KR100603019B1

KR100603019B1 - 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템

Info

Publication number: KR100603019B1
Application number: KR1020040051244A
Authority: KR
Inventors: 김래현; 박세형; 하성도
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-07-24
Also published as: KR20060002284A

Abstract

본 발명은 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에 관한 것으로서, 특히 3차원 가상 도자기 표면 위에 다양한 장식 과정을 수행하여 예상 결과물을 3차원 가상 환경에서 보고 느낄 수 있도록 한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에 관한 것이다. 이를 위해서 본 발명은 가상의 도자기 모델 표면의 촉감을 느낄 수 있도록 하는 햅틱 렌더링 알고리즘, 그림을 그리거나 색을 칠할 수 있는 햅틱 페인팅 기법, 가상의 도자기 표면의 재질 생성을 위한 시뮬레이션, 가상의 도자기 표면에 요철(음각/양각)을 넣을 수 있는 기법을 제공한다.

Description

햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템{SYSTEM FOR POTTERY DESIGN USING HAPTIC INTERFACE}

도 1은 본 발명에 의한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템의 개략도.

도 2는 햅틱 렌더링을 위한 데이터 모델의 예시도.

도 3은 반력의 크기 및 방향을 계산하는 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 4는 최종 반력정보를 구하기 위한 스프링-댐퍼 모델의 예시도.

도 5는 종래의 2D 텍스쳐 매핑(a) 및 본 발명의 햅틱 페인팅(b)을 비교하여 나타낸 예시도.

도 6은 햅틱 페인팅을 위한 2차원 텍스쳐 폴리곤의 텍스쳐 생성을 설명하기 위한 예시도.

도 7은 가상 도자기 표면의 일부분에 다른 재질이 생성되어 있는 것을 나타낸 예시도.

도 8은 가상 도자기 표면에 양각/음각을 구현하는 단계를 설명하기 위한 예시도.

도 9는 가상의 도자기 표면에 실제로 요철을 구현한 예를 나타낸 예시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **

10 : 햅틱 장치 20 : 그래픽 시뮬레이터

21 : 가상 작업공간 22 : 가상 툴

30 : 셔터 안경

본 발명은 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에 관한 것으로서, 특히 3차원 가상 도자기 표면 위에 다양한 장식 과정을 수행하여 예상 결과물을 3차원 가상 환경에서 보고 느낄 수 있도록 한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 도자기나 그릇을 만든 후, 그 표면에 그림을 그리거나 색깔을 입히고 필요에 따라 양각 또는 음각을 통해 다양한 장식을 하게 된다. 이 때 도자기에 그림이나 색깔을 입히기 전에 2차원 도면의 스케치나 3차원 모델링 툴을 통해 디자인된 결과물을 미리 보고, 디자인 결과가 좋으면 실제 디자인 작업으로 들어가게 된다.

그러나 2차원 도면을 이용하는 경우, 3차원적인 정보를 잃게 되어 다양한 각도에서 예상되는 결과물을 볼 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 3차원 모델링 툴을 이용하는 경우, 디자이너가 이 3차원 모델링 툴을 학습하는데 노력과 시간이 소요되고 마우스와 같은 2차원 입력장치의 한계에 의해 디자이너의 상상력이 제한되어 효율적인 디자인 작업이 수행될 수 없다는 문제점이 있다.

더욱이, 도자기나 그릇 표면의 재질을 부분적으로 다르게 만들고 싶지만 이를 디자인 단계에서 미리 느껴 볼 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 실제 도자기 표면에 그림이나 색깔을 입히듯이 디자이너가 3차원 가상 도자기 모델에 직접 다양한 장식 과정 즉, 그림, 페인팅, 요철, 재질 부여 등을 수행하고 이를 촉각적으로 느낄 수 있도록 한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명에 의한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템은, 디자이너가 도자기의 표면 장식을 위해 조작하는 햅틱 장치 및 가상의 도자기 모델을 영상으로 보여주는 그래픽 시뮬레이터로 구성된 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에 있어서,

상기 햅틱장치는 상기 디자이너의 조작에 의해 움직이면서 그 움직임을 전기적 신호로 변환하여 상기 그래픽 시뮬레이터에 전달하고, 상기 그래픽 시뮬레이터로부터 반력 정보를 수신하여 그 반력 정보에 따른 힘과 촉감을 디자이너에게 전달하고,

상기 그래픽 시뮬레이터는 상기 햅틱 장치로부터 움직임 신호를 받아 상기 가상의 도자기 모델과 가상 그림 도구와의 충돌을 검사하고 그에 따른 반력 정보를 계산하는 햅틱 렌더링을 수행하고,

상기 햅틱장치의 움직임에 따라 상기 가상의 그림 도구가 상기 가상의 도자기 모델의 표면에 색을 칠하면 상기 색을 칠한 부분의 볼륨 안에 들어 있는 3차원 폴리곤을 찾아내어 이에 해당하는 2차원 텍스쳐 폴리곤의 각 픽셀의 색깔을 계산하여 텍스쳐를 생성함으로써 햅틱 페인팅을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래픽 시뮬레이터는 볼륨 데이터에 저장되어 있는 부분 재질 정보를 이용하여 상기 가상의 그림 도구의 이동에 따라 상기 가상의 도자기 모델의 원하는 부분에 특정의 재질을 부여함으로써 그 재질을 느낄 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래픽 시뮬레이터는 상기 햅틱 페인팅 후 상기 가상의 도자기 모델 표면의 그림이 그려진 부분에 해당하는 볼륨 데이터의 포텐셜값을 적절하게 조작하여 음각 또는 양각을 갖는 볼륨 간접 표면을 생성하고, 이 볼륨 간접 표면으로부터 Marching cube 알고리즘을 사용하여 폴리곤 모델을 생성한 다음, 볼륨 데이터에 저장된 텍스쳐 좌표정보를 이용하여 상기 생성된 폴리곤 모델의 텍스쳐 정보를 만들어냄으로써 요철이 있는 3차원 도자기 모델을 생성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템의 개략도를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템은 사용자가 손으로 잡고 조작하는 햅틱 장치(10)와, 가상 작업공간(virtual workspace)(21) 및 가상 툴(virtual tool)(22)의 이동을 표시하는 그래픽 시뮬레이터(20), 그래픽 시뮬레이터(20)에 표시되는 영상을 3차원 입체 영상으로 볼 수 있게 해주는 셔터 안경(shutter glasses)(30)으로 구성되어 있다.

햅틱 장치(10)는 사용자의 조작에 의해 움직이면서 그 움직임을 전기적 신호로 변환하여 그래픽 시뮬레이터(20)에 전달하고, 그래픽 시뮬레이터(20)로부터 반력 정보를 수신하여 그 반력 정보에 따른 힘과 촉감이 사용자에게 전달될 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에서는 햅틱 장치(10)로서 SensAble 사의 Phantom을 사용하였다.

그래픽 시뮬레이터(20)는 햅틱 장치(10)로부터 움직임 신호를 받아 가상 툴(22)의 움직임 및 가상 툴(22)의 움직임에 따른 가상 작업공간(21)의 변형을 표시하고, 가상 작업공간(21) 및 가상 툴(22)로부터 반력 정보를 계산하여 이를 햅틱 장치(10)에 전달한다.

본 발명의 실시예에 의한 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에서, 사용자가 셔터 안경(30)을 쓰고 그래픽 시뮬레이터(20)에 표시된 가상의 도자기(21)를 보면서 햅틱 장치(10)를 조작하면, 햅틱 장치(10)의 조작에 따라 가상의 그림 도구(22)가 움직이면서 실제 도자기를 대하듯이 그림을 그리거나 요철(음각/양각)을 새기고 원하는 부분의 도자기 재질을 다르게 할 수 있다.

이를 위해서 가상의 도자기 모델 표면의 촉감을 느낄 수 있도록 하는 햅틱 렌더링 알고리즘, 그림을 그리거나 색을 칠할 수 있는 햅틱 페인팅 기법, 가상의 도자기 표면의 재질 생성을 위한 시뮬레이션, 가상의 도자기 표면에 요철(음각/양각)을 넣을 수 있는 기법 등이 필요하다.

본 발명의 실시예에서는 상기 Phantom을 이용한 볼륨 모델 기반의 데이터 구조를 가진 볼륨 간접 표면(volume implicit surface) 기반의 햅틱 렌더링 알고리즘을 개발하였다.

여기서, 볼륨 모델 기반의 데이터 구조는 일정한 간격으로 나누어진 3차원 그리드(격자) 상의 각 포인트(x, y, z축의 격자가 만나는 점)에 저장되어 있는 샘플링 정보를 말한다. 그리고 볼륨 간접 표면은 볼륨 데이터 구조 안에 저장된 정보 중에서 3차원 물체의 표면을 간접적으로 나타낸 것을 말한다.

도 2는 햅틱 렌더링을 위한 데이터 모델을 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 햅틱 렌더링에 관여하는 포인트들은 볼륨 간접 표면 주변의 일정한 범위 안에 있는 포텐셜값(potential value)들이다. 각 그리드 포인트에는 이 점으로부터 간접 표면까지의 상대적인 거리를 가지고 있는데, 이를 스칼라값으로 나타낸 것이 포텐셜값이다. 즉, 포텐셜값은 각 그리드 포인트에서 3차원 물체로의 표면으로부터 가장 가까운 점까지의 근접도(proximity)를 나타낸다.

예를 들면, 표면 가까이 있는 그리드 포인트는 멀리 떨어져 있는 그리드 포인트보다 상대적으로 큰 값을 갖는다. 또한, 표면을 0으로 하여, 표면 내부에 위치하는 그리드 포인트는 음(-)의 포텐셜값을 갖고, 표면 외부에 위치하는 그리드 포인트는 양(+)의 포텐셜값을 갖는다.

이러한 포인트들을 대상으로 충돌 검사를 하고, 도 3과 같이 반력의 크기 및 방향을 계산한다. 반력의 방향은 가상 도자기 모델의 표면 내부로 침투한 가상 툴의 위치로부터 계산된 포텐셜값들의 기울기(gradient)에 의해 결정된다.

반력의 크기는 가상 툴에서 계산된 방향을 따라 이동하여 표면과 만나는 지점(Virtual Contact Point : VCP) 간의 거리에 의해 결정된다. 가상 툴이 가상 모델의 표면 내부로 침투하면 반력을 통해 보상될 위치는 표면에 있게 되는데, 그 표면 위의 가상점을 VCP(Virtual Contact Point)라고 한다. 본 발명의 실시예에서는 VCP를 구하는데 광선추적법(ray casting)을 이용한다. 즉, 가상 툴의 물리적 위치(표면 내부)에서 가장 가까운 표면으로 가상의 광선(실제로는 방향을 가진 직선)을 쏘아서 이 광선을 따라 가상 모델의 표면과 만나는 점(VCP)을 구한다. 반력의 크기는 이 VCP와 가상 툴의 위치 사이의 거리에 비례한다.

반력의 방향 및 크기가 결정되면, 햅틱 시스템의 안정화를 위해 도 4와 같은 스프링-댐퍼(spring-damper) 모델을 사용하여 최종적인 반력을 계산한다.

최종적인 반력(F_h)은 다음의 수학식(1)과 같다.

여기서, F_h은 힘 벡터(반력), P_c는 VCP의 좌표, P_t은 가상 치과 치료기(햅틱 툴)의 위치 좌표, k는 스프링 경도(spring stiffness), V는 가상 치과 치료기의 움직임 속도, b는 점성계수(viscosity)이다. 스프링 경도는 표면의 딱딱한 정도에 비 례하고, 점성계수는 햅틱 시스템의 진동을 방지한다.

수학식(1)에서 알 수 있는 바와 같이, 댐퍼의 영향(V*b)이 고려되어 최종적인 반력정보가 계산된다. 이와 같이 최종적인 반력 정보가 계산되면 이를 햅틱장치(10)에 보내어 햅틱장치(10)를 잡고 있는 사용자의 손에 힘과 촉감이 전달되도록 한다.

다음, 햅틱 페인팅 기법에 대하여 설명한다.

종래의 3차원 모델링 기법에서 사용한 텍스쳐 매핑(texture mapping)은 도 5(a)와 같이 2차원 이미지를 3차원 모델 위에 매핑하는 과정에서 텍스쳐 변형(texture distortion)이 발생하고, 사용자가 복잡한 매핑 함수를 고려해야 한다. 그러나 본 발명에 의한 햅틱 페인팅 기법에서는, 도 5(b)와 같이 직접 가상 모델의 원하는 위치에 색을 칠함으로써 텍스쳐 변형을 줄이고 직관적인 인터페이스를 제공할 수 있다.

사용자가 그림 도구(붓)에 해당하는 햅틱장치(10)를 이용하여 가상의 도자기(21)의 원하는 부분에 색을 칠하면, 가상의 상기 색을 칠한 부분의 볼륨 안에 들어 있는 3차원 폴리곤(3차원 모델에서 색깔이 입혀지는 부분)을 찾아내어 이에 해당하는 2차원 텍스쳐 폴리곤의 픽셀의 색깔을 계산(rasterization)함으로써 텍스쳐를 생성한다. 도 6은 이러한 햅틱 페인팅을 위한 2차원 텍스쳐 폴리곤의 픽셀값 생성과정을 나타낸 것이다.

이 때, 2차원 텍스쳐 폴리곤 안의 각 픽셀의 값은 기존의 컬러값, 붓의 컬러값, 3차원 공간에서의 픽셀의 위치, 붓의 중심으로부터 거리에 따른 컬러값의 약해 짐(fall-off rate) 등을 고려하여, 다음의 수학식(2)에 의해 계산된다.

여기서,

이고, C_f는 최종 픽셀의 색, C_b는 가상 모델이 갖는 배경색, C_t는 가상 붓의 색이다. 또한, R_t는 2차원 픽셀이 3차원 공간에서 갖는 위치와 가상 붓의 중심간의 거리, R_b는 가상 붓의 반지름, f는 fall-off를 나타낸다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 가상의 도자기 표면의 재질 생성을 위한 시뮬레이션이 가능하다. 즉, 도자기 디자이너의 의도에 따라 도자기 모델의 재질(마찰력, 거칠기 등)을 부분적으로 다르게 할 수 있다.

상기 햅틱 페인팅에서 3차원 모델의 원하는 위치에 직접 페인팅하는 것과 마찬가지로, 사용자는 그림 도구(22)를 이동시켜 3차원 모델의 원하는 부분에 미리 지정된 재질을 부여함으로써 그 재질을 느낄 수 있게 된다. 이 때, 3차원 가상 모델의 부분 재질 정보는 볼륨 데이터에 저장된다. 도 7은 가상의 모델에 부분 재질이 생성되는 것을 나타낸 것으로, 적색으로 표시된 부분은 마찰이 심한 부분이고, 청색으로 표시된 부분은 마찰이 거의 없은 부분이다.

다음, 가상의 도자기 표면에 요철(음각/양각)을 넣을 수 있는 기법을 설명한 다. 도 8은 가상의 도자기 표면에서의 요철 구현과정을 단계별로 나타낸 것이다.

먼저, 상기 햅틱 페인팅을 이용해 도자기 표면에 그림을 그린다(단계 1). 도자기 표면에 그림이 완성되면, 그림이 그려진 부분에 해당하는 볼륨 데이터의 포텐셜값을 적절하게 조작하여 음각 또는 양각을 갖는 볼륨 간접 표면을 생성한다(단계 2). 이 볼륨 간접 표면으로부터 Marching cube 알고리즘을 사용하여 폴리곤 모델(geometric model)을 생성한다(단계 3). 마지막으로 단계 2에서 볼륨 데이터에 저장된 텍스쳐 좌표정보를 이용하여 새로 생성된 폴리곤 모델의 텍스쳐 정보를 만들어 낸다.

도 9는 실제로 가상의 도자기에 요철을 구현한 예를 나타낸다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 먼저 기본 도자기 모델(a)에 햅틱 페인팅에 통해 그림을 그린 후(b), 볼륨 데이터의 포텐셜값을 조작하고(c), Marching cube 알고리즘을 이용하여 폴리곤 모델을 생성한 다음(d), 마지막으로 폴리곤 모델에 텍스쳐값을 적용하면 요철이 있는 3차원 도자기 모델(e)을 생성하게 된다.

상기와 같이, 본 발명은 도자기 제작과정에서 디자이너가 햅틱 인터페이스를 통해 실제와 거의 동일하게 3차원 도자기 모델에 직접 그림을 그리거나 색깔을 칠하고 도자기 표면의 일부를 다른 재질로 하고 또한 음각 또는 양각의 요철 효과를 줄 수 있도록 하고 이를 입체적으로 볼 수 있도록 함으로써, 기존 제작과정에서 드는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

다자이너가 도자기의 표면 장식을 위해 조작하는 햅틱 장치 및 가상의 도자기 모델을 영상으로 보여주는 그래픽 시뮬레이터로 구성된 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템에 있어서,

상기 햅틱장치는 상기 디자이너의 조작에 의해 움직이면서 그 움직임을 전기적 신호로 변환하여 상기 그래픽 시뮬레이터에 전달하고, 상기 그래픽 시뮬레이터로부터 반력 정보를 수신하여 그 반력 정보에 따른 힘과 촉감을 디자이너에게 전달하고,

상기 그래픽 시뮬레이터는 상기 햅틱 장치로부터 움직임 신호를 받아 상기 가상의 도자기 모델과 가상 그림 도구와의 충돌을 검사하고 그에 따른 반력 정보를 계산하는 햅틱 렌더링을 수행하고,

상기 햅틱장치의 움직임에 따라 상기 가상의 그림 도구가 상기 가상의 도자기 모델의 표면에 색을 칠하면 상기 색을 칠한 부분의 볼륨 안에 들어 있는 3차원 폴리곤을 찾아내어 이에 해당하는 2차원 텍스쳐 폴리곤의 각 픽셀의 색깔을 계산하여 텍스쳐를 생성함으로써 햅틱 페인팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 햅틱 페인팅에서 상기 2차원 텍스쳐 폴리곤 안의 각 픽셀의 값(C_f)은 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템.

( 여기서,
, C_b: 가상 모델이 갖는 배경색, C_t: 가상 붓의 색, R_t: 2차원 픽셀이 3차원 공간에서 갖는 위치와 가상 붓의 중심간의 거리, R_b: 가상 붓의 반지름, f: fall-off rate)
제 1항에 있어서,

상기 그래픽 시뮬레이터는 볼륨 데이터에 저장되어 있는 부분 재질 정보를 이용하여 상기 가상의 그림 도구의 이동에 따라 상기 가상의 도자기 모델의 원하는 부분에 특정의 재질을 부여함으로써 그 재질을 느낄 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 그래픽 시뮬레이터는 상기 햅틱 페인팅 후 상기 가상의 도자기 모델 표면의 그림이 그려진 부분에 해당하는 볼륨 데이터의 포텐셜값을 적절하게 조작하여 음각 또는 양각을 갖는 볼륨 간접 표면을 생성하고, 이 볼륨 간접 표면으로부터 Marching cube 알고리즘을 사용하여 폴리곤 모델을 생성한 다음, 볼륨 데이터에 저장된 텍스쳐 좌표정보를 이용하여 상기 생성된 폴리곤 모델의 텍스쳐 정보를 만들어냄으로써 요철이 있는 3차원 도자기 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스를 이용한 도자기 디자인 시스템.