KR100355815B1 - 다중 이동 로봇을 이용한 모션캡쳐 및 동작 애니메이션 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 이동로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇 플랫폼에서 필요한 그룹동작을 구현하 후 로봇의 그룹 동작으로부터 3차원 캐릭터가 필요로 하는 데이터를 얻어 3차원 캐릭터 애니메이션을 수행할 수 있도록 한 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 구현하고자 하는 캐릭터 애니메이션의 상황과 동일한 상황을 다수개의 소형 로봇을 제어하여 구현하도록 된 소형 로봇 시스템부와, 상기 다수개의 소형 로봇의 상황별 그룹 동작을 캡쳐하는 비젼 시스템부와, 상기 소형 로봇을 소정의 상황별 시나리오에 따라 동작시키고, 상기 비젼 시스템부를 통해 획득된 소형 로봇의 그룹 동작으로부터 애니메이션하고자 하는 3차원 캐릭터의 실제 그룹 동작 데이터를 생성하고, 생성된 상기 그룹 동작 데이터를 이용하여 3차원 캐릭터 애니메이션을 구현하는 메인 컴퓨터부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

다중 이동 로봇을 이용한 모션캡쳐 및 동작 애니메이션 장치{APPARATUS FOR MOTION CAPTURE AND MOTION ANIMATION USING MULTIPLE MOBILE ROBOT}

본 발명은 다중 이동로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇 플랫폼에서 필요한 그룹동작을 구현하 후 로봇의 그룹 동작으로부터 3차원 캐릭터가 필요로 하는 데이터를 얻어 3차원 캐릭터 애니메이션을 수행할 수 있도록 한 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 모션 캡쳐 방식은 여러가지로 나뉠 수 있는 데, 그 중에서 크게 보철(prosthetic), 음향(acoustic), 자계(magnetic), 광학(optical) 모션캡쳐 방식이 있다.

보철 모션 캡쳐 방식은 인체의 각 부분으로부터 모션을 캡쳐하는 초기 방법 중의 하나로 수행자의 인체 전반에 걸쳐 부착되는 전기자(armature)의 집합에 바탕을 두고 있고 삼각 함수의 집합을 통해서 수행자의 동작이 분석된다. 일반적으로 이 방법은 그 디자인과 관련하여 수행을 방해하는 요소가 없다면 상당한 성과를 거둘 수 있는 기법이지만 설계 제한을 극복하기 어려워서 캐릭터 애니메이션을 위한 형태의 사용만으로 제한되는 단점이 있다.

음향 모션 캡쳐 방식은 연기 캡쳐에 대해 사용하고 있는 방법으로써 3개가 한 조가 되는 오디오 송신기 및 수신기로 구성되어 있다. 송신기는 주기적으로 클릭신호를 출력으로 내보내고 각각의 수신기는 송신기로부터 출력된 소리의 소요시간을 측정하고 이로부터 계산된 거리를 이용하여 3차원 공간에서 점을 생성하는 것을 기본내용으로 하고 있다. 이 방식은 광학 시스템(optical system)과 연관되어 사용되는 경우 충돌 문제가 거의 없다는 장점이 있지만 케이블이 여러가지 수행방식에 따라 방해될 수 있다는 점과 현재의 시스템이 정밀한 동작을 잡을 수 있을 만큼의 수신기를 지원하지 못하며 캡쳐 영역의 크기에서 송신기의 개수와 공기중의 소리 전파 속도에 제한이 있다는 단점이 있다.

또한 자기 모션 캡쳐 방식은 연기캡쳐에 널리 사용되고 있는 방법으로써 중앙에 위치한 송신기와 수행자의 몸 여러 부위에 연결되어 있는 수신기의 집합체로 구성되어 있다. 이 수신기들은 송신기와 함께 공간상의 위치를 측정할 수 있는 기능을 가지고 있는데 그 결과로 얻어지는 데이터 흐름은 3차원 공간의 위치와 오리엔테이션의 값을 포함하게 된다. 이 데이터는 일반적으로 움직이는 골격을 생성할 수 있는 역기구학 시스템에 적용된다. 이 방법은 케이블의 방해, 충분한 수신기의 부족, 그리고 캡쳐할 수 있는 데이터 영역의 한계 및 캡쳐 영역에 금속이 있는 경우에 좋지 않은 영향을 받는다는 단점이 있다.

마지막으로 광학 모션 캡쳐 방식은 최근에 널리 사용되기 시작한 방법으로써 수행자의 몸에 부착된 마커라고 불리는 개체와 정렬된 광원을 가진 카메라들로 구성된다. 각각의 카메라는 동기화될 수 있도록 프레임 버퍼와 연결되어 있으며, 컴퓨터는 카메라 각각의 시각을 이용하여 3차원 공간상에서의 마커의 위치를 계산하게 된다. 이로부터 계산된 데이터는 일반적으로 골격 애니메이션과 역기구학 시스템에 적용된다. 이 방법은 어떤 선의 연결도 필요치 않다는 점에서 최고의 자유도를 제공하지만 하나 또는 여러개의 마커가 숨거나 맞물릴 수 있어서 데이터 흐름이 끊어질 수 있다는 점과 카메라를 더 설치하거나 또는 마커를 더 추가하는 경우에는 각각의 마커를 추적하는 것이 더 복잡해지고 CPU의 계산시간을 증가시킬 수 있고, 그 결과 혼동 요소(confusion factor)가 지수함수적으로 증가할 수 있다는 결과를 야기한다.

따라서, 스포츠 경기 등 그룹 동작의 분야에서 전술한 종래의 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 시스템으로 데이터를 획득한다든지 실제 경기 상황의 동작 범위를 커버하는 것은 현재로서는 매우 어려운 일이다. 다시 말해서 축구 경기등과 같은 스포츠 경기를 애니메이션할 때 가장 이상적인 경우는 운동 경기장의 실제 환경에 대한 그룹 동작 데이터를 획득하여 3차원 캐릭터에 맵핑하고 제어하는 것이 사실적이고 가장 이상적이라 할 수 있다. 그러나, 현재의 모션캡쳐 장비나 기술로는 필요한 데이터를 얻는데 드는 비용, 시간 및 동작 사용 범위에 관한 한계등의 제약을 극복하기가 쉽지 않은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은 종래의 모션 캡쳐 방식을 통한 3차원 애니메이션 장치에서의 단점을 보완할 수 있는 그룹 동작 제어 및 애니메이션 장치를 통해 운동 경기등 실제 상황과 유사한 환경에서의 그룹 동작을 구현한 후 그룹 모션을 캡쳐함으로써 자연스러운 그룹 동작 데이터를 얻고 애니메이션하여 3차원 캐릭터 애니메이션을 정확하고 자연스럽게 구현할 수 있도록 한 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 지능 로봇을 이용한 모션캡쳐 애니메이션 시스템의 개략적인 구성을 보인 블록도이다.

도 2는 본 발명을 구현하기 위한 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 비젼 시스템의 프로그램 실행 화면을 나타낸 일실시예를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 단일 캐릭터의 일실시예를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 모션 캡쳐 애니메이션 장면의 일실시예를 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20...소형로봇 플랫폼, 21...소형로봇,

30...3차원 애니메이션부, 40...CCD카메라,

100...메인제어컴퓨터, 101...시나리오부,

102...동작계획 및 분석부, 103...지능제어부,

104...센서데이터획득부, 110...비젼시스템,

120...RF모듈.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치는 구현하고자 하는 캐릭터 애니메이션의 상황과 동일한 상황을 다수개의 소형 로봇을 제어하여 구현하도록 된 소형 로봇 시스템부와, 상기 다수개의 소형 로봇의 상황별 그룹 동작을 캡쳐하는 비젼 시스템부와, 상기 소형 로봇을 소정의 상황별 시나리오에 따라 동작시키고, 상기 비젼 시스템부를 통해 획득된 소형 로봇의 그룹 동작으로부터 애니메이션하고자 하는 3차원 캐릭터의 실제 그룹 동작 데이터를 생성하고, 생성된 상기 그룹 동작 데이터를 통해 3차원 캐릭터 애니메이션을 구현하는 메인 컴퓨터부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하에는 본 발명에 따른 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치의 구성 및 작용 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 지능 로봇을 이용한 모션캡쳐 애니메이션 시스템의 개략적인 구성을 보인 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명을구현하기 위한 모션캡쳐 애니메이션 시스템은 마이크로 로봇 제작 및 제어기술, 센서 데이터 획득 기술, 3차원 그래픽 랜더링 기술 등을 바탕으로 하고 있다. 또한, 본 발명을 구현하기 이한 모션캡쳐 애니메이션 시스템은 크게 시나리오부(101), 동작 계획 및 분석부(102), 지능제어부(103), 소형 로봇 플랫폼(20), 센서 데이터 획득부(104) 및 3차원 애니메이션부(30)로 나누어질 수 있다.

전술한 구성에 있어서, 상기 시나리오부(101)는 본 발명에 따른 모션캡쳐 애니메이션을 위한 축구로봇의 동작등에 대한 여러 타입의 시나리오가 저장되어 있다.

또한, 상기 동작 계획 및 분석부(102)는 상기 시나리오부(101)의 시나리오를 바탕으로 각 캐릭터의 역할을 분담하고, 동작을 계획하고 분석하여 요소 동작과 주변동작으로 나누는 역할을 수행한다. 일예로 캐릭터가 달리는 경우를 예로 들면 캐릭터의 운동 중심의 이동은 1차 요소 동작이고, 팔동작 혹은 다리 동작과 같이 요소동작을 수행하기 위한 캐릭터의 자체 몸동작은 2차 주변 동작이라 할 수 있다. 이때, 1차 요소 동작은 비젼 시스템을 통한 다중 로봇의 궤적으로 구성하고, 2차 주변 동작은 기구학적 동작 제어 방식을 이용하여 구성한다.

다시 말해서 상기 1차 동작 즉 요소 동작은 후술하게 될 축구 로봇 시스템중에서의 비젼 시스템의 데이터인 위치 및 방위를 이용하여 캐릭터의 이동을 나타내는 것이고, 상기 2차 동작인 주변 동작은 기구학적 동작 제어 방식을 이용하여 각각의 상태에 따라 걷기, 뛰기 등 여러가지 상태에 따라 구성되어 진다.

한편, 상기 지능 제어부(103)에서는 각 캐릭터에 해당하는 소형 로봇이 요소동작을 학습 및 실행할 수 있도록 소형 로봇 플랫폼(20)으로 제어 신호를 전달하고 센서 데이터를 이용하여 평가하게 된다. 이는 지각 및 물체인식을 하고 축구 로봇의 상태 및 동작 경로 생성을 하고 서보 제어를 하는 부분등으로 각각 구성되어 있다. 한편, 센서 데이터 획득부(104)에서는 소형 로봇들의 요소 동작 실행결과에 대한 동작 데이터를 수집하여 지능제어부(103)의 제어와 3차원 캐릭터의 동작 합성 및 렌더링에 이용할 수 있도록 한다. 본 발명에서는 상기 센서로써 비젼(vision) 센서를 사용하며, 60fps(field per second)의 빠른 속도로 다중 로봇의 그룹 동작을 캡쳐하여 3차원 캐릭터 애니메이션을 이루는 데이터로 제공할 수 있도록 한다.

한편, 상기 소형 로봇 플랫폼(20)은 3차원 캐릭터 애니메이션을 위한 3차원 캐릭터의 동작 및 환경의 모형 또는 축소판으로서 모션 캡쳐 방식에서 모션 캡쳐 장비를 착용한 배우의 역할을 하고, 그 환경을 제공한다. 다시 말해서 시나리오에 따라 각 캐릭터에 대응하는 소형 로봇의 주요 동작을 수행하고, 상기 센서 데이터 획득부(104)를 통해 동작 데이터를 획득하도록 하는 역할을 한다.

도 2는 본 발명을 구현하기 위한 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치의 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 상기도 1의 구성을 포함하는 메인 제어 컴퓨터(100)와, 소형 로봇 플랫폼(20)상에서 상기 메인 제어 컴퓨터(100)의 제어에 따라 각 역할을 수행 및 학습하는 다수개의 소형 로봇(21) 즉 축구 로봇과, 상기 축구 로봇(21)의 움직임을 캡쳐하는 CCD카메라(40) 및 상기 CCD 카메라(40)에 의해 획득된 영상을 처리하여 상기 메인 제어 컴퓨터(100)로 전송하는 비젼 컴퓨터(110)로 이루어진 비젼 시스템을 구비하여 이루어지고, 본 발명의 일실시예에서는 상기 비젼 시스템 및 상기 메인 제어 컴퓨터(100)에 의해 획득된 캐릭터의 동작 애니메이션 데이터를 바탕으로 3차원 애니메이션부(30)에서 3차원 캐릭터의 애니메이션을 구성하게 된다. 그러나, 이는 상기 메인 제어 컴퓨터(100)와 별도로 구성된 컴퓨터에서 수행되도록 구성할 수도 있다. 한편, 상기 메인 제어 컴퓨터(100)에서는 RF모듈(120)을 통해 각 축구 로봇(21)의 행동을 제어하게 된다.

또한, 상기 메인 제어 컴퓨터(100)는 계층적 제어기로 이루어지며, 상기 비젼 시스템(110)은 처리 속도의 향상을 위하여 상기 계층적 제어기를 담당하는 메인 제어 컴퓨터(100)와 분리하여 독립된 컴퓨터로 구성하였다.

이하에는 본발명에 따른 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치의 동작 및 작용효과를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명을 구현하기 위한 비젼 시스템은 전역 비젼으로 축구장 전체의 화상데이터에서 필요한 객체의 색깔을 추적하는 기능을 갖고 있다. 씨씨디(CCD:Charge-Coupled Device) 카메라(40)에서의 NTSC 신호를 PC오버레이 카드에서 입력받아 입력된 화상데이터를 PC메모리로 전송하게 되고, 이 데이터를 기본으로 객체의 위치와 방향을 추적하게 된다. 영상 처리를 위해 사용되는 데이터의 형태는 RGB형태 대신에 조명 조건에서도 원활한 색깔 추적이 가능한 YUV 4:2:2 형태를 적용하여 사용하게 된다.

한편, 종래의 색깔 추적 방법은 도티드 스캔라인(Dotted Scanline)과 이를 기본으로 윈도윙(Windowing) 방법을 사용하였는데, 이러한 방법의 문제점은 윈도우를 얼마나 크게 하느냐에 따라 차이가 크게 날 수 있다는 점이다. 너무 작은 윈도우의 설정은 객체의 중심 좌표를 찾는 데 필요한 데이터를 충분히 획득할 수 없으며, 큰 윈도우의 설정은 필요없는 데이터까지 참조해야 함에 따른 시간적인 지연 문제가 발생하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 비젼 시스템에서 객체의 색깔을 추적하기 위해 사용된 주요 알고리즘은 크게 두 가지로 먼저 색깔을 구별하기 위해 상한 설정값과 하한설정값을 사용하는 임계값 설정(thresholding)과 추출된 좌표 정보에 객체의 구분을 위한 구성 요소 라벨링(component labeling)을 사용하였다. 임계값 설정은 모든 픽셀을 대상으로 하게 되면 많은 데이터의 비교로 인해 시간적인 비효율성을 야기시킨다. 따라서, x,y 각각 3픽셀당 1픽셀을 참조하는 변형된 도티드 스캔라인(Dotted Scanline)방법을 적용하였다.

도 3은 본 발명에 따른 비젼 시스템의 프로그램 실행 화면을 나타낸 일실시예를 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 비젼시스템에서 1은 오버레이 창으로 CCD카메라(40)에서 획득된 영상이 입력되는 CCD입력창이고, 2는 화면의 색상과 화면의 해상도를 조절할 수 있는 메뉴이며, 3은 화상 데이터를 하드 디스크에 저장하는 메뉴이며, 4는 추적 기능의 시작기능을 갖는 메뉴가 된다. 5는 추적할 색을 정의하기 위해 움직이는 화면을 캡쳐하여 색상 데이터를 추출하는 색상 추출창이 된다. 6은 조정할 객체를 선택하기 위한 객체선택부이고, 7은 경기장의 x,y 좌표를 맞추는 좌표 설정부이다. 8은 현재 선택된 객체들의 YUV데이터의 상한값과 하한값을 설정하는 임계값 설정부를 나타낸다. 9는 8에서 선택된 값을 파일로 저장하는 저장키(save)이고, 10은 저장된 데이터를 기본으로 테스트 화면에 객체에 대한 색상 비교 결과를 표시하는 테스트키(test)이다.

이러한 비젼 시스템의 프로그램을 통해서 메인 제어 컴퓨터의 제어를 받아 동작되는 각 축구 로봇의 이동궤적 및 축구 로봇의 좌표설정등 기타의 테스트를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 축구 로봇 시스템으로 사용되는 MiroSot(Micro Robot Soccer Tournament)는 다중 이동 로봇 연구에 있어 서로 다른 로봇 시스템간의 경쟁과 팀 로봇간의 협동 작업 수행을 실험할 수 있는 중요한 실험 대상이 되고 있으며, MiroSot을 포함한 로봇 축구의 연구 목적은 상대팀을 고려한 동적 환경에서 팀 구성원간의 협동과 상대 로봇과의 효과적인 경쟁을 통하여 게임에서 승리할 수 있는 자율 다중 이동 로봇을 구현하는 것이다.

본 발명에서는 이러한 로봇 축구를 구현함에 있어서 동적 환경에서 인식된 정보를 효과적으로 이용할 수 있고, 환경에 대한 적응성이 뛰어나고 다양한 전술 개발에 용이하며 계산량의 부담이 적고 구조적으로 간단한 제어기로서 상태-동작 세트(state-action set)과 슈퍼-상태(super-state)에 기초한 계층적 제어기를 이용한다. 이러한 제어기의 계층적 구조는 상위 제어기 및 하위 제어기로 구성되며 상위 제어기는 상황 판단과 동작 발생의 계획등을 담당하며, 하위 제어기는 이를 실현하기 위한 각 로봇의 서보 및 실시간 제어등을 구현한다.

이러한 계층적 제어 방식의 적용은 경기장의 변화하는 환경에 대하여 신속한 인식과 판단을 바탕으로 하여 다양한 전술의 변화 및 명령 전달을 가능하게 하며협동과 경쟁적인 측면에서의 역할 교환 역시 합리적인 방향으로 유도할 수 있다.

한편, 상기 상위 제어기는 동작 세트(action set)과 동작 모델(action model)을 도입하여 로봇이 움직여야 할 경로를 직접 계산하지 않고 상태 세트(state set)을 적용한 슈퍼 상태 모델(super-state model)로부터의 정보만으로 로봇이 상황에 따라 위치해야할 좌표와 이에 도달하는 최대 속도로 구성된 목적 벡터를 생성한다. 상태 세트는 실시간 제어에 적합하도록 축구장에서의 동적 환경을 빠르고 효과적으로 인식 및 판단하기 위하여 로봇 각각의 상황을 정의한 16개의 상태를 의미하는 것이다. 이러한 16개의 상태는 로봇의 좌표, 방향, 공과 로봇의 각도 등의 기본적인 정보를 바탕으로 환경을 모델링하는 데 사용된다. 또한, 로봇간의 동작의 조합으로 이루어지는 두 대 이상의 로봇의 협동 작업에서는 상태 세트의 조합으로 구성된 슈퍼 상태 세트를 정의하고, 이러한 슈퍼 상태 세트는 축구 경기의 공격 및 수비등 다중 로봇의 협동 작업에서 로봇간의 역할 분담 및 역할 교환을 가능하게 한다. 동작 세트(action set)는 공격, 대기, 블로킹, 전환 상태(change state)의 네가지 동작으로 구성되며 각각의 동작은 목적 벡터를 정하는 규칙을 갖는다.

한편, 동작 세트에 의해 구성되는 동작 모델은 세가지로 구분되는 모드에 따라서 공격과 수비 등의 적절한 행동을 결정한다. 상위 제어기에서의 동작이 결정되면 하위제어기에 전달될 목적 벡터가 구해지며, 이러한 목적 벡터는 로봇이 공을 추적하거나 슛팅할 때 또는 상황에 따라 적합한 지점으로 이동하는데 사용되며, 로봇 동작의 정확성에 영향을 미친다.

한편, 상기 하위 제어기는 상위 제어기로부터의 각각의 목적 벡터를 전달받아 로봇이 이동할 속도 궤적을 생성하고 서보 및 피드백 제어기를 이용하여 로봇을 구동한다. 계산에 필요한 선가속도와 각가속도는 실험을 통해 로봇 이동에 무리가 없는 값으로 설정하게 된다. 가속도와 회전속도가 너무 큰 값을 갖게 되면 로봇 동작이 부정확해질 수 있으며 작은 값은 로봇의 움직임을 느리게 한다.

이러한 상위 제어기 및 하위 제어기을 통해서 로봇의 상태 변화에 대응하는 서로 다른 동작으로 이루어지는 역할 분담, 협동 및 전환에 대하여 살펴보면 다음과 같다. 3대의 로봇이 팀을 이루는 MiroSot 경기의 일반적인 전략은 한 대의 로봇은 골키퍼(Keeper)역할을 하고 나머지 두대의 로봇이 상황에 따라 공격과 수비를 하게 된다. 골키퍼를 제외한 나머지 두 대의 로봇에 대한 제어는 공격과 수비시 팀 로봇간의 간섭을 최소화하며 로봇 팀의 성능과 기능을 충분히 활용할 수 있도록 해야 한다. 먼저, 공격할때 두 대의 로봇이 서로 가까운 지역에서 공을 목표로 움직인다면 로봇간의 충돌로 인해 공격을 하는 데 장애가 될 것이다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 협동 전략은 한 대의 로봇이 공격(attack)중일 때 나머지 로봇은 대기(wait)하도록 함으로써 팀 로봇간의 충돌을 방지하도록 하는 것이다. 한편, 로봇간의 역할 교환은 공격 로봇의 상태 변화로써 이루어지는 데, 역할 변화를 하지 않고 상태 변화가 일어난 공격 로봇에게 공을 추적하게 하면 공을 위험한 지역까지 오게 할 수 있으며, 공을 몰고 공격해오는 상대 로봇의 뒤를 추적하는 불리한 상황이 발생하게 된다. 역할 교환의 목적은 보다 유리하고 공격이 용이한 위치에 있는 대기 로봇의 공격으로의 전환을 통해서 연속적인 공격을 가능하게 하기 위한 것이다. 수비에 있어서는 공이 상대 로봇의 공격으로 인해 골라인안으로 들어올 때 두 로봇은 사이의 공을 중심으로 상대방 로봇의 공에 대한 접근을 막는다.

따라서, 본 발명을 구현하기 위한 메인 제어 컴퓨터(100)의 지능 제어부(103)에서는 시나리오부(101)를 통해 제공되는 시나리오에 의해 각 축구 로봇에 동작 데이터를 전송하고, 각 동작 데이터에 따라 수비 및 공격을 수행하는 각 축구로봇들과 도시되지 않은 상대팀 로봇의 동작에 따라 변화되는 각 축구로봇의 동작을 비젼시스템(110)을 통해 입력받아 캐릭터 애니메이션을 위한 모션데이터를 생성하게 된다. 이때, 상대팀 로봇은 우리팀 로봇의 시나리오와는 다른 시나리오에 의해 동작되게 된다.

이렇게 획득된 요소동작 데이터를 바탕으로 본 발명의 3차원 애니메이션부(30)에서는 3차원 캐릭터의 애니메이션을 수행하게 된다. 이때, 본 발명을 구현하기 위한 3차원 애니메이션부(30)는 크게 단일 캐릭터 애니메이션부와 다중 캐릭터의 요소 동작을 포함한 전체 모션 캡쳐 애니메이션부로 분류된다.

단일 캐릭터 애니케이션은 다중 캐릭터의 애니메이션을 하기 위한 전 단계로서 개별 캐릭터의 상황에 따른 애니메이션을 역기구학을 이용하여 구성하게 된다.. 단일캐릭터 디자인의 일예는 도 4에 도시한 것과 같다. 도 4에 도시한 바와 같이, 단일 캐릭터는 상반신이 14 자유도(Degree Of Freedom)(DOF)이고, 하반신이 12 자유도로서 모두 26 자유도를 가지며 상반신 애니메이션과 하반신 애니메이션을 따로 구분하여 구현하였으며 각각의 동작은 시간 흐름을 맞추는 방법으로 동기화하였다. 실제의 비전 데이터는 2차원 평면상의 데이터이므로 평면을 뛰거나 걷는 것으로 애니메이션을 구성하였으며, 역기구학은 우선 일정한 보폭에 따른 걷기, 뛰기 등의 자세를 애니메이션한 후 비젼 시스템에서 얻은 데이터를 기준으로 하여 속도를 계산하여 그 데이터를 기준으로 거리에 따른 보폭을 맞추었다. 캐릭터의 디자인은 OpenGL 1.1 라이브러리를 이용하였으며, 각각의 캐릭터에는 텍스쳐 맵핑을 적용하게 된다.

한편, 모션캡쳐 애니메이션부에서는 캐릭터의 동작 제어를 이용한 주변 동작 애니메이션과 비젼 시스템의 데이터를 이용한 요소 동작 애니메이션을 결합하여 구성된다. 실제 지능 로봇의 모션 캡쳐 애니메이션에서는 축구 로봇 랜더링 시스템에서 기존의 동작 제어인 기구학적 동작 제어 방식을 이용하여 애니메이션하였다. 또한, 본 발명의 애니메이션부의 구현에는 실제 축구 로봇들을 캐릭터 애니메이션으로 구현하였다. OpenGL 1.1 라이브러리를 이용한 3차원 그래픽으로 가상 경기장(Virtual Stadium)의 간단한 모델을 조성하여 실제 경기장을 대신하였으며, 소형 로봇은 3차원 캐릭터(3D character)로 나타내었다. 그리고 실제 축구 로봇의 위치(position)와 오리엔테이션(orientation) 데이터를 바탕으로 3차원 캐릭터의 궤적을 나타내었으며 3차원 캐릭터의 요소 동작에는 역기구학(Inverse Kinematics)을 이용하여 동작 제어를 하였다. 그리고, 로봇 축구 게임에서의 실제 데이터를 사용하였으며 그 데이터의 내용은 로봇 1과 로봇 2의 위치, 방위 속도 데이터, 공의 위치 데이터로 구성되고, 이 데이터들은 60fps(field per second)의 속도로 5초간의 데이터를 잡아 모두 300 샘플로 구성되게 된다.

이에 대해 부연하여 설명하면, 먼저 소형 로봇의 그룹 동작으로부터 생성된3차원 캐릭터의 실제 그룹 동작 데이터는 3차원 캐릭터의 위치(position)과 방향(orientation)을 그 내용으로 한다. 이때, 위치데이터와 방향 데이터 둘 다 x,y,z 방향(3차원 공간상)의 3개 데이터로 각각 구성되어 있다. 그리고 이 위치 데이터와 방향데이터로부터 3차원 캐릭터의 속도(velocity)데이터를 구한다. 이때 속도데이터는 {(이전위치-현재위치)/샘플링시간}의 식으로 구할 수 있다.

이때, 위치데이터와 방향데이터를 통해서는 캐릭터의 위치를 결정하게 되고, 속도 데이터를 통해서는 캐릭터의 보폭을 결정하게 된다. 이렇게 해서 만들어진 총 7개(위치데이터3개, 방향데이터3개, 속도데이터1개)의 데이터를 가지고 역기구학을 수행하여 캐릭터의 각 관절의 각도 및 전체 형태를 얻게 된다.

이렇게 만들어진 전체 데이터를 Open GL이라는 그래픽 툴을 이용하여 배경(경기장 등)이 애니메이션된 상태에서 각 캐릭터들을 애니메이션하여 전체 애니메이션을 완성하게 된다.

다음의 표 1은 본 발명에 따른 3차원 캐릭터의 부분별 파라미터값을 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 모션 캡쳐 애니메이션 장면의 일실시예를 나타낸 것이다.

부위별 명칭(Part name)	길이 (Length) [단위 cm]
머리(Head)	20
목(Neck)	10
가슴(Breast)	20
허리(Waist)	10
엉덩이(Hip)	20
상박(Upperarm)	26
팔뚝(Forearm)	26
손(Hand)	18
허벅지(Thigh)	39
정강이(Calf)	39
발(Foot)	10
신장(The Heights of The Body)	168

본 발명에 따른 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다. 일예로, 본 발명의 일실시예에서는 축구 로봇을 통한 3차원 캐릭터 애니메이션에 대하여 설명하였으나, 축구경기 이외의 다른 경기나 혹은 다른 상황을 구현할 수 있는 마이크로 로봇을 개발하여 해당 상황에서의 동작 데이터를 비젼시스템을 통해 획득한 후 각 상황별 3차원 캐릭터 애니메이션을 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치에서는 운동 경기등 실제 상황의 축소판이라 할 수 있는 마이크로 로봇 플랫폼에서 그룹 동작을 제어하고, 이들 로봇의 그룹 동작으로부터 3차원 캐릭터의 동작 데이터를 얻어서 3차원 캐릭터 애니메이션을 수행하게 된다. 따라서, 초소형 로봇 플랫폼이라는 한정된 공간을 통해서 실제 경기장 상황등을 묘사할 수 있어 자연스러운 그룹 동작 데이터의 획득이 가능하고, 소형 로봇 기술의 발전에 따라 더욱 다양한 그룹 동작을 연출할 수 있으며, 그롭동작으로부터획득된 그룹 동작을 통해 각 캐릭터들을 애니메이션하여 3차원 캐릭터 애니메이션을 정확하고 자연스럽게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 모션 캡쳐를 통한 캐릭터의 동작 애니메이션 장치에 있어서,

   구현하고자 하는 캐릭터 애니메이션의 상황과 동일한 상황을 다수개의 소형 로봇을 제어하여 구현하도록 된 소형 로봇 시스템부와,

   상기 다수개의 소형 로봇의 상황별 그룹 동작을 캡쳐하는 비젼 시스템부와,

   상기 소형 로봇을 소정의 상황별 시나리오에 따라 동작시키고, 상기 비젼 시스템부를 통해 획득된 소형 로봇의 그룹 동작으로부터 애니메이션하고자 하는 3차원 캐릭터의 실제 그룹 동작 데이터를 생성하고, 생성된 상기 그룹 동작 데이터를 이용하여 3차원 캐릭터 애니메이션을 구현하는 메인 컴퓨터부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 컴퓨터부는

   상기 시나리오를 바탕으로 각 캐릭터의 역할을 분담하고, 분담된 각 캐릭터의 역할에 따른 동작을 계획하고 분석하여 캐릭터의 운동 중심의 이동인 1차동작과, 각 1차 동작의 변화에 따른 각 캐릭터의 세부동작인 2차동작을 분석하는 동작 계획 및 분석부와,

   각 캐릭터의 역할을 수행하는 소형 로봇에 상황별 해당 동작을 학습 및 실행할 수 있도록 동작제어신호를 상기 소형 로봇 시스템부로 전달하고, 상기 비젼시스템부로부터 획득된 그룹동작데이터를 통해 3차원 캐릭터의 동작데이터를 생성하는지능 제어부와,

   상기 지능제어부의 제어에 따라 동작되는 각 소형 로봇의 그룹동작을 상기 비젼 시스템부로부터 입력받아 상기 지능제어부로 출력하는 센서 데이터 획득부와,

   상기 지능 제어부를 통해 생성된 각 캐릭터의 그룹 동작 데이터를 바탕으로 3차원 캐릭터 애니메이션을 수행하는 애니메이션부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 지능 제어부는

   상기 각 소형로봇이 상황에 따라 이동해야할 좌표와 이에 도달하는 최대속도로 구성된 목적벡터를 생성하는 상위제어기와,

   상기 상위제어기로부터의 각각의 목적벡터를 전달받아 해당 로봇이 이동할 속도궤적을 생성하고 서보 및 피드백 제어기를 이용하여 로봇을 구동시키는 하위제어기로 구성된 것을 특징으로 하는 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 애니메이션부에서는 상기 비젼 시스템부를 통해 획득된 실제 그룹 동작 데이터를 바탕으로 하여 각 캐릭터의 1차동작을 애니메이션하고, 각 개별 캐릭터의 1차 동작에 따른 2차 동작의 애니메이션을 역기구학을 이용하여 구현하는 것을 특징으로 하는 다중 이동 로봇을 이용한 모션 캡쳐 및 동작 애니메이션 장치.