다인용 VR 콘텐츠 제작을 위한 교환 모델 가시화 방안에 관한 연구: VR기반 항공기 견인차/급유차 시뮬레이터의 사례를 중심으로

1-1 VR 콘텐츠의 필요성

VR기반의 콘텐츠들은 생산하는 데에 시간이 비교적 오래 걸려 사용자들이 경험할 수 있는 콘텐츠가 매우 적은 상황이지만, 몰입감, 시각적 실재감, 상호작용을 통한 유용한 학습 도구로 많은 주목을 받는다[1]-[5]. 가상현실 교육 콘텐츠의 사용자 경험은 콘텐츠를 사용하는 사용자가 본인의 의지에 따라 콘텐츠를 제어하고 주체적인 학습이 가능하여 실제 상황과 유사한 체험으로 숙련자가 될 수 있다[6],[7].

1-2 VR 콘텐츠 개발 사례

교육콘텐츠 개발에 대한 선행연구는 표 1과 같다[8]-[12]. 표 1의 1번 연구는 1인용 VR 시스템을 통해 상호작용 인터랙션 기능의 중요성을 말하며, 2번 연구는 여러 가지 VR 콘텐츠의 현황을 요약하여 팀 단위로 상호작용하는 시스템의 필요성을 설명하였다. 3번 연구에서는 메타데이터를 통해 실시간으로 따라 사용자가 팀 단위로 상호작용하는 기반을 설명하였으며, 4번 연구에서는 팀 단위로서 하는 시스템의 교육 효과를 확인할 수 있었다. 5번 연구에서는 동시에 여러 팀이 훈련할 수 있도록 하는 플랫폼을 구축하여 제어하는 방안에 대하여 설명하였다. 이러한 선행연구들을 통하여 더욱 효과적인 VR 콘텐츠를 제작하기 위해 교환 모델을 사용하여 개발에서의 복잡성을 줄이고 개발 기간을 단축시키기 위한 효과적인 모델 제어 방안에 대하여 설명하고자한다.

Table 1.

A study on the development case of educational contents in VR

1-3 다인용 VR 콘텐츠

대다수의 VR 콘텐츠는 싱글플레이를 기반으로 두고 제작이 되는 경우가 많다. 하지만 VR을 통해 교육 효과를 얻기 위해 일부 콘텐츠들은 팀 단위로 교육이 이루어져야 하는 부분이 존재한다. 통신을 통해 다인용 3차원 VR 환경을 만드는 부분에서 서버-클라이언트간 교환 모델 설계 및 모델 제어를 체계화하여 서버와 클라이언트가 모델 정보가 동기화되도록 유지해주고, 각 클라이언트에서 모델에 대한 상호작용을 통해 교육 시스템이 적용되게 하는 방안을 제안한다.

1-4 논문 구성

본 논문의 2장에서는 항공기 견인차 및 급유차에 대한 개략적인 소개를 하고, 3장에서는 VR기반 항공기 견인차/급유차 시뮬레이터 시스템의 구현 방법에 대하여, 4장에서는 교환모델에 대한 설명 및 이를 통한 효율적인 모델 제어 방안에 대한 내용을 설명하고, 5장에서는 모델 제어 방안 적용에 따른 결론을 서술하였다.

2-1 항공기 견인차

항공기 견인차는 항공기를 토우바를 통해 견인할 수 있는 차량을 말한다. 현실에서는 견인을 직접 하기 위해서는 견인차뿐만이 아니라, 견인차와 연결되는 토우바, 그리고 그 토우바와 연결되는 항공기가 함께 묶여 훈련을 진행하여야 한다. 하지만 견인 조작이 어려워 사고가 날 확률도 높으며 사고 발생 시 어마어마한 비용적 대가가 따르게 된다. 특히, 각도에 따라 어떻게 움직일지 처음 운전할 때에는 예상하기 어렵기 때문에 사고 위험 없이 자유롭게 연습할 수 있는 환경은 매우 중요하다고 할 수 있다.

항공기 견인차 시뮬레이터의 시나리오는 항공기를 격납고 안에 이동시키기 위한 항공기 주기 절차와 항공기의 위치를 정비고로 옮기기 위한 항공기 견인절차로 구성되었다.

2-2 항공기 급유차

항공기 급유차는 항공기용 연료를 채워 항공기에 급유 할 수 있는 차량을 말한다. 현실에서 대형차를 운전할 경험이 많지 않기 때문에 운전이 어려우며, 특히 항공기용 연료를 싣고 다니는 차량이기 때문에, 사고 발생 시 2차 사고가 유발될 수 있어 인명피해가 발생 될 우려가 크다.

항공기 급유차 시뮬레이터의 시나리오는 급유차 내의 연료탱크에 항공기 연료를 수령하는 유류 수령 절차와 항공기에 연료를 보급하는 항공기 급유 절차로 이루어져 있다. 특히, 이때 운전병이 수행하여야 하는 연료 제어 등을 학습하기 위해 급유차 작동실에 대한 작동 절차 및 드레인 절차를 수행할 수 있도록 구성되었다.

3-1 시스템 구성

그림 4와 같은 시스템 설계 내용에 따라 VTTDS의 하드웨어 구성도를 그림 5와 같이 교육 통제 PC를 중심으로, 각 PC를 연동하여 하드웨어가 작동할 수 있도록 구성하였으며, 소프트웨어 구성도를 소프트웨어의 기능별로 분류하여 그림 6과 같이 크게 5가지의 기능으로 분류하여 구성하였다.

Fig. 5.

VTTDS system hardware configuration diagram

Fig. 6.

VTTDS system software configuration diagram

먼저 교육 통제 소프트웨어에서는 연결된 시뮬레이터들을 관리하고 시나리오를 제어해주며, 현재 진행중인 내용을 모니터링할 수 있도록 구성하였으며, VR 훈련기 소프트웨어는 여러 가지 실제 차량과 유사한 형상을 갖고, 움직임 원리를 모의 가능하도록 하였다. 훈련 분석 소프트웨어는 훈련 결과들을 토대로 통계자료를 나타낼 수 있게 하였으며 실물 VR 시뮬레이터 장비들을 연결 가능하도록 구성하고, 모델링된 VR 콘텐츠들을 이용하여 VTTDS의 소프트웨어 시스템을 구축하였다.

3-2 운용 구성

VR기반 항공기 견인차/급유차 시뮬레이터 시스템을 운용하기 위해 각 단계별 운용 절차에 대하여 그림 7과 같이 3가지 단계에 맞추어 운용방식을 적용하였다.

Fig. 7.

VTTDS operation procedure

운용절차는 크게 계획/준비단계, 실행단계, 분석단계로 진행된다. 계획/준비단계는 세부적으로는 콘텐츠 관리, 훈련생 관리, 훈련환경 관리, 시나리오 관리 등으로 구성되며, 실행단계는 견인차량 운전/조작 숙달, 급유차량 운전/조작 숙달로 구성된다. 그리고 분석단계는 훈련결과 수집, 결과 분석/평가, 강평 등의 내용으로 구성된다.

이러한 운용 절차에 따라서 훈련자가 견인차 및 급유차를 직접 운전하여 운전 및 임무 숙달 교육이 가능하도록 하였다.

3-3 시뮬레이터 하드웨어

견인차 및 급유차 시뮬레이터 제작에 있어서 가장 중요한 점을 실제와 유사하게 동작할 수 있도록 하는 부분에 유의하여 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 구현하였다.

최대한 실제 운전 시의 환경과 유사하도록 각 차량의 모델 데이터와 시뮬레이터 하드웨어의 크기를 일치하도록 제작하였으며, 각 하드웨어는 PLC에서 물리엔진으로 시리얼 데이터를 전송하여 VR 환경 내에서 차량의 움직임을 모의하고, 모의된 차량의 움직임에 따라 시뮬레이터에서의 6축모션을 동작하도록 설계되었다.

4-1 교환 모델 설계

그림 8과 같이 VR기반 항공기 견인차/급유차 시뮬레이터 시스템을 운용하기 위해 서버와 클라이언트간에 공유되는 모델에 대한 정의를 하고, 모델 내의 정보를 통해 물리엔진이 각종 상황을 모의할 수 있도록 모델에 대한 속성들을 정의하였다. 이러한 속성값들 및 모델 제어에 필요한 명령에 대한 송/수신 규칙을 작성하여 이를 그림 9과 같이 인터페이스 제어 문서(ICD; Interface Control Document)로 작성하였다.

Fig. 8.

VTTDS operation configuration*Implementation software development screen

Fig. 9.

VTTDS interface control document*Implementation software development screen

자료구조 설계 시 실제 모델 데이터의 모델 번호에 따라 모델을 제어할 수 있도록 추상화된 클래스에서도 모델이 고유하게 가지고 있는 번호를 이용하여 모델을 검색하고 정보값을 변경하여 서버에서 보내주는 값에 따라 실시간으로 모델을 제어 가능한 교환 모델을 설계하였다.

4-2 모의 엔진 서버 정보 동기화

모의 엔진 서버에서는 견인차 및 급유차를 모의하는 데에 필요한 모든 정보를 수집하고, 클라이언트의 요청에 따라 정보를 수정하면서 수정된 결과값을 전체 클라이언트에 송신함으로써 서버-클라이언트간의 정보 동기화가 일어날 수 있도록 한다. 이때 교환 모델을 통해 각각의 클래스에서 자기 자신의 변화를 감지하여 변화된 값만을 전송하기 때문에 네트워크에 가는 부하가 최대한 적도록 클라이언트와 동기화 된다. 이 때 그림 10과 같이 동기화된 모델들은 각 클래스별 함수를 이용하여 값을 가져오거나 저장할 수 있는데, 네트워크를 통해 값을 받아 각 모델에 저장하고, 모델에 저장된 데이터를 호출하여 현재의 동기화된 값을 가져온다.

Fig. 10.

Information data in the model*Implementation software development screen

4-3 서브시스템의 활용

모의엔진에서는 레벨로 구분되는 여러 가지 장면 변환이 나타날 수 있다. 따라서, 레벨 변경이 일어나도 휘발되지 않는 시스템을 함께 적용할 필요가 있다. 언리얼 엔진에서는 서브시스템이라는 수명주기 제어 컴포넌트가 있는데, 이러한 수명 주기가 제어되는 컴포넌트를 통해 보다 쉽게 정보를 제어할 수 있다. 따라서 네트워크로부터 정보를 받는 부분을 그림 11과 같이 서브시스템을 이용하여 생성하고, 서브시스템 내에 정보 데이터를 넣은 후 각 레벨에서는 그림 12와 같이 서브시스템을 호출하여 데이터를 얻어와 사용할 수 있도록 하였다.

Fig. 11.

Create subsystem*Implementation software development screen

Fig. 12.

Call subsystem*Implementation software development screen

4-4 언리얼 엔진의 블루프린트와 C++ 개발 협업

블루프린트를 사용하게 되면 개발에서의 속도가 크게 향상될 수 있고, 이러한 블루프린트의 사용은 전문 개발자가 아니더라도 행위와 그 행위로 나타나는 결과를 연결하여 프로그램을 동작시킬 수 있다. 그림 13과 같이 블루프린트를 위한 기반 소스를 C++ 개발자가 작성하고, 보다 경력이 낮거나, 디자이너 영역의 인원이 설계된 내용에 따라 확장하며 이용함으로써 비교적 적은 전문인력으로 보다 빠른 결과를 내는 것이 가능하다. 이렇게 블루프린트에서 함수를 사용하기 위해서는 UFUNCTION (Blueprint Callable)라는 키워드가 필요하며, 블루프린트 사용자가 쉽게 함수를 찾을 수 있도록 하기 위한 카테고리를 설정할 수 있다. 그러므로 프로그래밍에서 각 클래스별 입력값에 따라 클래스 내의 값을 조정해주는 함수들을 C++ 개발자가 작성 시 전체 설계 내용을 고려하지 않아도, 주어진 클래스의 내용에 따라 개별적으로 작성하여 협업에 있어서 설계 후 업무 분장에 있어서 자유로운 업무 분장이 가능하다.

Fig. 13.

Create function for blueprint