KR20020066983A - 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컴퓨터 그래픽과 같은 화면상의 물체의 3차원 움직임, 즉 3차원 회전 및 3차원 이동을 제어하기 위한 입력 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 최소한 2개 이상의 센서들을 사용하여 트랙볼의 움직임을 감지하고 이를 이용하여, 컴퓨터 화면상의 물체의 3차원 회전 및 3차원 이동을 제어할 수 있다. 본 발명에서는 또한, 2개 이상의 센서들의 "위치값"과 트랙볼의 움직임에 의하여 발생하는 각 센서의 "속도값"으로부터 트랙볼의 회전 각속도를 환산함에 있어서, 수학적으로 안정적인 해를 구하기 위하는 방법과, 이를 위한 각 센서의 최적의 위치값을 제시한다.

Description

3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 및 그 장치{INPUT METHOD AND DEVICE FOR THE CONTROL OF THREE DIMENSIONAL MOVEMENTS}
본 발명은 컴퓨터 그래픽과 같은 화면상의 물체의 3차원 움직임, 즉 3차원 회전 및 3차원 이동을 제어하기 위한 입력 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적인 컴퓨터 분야의 입력 장치로 종래에 널리 알려진, 마우스나 트랙볼은 컴퓨터 화면상의 물체의 2차원 움직임을 제어하기 위한 입력 장치이다. 컴퓨터 그래픽의 발전에 따라서 화면상의 물체를 3차원 움직임을 제어할 필요성이 대두되었다. 이는 종래의 마우스나 트랙볼에 의하여 달성할 수 없는 것이다.
도1은 종래 기술에 의한 2차원 움직임 제어를 위한 입력 장치의 일예로서, 트랙볼의 경우를 도시한 것이다. 도1에 도시된 트랙볼의 경우에는, 중앙에 위치한 볼(10)의 좌우 방향의 움직임을 검출하기 위한 센서(11)와 볼(10)의 상하 방향의 움직임을 검출하기 위한 센서(12) 및 볼(10)의 눌림 조작을 검출하기 위한 센서(13)와 이러한 세가지 센서들로부터의 신호를 합성하여 제어부로 전달하는 합성부(14) 등으로 구성되어 있다. 이러한 종래 기술에 의한 2차원 트랙볼을 이용하는 경우, 컴퓨터 화면상의 물체의 2차원적 움직임을 제어 입력할 수 있다.
한편, 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치로서 종래에 알려진 것으로서, 스페이스볼(Space ball)이 있다. 이는 볼에 가해지는 물리적인 힘을 스프링을 이용하여 기계적으로 감지하여 이를 변환하여 화면상의 물체의 3차원 회전을 입력한다. 그러나, 기계적인 장비인 스프링을 이용하므로 제작 단가가 비싸고, 오차가 많으며, 기계적인 문제로 인한 오동작이 자주 발생한다.
또한, 가상 현실이나 모션 캡쳐에서 사용되는 풀히무스사의 3차원 입력 장치는, 자기장에 의하여 3차원 위치와 방향을 감지하는데, 자기장을 걸어주는 특별한 주변 장비가 부수적으로 필요하고 가격 또한 고가이므로 일반적인 컴퓨터 입력 장치로서 사용될 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 최소한 2개 이상의 센서들을 사용하여 트랙볼의 움직임을 감지하고 이를 이용하여, 컴퓨터 화면상의 물체의 3차원 회전을 제어할 수 있는 입력 방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 최소한 2개 이상의 센서들을 사용하여 상기한 바와 같이 감지된 트랙볼의 움직임으로부터, 컴퓨터 화면상의 물체의 3차원 이동을 제어할 수 있는 입력 방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 최소한 2개 이상의 센서들을 사용하여 트랙볼의 움직임을 감지하여 이를 이용하여, 컴퓨터 화면상의 물체의 3차원 움직임을 제어할 수 있는 입력 장치를 제시하고자 한다.
도1은 종래 기술에 의한 2차원 움직임 제어를 위한 입력 장치의 일예이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치의 외관을 도시한 것이다.
도3은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치의 블럭구성도이다.
도4는 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 회전 제어를 위한 입력 방식을 설명하기 위한 참고도이다.
도5는 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 이동 제어를 위한 입력 방식을 설명하기 위한 참고도이다.
도6은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 이동 제어를 위한 입력 방식에 관한 간략한 흐름도이다.
도7은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법의 일실시예에 관한 흐름도이다.
도8은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법의 또 다른 일실시예에 관한 흐름도이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법은, 2개 이상의 센서들의 "위치값"과 트랙볼의 움직임에 의하여 발생하는 각 센서의 "속도값"으로부터 트랙볼의 회전 각속도를 환산하는단계(a); 상기 단계(a)에서 환산된 트랙볼의 회전 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 화면상의 물체의 3차원 회전을 제어하는 단계(c)를 포함하는 것임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법은, 2개 이상의 센서들의 "위치값"과 트랙볼의 움직임에 의하여 발생하는 각 센서의 "속도값"으로부터 트랙볼의 회전 각속도를 환산하는 단계(a); 및 상기 단계(a)에서 환산된 트랙볼의 회전 각속도의 방향에 의하여 결정되는 특정 방향의 진행 방향을 가지고, 회전 각속도 값에 상응하는 크기를 가지도록, 화면상의 물체의 3차원 이동을 제어하는 단계(b)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치는, 3차원 움직임을 입력하기 위하여 사용자의 조작에 의하여 3차원 회전을 하는 트랙볼; 상기 트랙볼을 기준으로 특정 위치에 장착되는 2개 이상의 속도 감지 센서들; 상기 속도 감지 센서의 위치 및 상기 속도 감지 센서에 의하여 감지되는 속도로부터 상기 트랙볼의 회전 각속도를 수치적으로 안정되게 환산하는 환산 수단을 포함하는 것임을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 및 그 장치를 상세하게 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치의 외관을 도시한 것이다. 도2는 3개의 센서들이 장착된 입력 장치를 도시한 것이다. 도2에 도시된 바와 같이, 볼(20) 주위에 센서들(22-1, 22-2, 22-3)이 배치되어 있다. 본 발명에서는 각 센서가 배치된 위치가 중요하게 되는데, 이를 이하에서는 각 센서의 "위치값"이라 한다. 위치값은 고정된 위치-벡터값이다. 사용자가 볼(20)을 움직이는 경우, 각 센서에서 속도가 감지된다. 이를 각 센서의 "속도값"이라고 한다. "각 센서의 속도값"은 물리적으로는 시간에 따라 방향과 크기가 변하는 속도-벡터값이다. 본 발명에서는 각 센서의 "위치값"과 각 센서에서 감지된 "속도값"으로부터 볼의 3차원 회전 각속도를 구한다. 그런 다음 볼의 3차원 회전 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 화면상의 물체의 3차원 회전을 제어한다.
도3은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치의 블럭구성도이다. 도3은 3개의 센서들이 장착된 입력 장치들을 예시한 것이다. 볼(20) 주변으로 3개의 센서들(22-1, 22-2, 22-3)이 특정 위치에 배치된다. 사용자가 볼(20)을 구동하면, 각 센서에 의하여 속도값이 측정된다. 3개의 센서들의 특정 위치에 의하여 결정되는 각 센서의 "위치값"과 3개의 센서들에 의하여 감지된 각 센서의 "속도값"이 프로세서(414)에 의하여 볼의 회전 각속도로 환산된다. 볼의 회전 각속도는 인터페이스부(416)에 의하여 컴퓨터로 전송된다.
도4는 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 회전 제어를 위한 입력 방식을 설명하기 위한 참고도로서, 볼(20)의 기준으로 하는 구면상에서의 3개의 센서들(22-1, 22-2, 22-3)의 위치와 각 센서의 "속도값"(p1', p2', p3')과 그에 의하여 환산되는 볼의 각속도를 도시한 것이다.
먼저, 2개의 센서들을 사용하는 경우 각 센서의 "위치값"과 사용자가 볼을 움직이는 경우 각 센서에서의 "속도값"으로부터 볼의 각속도를 환산하는 것에 관하여 설명하기로 한다.
2개의 센서의 "위치값"을 각각 p1=(x1,y1,z1), p2=(x2,y2,z2)라고 하고, 사용자가 볼을 움직이는 경우 각 센서에서의 "속도값"을 각각 p1'=(x1',y1',z1), p2'=(x2',y2',z2')이라고 하고, 볼의 각속도를 ω라고 하면 다음과 같은 관계가 성립한다.
Aω=b
상기 수학식 1에서 A 및 b는 다음과 같고, 특히 b는 벡터량이다.
위 수학식 1의 행렬 방정식은, p1≠±p2인 경우, 해가 존재한다. 이 행렬 방정식을 풀어서 볼의 각속도(ω)를 구하기 위하여 본 발명에서는 6x3 행렬의 싱귤러-밸류 분해(singular-value decomposition) 방식을 사용한다. 즉 A=UΣVT로 분해한다. 여기서 U는 6x6 행렬이고, V는 3x3 행렬이고 Σ는 다음과 같다.
,
상기 수학식 3에서 σ1, σ2, σ3는 행렬 A의 싱귤러-밸류들이다.
그러면, 상기 수학식 1의 해인 볼의 각속도(ω)는 VΣ+UTb가 된다. 여기서 Σ+는 다음과 같다.
즉, 위와 같은 방식으로 각 센서의 "위치값"과 사용자가 볼을 구동하는 경우 각 센서에서 감지되는 "속도값"으로부터 볼의 각속도(ω)를 구할 수 있다. 이러한 볼의 회전 각속도(ω)에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 화면상의 물체의 3차원 회전을 제어할 수 있다.
한편, σi≠0인 경우, 볼의 회전 각속도(ω)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 5에서 ui는 U의 i번째 열(column)이고, vi는 V의 i번째 열을 나타낸다.
위의 수학식 5로부터 방정식의 해인 볼의 회전 각속도(ω)는 σi의 값이 클수록 수치적으로 안정하다는 것을 알 수 있다. 한편 σi는 벡터 A의 싱귤러-밸류들이고, 벡터 A는 각 센서의 "위치값"에 의하여 정하여지므로, σi의 값이 최대가 되도록 하는 각 센서의 "위치값"이 바로 각 센서의 최적의 위치라는 것을 알 수 있다.
아래에서는 각 센서의 최적의 위치를 구하는 것을 설명한다. 이하에서 각 센서의 위치는 트랙볼의 중심을 원점으로 하는 좌표에서 설명한다. 또한, 구면이 회전하는 경우 좌표는 달라지나, 상대적인 위치는 동일하므로, 이하에서의 각 센서의 위치값은 상대적인 위치가 된다.
먼저, 각 센서를 y축을 중심으로 대칭적으로 yz평면상에 둔다. 즉, p1=(0, sinθ, cosθ), p2=(0, -sinθ, cosθ), (0<θ<π/2)로 두는 경우, 싱귤러-밸류들은 다음과 같다.
상기 수학식 6에서 σi의 절대값이 최대가 되는 경우는 cosθ=sinθ인 경우이다. 즉, θ가 45°되어야 하므로 결과적으로 최적의 센서 위치는 다음과 같다.
세 개의 센서들을 사용하는 경우에도, 수학식 1과 같은 행렬 방정식 및 그 해법은 동일하다. 다만, 3개의 센서의 "위치값"을 각각 p1=(x1,y1,z1), p2=(x2,y2,z2), p3=(x3,y3,z3)라고 하고, 사용자가 볼을 움직이는 경우 각 센서에서의 "속도값"을 각각 p1'=(x1',y1',z1), p2'=(x2',y2',z2'), p3'=(x3',y3',z3')라고 할 때에 A 및 b는 다음과 같게 된다.
2개의 센서들을 사용하는 경우와 마찬가지로 행렬 A의 싱귤러-밸류인 σi의 절대값을 최대로 하는 경우 상기 행렬 방정식의 해인 볼의 회전 각속도(ω)가 수치적으로 안정된다. 행렬 A는 3개의 센서들의 위치값에 의하여 결정되므로, 3개의 센서들의 최적의 위치를 결정할 수 있다.
세 개의 센서들의 위치를 대칭적으로 다음과 같이 둔다
,
,
.
여기서, 0 < θ < π/2임.
이 때에 행렬 A의 싱귤러-밸류들은 다음과 같다
위의 싱귤러-밸류들(σi)의 절대값을 최대로 하는 θ=60°된다. 따라서, 3개의 센서를 사용하는 경우 최적의 센서의 위치값은 다음과 같다.
,
,
.
3개의 센서들을 사용하는 경우, 싱귤러-밸류의 절대값이 1.5인 것을 알 수 있다. 2개의 센서들을 사용하는 경우, 싱귤러-밸류의 절대값이 1인 것과 비교하여 볼 때에 센서를 하나 더 사용함으로써 안정도가 약50% 정도 개선된 것을 알 수 있다.
4개 이상의 센서들을 사용하는 경우에도 위와 동일한 방법으로 각 센서들의 최적 위치를 정할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 회전 제어를 위한 입력 방식을 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 이동 제어를 위한 입력 방식을 설명한다.
도5는 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 이동 제어를 위한 입력 방식을 설명하기 위한 참고도이다.
도5에서 보이는 바와 같이, 3차원 회전 각속도(10)가 결정되면, 회전 각속도의 방향에 의하여 결정되는 특정 방향의 진행 방향을 가지며(예를 들어서 도5에서 11), 회전 각속도의 크기에 상응하는 크기만큼의 거리 이동으로 3차원 이동 제어를 위한 입력을 수행할 수 있다. 이때에 회전 각속도의 크기에 상응하는 크기만큼의 거리 이동을 위한, 스케일링 팩터를 α라고 하면, 이동거리=αx(x는 회전 각속도의 절대값)이 된다.
도6은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법 중 3차원 이동 제어를 위한 입력 방식에 관한 간략한 흐름도이다.
도6에서 보이는 바와 같이, 사용자가 볼을 움직이는 경우(201), 각 센서에 의하여 볼의 회전 각속도(ω)가 산출되고(202), 볼의 회전 각속도(ω)의 방향과 크기에 비례하는 값으로 3차원 이동을 매핑하여(203), 3차원 이동 제어를 위한 신호를 출력한다(204).
이상에서 설명한 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어, 즉 3차원 회전 제어 및 3차원 이동 제어를 위한 입력은 각자 별도로 수행되거나 또는 하나의 기기에서 모두 수행될 수 있다. 도7의 경우는 하나의 볼을 사용하여 모드를 변환하여 3차원 회전 제어와 3차원 이동 제어를 수행하는 경우이고, 도8은 3차원 회전 제어를 위한 볼과 3차원 이동 제어를 위한 볼을 각각 사용하는 경우이다.
도7은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법의 일실시예에 관한 흐름도이다.
도7의 경우 동작 모드가 설정된 후(301), 사용자가 볼을 움직이면(302), 센서들에 의하여 3차원 각속도가 산출된다(303). 그런 다음 3차원 회전 모드인가 아니면 3차원 이동 모드인가를 구별하여(304), 3차원 회전 모드인 경우에는 산출된 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 3차원 회전을 제어하는 신호를 출력하고(305), 3차원 이동 모드인 경우에는 산출된 각속도의 방향과 크기에 비례하는 값을 3차원 이동을 매핑하는 신호를 출력한다(307).
도8은 본 발명에 의한 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법의 또 다른 일실시예에 관한 흐름도이다. 도8에서는 예를 들어서, 3차원 회전 제어는 왼손이 올려지는 볼에서 입력하고, 3차원 이동 제어는 오른손이 올려지는 볼에서 입력하는 경우이다. 각 손에 의한 볼의 조작에 의하여 센서들에 의하여 볼의 회전 각속도가 검출되고, 3차원 회전 제어의 경우(왼손)에는 산출된 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 3차원 회전을 제어하는 신호를 출력하고, 3차원 이동 모드인 경우(오른손)에는 산출된 각속도의 방향과 크기에 비례하는 값을 3차원 이동을 매핑하는 신호로 출력한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 최소한 2개 이상의 센서들을 사용하여 트랙볼의 움직임을 감지하고 이를 이용하여, 컴퓨터 화면상의 물체의 3차원 회전 및 3차원 이동을 제어할 수 있다. 본 발명에서는 또한, 2개 이상의 센서들의 "위치값"과 트랙볼의 움직임에 의하여 발생하는 각 센서의 "속도값"으로부터 트랙볼의 회전 각속도를 환산함에 있어서, 수학적으로 안정적인 해를 구하기 위한 방법과, 이를 위한 각 센서의 최적의 위치값을 제시한다.

Claims (14)

  1. 2개 이상의 센서들의 "위치값"을 설정하는 단계(a);
    트랙볼이 움직이는 경우, 상기 단계(a)에 의하여 설정된 "위치값"에 설치된 센서들에 의하여 감지되는, 각 센서의 "속도값"으로부터 트랙볼의 회전 각속도를 환산하는 단계(b); 및
    상기 단계(c)에서 환산된 트랙볼의 회전 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 화면상의 물체의 3차원 움직임을 제어하는 단계(c)를 포함하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계(b)는 싱귤러-밸류 분해(singular-value decomposition) 방식을 사용하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계(a)에서 설정되는 각 센서들의 "위치값"은 상기 단계(b)에서 사용하는 싱귤러-밸류 분해(singular-value decomposition) 방식에서의 행렬 방정식의 해를 수치적으로 안정화하도록 설정되는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계(a)에서 설정되는 각 센서들의 상대적인 "위치값"은 2개의 센서들을 사용하는 경우, 트랙볼의 중심을 원점하는 하는 3차원 공간에서, 각각
    로 설정되는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 단계(a)에서 설정되는 각 센서들의 상대적인 "위치값"은 3개의 센서들을 사용하는 경우, 트랙볼의 중심을 원점하는 하는 3차원 공간에서 각각,,
    ,
    로 설정되는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계(c)는, 상기 단계(b)에서 환산된 트랙볼의 회전 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 화면상의 물체의 3차원 회전을 제어하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계(c)는, 상기 단계(b)에서 환산된 트랙볼의 회전 각속도의 방향에 의하여 결정되는 특정 진행 방향을 가지고, 회전 각속도의 값에 비례하는 크기를 가지도록 화면상의 물체의 3차원 이동을 제어하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  8. 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(c)는 단일의 트랙볼에서 모드를 변경하여 3차원 회전 및 3차원 이동을 제어하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  9. 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(c)는 3차원 회전 및 3차원 이동에 대한 각각의 트랙볼을 이용하여 3차원 회전 및 3차원 이동을 제어하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 방법.
  10. 3차원 움직임을 입력하기 위하여 사용자의 조작에 의하여 3차원 회전을 하는 트랙볼; 상기 트랙볼을 기준으로 특정 위치에 장착되는 2개 이상의 속도 감지 센서들; 상기 속도 감지 센서의 위치 및 상기 속도 감지 센서에 의하여 감지되는 속도로부터 상기 트랙볼의 회전 각속도를 환산하는 환산 수단을 포함하는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 환산 수단에 의하여 환산된 상기 트랙볼의 회전 각속도에 의하여 결정되는 회전 운동에 상응하도록 화면상의 물체의 3차원 회전을 제어하는 수단을 더 포함하는 것임을 특징으로 하는, 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 환산 수단에 의하여 환산된 상기 트랙볼의 회전 각속도에 의하여 결정되는 특정 방향의 진행 방향을 가지고, 회전 각속도 값에 상응하는 크기를 가지도록 화면상의 물체의 3차원 이동을 제어하는 수단을 더 포함하는 것임을 특징으로 하는, 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 센서들을 사용하는 경우, 각 센서의 상대적인 위치는, 상기 트랙볼의 중심을 원점하는 하는 3차원 공간에서, 각각로 설정되는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항이 있어서, 3개의 센서들을 사용하는 경우, 각 센서의 상대적인 위치는, 상기 트랙볼의 중심을 원점하는 하는 3차원 공간에서 각각,
    ,,
    로 설정되는 것임을 특징으로 하는 3차원 움직임 제어를 위한 입력 장치.
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