실감나는 햅틱 기술 재현을 위한 햅틱 렌더링이란?

햅틱 렌더링이란

햅틱 인터페이스는 햅틱장치를 통해 사용자가 직접 가상의 정보 를 만지고, 물리적인 반응을 촉각을 통해 느낄 수 있도록 함으로써 실제 세계에서와 같은 자연스런 인터페이스를 제공한다. 햅틱 렌더링은 가상 환경과 상호 작용을 할 때 발생하는 물리적인 접촉을 실감나게 재현하기 위한 과정을 말한다. 이 글에서는 일반적인 능동적(active) 햅틱 시스템에 대해 논하고자 한다.

햅틱 렌더링은 크게 세 가지 단계로 나눌 수 있다(그림 1의 박스 안). 먼저, 가상 공간의 햅틱 커서가 가상의 물체와 닿았을 때 그 순간과 닿은 부위를 감지하기 위한 충돌 검사(collision detection)가 필요하다. 이때 가상공간의 햅틱 커서의 위치는 햅틱장치의 단말장치(end effector)의 물리적인 위치로부터 매핑된다. 만약 충돌이 일어난 경우에는 햅틱 커서가 가상의 오브젝트 내부로 침투하는 것을 막기 위해 물리적인 반력을 생성하여 오브젝트 내부의 햅틱 커서를 오브젝트 표면으로 밀어내야 한다. 이때 물리적인 반력을 계산하는 것이 두 번째 단계가 된다. 이외에 고려해야 하는 것은 가상의 오브젝트가 표면의 질감을 재현해야 한다. 예를 들면, 표면의 마찰력, 경도, 거칠기 정도 등의 물리적인 재질감을 고려해서 반력이 생성되어야 한다. 계산된 반력을 그대로 햅틱장치에 적용하면 몇 가지 이유로 시스템을 불안정하게 만든다. 이를 해결하기 위해 시스템의 안정화를 고려한 제어 알고리듬의 적용이 마지막 단계이다.

그림 1에서처럼 햅틱 시스템은 사용자, 햅틱장치, 그리고 햅틱 렌더링 간에 폐쇄회로(closed loop)가 생성되어 햅틱 커서의 위치와 반력을 주고 받는다. 이외에 가상환경을 위한 모델 정보, 외부 입력에 반응하는 가상세계 의 물리 시뮬레이션, 화면을 만들기 위한 비쥬얼 렌더링, 그리고 접촉 시 발생하는 소리를 위한 사운드 렌더링 등의 복합적인 모듈이 필요하다. 그림 2는 햅틱 기술의 응용 예로서 KIST에서 개발한 실감치과훈련시스템을 보여준다.