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KR102409934B1 - 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치 및 방법 - Google Patents

비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치 및 방법 Download PDF

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KR102409934B1
KR102409934B1 KR1020170155436A KR20170155436A KR102409934B1 KR 102409934 B1 KR102409934 B1 KR 102409934B1 KR 1020170155436 A KR1020170155436 A KR 1020170155436A KR 20170155436 A KR20170155436 A KR 20170155436A KR 102409934 B1 KR102409934 B1 KR 102409934B1
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황인욱
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한국전자통신연구원
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Abstract

비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 방법에 있어서, 생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하는 단계, 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하는 단계, 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 결정하는 단계, 미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, 결정된 비용 함수를 이용하여 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 복수의 촉감 초점들을 대응시키는 단계 및 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각에 대응되는 초음파 변환기 배열을 이용하여 촉감 생성을 위한 초음파를 생성하는 단계를 포함하고, 복수의 초음파 변환기 배열들 각각은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는, 다중 초점 생성 방법이 개시된다.

Description

비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치 및 방법{MULTIPLE FOCUSES GENERATING APPARATUS AND METHOD USING MULTI-ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY IN NON-CONTACT ULTRASONIC TACTILE DISPLAY SYSTEM}
본 개시는 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 촉감 효과를 생성시킬 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 이용하여 복수의 촉감 초점들 각각을 대응시킨 복수의 초음파 변환기 배열들로부터 촉감 생성을 위한 복수의 초점들을 생성하는 초점 생성 방법에 관한 것이다.
종래의 촉감 디스플레이는 물리적 전달 매개체를 필요로 하는 촉감의 특성에 따라, 사용자가 거치된 장치에 신체를 접촉하거나 사용자가 장갑, 손목 밴드, 외골격 등의 장치를 직접 착용하는 형태로 구현되었다. 이러한 접촉식 촉감 디스플레이는 사람에게 독립적으로 촉감을 전달하는 작용점마다 기계적 연결을 위한 구조물과 구동기를 필요로 하기 때문에 작용점의 개수가 늘어날수록 장치 구조가 복잡해지고 비용이 상승하며, 또한 착용이 불편하기 때문에 사용자의 자연스러운 동작과 시야가 제한되는 문제가 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 최근 구동기와 작용점과의 직접적 연결이 없는 비접촉식 촉감 디스플레이가 제시되었으며, 그 중 초음파를 이용한 비접촉식 촉감 디스플레이는 복수의 초음파 변환기 배열에서 생성되는 위상이 제어된 초음파의 공기압 초점이 피부를 자극하여 촉감을 생성하는 디스플레이 기술이다. 도 1은 일 실시예에 따른 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에서 촉감 생성을 위한 초점을 생성하는 과정을 나타내는 도면으로서, 도 1을 참조하면, 복수의 초음파 스피커 배열로 구성된 다수의 초음파 변환기 배열은 초음파 신호의 위상과 진폭을 각각 제어하여 신호의 중첩으로 공기중의 원하는 위치에 한 개 이상의 공기압 초점을 만들어낼 수 있다. 이러한 공기압 초점은 사람이 피부의 촉감 수용체 (mechanoreceptor)를 통해 느낄 수 있다. 한편, 초음파의 진폭 변조(amplitude modulation, AM)는 일반적으로 초점에서 사람이 느끼는 촉감의 세기를 향상시키고 진동 효과를 전달하기 위해 사용된다. 진폭 변조 시 사용되는 변조 주파수는 캐리어 신호인 초음파 대역(20kHz 이상)보다 크게 낮고 사람의 촉감으로 인지 가능한 범위인 1kHz 이하에서 결정될 수 있다.
초음파 촉감 디스플레이의 경우, 사용자는 기계적 장치를 착용하지 않으므로 움직임에 방해를 받지 않는 장점이 있으나 공기를 매질로 이용하여 촉감을 전달하는 방식의 특성상 에너지의 확산, 감쇠, 간섭 등의 영향을 크게 받아 강한 자극을 생성하기 어렵고, 특히 동시에 여러 개의 초점 생성시 전체 변환기 배열에서 생성 가능한 초음파 출력은 시간적으로 또는 공간적으로 분할되어 각 초점의 생성에 사용되기 때문에 사용자가 느낄 수 있는 촉감의 세기가 변환기 배열을 통해 생성되는 촉감 작용점, 즉 초음파 초점의 개수에 반비례하는 문제가 있다. 또한 초음파 신호의 조사각, 공기 중 감쇠, 촉감 초점과 초음파 변환기의 위치관계, 변조주파수 등의 요인에 따라 생성 가능한 자극의 강도가 달라지는 문제가 있다.
본 개시의 기술적 과제는 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에서 독립적으로 구동 가능한 복수의 초음파 변환기 배열들을 초점 별로 효율적으로 대응시킴으로써 보다 사용자에게 인지 가능한 촉감 생성을 위한 복수의 초점들을 생성하는 초점 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 양상에 따르면, 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 방법에 있어서, 생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하는 단계; 상기 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하는 단계; 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 결정하는 단계; 미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, 상기 결정된 비용 함수를 이용하여 상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 상기 복수의 촉감 초점들을 대응시키는 단계; 및 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대응되는 초음파 변환기 배열을 이용하여 촉감 생성을 위한 초음파를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는, 다중 초점 생성 방법이 제공될 수 있다.
본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 개시에 따르면, 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에서 독립적으로 구동 가능한 복수의 초음파 변환기 배열들을 초점 별로 효율적으로 대응시킴으로써 보다 사용자에게 인지 가능한 촉감 생성을 위한 복수의 초점들을 생성하는 초점 생성 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 여러 개의 촉감 작용점을 생성하는 경우에도 기존의 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이에 비해 더 강한 촉감 자극이 생성될 수 있기 때문에, 생성된 여러 개의 촉감 작용점을 통해 여러 손가락을 동시에 이용하는 촉감 상호작용이 가능하며, 또한 손바닥 전체에 가상의 표면 또는 부피감 등이 전달될 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에서 촉감 생성을 위한 초점을 생성하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 2 및 3은 일 실시예에 따른 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치의 동작방법을 나타내는 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 개시의 실시 예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 개시에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시 예에서의 제1 구성요소는 다른 실시 예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시 예에서의 제2 구성요소를 다른 실시 예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다.
본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.
본 개시에 있어서, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 개시의 범위에 포함된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들에 대해서 설명한다.
도 2 및 3은 일 실시예에 따른 다중 초음파 변환기(transducer) 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치(200)는 초음파 변환기 배열(210), 제어부(220) 및 저장부(230)를 포함할 수 있다. 다만, 이는 본 실시예를 설명하기 위해 필요한 일부 구성요소만을 도시한 것일 뿐, 다중 초점 생성 장치(200)에 포함된 구성요소가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 다중 초점 생성 장치(300)는 촉감 효과 생성부(310), 초점 생성 제어부(320), 초음파 스피커 드라이버(330) 및 초음파 스피커(340)를 더 포함할 수 있다. 도 3의 다중 초점 생성 장치(300)는 도 2의 다중 초점 생성 장치(200)에 대응될 수 있다.
다중 초점 생성 장치(200)는 촉감 효과를 생성시킬 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 이용하여 복수의 촉감 초점들 각각을 대응시킨 복수의 초음파 변환기 배열들로부터 촉감 생성을 위한 복수의 초점들을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따를 때, 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치(200)는 생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하고, 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하고, 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 결정하고, 복수의 초음파 변환기 배열들의 초점 할당 순서에 따라, 결정된 비용 함수를 이용하여 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 복수의 촉감 초점들을 대응시키고, 복수의 초음파 변환기 배열 각각에 대응되는 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 촉감 생성을 위한 초음파를 생성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 초음파 변환기 배열(210)은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성될 수 있다. 한편, 초음파 스피커는 2차원 평면 또는 곡면에 배열될 수 있으며 각각의 초음파 변환기 배열에 입력되는 전압 파형에 따라 공중을 향해 초점을 생성하기 위한 초음파를 출력할 수 있다. 일 실시예에 따를 때, 초음파 변환기 배열(210)은 복수의 변환기 배열들로 구성될 수 있다. 도 2의 초음파 변환기 배열(210)은 도 3의 초음파 스피커 드라이버(330) 및 초음파 스피커(340)를 포함할 수 있으나, 이는 본 실시예를 설명하기 위해 필요한 일부 구성요소만을 도시한 것일 뿐, 초음파 변환기 배열(210)에 포함된 구성요소가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다.
제어부(220)는 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치(200)의 전반적인 동작 및 다중 초점 생성 장치(200)의 내부 구성 요소들 사이의 신호 흐름을 제어하고, 데이터를 처리하는 기능을 수행한다. 제어부(220)는 사용자의 입력이 있거나 기 설정되어 저장된 조건을 만족하는 경우, 저장부(230)에 저장된 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다. 도 2의 제어부(220)는 도 3의 촉감 효과 생성부(310) 및 초점 생성 제어부(320)를 포함할 수 있으나, 이는 본 실시예를 설명하기 위해 필요한 일부 구성요소만을 도시한 것일 뿐, 제어부(220)에 포함된 구성요소가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 따른 제어부(220)는 생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하고, 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하고, 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 결정하고, 복수의 초음파 변환기 배열들의 초점 할당 순서에 따라, 결정된 비용 함수를 이용하여 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 복수의 촉감 초점들을 대응시키고, 복수의 초음파 변환기 배열 각각에 대응되는 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 촉감 생성을 위한 초음파를 생성할 수 있다.
저장부(230)는 제어부(220)의 제어에 의해 다중 초점 생성 장치(200)를 구동하고 제어하기 위한 다양한 데이터, 프로그램 또는 애플리케이션을 저장할 수 있다
일 실시예에 따른 저장부(230)는 복수의 초음파 변환기 배열들의 초점 할당 순서를 저장하는 것을 비롯하여, 촉감 효과 생성부(310), 초점 생성 제어부(320), 초음파 스피커 드라이버(330) 및 초음파 스피커(340)의 구동에 대응되는 입/출력되는 신호 또는 데이터를 저장할 수 있다.
후술하는 바와 같이 도 3을 참조하여 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치(300)의 동작을 살펴보도록 하겠다.
도 3을 참조하면, 촉감 효과 생성부(310)는 사용자에게 전달할 촉감 효과의 모델을 포함하고 있으며 프로그램이나 사용자의 명령에 따라 생성할 촉감 효과의 속성을 결정하여 초점 생성 제어기에 전달할 수 있다. 일 실시예에 따른 촉감 효과의 속성에는 진동 주파수(frequency), 진폭(amplitude), 위치(position), 영역(area), 지속시간(duration) 등 촉감 작용점에서 직접적으로 제어할 수 있는 저수준의 속성과 마찰(friction), 표면강도(stiffness), 점탄성(visco-elasticity) 등 물리적 수식의 연산을 거쳐 표현할 수 있는 중간 수준의 속성, 거칠기, 날카로움 등 사람이 촉각으로 자극을 받아들였을 때의 감성을 나타내는 고수준의 속성 및 저수준/중간 수준/고수준의 속성들을 포함하는 종합적인 재질감(texture)의 종류가 수치화 혹은 단계화되어 포함될 수 있다.
일 실시예에 따른 초점 생성 제어부(320)는 촉감 효과 생성부(310)로부터 전달받은 촉감 속성에 기반하여 미리 정해진 시간마다 생성할 촉감 초점의 개수와 각각의 위치, 진폭, 파형 및 지속시간 등을 결정하고 결정된 정보를 이용하여 복수의 촉감들 각각을 복수의 초음파 변환기 배열들에 대응시킬 수 있다.
구체적으로, 촉감 생성 제어부(320)는 각각의 초음파 변환기 배열의 특성에 따른 비용 함수에 따라 개별 촉감 초점의 출력 효율을 계산할 수 있다. 일 실시예에 따를 때, 비용 함수는 초점과 초음파 변환기 배열의 상대적 위치 관계, 변조 주파수, 출력 강도, 생성 우선 순위 등을 입력 인자(input parameter)로 가질 수 있으며, 입력 인자별 함수의 결과를 가중합(weighted sum)한 형태, 논리함수의 형태 또는 두 개 이상의 입력 인자를 동시에 받는 형태의 함수로 정의될 수 있다. 수학식 1은 일 실시예에 따른 비용 함수를 나타낸다.
Figure 112017115783210-pat00001
수학식 1을 참조하면, 가중합에 포함되는 가중치 wi는 촉감 생성 여건에 따라 달라질 수 있으며 fi는 미리 정해진 초점의 특성에 따라 적응적(adaptive)으로 변화될 수 있다.
일 실시예에 따를 때 다중 초점 생성 장치(300)는 미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, 각 초점의 비용 함수의 결과를 이용하여 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 복수의 촉감 초점들을 대응시킬 수 있다. 각각의 초음파 변환기 배열마다 각각의 초점별 비용이 계산되면 예를 들어, 초음파 변환기 배열들이 n개가 있는 경우, 미리 결정된 순서에 따라, 각각의 초음파 변환기 배열은 자신의 순서가 되면 아직 할당되지 않은 초점들 중 가장 낮은 비용을 가진 초점에 대응될 수 있다. 즉, 각각의 초음파 변환기 배열은 자신의 순서가 되면 아직 할당되지 않은 초점들 중 가장 낮은 비용을 가진 초점을 할당 받을 수 있다. 초음파 변환기 배열들 모두 하나씩 초점을 할당 받은 뒤에도 할당되지 않은 초점이 있는 경우, 처음 순서의 역순, 초음파 변환기 배열 비용의 총 합이 큰 순서, 각각의 초음파 변환기 배열이 가진 유휴 동작시간이 긴 순서 등에 따라 할당 과정을 반복하며, 이 과정은 모든 초점이 초음파 변환기 배열들에 할당되어 할당되지 않은 초점이 없을 때까지 반복될 수 있다. 이 방법은 모든 가능한 할당 방법(즉, 초음파 변환기 배열의 수를 m, 초점의 수를 p라 하면, mp가지 경우의 수)을 비교하여 전체 비용의 합을 최소화하는 방법에 비해 더 적은 O(p2)의 비교 연산을 사용하기 때문에, 초점과 초음파 변환기 배열의 개수가 많은 경우에도 실시간으로 초점이 할당될 수 있다.
일 실시예에 따를 때, 각각의 초음파 변환기 배열에 할당된 촉감 초점의 수가 2개 이상인 경우, 초점 생성 신호는 출력 효율을 향상시키기 위해 초점 별로 변조되는 진폭 파형을 전체 변환기의 이용률(duty rate)이 최대화되도록 각 초점의 변조 주파수에 따라 조절하여 초음파 스피커 드라이버(330)에 전달될 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 스피커 드라이버(330)는 개별 초음파 초점을 생성하기 위해 각 초음파 스피커(340)에 전달할 전압 신호의 파형을 생성할 수 있다. 또한 초음파 스피커 드라이버(330)는 각 초점 위치에서 신호의 중첩 동작을 위해 초음파 스피커(340)의 위치 배열을 고려하여 각 스피커의 위상을 조절할 수 있다. 상기의 위상 조절 동작은 종래의 위상 조절 동작과 유사할 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 스피커(340)는 2차원 평면 또는 곡면에 배열될 수 있으며 각각의 초음파 변환기 배열에 입력되는 전압 파형에 따라 공중을 향해 초점을 생성하기 위한 초음파를 출력할 수 있다. 일 실시예에 따를 때, 초음파 변환기 배열은 복수의 변환기 배열들로 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 편의상 촉감 효과 생성부(310), 초점 생성 제어부(320), 초음파 스피커 드라이버(330) 및 초음파 스피커(340)로 구분하여 각 구성요소에서의 동작을 설명하였으나, 이에 제한되지 않으며, 다중 초점 생성 장치(300)에서 상술한 각 구성요소별 동작들이 모두 수행될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치의 동작방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, S400 단계에서 다중 초점 생성 장치는 생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 촉감 효과의 속성에는 진동 주파수, 진폭, 위치, 영역, 지속시간 등 촉감 작용점에서 직접적으로 제어할 수 있는 저수준의 속성과 마찰, 표면강도, 점탄성 등 물리적 수식의 연산을 거쳐 표현할 수 있는 중간 수준의 속성, 거칠기, 날카로움 등 사람이 촉각으로 자극을 받아들였을 때의 감성을 나타내는 고수준의 속성 및 저수준/중간 수준/고수준의 속성들을 포함하는 종합적인 재질감의 종류가 수치화 혹은 단계화되어 포함될 수 있다.
S410 단계에서 다중 초점 생성 장치는 S400 단계에서 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따를 때, 다중 초점 생성 장치는 촉감 속성에 기반하여 미리 정해진 시간마다 생성할 촉감 초점의 개수와 각각의 위치, 진폭, 파형 및 지속시간 등을 결정할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따를 때, 프로그램이나 사용자의 명령에 의해 시간 간격이 결정될 수 있다.
S420 단계에서 다중 초점 생성 장치는 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 S410 단계에서 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수(cost function)를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따를 때, 비용 함수는 초점과 초음파 변환기 배열의 상대적 위치 관계, 변조 주파수, 출력 강도, 생성 우선 순위 등을 입력 인자로 가질 수 있으며, 입력 인자별 함수의 결과를 가중합한 형태, 논리함수의 형태 또는 두 개 이상의 입력 인자를 동시에 받는 형태의 함수로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따른 복수의 초음파 변환기 배열들 각각은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성될 수 있다. 일 실시예에 따를 때, 초음파 스피커는 2차원 평면 또는 곡면에 배열될 수 있으며 각각의 초음파 변환기 배열에 입력되는 전압 파형에 따라 공중을 향해 초점을 생성하기 위한 초음파를 출력할 수 있다.
S430 단계에서 다중 초점 생성 장치는 미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, S420 단계에서 결정된 비용 함수를 이용하여 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 복수의 촉감 초점들을 대응시킬 수 있다.
각각의 초음파 변환기 배열마다 각각의 초점별 비용이 계산되면 미리 결정된 순서에 따라, 각각의 초음파 변환기 배열은 자신의 순서가 되면 아직 할당되지 않은 초점들 중 가장 낮은 비용을 가진 초점에 대응될 수 있다. 초음파 변환기 배열들 모두 하나씩 초점을 할당 받은 뒤에도 할당되지 않은 초점이 있는 경우, 처음 순서의 역순, 초음파 변환기 배열 비용의 총 합이 큰 순서, 각각의 초음파 변환기 배열이 가진 유휴 동작시간이 긴 순서 등에 따라 할당 과정을 반복하며, 이 과정은 모든 초점이 초음파 변환기 배열들에 할당되어 할당되지 않은 초점이 없을 때까지 반복될 수 있다.
S440 단계에서 다중 초점 생성 장치는 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 복수의 촉감 초점들 각각에 대응되는 초음파 변환기 배열을 이용하여 촉감 생성을 위한 초음파를 생성할 수 있다.
이상 도 1 내지 도 4를 참고하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 방법에 대해 설명하였다.
본 개시에 따르면, 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에서 독립적으로 구동 가능한 복수의 초음파 변환기 배열들을 초점 별로 효율적으로 대응시킴으로써 보다 사용자에게 인지 가능한 촉감 생성을 위한 복수의 초점들을 생성하는 초점 생성 장치 및 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 여러 개의 촉감 작용점을 생성하는 경우에도 기존의 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이에 비해 더 강한 촉감 자극이 생성될 수 있기 때문에, 생성된 여러 개의 촉감 작용점을 통해 여러 손가락을 동시에 이용하는 촉감 상호작용이 가능하며, 또한 손바닥 전체에 가상의 표면 또는 부피감 등이 전달될 수 있다.
또한, 본 개시에 따르면, 초점과 초음파 변환기 배열의 개수가 많은 경우에도 실시간으로 초점이 할당될 수 있다.
한편, 본 개시의 일 양상에 따르면 다중 초점 생성 장치의 동작방법을 수행하기 위해 실행가능한 명령들(executable instructions)을 가지는 소프트웨어 또는 컴퓨터-판독가능한 매체(computer-readable medium)가 제공될 수 있다. 상기 실행가능한 명령들은, 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 방법에 있어서, 생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하는 단계, 상기 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하는 단계, 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 결정하는 단계, 미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, 상기 결정된 비용 함수를 이용하여 상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 상기 복수의 촉감 초점들을 대응시키는 단계 및 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대응되는 초음파 변환기 배열을 이용하여 촉감 생성을 위한 초음파를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다.
본 개시의 다양한 실시 예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시 예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
본 개시의 범위는 다양한 실시 예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다.
300 : 다중 초점 생성 장치
310 : 촉감 효과 생성부
320 : 초점 생성 제어부
330 : 초음파 스피커 드라이버
340 : 초음파 스피커

Claims (10)

  1. 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 방법에 있어서,
    생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하는 단계;
    상기 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하는 단계;
    복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수(cost function)를 결정하는 단계;
    미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, 상기 결정된 비용 함수를 이용하여 상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 상기 복수의 촉감 초점들을 대응시키는 단계; 및
    상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대응되는 초음파 변환기 배열을 이용하여 촉감 생성을 위한 초음파를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성되며,
    상기 비용 함수는 상기 촉감 초점과 상기 초음파 변환기 배열의 상대적 위치 관계, 변조 주파수, 출력 강도 및 생성 우선 순위를 입력 인자로 채용하는 것을 특징으로 하는, 다중 초점 생성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉감 효과의 속성은 촉감 작용점에서 직접 제어가능한 속성, 물리적 수식 연산으로 산출가능한 속성 및 촉각으로 수용될 때의 감성을 나타내는 속성을 포함하는, 다중 초점 생성 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비용 함수는 상기 입력 인자 별 함수의 결과를 가중합(weighted sum)한 형태, 논리함수의 형태 또는 2 개 이상의 입력 인자를 동시에 입력받는 형태의 함수로 정의되는, 다중 초점 생성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 촉감 초점들을 대응시키는 단계는 각각의 초음파 변환기 배열이 자신의 순서가 도래하면, 상기 초음파 변환기 배열이 미할당된 촉감 초점들 중 상기 비용 함수의 결과에서 가장 낮은 비용을 가진 초점에 대응되도록 할당되는, 다중 초점 생성 방법.
  6. 비접촉식 초음파 촉감 디스플레이 시스템에 있어서 다중 초음파 변환기 배열을 이용한 다중 초점 생성 장치에 있어서,
    복수의 초음파 변환기 배열들; 및
    생성하고자 하는 촉감 효과의 속성을 결정하며, 상기 결정된 촉감 효과의 속성을 기초로 미리 정해진 시간 간격마다 생성시킬 복수의 촉감 초점들을 결정하고, 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 결정된 복수의 촉감 초점들 각각의 비용 함수를 결정하며, 미리 결정된 초음파 변환기 배열의 초점 할당 순서에 따라, 상기 결정된 비용 함수를 이용하여 상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각이 서로 중복되지 않도록 상기 복수의 촉감 초점들을 대응시키고, 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대해 상기 복수의 촉감 초점들 각각에 대응되는 초음파 변환기 배열을 이용하여 촉감 생성을 위한 초음파를 생성하는 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 초음파 변환기 배열들 각각은 복수의 초음파 스피커들의 배열로 구성되며,
    상기 비용 함수는 상기 촉감 초점과 상기 초음파 변환기 배열의 상대적 위치 관계, 변조 주파수, 출력 강도 및 생성 우선 순위를 입력 인자로 채용하는 것을 특징으로 하는, 다중 초점 생성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 촉감 효과의 속성은 촉감 작용점에서 직접 제어가능한 속성, 물리적 수식 연산으로 산출가능한 속성 및 촉각으로 수용될 때의 감성을 나타내는 속성을 포함하는, 다중 초점 생성 장치.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 비용 함수는 상기 입력 인자 별 함수의 결과를 가중합한 형태, 논리함수의 형태 또는 2 개 이상의 입력 인자를 동시에 입력받는 형태의 함수로 정의되는, 다중 초점 생성 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부에서 복수의 촉감 초점들을 대응시키는 것은 각각의 초음파 변환기 배열이 자신의 순서가 도래하면, 상기 초음파 변환기 배열이 미할당된 촉감 초점들 중 상기 비용 함수의 결과에서 가장 낮은 비용을 가진 초점에 대응되도록 할당되는 것을 포함하는, 다중 초점 생성 장치.
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