An interactive TV is requiring a more advanced remote controlling method than the traditional TV due to its diverse and complex functions. Many types of input technologies and interaction styles are being tested for remote pointing for an interactive TV. We introduce the SonarPen, an ultrasonic pointing device system developed for an interactive TV. It determines a cursor position from phase difference among sinusoidal signals received by three ultrasonic receivers. A common problem with phase difference methods is phase ambiguity, but we solved this problem by exploiting the directionality of an LED and discontinuity in phase difference signals. A performance evaluation of the SonarPen in comparison with other pointing devices showed that the SonarPen has a better throughput, while it has a relatively high error rate than others.
재래의 TV의 경우 채널변경, 볼륨조절 등의 비교적 간단한 조작만이 필요했던 반면 앞으로 보편화될 인터렉티브 TV는 홈 컴퓨터 기능, 엔터테인먼트 등 다양한 부가기능을 제공함으로써 좀 더 복잡한 인터렉션을 요구한다. 인터렉티브 TV 조작에 사용되는 기술은 트랙볼이나 조이스틱 같은 포인팅 디바이스를 리모콘에 부착하는 방법, 키보드를 이용한 입력, 팜탑 컴퓨터, 음성입력 등 다양한 방법이 있다. 트랙볼이나 조이스틱, 게임패드와 같은 지시장치를 활용한 리모트의 문제점으로는 직접성의 결여를 들 수 있다. 직접성(Directness)은 공간상에서의 지시장치의 움직임이 화면상에서의 움직임과 정확히 일치되는 것을 의미한다. 직접성의 결여는 위치가 아닌 변위량을 이용한 모든 지시 장치가 가지는 문제점이다. 가령 마우스, 트랙볼, 조이스틱의 경우, 손의 움직임과 화면상의 커서가 각각의 좌표계에서 움직이며 따라서 손의 움직임에서 커서의 움직임으로의 일종의 좌표변환(transformation)을 필요로 하기 때문에 직접성이 결여되어 있다. 따라서 본 논문에서는 초음파센서를 이용해 화면상의 메뉴를 직접 가리켜서 조작함으로써 직접성을 가지는 새로운 지시장치인 소나펜(SonarPen)에 대해 소개하고 이 장치의 성능을 평가해 본다.
초음파센서를 지시장치에 사용한 예는 드물지만 거리측정에는 오랫동안 사용되어져 왔다. 초음파센서를 이용한 위치 측정은 크게 2가지로 초음파가 반사되어 돌아오는 시간을 측정하는 방법(time of flight method)과 송신파와 수신파의 위상차를 이용하는 방법(phase difference method)이 있다. 위상차를 이용한 거리측정의 경우 잡음에 강하고 좀 더 정확하다는 장점이 있다. 따라서 소나펜 시스템은 한 쌍의 초음파센서 배열사이의 위상차(phase difference)를 이용해 지시장치의 위치를 파악하여 화면상의 포인터를 조작하는 방법을 사용하였다. 초음파센서간의 위상차를 이용해서 위치 측정을 할 경우 위상차가 한 파장 이상일 경우 위상차가 같아지는 단점(phase ambiguity)이 있다. 소나펜 시스템에서는 이 문제를 해결하기 위해 IR 센서의 지향성과 위창차 검출 회로의 $2\pi$ 점프 (discontinuity) 를 이용하였다. 소나펜을 화면을 향해 겨냥하여 적외선을 발산하면 스크린 위에 놓여진 적외선 센서가 이를 인식하게 되고 트랜스듀서가 작동하여 초음파를 발산하게 되면서 소나펜은 Active 상태로 된다. 소나펜이 Active 상태일 경우 위상차 신호를 받아들여 소나펜의 기울임 정도에 따라 스크린 좌표를 조작하게 된다. Active 상태에서는 적외선 신호가 사라진 후에도 계속 Active 상태로 남아 있어 스크린 좌표를 조작할 수 있으며 Active인 상태에서 위상차 신호에 2π 점프 (discontinuity) 가 발견되면 Inactive 상태로 되고 트랜스듀서가 꺼지면서 더 이상 위상차 신호를 받아들이지 않게 됨으로써 위상차 모호성을 효과적으로 극복하게 된다.
지시장치로서의 소나펜의 성능을 알아보기 위해 3가지 입력 장치 평가 방법을 디자인하여 13명의 피험자들을 대상으로 6가지 입력 장치와의 비교 테스트를 실행하였다. 입력 장치 평가 방법은 (1) Fitts' law(ISO 9241-9) tasks (2) Trajectory-based tasks (3) Movement variation tracking tasks 로 구성되었으며 트랙볼, 조이스틱, 자이로 포인트, 터치패드, 빔 프로젝터용 리모트 컨트롤러(Isometrick joystick 내장) 등의 6가지 장치로 실험하였다. 평가방법들은 TV 용 입력장치를 위한 방법들이 아니라 컴퓨터용 입력장치를 위한 것으로서, 성능평가 결과 소나펜은 책상에 고정한 채 사용하는 입력 장치 (트랙볼, 터치패드) 와 비교해서는 상대적으로 낮은 throughput을 보였지만 손에 쥐고 조작하는 핸드핼드(handheld) 장치들(조이스틱, 자이로포인트, 프로젝터용 리모트 컨트롤러) 에 비해서는 비교적 높은 throughput을 나타내었다. 비록 핸드핼드 장치로서 좋은 throughput을 보여주었지만 소나펜은 상대적으로 높은 에러율을 보여주었다. 이러한 에러율의 원인은 크게 두 가지로 생각해 볼 수 있는데, 먼저 초음파의 특성상 온도, 습도, 압력, 바람 등의 주변 환경요인에 의해 초음파 신호가 많이 왜곡될 수 있기 때문이다. 또 다른 원인으로는 초기 프로토타입의 한계로 노이즈의 영향을 효과적으로 제거하지 못한 것이 높은 에러의 원인일 수 있다. 예로 40kHz 의 초음파센서와 40kHz의 IR를 사용함으로써 같은 주파수를 사용하는 신호간의 주파수 간섭으로 에러가 증가할 수 있다. 따라서 소나펜의 조작의 정확성을 높이기 위해서는 주변 환경의 영향을 줄이는 방법과 소나펜 회로 자체의 최적화를 고려해보아야 할 것이다.
