In real world, any kind of design process typically involves some rough sketches with pencil and paper. With pencil and paper, desingner rapidly draws and modifies object shapes and indicate their dynamic behavors such as motion direction, by drawing auxiliary lines like arrow, moving path, and so on. In contrast, making of virtual scene is known to be a very complicated and time-consuming task that involves multiple steps using various tools. This paper attempts to bring the "pencil-and-paper" approach to the early design process of the 3-D scene generation.
In particular, we propose a pen-based (2-D gestural) interface that can rapidly generate, edit and preview the 3-D objects and their dynamic behaviors. The proposed system uses context-dependent gestures, which consist of simple visual primitives such as lines and curves. In order to facilitate the design procedures, we use the common gesture-based interface for editing both the shape and the motion behavor of virtual objects.
In this prototype system, the designer can create, edit and simulate the 3-D dynamic scene in a consistent manner within a 3-D viewport, using the typical 2-D pointing devices such as stylus or mouse. Imperical observation has showned that this system is easy to learn, easy to use, and effective for designing 3-D scenes.
가상현실 시스템의 목표 중 하나는 사용자에게 높은 현실감을 제공하는 것이다. 감각 기관을 통해 느끼는 정보가 경험에 비추어 사실적으로 느껴질 때 사용자는 현실감을 느끼게 된다. 시각이 인간의 감각 기관에서 차지하는 중요성으로 인해 시각을 통한 현실감 제공에 관한 연구는 오랫동안 가상 현실 분야에서 중요한 위치를 차지해 왔다. 사용자가 시각을 통해 가상현실 시스템에서 감지하는 현실감은 가상공간이 제공하는 물체의 외형적 사실성과 물체 운동의 사실성에 의해 영향을 받는다. 따라서 가상환경 제작자는 현실적인 가상환경 구성을 위해 각 물체에 대해 기하학적 정보(geometrical information)와, 물체의 물리적 특성(physical property)과 행동적 특성(behavioral property)과 같은 비 기하학적 정보(non-geometrical information)를 부여하게 된다. 이러한 가상환경 제작 과정에 있어서 가상환경을 구성하는 각 물체를 세부 디자인하기 전에 물체의 종류, 수, 배치 등을 결정하는 전체적인 초안 제작 작업이 필요하다.
초안 제작 작업은 디자이너의 아이디어의 즉각적인 적용, 반복적인 수정을 통한 신속한 작성과 변경(rapid-prototyping)이 빈번하게 이루어진다. 따라서 초안 제작에 사용되는 도구는 이러한 성질을 만족시킬 수 있어야 한다. 가상환경의 초안 제작 작업은 실 세계에서의 공간 디자인 작업과 맥을 같이 한다. 실 세계에서 위와 같은 성질을 만족시키는 도구로서 흔히 종이와 연필을 사용한 방법이 사용된다. 종이와 연필은 정보를 표현하는데 있어서 인간에게 자연스러운 도구라는 점과, 초안 디자인 작업은 정밀성보다 신속성과 간편성이 요구된다는 점에서 종이와 연필은 초안 작업에 적합한 도구라 할 수 있다.
종이와 펜 환경을 컴퓨터 인터페이스에 적용하려는 연구는 컴퓨터 그래픽 분야에서 오래 전부터 있어 왔다. 디지타이저, 마우스 등의 포인팅 장치를 이용한 좌표 입력 방식은 이미 널리 쓰이고 있고, 나아가 펜 입력을 2차원 제스처로서 인식하여 직관적 도형 입력과 수정에 적용하는 연구가 이루어졌다[Yoon94]. 3차원 그래픽 분야에서 제스처를 사용한 펜과 종이 인터페이스에 관한 연구로서 Sketch 시스템[Zeleznik96]은 정적인 3차원 공간 제작에 펜 기반 제스처 인터페이스를 도입하여 3차원 그래픽 초안 제작의 간편성을 향상시켰다. 가상환경의 기하학적 정보 결정 과정은 일반적인 3차원 그래픽의 제작 과정과 유사한 점에서 이들 연구는 가상환경 제작에 대해 적용할 수 있다.
가상환경에 비 기하학적 정보의 결정은 기하학적 정보에 비해 비 직관적이고 복잡한 과정을 거치는 것이 보통이다. 이를 단순화 하려는 시도로서 GUI등을 통해 미리 정의된 간단한 운동 패턴 혹은 행동 방식을 선택하는 방법[Deering95], 외부에서 제공되는 고기능 시뮬레이션 모듈을 도입하여 물체를 제어하는 방법 [Jack97] [Multigen97], 미리 정의된 반응 법칙을 포괄적으로 부여하는 방법[Papper93] 등, 제한된 상황에서 정보 부여의 편의성을 도모한 경우를 볼 수 있다. 범용적 가상현실 시스템에서는 C와 같은 프로그래밍 언어 혹은 고유 스크립트 언어를 사용하여 명시적으로 물체의 움직임을 기술하는 방법이 널리 사용된다. 특히 동물의 행동과 같은 능동적인 물체의 고도의 행위 형태의 부여는 프로그래밍을 통하지 않고는 거의 불가능하다. 하지만 가상 공간을 구성하는 물체가 비교적 간단한 움직임을 갖는 경우에는 미리 정의된 운동법칙 또는 라이브러리 등을 사용하여 행위 형태를 부여할 수 있다. 이 과정에서는 프로그래밍과 같은 복잡한 조작 대신 아이콘, 메뉴 등의 GUI를 사용한 조작을 사용하는 경우가 많다.
이 논문에서는 제스처를 이용한 기하 정보 제작 인터페이스를 가상공간 초안 제작 과정에 도입하고 이를 물체의 움직임을 나타내는 비 기하 정보에 대해 확장 적용한 시스템을 제안 설계한다. 이 시스템은 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 펜 기반 제스처를 사용한 직관적 인터페이스를 채용한다.
- 기하학적 설계와 비 기하학적 특성 부여 과정을 일체화한다.
- 수동적 물체로 구성된 동적 scene 제작을 목적으로 한다.
즉 간단한 가상공간 제작 단계에 펜과 종이 메타포를 채용함으로써 학습과 사용이 쉬운 시스템의 제작을 목표로 한다. 구체적으로 펜과 종이 메타포를 사용한 3차원 도형 작성 시스템인Brown 대학의 Sketch시스템을 바탕으로 3차원 물체의 동적 성질을 제스처로 표현하는 방법을 제시, 구현하는 것을 목표로 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 사용자 인터페이스와 3차원 가상환경 디자인에 관한 기존 연구에 관해 살펴본다. 3장에서는 물리적 속성을 갖는 3차원 환경 디자인을 위한 인터페이스의 설계에 대해 기술한다. 4장에서는 구현된 시스템의 세부 모듈과 구현 방법에 대해 설명하고, 5장에서는 결론과 향후 연구 방향을 제시함으로써 끝맺는다.
