 있도록 하고, 고객이 최종 결과물의 연출을 중간 단계에서 확인할 수 있도록 하며, 키네틱 아트 장치의 연출 및 모션을 수정하는데 발생하는 공기 및 추가 비용를 최소화시킬 수 있는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템은, 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치를 제작하기 위한 키네틱 아트 장치의 제작 시스템으로서, 상기 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 상기 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하고, 모델링된 상기 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 작성하여 작성된 애니메이션을 중간 데이터로 저장하는 3D 모델링부; 상기 3D 모델링부에서 만들어진 상기 중간 데이터를 로딩하여 상기 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하고, 상기 3D 오브젝트의 시계열화된 좌표를 검출하여 좌표 데이터를 추출하는 키네틱 시뮬레이션부; 및 상기 키네틱 시뮬레이션부에서 추출한 상기 3D 오브젝트의 좌표 데이터를 로딩하여 상기 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 모터 제어모듈;을 포함한다.
상기 3D 모델링부에서 만들어지는 상기 중간 데이터는 상기 3D 오브젝트의 폴리곤 및 버텍스를 포함할 수 있다.
상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 있는 경우, 상기 3D 오브젝트의 좌표로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 직접 구하고, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 상기 3D 오브젝트의 최상단부의 거리를 상기 3D 좌표 공간 상의 고정물로부터 구하고, 상기 3D 오브젝트의 시간별 움직인 거리를 구하여 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구할 수 있다.
상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 상기 3D 오브젝트의 직선 운동에 대해서는, 상기 3D 오브젝트가 직선 운동하는 방향에 위치하는 고정물로부터 단일 축 상에서의 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구하고, 상기 3D 오브젝트의 회전 운동에 대해서는, 상기 3D 좌표 공간 상에서 직교하도록 배치되는 두 개의 고정물 각각으로부터 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구할 수 있다.
상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트의 움직임 방향이 상기 3D 좌표 공간 상의 기준부에 대해 수평 또는 수직이 아닌 경우, 상기 3D 좌표 공간 상에서 상기 3D 오브젝트가 상기 기준부에 대해 기울어진 각도로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구할 수 있다.
상기 키네틱 시뮬레이션부는, 3D 좌표 공간에서 3D 오브젝트로 구성되는 키네틱 아트 장치 모델의 전체적인 모션을 보여주는 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)과, 관람객의 시선으로 상기 3D 오브젝트의 모션을 보여주는 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation)과, 상기 모션부에 구비되는 발광부만의 모션을 보여주는 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation) 중에서 적어도 하나의 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
상기 모터 제어모듈은, 상기 모션부를 작동시키는 복수의 모터 중 두 개 이상의 모터가 그룹으로 묶인 복수의 모터 그룹을 각각 제어하는 복수의 모터 컨트롤러와, 상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 제어되도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 제어 서버부를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 방법은, 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치를 제작하기 위한 키네틱 아트 장치의 제작 방법으로서, (a) 3D 모델링부를 이용하여 상기 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 상기 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하는 단계; (b) 모델링된 상기 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 상기 3D 모델링부를 이용하여 작성하고, 작성된 애니메이션을 중간 데이터로 저장하는 단계; (c) 상기 3D 모델링부에서 만들어진 상기 중간 데이터를 키네틱 시뮬레이션부에 로딩하고, 상기 키네틱 시뮬레이션부를 이용하여 상기 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하고, 상기 3D 오브젝트의 시계열화된 좌표를 검출하여 좌표 데이터를 추출하는 단계; 및 (d) 상기 키네틱 시뮬레이션부에서 추출한 상기 3D 오브젝트의 좌표 데이터를 모터 제어모듈에 로딩하고, 모터 제어모듈을 이용하여 상기 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함한다.
상기 (b) 단계에서 만들어지는 상기 중간 데이터는 상기 3D 오브젝트의 폴리곤 및 버텍스를 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 있는 경우, 상기 3D 오브젝트의 좌표로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 직접 구하고, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 상기 3D 오브젝트의 최상단부의 거리를 상기 3D 좌표 공간 상의 고정물로부터 구하고, 상기 3D 오브젝트의 시간별 움직인 거리를 구하여 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구할 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 상기 3D 오브젝트의 직선 운동에 대해서는, 상기 3D 오브젝트가 직선 운동하는 방향에 위치하는 고정물로부터 단일 축 상에서의 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구하고, 상기 3D 오브젝트의 회전 운동에 대해서는, 상기 3D 좌표 공간 상에서 직교하도록 배치되는 두 개의 고정물 각각으로부터 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구할 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트의 움직임 방향이 상기 3D 좌표 공간 상의 기준부에 대해 수평 또는 수직이 아닌 경우, 상기 3D 좌표 공간 상에서 상기 3D 오브젝트가 상기 기준부에 대해 기울어진 각도로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구할 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는, 3D 좌표 공간에서 3D 오브젝트로 구성되는 키네틱 아트 장치 모델의 전체적인 모션을 보여주는 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)과, 관람객의 시선으로 상기 3D 오브젝트의 모션을 보여주는 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation)과, 상기 모션부에 구비되는 발광부만의 모션을 보여주는 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation) 중에서 적어도 하나의 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 키네틱 아트 장치는, 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치에 있어서, 상기 모션부에 대한 모션 데이터를 저장하는 관리 서버; 상기 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터; 및 상기 관리 서버로부터 상기 모션 데이터를 제공받고, 상기 모션 데이터에 따라 상기 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 모터 제어모듈;을 포함하고, 상기 모터 제어모듈은, 상기 복수의 모터 중 두 개 이상의 모터가 그룹으로 묶인 복수의 모터 그룹을 각각 제어하는 복수의 모터 컨트롤러와, 상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 제어되도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 제어 서버부를 포함한다.
상기 제어 서버부는, 상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 통합 제어될 수 있도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 메인 모션 제어 서버와, 상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 시간 동기 제어될 수 있도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 시간 동기 서버를 포함할 수 있다.
상기 모터 제어모듈은, 관람객의 움직임을 센싱하는 키네틱 센서와, 상기 키네틱 센서로부터 검출 신호를 수신하고, 상기 모션부가 상기 관람객의 움직임에 따라 사전 기획된 모션을 연출할 수 있도록 상기 키네틱 센서의 검출 신호에 따라 상기 복수의 모터를 제어하기 위해 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 인터랙티브 모션 제어 서버를 포함할 수 있다.
상기 모터 컨트롤러는, 상기 제어 서버부로부터 동기화 명령 신호를 수신하고, 시작 명령 신호 이후 누적된 현재 타임 스탬프와, 명령 신호의 타임 스탬프를 비교하여 그 비교값에 따라 상기 모터를 피드백 제어할 수 있다.
상기 모터 제어모듈은, 다음의 수식에 따라 상기 모터에 대한 실제 위치값을 추정하고, 추정된 실제 위치값을 바탕으로 업데이트할 위치값과 속도를 계산하는 방식으로 기본 제어 알고리즘을 구현하여 상기 복수의 모터를 제어할 수 있다.
Figure PCTKR2019000085-appb-I000001
,
Figure PCTKR2019000085-appb-I000002
(Pe: 추정된 실제 위치값(△td 동안 진행된 값을 더해준 값), Pc: 모터에서 읽은 위치값(△td 만큼 과거의 값), Pt: 목적 위치값, Vc: 모터에서 읽은 현재 속도, Vn: 목적 위치값으로 움직이기 위한 속도, △td: 모터에서 값을 읽을 때의 시간 오차, △tu: 모터에 명령 신호를 전달하는 주기)
상기 모터 제어모듈은, 상기 복수의 모터 컨트롤러에 각각 전송되는 데이터의 데이터 전송시간(Round-Trip Time)과 데이터 전송시간의 변화량(Jitter)을 측정하고, 상기 복수의 모터 컨트롤러 각각의 시간을 실시간으로 보정하는 알고리즘과, 상기 복수의 모터에 대한 모션 데이터의 전송시간(Delay)과 전송시간의 편차(Jitter)에 의해서 만들어진 불균일한 시간 상태를 상기 모션부의 위치 제어에 활용할 수 있는 균일한 시간 간격의 모션 데이터로 변화시키는 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 모터를 제어할 수 있다.
본 발명의 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법에 따르면, 키네틱 시뮬레이션부를 활용하여 모션 프로그래밍 과정을 키네틱 시뮬레이션부를 통한 모션부 이동 데이터 추출과정으로 처리하게 되므로, 개발자에 의한 프로그래밍 과정을 생략할 있다. 따라서, 개발 기간을 크게 단축할 수 있고, 모션의 기술적 오류에 대한 사전 필터링이 가능하고 빠른 고객 피드백 적용이 가능하기 때문에 효율적인 작업이 가능하며, 더욱 완성도 높은 키네틱 아트 장치의 제작이 가능하다.
또한, 본 발명의 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법에 따르면, 키네틱 아트의 핵심요소가 되는 모션부의 구동 및 전체 조형물과의 조화롭고 예술적인 움직임을 하드웨어/소프트웨어의 전문적인 지식없이 제작할 수 있도록 하여 키네틱 아트의 저변을 넓힐 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 모션부의 구동을 담당하는 모터의 움직임을 더욱 정교하게 제어할 수 있으므로, 십수 개에서 수천 개의 모터를 구동하여 움직임을 만들어내야 하는 키네틱 아트 장치의 모션부 움직임을 더욱 조화롭고 다양하게 만들어낼 수 있고, 키네틱 아트의 작품성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템의 주요 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템을 이용한 키네틱 아트 장치의 제작 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 3 내지 도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템의 키네틱 시뮬레이션부에 의해 수행되는 시뮬레이션의 예를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템의 키네틱 시뮬레이션부를 이용하여 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구하는 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 키네틱 아트 장치의 모터 제어모듈을 나타낸 블록도이다.
도 10은 도 8에 나타낸 키네틱 아트 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 11은 모터 제어를 위한 명령값과 실제 모터의 움직임을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템의 주요 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템을 이용한 키네틱 아트 장치의 제작 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도면에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템(100)은 3D 모델링부(110)와, 키네틱 시뮬레이션부(120)와, 모터 제어모듈(130)을 포함한다. 이러한 키네틱 아트 장치의 제작 시스템(100)은 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치를 제작하기 위한 것으로, 엔지니어링 소양이 없는 작가들도 키네틱 아트 장치의 제작을 가능하게 한다.
3D 모델링부(110)는 키네틱 아트 장치의 모션부를 구성하는 복수의 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하고, 모델링된 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 작성한다. 즉, 3D 모델링부(110)를 통해 키네틱 아트 장치를 구성하는 운동부재들과, 구조물이 3D 상의 실물과 동일한 사이즈의 3D 오브젝트들로 모델링되고, 이들 3D 오브젝트들이 3D 좌표 공간에 배치되고 좌표계가 설정된다. 그리고 3D 모델링부(110)를 이용하여 작업자가 3D 오브젝트들에 의한 아트적인 움직임을 어렵지 않게 편집하여 애니메이션을 작성하고 저장할 수 있다.
3D 모델링 작업은 전문성이 있는 엔지니어에 의해 수행되고, 애니메이션 작성 작업은 작가에 의해 수행될 수 있다. 이와 같이, 3D 모델링부(110)를 이용함으로써 엔지니어링 소양이 없는 작가들도 3D 오브젝트에 의한 아트적인 움직임을 어렵지 않게 편집하여 애니메이션을 작성하는 것이 가능하다. 3D 모델링부(110)에서 만들어지는 애니메이션은 3D 오브젝트의 이동 좌표를 포함하는 중간 데이터로 저장된다. 3D 모델링부(110)로는 Maya, 3DMax, Cinema4D, 또는 그 밖의 다양한 3D 영상 제작 툴이 이용될 수 있다.
키네틱 시뮬레이션부(120)는 3D 모델링부(110)에서 만들어진 상기 중간 데이터를 로딩하여 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하고, 3D 오브젝트의 시계열화된 좌표를 검출하여 좌표 데이터를 추출한다. 키네틱 시뮬레이션부(120)는 3D 오브젝트에 대한 다양한 형태의 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 예를 들어, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation), 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation), 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation), 무비 시뮬레이션(Movie Simulation), 오디오 시뮬레이션(Audio Simulation)을 수행하여 작업자에 보여줄 수 있다.
그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)은 3D 좌표 공간에서 3D 오브젝트로 구성되는 키네틱 아트 장치 모델의 전체적인 모션을 보여준다. 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation)은 관람객의 시선으로 3D 오브젝트의 모션을 보여준다. 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation)은 모션부(210)에 구비되는 발광부만의 모션을 보여준다. 이 밖에, 무비 시뮬레이션(Movie Simulation)은 가상의 벽면 동영상 플레이를 통한 키네틱 아트 장치의 연출을 보여주고, 오디오 시뮬레이션(Audio Simulation)은 음악에 따라 움직이는 3D 오브젝트의 모션을 보여준다.
모터 제어모듈(130)은 키네틱 시뮬레이션부(120)에서 추출한 3D 오브젝트의 좌표 데이터를 로딩하여 모션부를 구성하는 복수의 운동부재(미도시)에 구동력을 제공하는 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 모터 제어모듈(130)은 사전 기획된 모션부(210)의 모션에 따른 모션 데이터에 따라 모터를 제어함에 있어서, 데이터 전송에 따른 오차와, 모터의 물리적 움직임에 따른 오차를 보정하여 모터 제어를 위한 제어 신호를 만들어낸다. 이러한 모터 제어모듈(130)의 구체적인 동기화 제어 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
이러한 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템(100)을 이용한 키네틱 아트 장치의 제작 방법은 도 2에 나타낸 것과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 방법은, 연출 기획 단계(S11)와, 3D 모델링 단계(S12)와, 애니메이션 작성 단계(S13)와, 시뮬레이션 단계(S14)와, 좌표 추출 단계(S15)와, 하드웨어 제작 단계(S16)와, 시연 단계(S17)와, 설치 단계(S18)를 포함한다. 여기에서, 연출 기획 단계(S11)와, 3D 모델링 단계(S12)와, 애니메이션 작성 단계(S13)와, 시뮬레이션 단계(S14)는 작가에 의해 수행될 수 있고, 하드웨어 제작 단계(S16)와, 시연 단계(S17)와, 설치 단계(S18)는 엔지니어에 의해 수행될 수 있다. 물론, 이러한 키네틱 아트 장치의 제작 방법에 있어서 작가의 작업 파트와, 엔지니어의 작업 파트가 명확히 구분되는 것은 아니다.
연출 기획 단계(S11)는 키네틱 아트 장치의 모션을 기획하는 단계이다. 이 단계에서, 작가가 제작하고자 하는 키네틱 아트 장치의 구체적인 형상과 디자인, 모션 등을 기획할 수 있다. 키네틱 아트 장치의 제작을 의뢰한 고객이 있는 경우, 연출 기획 단계(S11)에서 고객이 의견을 반영하여 작가가 키네틱 아트 장치를 기획할 수 있다.
다음으로, 3D 모델링 단계(S12)는 기획된 키네틱 아트 장치의 모션부를 구성하는 복수의 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하는 단계이다. 이 단계에서, 3D 모델링부(110)를 통해 키네틱 아트 장치를 구성하는 운동부재들과, 구조물이 3D 상의 실물과 동일한 사이즈의 3D 오브젝트들로 모델링되고, 이들 3D 오브젝트들이 3D 좌표 공간에 배치되고 좌표계가 설정될 수 있다.
다음으로, 애니메이션 작성 단계(S13)는 3D 모델링 단계(S12)에서 모델링된 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 작성하는 단계이다. 이 단계에서, 작업자가 3D 모델링부(110)를 이용하여 3D 오브젝트에 의한 아트적인 움직임을 어렵지 않게 편집하여 애니메이션을 작성할 수 있다. 3D 모델링부(110)에서 만들어지는 애니메이션은 3D 오브젝트의 이동 좌표를 포함하는 중간 데이터로 저장된다. 중간 데이터는 3D 공간 좌료 상의 모든 3D 오브젝트들의 폴리곤, 버텍스를 포함하고, 애니메이션이 플레이되는 동안의 3D 오브젝트들의 움직임 좌표를 포함하는 형태(예를 들어, obj 파일)로 저장될 수 있다.
다음으로, 시뮬레이션 단계(S14)는 3D 모델링부(110)에서 만들어진 중간 데이터를 키네틱 시뮬레이션부(120)에 로딩하여 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하는 단계이다. 이때, 키네틱 시뮬레이션부(120)를 통해 3D 오브젝트에 대한 다양한 형태의 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
예를 들어, 시뮬레이션 단계(S14)에서 키네틱 시뮬레이션부(120)는 도 3에 나타낸 것과 같이, 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)을 수행하여 3D 좌표 공간에서 3D 오브젝트로 구성되는 키네틱 아트 장치 모델의 전체적인 모션을 보여줄 수 있다. 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)에서는 관람객의 동선과, 키네틱 아트 장치와 관람객 사이의 거리 등도 보여줄 수 있다. 또한, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 도 4에 나타낸 것과 같이, 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation)을 수행하여 관람객의 시선으로 3D 오브젝트의 모션을 보여줄 수 있다. 또한, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 도 5에 나타낸 것과 같이, 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation)을 수행하여 키네틱 아트 장치의 모션부에 구비되는 발광부만의 모션을 보여줄 수 있다. 모션부의 발광부는 LED, 또는 빛을 발생할 수 있는 다양한 소자로 이루어질 수 있다.
이러한 시뮬레이션 단계(S14)를 통해 실제로 키네틱 아트 장치의 모든 운동부재를 실제로 제작하여 설치하지 않은 상태에서도 키네틱 아트 장치의 모션을 구현하고, 실제로 제작될 키네틱 아트 장치가 어떠한 뷰로 보일지 미리 확인하는 것이 가능하다. 그리고 시뮬레이션 단계(S14)에서 작업자는 키네틱 아트 장치의 모션 시뮬레이션을 확인하고, 키네틱 아트 장치의 모션이나 운동부재의 구조에 대해 수정할 수 있다. 이때, 키네틱 아트 장치의 제작을 의뢰한 고객이 있다면 고객의 의견을 반영하여 키네틱 아트 장치 모델을 수정할 수 있다.
이러한 수정 단계(S19)에서, 키네틱 아트 장치 모델의 수정은 하드웨어적인 작업이 배제되고, 소프트웨어적으로 이루어지는 것이므로, 수정에 따른 시간과 비용에 부담이 크지 않다. 그리고 3D 모델링부(110)와 키네틱 시뮬레이션부(120)를 이용한 소프트웨어적인 수정 작업으로 수정과 수정에 따른 결과의 신속한 확인이 가능하다.
다음으로, 좌표 추출 단계(S15)는 3D 모델링부(110)에서 만들어지는 중간 데이터를 키네틱 시뮬레이션부(120)에 로딩하여 키네틱 시뮬레이션부(120)에서 시계열화된 3D 공간 좌표 상에서 모든 3D 오브젝트의 좌표를 검출하고 데이터를 추출하는 단계이다. 이 단계에서, 모션부의 동기화 운영을 위한 기준이 되는 시간 간격으로 3D 오브젝트의 모션을 시계열화하여 데이터를 추출한다. 즉, 좌표 추출 단계(S15)에서 모든 3D 오브젝트들의 이동 좌표를 모션부의 동기화 운영을 위한 기준이 되는 시간 간격으로 추출한다.
이때, 키네틱 시뮬레이션부(120)는, 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 있는 경우, 3D 오브젝트의 좌표로부터 3D 오브젝트의 이동 좌표를 직접 구할 수 있다.
반면, 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 3D 오브젝트의 최상단부의 거리를 3D 좌표 공간 상의 특정 고정물(예를 들어, 벽, 천장 등)로부터 구하고, 3D 오브젝트의 시간별 움직인 거리를 구하여 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 나타낸 것과 같이, 기준점을 특정할 수 없는 3D 오브젝트(10)가 직선의 움직임을 나타내는 경우, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 해당 3D 오브젝트(10)가 직선 운동하는 방향에 위치하는 고정물(20)로부터 단일 축 상에서의 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구할 수 있다.
또한, 도 7에 나타낸 것과 같이, 기준점을 특정할 수 없는 3D 오브젝트(30)가 회전 움직임을 나타내는 경우, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 3D 좌표 공간 상에서 직교하도록 배치되는 두 개의 고정물(40)(50) 각각으로부터 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구할 수 있다.
한편, 좌표 추출 단계(S15)에서 3D 오브젝트의 움직임 방향이 3D 좌표 공간 상의 기준부(또는 고정물)에 대해 수평 또는 수직이 아닌 경우, 키네틱 시뮬레이션부(120)는 3D 좌표 공간 상에서 3D 오브젝트가 기준부에 대해 기울어진 각도로부터 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구할 수 있다.
이와 같이, 좌표 추출 단계(S15)에서 키네틱 시뮬레이션부(120)는 좌표 데이터를 시간 순서에 따라 3D 오브젝트 별로 구하여 저장하고, 전체 시뮬레이션이 끝날 때 파일로 저장하여 모터 제어모듈(130)에서 모터의 이동 거리로 변환하여 사용할 수 있도록 한다.
다음으로, 하드웨어 제작 단계(S16)는 시뮬레이션을 통해 확인되고 결정된 결과에 따라 키네틱 아트 장치를 하드웨어적으로 제작하는 단계이다. 이 단계에서 만들어지는 키네틱 아트 장치는 시연품 또는 실제 설치될 작품이 될 수 있다.
다음으로, 시연 단계(S17)는 실제 제작된 키네틱 아트 장치를 기획된 연출에 맞춰 작동시키는 단계이다. 시연 단계(S17)에서 키네틱 아트 장치의 모션이 기획된 것에 부합되는지 최종적으로 확인할 수 있다. 이 단계에서, 키네틱 아트 장치의 모션에 문제점이 있거나, 키네틱 아트 장치에 대해 일부 또는 전체적으로 설계 변경이 필요한 경우, 고객의 의도 등을 반영하여 재설계 과정에 들어갈 수 있다.
시연 단계(S17)에서 확인된 키네틱 아트 장치의 모션이 이상이 없다면, 설치 단계(S18)에서 제작된 키네틱 아트 장치를 실제 관람 장소에 설치하게 된다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템(100)을 이용하면 엔지니어링 지식이 부족한 작가들도 다양한 형태의 키네틱 아트 장치를 효율적으로 제작하는 것이 가능하다.
즉, 종래에는 키네틱 아트 장치 제작을 위해 연출 기획, 모션 제작, 모션 프로그래밍, 시연, 설치 단계를 거치고, 통상 모션 프로그램 과정을 수행하는데 있어 시스템 개발자의 프로그래밍 과정이 필요하기 때문에 개발 기간이 길어지는 문제점이 있었다.
이에 반해, 본 발명은 키네틱 시뮬레이션부(120)를 활용하여 모션 프로그래밍 과정을 키네틱 시뮬레이션부(120)를 통한 모션부 이동 데이터 추출과정으로 처리하게 되므로, 개발자에 의한 프로그래밍 과정을 생략할 있다. 따라서, 개발 기간을 크게 단축할 수 있고, 모션의 기술적 오류에 대한 사전 필터링이 가능하고 빠른 고객 피드백 적용이 가능하기 때문에 효율적인 작업이 가능하며, 더욱 완성도 높은 키네틱 아트 장치를 제작할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치의 제작 시스템에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도면에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치(200)는, 모션부(210)와, 복수의 모터(220)와, 모터 제어모듈(130)과, 관리 서버(240)를 포함한다. 모션부(210)는 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 부분으로, 다양한 모션을 나타내는 다양한 구조를 취할 수 있다. 복수의 모터(220)는 복수의 운동부재에 구동력을 제공한다. 모터(220)는 두 개 이상이 하나의 모터 그룹(225)으로 묶인다. 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치(200)는 복수의 모터 그룹(225)을 포함한다. 관리 서버(240)는 연출 시뮬레이션을 수행하고, 모션 데이터를 생성하고 저장할 수 있으며, 키네틱 아트 장치(200)의 전체적인 움직임을 제어할 수 있다.
모터 제어모듈(130)은 관리 서버(240)로부터 모션 데이터를 제공받고, 모션 데이터에 따라 복수의 모터(220)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 모터 제어모듈(130)은 복수의 모터 컨트롤러(131)와, 메인 모션 제어 서버(132)와, 시간 동기 서버(133)와, 인터랙티브 모션 제어 서버(134)와, 키네틱 센서(135)를 포함한다. 복수의 모터 컨트롤러(131)는 복수의 모터 그룹(225)을 각각 제어한다. 메인 모션 제어 서버(132)와, 시간 동기 서버(133)와, 인터랙티브 모션 제어 서버(134)는 모션부(210)의 사전 기획된 모션에 따라 복수의 모터(220)가 제어되도록 복수의 모터 컨트롤러(131)를 관리 제어하는 제어 서버부(136)를 구성한다.
메인 모션 제어 서버(132)는 관리 서버(240)로부터 모션 데이터를 수신하고 모션부(210)의 사전 기획된 모션에 따라 복수의 모터(220)가 통합 제어될 수 있도록 복수의 모터 컨트롤러(131)를 관리 제어한다. 시간 동기 서버(133)는 모션부(210)의 사전 기획된 모션에 따라 복수의 모터(220)가 시간 동기 제어될 수 있도록 복수의 모터 컨트롤러(131)를 관리 제어한다. 인터랙티브 모션 제어 서버(134)는 관람객의 움직임을 센싱하는 키네틱 센서(135)로부터 검출 신호를 수신하고, 키네틱 센서(135)의 검출 신호에 따라 복수의 모터(220)가 제어될 수 있도록 복수의 모터 컨트롤러(131)를 관리 제어한다.
즉, 인터랙티브 모션 제어 서버(134)의 작용으로 모션부(210)가 관람객의 움직임에 따라 사전 기획된 모션을 연출할 수 있다. 예를 들어, 관람객이 모션부(210)에 사전 설정된 거리 내로 접근할 때 키네틱 센서(135)가 이를 감지함으로써, 관람객과 사전 설정된 거리 내에 위치한 운동부재들만 작동하도록 모터(220)가 제어될 수 있다.
모터 제어모듈(130)은 정확한 타이밍의 동기화와, 많은 수의 모션부(210)에 대한 정밀한 제어를 위해 다양한 제어 기술을 이용하여 모터(220)를 제어하게 된다. 즉, 모터 제어모듈(130)은 모터(220)를 구동하는데 있어 실제 제어에 의한 것보다 더 또는 덜 움직이는 경우가 발생할 때 오차를 보정하는 기술, 하나의 모터 컨트롤러(131)에 의해 제어되는 여러 대의 모터(220)를 동시에 제어할 수 있는 제어 기술, 여러 대의 모터 컨트롤러(131)를 제어하여 전체 모터(220)를 제어할 수 있는 모터 제어 기술, 여러 대로 분산되어 있는 모터 컨트롤러(131) 간의 동기화를 통해 전체 시나리오의 동기를 맞춰 모터(220)를 제어할 수 있는 동기화 기술, 시뮬레이션 소프트웨어와 모터 컨트롤러(131) 간의 연동 기술 등을 이용하여 모터(220)를 제어한다.
이하에서는, 이러한 모터 제어모듈(130)의 구체적인 모터 제어 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 모터 제어모듈(130)은 Ethercat 방식을 통해서 대규모의 모터(220)를 제어 할 수 있다. 한 대의 모터 컨트롤러(131)가 담당하는 모터(220)의 개수는 최대 256개로 설정될 수 있고, 모터 컨트롤러(131)는 위치, 속도, 가속도 등 모터 제어 신호를 Ethercat 방식의 네트워크로 전송하여 약 1ms 이내의 주기로 모터 제어를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 제어모듈(130)은 대량의 모터(220)가 동시에 구동될 때 발생하는 운영 오차를 해결하기 위해서 운동부재가 정확한 시간에 정확한 위치에 도달할 수 있도록 피드백 제어 알고리즘을 적용한다.
모터 제어모듈(130)은 TCP/IP 네트워크를 통해 관리 서버(240)로부터 모션 데이터를 수신할 수 있다.
도 10은 키네틱 아트 장치(200)의 동작 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도로, 도 10을 참조하면, 관리 서버(240)가 TCP/IP 네트워크를 통해 모터 제어모듈(130)에 모션 데이터 신호를 전송하면 모터 제어모듈(130)이 이에 따라 모터(220)를 제어하게 된다. 모션부(210)의 모션을 시작시키기 위해 관리 서버(240)는 Play 신호를 모터 제어모듈(130)의 메인 모션 제어 서버(132)에 송신한다. Play 신호는 모션 프로파일의 ID(MotionID)를 포함한다. 메인 모션 제어 서버(132)는 수신한 Play 신호에 따라 모션 프로파일의 ID(MotionID)와 절대 시간(AbsTime)을 포함하는 Play 신호와, 절대 시간(AbsTime)과 목표 위치 값(Pos)을 포함하는 Position 신호를 생성하여 각각의 모터 컨트롤러(131)에 전송한다. 이때, 관리 서버(240)가 전송하는 모션 데이터에 맞춰 모션부(210)가 정교환 움직임을 나타낼 수 있도록 메인 모션 제어 서버(132)는 약 30fps의 위치 데이터를 각각의 모터 컨트롤러(131)에 전송할 수 있다. 각각의 모터 컨트롤러(131)는 Play 신호와 Position 신호를 수신하고, 각각의 신호에 맞춰 모터(220)를 제어하게 된다.
한편, 모션부(210)의 모션을 종료하는 경우, 관리 서버(240)는 모션 프로파일의 ID(MotionID)를 포함하는 Stop 신호를 메인 모션 제어 서버(132)에 송신한다. 이때, 메인 모션 제어 서버(132)는 모션 프로파일의 ID(MotionID)와 절대 시간(AbsTime)을 포함하는 Stop 신호를 생성하여 각각의 모터 컨트롤러(131)에 전송하고, 이에 따라 모터 컨트롤러(131)가 모터(220)를 정지시키게 된다.
도 11은 모터 제어를 위한 명령값과 실제 모터의 움직임을 비교하여 나타낸 그래프로, 모터에 부담을 주지 않으면서 성능 최적화를 위한 가감속 프로파일을 생성하여 적용하는 경우, 도 11과 같이 명령값과 모터의 실제 위치값 간에 위치 오차가 발생하게 된다. 또한, 모터의 실제 위치값을 읽을 경우, 시간적 지연이 발생하기 때문에 정확한 위치를 읽을 수 없는 문제가 있다. 따라서, 모션 데이터 신호에 동기화된 모터의 위치 제어를 위해서 시간과 위치를 추종하는 실시간 제어가 필요하다.
또한, 키네틱 아트 장치(200)를 구성하는 모터(220)의 개수가 다수인 경우, 하나의 모터 컨트롤러(131)가 제어할 수 있는 모터(220)의 개수는 제한되기 때문에 복수의 모터 컨트롤러(131)를 사용하게 된다. 따라서, 다수의 모터(220)가 사용되는 키네틱 아트 장치(200)의 움직임을 정확하게 제어하기 위해서는 복수의 모터 컨트롤러(131) 간 동기화 위치 제어를 위한 특별한 동기화 제어 알고리즘이 필요하다.
본 발명에 따른 모터 제어모듈(130)은 TCP/IP 네트워크로 전달되는 모션 데이터 신호에 대한 동기화 제어와, 모터(220)의 위치값 보정을 위한 피드백 제어를 통해 다수의 모터(220)를 모션 데이터에 맞춰 정교하게 제어할 수 있다.
먼저, 데이터 전송 동기화 알고리즘은 각각의 모터 위치값을 가지고 있는 대용량 데이터를 복수의 모터 컨트롤러(131)에 전송하면서 발생할 수 있는 Jitter(전송 Latency 변화 편차)를 상쇄할 수 있는 알고리즘이다. 데이터 전송 동기화 알고리즘은 다음과 같은 2단계의 알고리즘을 통해 구현될 수 있다.
첫 번째는, 전체 시스템의 시간을 정확히 일치시키는 솔루션 적용이다. 데이터 전송시간(Round-Trip Time)과 데이터 전송시간의 변화량(Jitter)을 측정하여 각 모터 컨트롤러(131)의 시간을 실시간 보정하는 알고리즘을 적용함으로써, 시간 동기화를 약 1ms 이내로 수행하는 것이 가능하다.
두 번째는, Latency 변화에 대응하기 위한 버퍼링 기반 이벤트 알고리즘의 적용으로, 모터 컨트롤러(131)에 전달되는 데이터를 모터(220)의 위치 제어에 활용한다. 키네틱 아트 장치(200)의 모션과 같은 부정형의 움직임 데이터를 모터(220)의 위치 제어에 활용하기 위해서는 많은 위치 제어 명령이 정확한 간격으로 전달되어야 한다. 버퍼링 기반 이벤트 알고리즘은 네트워크를 통해서 들어오는 모션 데이터의 전송시간(Delay)과 전송시간의 편차(Jitter)에 의해서 만들어진 불균일한 시간 상태를 키네틱 아트 장치(200)의 위치 제어에 활용할 수 있는 균일한 시간 간격의 모션 데이터로 변화시킬 수 있다.
데이터 전송에 대한 동기화 제어를 위해, 모터 컨트롤러(131)는 제어 서버부(136)로부터 동기화 명령 신호를 수신하고, 시작 명령 신호 이후 누적된 현재 타임 스탬프와, 명령 신호의 타임 스탬프를 비교하여 그 비교값에 따라 모터(220)를 피드백 제어하게 된다. 예를 들어, 제어 서버부(136)로부터 동기화 명령을 수신한 모터 컨트롤러(131)는 시작 명령 이후 누적된 현재 타임 스탬프와 명령 신호의 타임 스탬프와 비교하여 현재 시간에 비해 늦었는지 빠른지를 판단하고, 빠를 경우 피드백 제어를 통해 모터(220)가 늦은 만큼 빠르게 이동하도록 제어하고, 명령 신호의 타임 스탬프가 현재 시간보다 늦으면 저장하였다가 다음 주기에 명령을 실행하도록 모터(220)를 제어하게 된다.
모터(220)의 위치값 보정을 위한 피드백 제어는 전체 모터(220)를 동시에 특정 위치로 보낼 때 각각의 모터별 Following Error 편차가 일정하게 유지될 수 있도록 하는 제어 방법으로, 모터별 가감속 값을 튜닝하여 다수의 모터 컨트롤러(131) 간 동기화 제어를 가능하게 한다. 여기에서, Following Error는 모터를 제어할 때 물리적 특성 때문에 목표 위치값과 실제 위치값 사이에 차이가 발생하는 오류를 말한다.
이러한 피드백 제어 알고리즘은 일정 주기로 업데이트되는 모터(220)의 위치값과 실제 모터의 위치값을 이용하여 속도와 시간과 위치를 추종하는 실시간 제어 방법으로, 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019000085-appb-I000003
,
Figure PCTKR2019000085-appb-I000004
(Pe: 추정된 실제 위치값(△td 동안 진행된 값을 더해준 값), Pc: 모터에서 읽은 위치값(△td 만큼 과거의 값), Pt: 목적 위치값, Vc: 모터에서 읽은 현재 속도, Vn: 목적 위치값으로 움직이기 위한 속도, △td: 모터에서 값을 읽을 때의 시간 오차, △tu: 모터에 명령 신호를 전달하는 주기)
위와 같은 수식을 이용하여 모터(220)의 실제 위치를 추정하고, 추정된 실제 위치값을 바탕으로 새로 업데이트할 위치와 속도를 계산할 수 있다. 그리고 이러한 방식으로 기본 제어 알고리즘을 구현하고, 모터 드라이버 파라메터, 가감속 파라메터, 속도 파라메터에 대한 튜닝을 통해서 모터(220)를 제어할 수 있다. 또한, 이러한 알고리즘을 통해 각 모터별 가감속 값을 튜닝할 수 있도록 속도별 Following Error의 표준값을 생성한 후, 적정 가감속 값을 보정해 주는 방식으로 모터 제어 시 발생할 수 있는 동기화 오차를 최소화할 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 키네틱 아트 장치(200)는 네트워크로 전달되는 모션 데이터 신호에 대한 동기화 제어와, 모터(220)의 위치값 보정을 위한 피드백 제어를 통해 다수의 모터(220)를 모션 데이터에 맞춰 정확하게 제어할 수 있으며, 키네틱 아트 장치(200)에 구비되는 모션부(210)의 움직임을 정확하게 제어할 수 있고, 모션부(210)의 정교한 모션을 구현할 수 있다.
이상 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명되고 도시되는 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 모터 제어모듈(130)의 구체적인 구조는 도시된 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 모터 제어모듈(130)의 제어 서버부(136)의 구성은 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 관리 서버(240)와 모터 제어모듈(130) 간의 신호 전송 방식이나, 신호 전송에 이용되는 네트워크의 종류, 제어 서버부(136)와 복수의 모터 컨트롤러(131) 간의 신호 전송 방식이나, 신호 전송에 이용되는 네트워크의 종류, 모터 컨트롤러(131)와 모터(220) 간의 신호 전송 방식이나, 신호 전송에 이용되는 네트워크의 종류는 다양하게 변경될 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치를 제작하기 위한 키네틱 아트 장치의 제작 시스템으로서,
    상기 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 상기 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하고, 모델링된 상기 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 작성하여 작성된 애니메이션을 중간 데이터로 저장하는 3D 모델링부;
    상기 3D 모델링부에서 만들어진 상기 중간 데이터를 로딩하여 상기 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하고, 상기 3D 오브젝트의 시계열화된 좌표를 검출하여 좌표 데이터를 추출하는 키네틱 시뮬레이션부; 및
    상기 키네틱 시뮬레이션부에서 추출한 상기 3D 오브젝트의 좌표 데이터를 로딩하여 상기 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 모터 제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 모델링부에서 만들어지는 상기 중간 데이터는 상기 3D 오브젝트의 폴리곤 및 버텍스를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 키네틱 시뮬레이션부는,
    상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 있는 경우, 상기 3D 오브젝트의 좌표로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 직접 구하고,
    상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 상기 3D 오브젝트의 최상단부의 거리를 상기 3D 좌표 공간 상의 고정물로부터 구하고, 상기 3D 오브젝트의 시간별 움직인 거리를 구하여 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우,
    상기 3D 오브젝트의 직선 운동에 대해서는, 상기 3D 오브젝트가 직선 운동하는 방향에 위치하는 고정물로부터 단일 축 상에서의 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구하고,
    상기 3D 오브젝트의 회전 운동에 대해서는, 상기 3D 좌표 공간 상에서 직교하도록 배치되는 두 개의 고정물 각각으로부터 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 키네틱 시뮬레이션부는,
    상기 3D 오브젝트의 움직임 방향이 상기 3D 좌표 공간 상의 기준부에 대해 수평 또는 수직이 아닌 경우,
    상기 3D 좌표 공간 상에서 상기 3D 오브젝트가 상기 기준부에 대해 기울어진 각도로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 키네틱 시뮬레이션부는,
    3D 좌표 공간에서 3D 오브젝트로 구성되는 키네틱 아트 장치 모델의 전체적인 모션을 보여주는 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)과,
    관람객의 시선으로 상기 3D 오브젝트의 모션을 보여주는 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation)과,
    상기 모션부에 구비되는 발광부만의 모션을 보여주는 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation) 중에서 적어도 하나의 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 제어모듈은,
    상기 모션부를 작동시키는 복수의 모터 중 두 개 이상의 모터가 그룹으로 묶인 복수의 모터 그룹을 각각 제어하는 복수의 모터 컨트롤러와,
    상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 제어되도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 제어 서버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 시스템.
  8. 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치를 제작하기 위한 키네틱 아트 장치의 제작 방법으로서,
    (a) 3D 모델링부를 이용하여 상기 운동부재에 대응하는 3D 오브젝트 및 상기 3D 오브젝트가 배치되는 3D 좌표 공간을 모델링하는 단계;
    (b) 모델링된 상기 3D 오브젝트가 사전 기획된 모션에 맞춰 움직이는 애니메이션을 상기 3D 모델링부를 이용하여 작성하고, 작성된 애니메이션을 중간 데이터로 저장하는 단계;
    (c) 상기 3D 모델링부에서 만들어진 상기 중간 데이터를 키네틱 시뮬레이션부에 로딩하고, 상기 키네틱 시뮬레이션부를 이용하여 상기 3D 오브젝트의 모션을 시뮬레이션하고, 상기 3D 오브젝트의 시계열화된 좌표를 검출하여 좌표 데이터를 추출하는 단계; 및
    (d) 상기 키네틱 시뮬레이션부에서 추출한 상기 3D 오브젝트의 좌표 데이터를 모터 제어모듈에 로딩하고, 모터 제어모듈을 이용하여 상기 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 만들어지는 상기 중간 데이터는 상기 3D 오브젝트의 폴리곤 및 버텍스를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는,
    상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 있는 경우, 상기 3D 오브젝트의 좌표로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 직접 구하고,
    상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우, 상기 3D 오브젝트의 최상단부의 거리를 상기 3D 좌표 공간 상의 고정물로부터 구하고, 상기 3D 오브젝트의 시간별 움직인 거리를 구하여 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는, 상기 3D 오브젝트로부터 기준점을 특정할 수 없는 경우,
    상기 3D 오브젝트의 직선 운동에 대해서는, 상기 3D 오브젝트가 직선 운동하는 방향에 위치하는 고정물로부터 단일 축 상에서의 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구하고,
    상기 3D 오브젝트의 회전 운동에 대해서는, 상기 3D 좌표 공간 상에서 직교하도록 배치되는 두 개의 고정물 각각으로부터 이동 거리를 구하여 이동 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는,
    상기 3D 오브젝트의 움직임 방향이 상기 3D 좌표 공간 상의 기준부에 대해 수평 또는 수직이 아닌 경우,
    상기 3D 좌표 공간 상에서 상기 3D 오브젝트가 상기 기준부에 대해 기울어진 각도로부터 상기 3D 오브젝트의 이동 좌표를 구하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 키네틱 시뮬레이션부는,
    3D 좌표 공간에서 3D 오브젝트로 구성되는 키네틱 아트 장치 모델의 전체적인 모션을 보여주는 그랜드 뷰 시뮬레이션(Grand-View Simulation)과,
    관람객의 시선으로 상기 3D 오브젝트의 모션을 보여주는 비지터 뷰 시뮬레이션(Visitor-View Simulation)과,
    상기 모션부에 구비되는 발광부만의 모션을 보여주는 라이팅 시뮬레이션(Lighting Simulation) 중에서 적어도 하나의 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치의 제작 방법.
  14. 복수의 운동부재의 움직임에 따른 모션을 구현하는 모션부를 갖는 키네틱 아트 장치에 있어서,
    상기 모션부에 대한 모션 데이터를 저장하는 관리 서버;
    상기 복수의 운동부재에 구동력을 제공하는 복수의 모터; 및
    상기 관리 서버로부터 상기 모션 데이터를 제공받고, 상기 모션 데이터에 따라 상기 복수의 모터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 모터 제어모듈;을 포함하고,
    상기 모터 제어모듈은,
    상기 복수의 모터 중 두 개 이상의 모터가 그룹으로 묶인 복수의 모터 그룹을 각각 제어하는 복수의 모터 컨트롤러와,
    상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 제어되도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 제어 서버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 서버부는,
    상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 통합 제어될 수 있도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 메인 모션 제어 서버와,
    상기 모션부의 사전 기획된 모션에 따라 상기 복수의 모터가 시간 동기 제어될 수 있도록 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 시간 동기 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 모터 제어모듈은,
    관람객의 움직임을 센싱하는 키네틱 센서와,
    상기 키네틱 센서로부터 검출 신호를 수신하고,
    상기 모션부가 상기 관람객의 움직임에 따라 사전 기획된 모션을 연출할 수 있도록 상기 키네틱 센서의 검출 신호에 따라 상기 복수의 모터를 제어하기 위해 상기 복수의 모터 컨트롤러를 관리 제어하는 인터랙티브 모션 제어 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 모터 컨트롤러는, 상기 제어 서버부로부터 동기화 명령 신호를 수신하고, 시작 명령 신호 이후 누적된 현재 타임 스탬프와, 명령 신호의 타임 스탬프를 비교하여 그 비교값에 따라 상기 모터를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 모터 제어모듈은, 다음의 수식에 따라 상기 모터에 대한 실제 위치값을 추정하고, 추정된 실제 위치값을 바탕으로 업데이트할 위치값과 속도를 계산하는 방식으로 기본 제어 알고리즘을 구현하여 상기 복수의 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치.
    Figure PCTKR2019000085-appb-I000005
    ,
    Figure PCTKR2019000085-appb-I000006
    (Pe: 추정된 실제 위치값(△td 동안 진행된 값을 더해준 값), Pc: 모터에서 읽은 위치값(△td 만큼 과거의 값), Pt: 목적 위치값, Vc: 모터에서 읽은 현재 속도, Vn: 목적 위치값으로 움직이기 위한 속도, △td: 모터에서 값을 읽을 때의 시간 오차, △tu: 모터에 명령 신호를 전달하는 주기)
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 모터 제어모듈은, 상기 복수의 모터 컨트롤러에 각각 전송되는 데이터의 데이터 전송시간(Round-Trip Time)과 데이터 전송시간의 변화량(Jitter)을 측정하고, 상기 복수의 모터 컨트롤러 각각의 시간을 실시간으로 보정하는 알고리즘과,
    상기 복수의 모터에 대한 모션 데이터의 전송시간(Delay)과 전송시간의 편차(Jitter)에 의해서 만들어진 불균일한 시간 상태를 상기 모션부의 위치 제어에 활용할 수 있는 균일한 시간 간격의 모션 데이터로 변화시키는 알고리즘을 적용하여 상기 복수의 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 키네틱 아트 장치.
PCT/KR2019/000085 2018-11-30 2019-01-03 키네틱 아트 장치의 제작 시스템 및 방법과 이에 의해 제작되는 키네틱 아트 장치 WO2020111380A1 (ko)

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