통신 집중적인 환경의 햅틱 협업을 위한 햅틱 데이터 전송 프레임워크 개발 = Development of a Haptic Data Transmission Framework for Tele-immersive Collaboration

국문 초록 (Abstract)

이 논문은 통신 집중적인 환경에서의 햅틱 협업을 위한 촉각(haptic) 데이터를 고빈도 특성에 맞추어 네트워크에 적응적이고 효율적으로 전송할 수 있는 전송 알고리즘을 제안한다. 촉감 상호작용 측정 실험을 위해 네트워크 햅틱 협업 응용을 작성하였으며, 구현된 햅틱 응용 상에서 지연, 지터, 손실에 따른 불안정한 패킷 전송률과 데이터 정확도의 변화를 분석하였다. 이 분석을 바탕으로 네트워크 트래픽에 적응할 수 있는 예측, 동기화 및 압축 알고리즘을 구성하였다. 손실되거나 지터의 영향을 받은 패킷들에 대해서는 선형예측 방법을 사용하여 보상해 줌으로써 손실과 지터로 인한 오차를 줄였다. 이는 심각한 손실이나 지터에 의해 떨림 현상이 나타나는 햅틱 장치의 문제점을 개선하게 해 주었다. 또한 네트워크 협업에서 지연이 발생할 때 나타나는 클라이언트들 사이의 비동시성 문제를 해결하기 위하여 완충시간을 두었다. 지연이 큰 클라이언트는 버퍼를 사용하지 않고 실시간으로 처리하고, 지연이 적은 클라이언트는 버퍼를 사용하여 전송 받은 좌표를 완충시킨 후에 처리하는 방법을 사용하여 클라이언트들 사이의 햅틱 렌더링을 동기화 하였다. 제안된 알고리즘은 다양한 네트워크 상황에서의 협업에서 개선된 결과를 보였다.
또한 제한된 대역폭의 사용량을 줄이기 위하여 촉각(haptic) 데이터를 네트워크를 통해 경량으로 전송할 수 있는 햅틱 데이터 압축 기법을 제안한다. 실수(float) 형의 특성과 햅틱 포인터의 좌표이동의 특징 분석 및 실수의 비트 표현 접근을 통해서, 예측된 좌표와 Exclusive-Or 연산을 사용하여 최저 0 최고 24비트까지 유효비트를 생성한 후 전송하는 햅틱 데이터 압축 알고리즘을 고안하였다. 압축을 위해서 햅틱 데이터 예측 기법 분석 연구를 수행하였으며, 제안하는 햅틱 데이터 압축 기법을 수행하는 소프트웨어 시스템도 구현하였다.
제안하는 네트워크 알고리즘과 압축 알고리즘을 포함하는 햅틱 네트워크 프레임워크에 기초하여 햅틱 가상 전시공간 및 재질 정보 재생 스트리밍 플레이어를 설계하고 구현하였다. 본 논문은 다양한 네트워크 상황에서 햅틱 데이터를 전송하고 처리하는 분야의 연구를 위한 기초자료가 될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Haptic Collaboration Virtual Environment (HCVE) is an enhanced virtual reality space that supports sense of touch, which is called “haptic”. In HCVE, remote users connected over networks are able to collaborate by sharing touching experiences in addition to well-established audio and visual interfaces. The success of HCVE largely depends on timely transmission of haptic data despite time-varying network conditions such as delay, loss, and jitter. However, the fact that the data generation frequency of haptic interface devices is extremely high, e.g. 1 KHz, makes the realization of successful HCVE more challenging. For seamless haptic data communication even under adverse network conditions, we propose a linear prediction algorithm, a buffering scheme and a floating-point compression method. The prediction algorithm, which is basically extrapolation, is to mitigate the negative effects of network delay, loss and jitter, and the buffering scheme is to help synchronization of haptic interaction between remote users. The floating point compression method reduces the size of bandwidth used for haptic data communication in networked haptic virtual environments, such as remote-teaching or tele-operation, by compressing the size of packets composed of floating-point numbers.
We build an experimental test bed for the evaluation of our proposed schemes, and as the results of analyzing quantitative measurement results, conclude that those are effective in improving the quality of haptic experiences.
At the end of the paper, we propose a haptic based application such as Touchable 3D Museum and Tactile information included video streaming player. These applications make use of the network framework and show the future application in practice.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제2장 관련연구 = 3
• 2.1 햅틱스(Haptics) = 3
• 2.1.1 햅틱 인터페이스(Haptic Interface) = 3
• 2.1.2 햅틱 렌더링(Haptic Rendering) = 4
• 2.1.3 힘 피드백 계산 = 5
• 2.1.4 햅틱 데이터 전송(Haptic Data Transmission) = 6
• 2.2 실수형 데이터 압축 = 6
• 2.3 가상전시 = 7
• 2.4 햅틱 박물관 = 8
• 제3장 햅틱 데이터 전송 프레임워크 = 9
• 3.1 햅틱 데이터 전송 프레임워크 = 9
• 3.1.1 PM(Prediction Module) = 11
• 3.1.2 DSM(Delay Synchronization Module)과 DM(Delay Module) = 12
• 3.2 햅틱 데이터 전송 테스트 = 14
• 3.2.1 테스트베드 = 14
• 3.2.2 네트워크 햅틱 협업 응용 = 15
• 3.2.3 평가 방법 = 18
• 3.2.4 실험 결과 및 분석 = 18
• 제4장 햅틱 데이터 전송을 위한 실수형 데이터 압축 = 22
• 4.1 개요 = 22
• 4.2 햅틱 포인터 예측 = 24
• 4.3 실수형 데이터 압축 시스템 = 27
• 4.4 실 험 = 29
• 4.4.1 테스트 응용 = 29
• 4.4.2 소프트웨어 구성 = 30
• 4.4.3 하드웨어 구성 = 30
• 4.4.4 실험 시나리오 = 30
• 4.4.5 실험 결과 및 분석 = 31
• 제5장 햅틱 네트워크 응용 설계 및 구현 = 33
• 5.1 햅틱 가상 전시공간 = 33
• 5.1.1 햅틱 가상 전시공간의 개요 = 33
• 5.1.2 소프트웨어 구성 = 34
• 5.1.3 네트워크 구성 = 34
• 5.1.4 햅틱 가상 전시공간의 설계 = 35
• 5.1.5 햅틱 가상 전시공간 사용 시나리오 = 43
• 5.2 재질 정보 재생 스트리밍 플레이어 = 44
• 5.2.1 설계 = 44
• 5.2.2 구현 = 50
• 제6장 결론 = 51
• 참고문헌 = 53
• Abstract = 56