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아동용 웨어러블 기기에 소리를 입혀 상상을 더하다
우리 대학 산업디자인학과 이우훈 교수 연구팀이 웨어러블 기기에 소리증강 기술을 접목해 아동의 놀이경험을 대폭 향상시킨 아동용 팔찌형 웨어러블 기기를 개발했다.
이 교수 연구팀이 개발한 웨어러블 기기는 아이들이 소리를 탐색하고, 선택하며, 발생시키는 한편 여러 기기 간에 소리를 교환하고 놀이에 소리를 활용할 수 있는 이른바 `사운드웨어(SoundWear)'라고 이름 붙인 팔찌 형태의 웨어러블 기기다. 이 기기는 아이들이 소리를 자유롭게 해석해 마음껏 상상을 펼칠 수 있게 놀이에 소리증강 기술을 적용했다. 이에 따라 기존 모바일 스크린 기반의 시각증강 기술보다 더 창의적이고 탐색적인 방향으로 아이들의 놀이 및 교육을 이끄는 데 활용될 것으로 기대된다.
산업디자인학과 홍지우 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 이달 6일 열린 국제학술대회 `ACM DIS (Designing Interactive Systems) 2020'에서 발표됐는데 우수논문상인 어너러블 멘션(Honorable Mention)을 수상했다.(논문명 : SoundWear: Effect of Non-speech Sound Augmentation on the Outdoor Play Experience of Children).
최근 디지털 기술은 아이들이 모바일 기기·컴퓨터·스마트 장난감 등의 새로운 기기상에서 더욱 다 감각적이고 쌍방향적인 놀이를 할 수 있도록
개발되는 추세로 아동들의 유희적인 경험에 새로운 지평을 열고 있다. 그러나 디지털 기술은 아이들로 하여금 놀이 시간의 대부분을 지나치게 영상 시청과 게임 등에 몰입도를 배가시키고 있어 기존 놀이에서 얻을 수 있던 가치들을 없애고 있다는 우려가 대두되고 있다.
그동안 자유로운 야외놀이를 위한 디지털 기술로 활용돼온 모바일 스크린 기반의 시각증강 기술조차도 친구들과의 놀이 주제에 대한 논의와 발전보다는 스크린으로의 몰입을 유도함으로써 상상력 증진과 사회성 발달 등을 지원하는 데에는 한계가 존재한다고 지적돼 온 게 사실이다.
따라서 아이들이 기존 놀이에서처럼 신체활동을 비롯해 사회적 상호작용, 상상력 등을 주도적으로 발휘하도록 돕되 디지털 기술의 장점을 효과적으로 활용하는 방향으로의 접근이 필요하다는 주장이 제기돼 왔다.
이 교수 연구팀은 이를 위해 추상적이고 전방향적인 특성으로 상상을 북돋고 사회적 인식을 높여 창의적 사회적인 놀이경험 제공에 효과적일 수 있는 소리증강 기술을 활용한 웨어러블 기기인 `사운드웨어'를 고안했다.
`사운드웨어'는 일상소리(Everyday sound) 및 악기 소리(Instrumental sound) 등으로 구성된 비음성 소리(Non-speech sound)를 주요 소리증강의 자료로 활용했다. 이를 통해 기기를 착용한 아이들은 직접 물리적인 팔레트 상에 마련된 다수의 소리 유닛들에 기기를 올려 소리를 탐색하며, 원하는 소리를 선택할 수 있고 팔을 흔들어 소리를 내면서 또 여러 기기 간에 소리를 교환할 수 있다.
연구팀 관계자는 아이들을 대상으로 한 실험결과, 일상소리는 아이들이 사물과 상황에 대한 적극적인 상상을 통해 기존 소리가 없는 야외놀이와는 차별화되는 놀이 행동을 보였으며 악기 소리는 아이들이 소리증강의 특성에 집중해 이를 새로운 놀이 요소로 활용하는 것을 확인할 수 있었다고 설명했다.
이 관계자는 또 직접 소리증강을 탐색하고 선택하고 발생시키도록 하는 디자인을 통해 아이들이 성취감과 소리에 대한 소유감을 느끼고 이를 보상으로 삼아 물리적·사회적으로 적극적인 놀이 활동을 수행하는 것을 확인했다고 덧붙였다.
제1 저자인 홍지우 박사과정 학생은 "아이들이 주도적으로 소리증강을 야외놀이에 접목하면서 자신들만의 놀이를 만들기 위해 탐색하고 상상하고 소통하는 모습을 보였다ˮ면서 "그동안 긍정과 부정 즉, 양면적 시각이 존재해왔던 디지털 기술이 적절한 디자인에 따라서도 아이들의 창의적·사회적 놀이경험을 위해 충분히 활용될 수 있음을 의미하는 결과ˮ라고 설명했다.
이우훈 교수도 "아동용 놀이 용품과 각종 기기를 제작하는 엔지니어와 디자이너뿐 아니라 아이들에게 디지털 기술을 어떻게 제공하고 활용해야 하는지 궁금하게 여겼던 부모와 교육자에게도 흥미로운 정보이자 이에 관해 본격적인 논의의 필요성을 제기한 연구ˮ라고 이번 연구의 의미를 강조했다.
이번 연구는 한국연구재단 인문사회 분야 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.07.30 조회수 21189 -
공간을 자유자재로 누비는 가상스피커 개발
김양한 교수
- 3D 입체 영상과 결합해 진정한 3D TV 시대 임박 -- 이론적, 실용적 측면 모두 해결해 곧 상용화 예정 -
원하는 공간 어디서나 마치 스피커가 놓여 있는 것처럼 소리를 들을 수 있는 시스템이 개발돼 곧 상용화 예정이다.
우리 학교 기계공학과 김양한, 최정우 교수 연구팀이 공동으로 3차원 공간상에 자유롭게 가상스피커를 배치할 수 있는 ‘사운드 볼 시스템’을 개발했다.
이번에 개발된 시스템은 원하는 공간상의 위치에 자유자재로 소리를 집중시킬 수 있다. 따라서 3D TV에 적용하면 마치 소리도 사람에게 다가오는 것처럼 느껴져 시각과 청각 모두 3D 기능을 갖춘 진정한 의미의 3D TV를 경험할 수 있게 됐다.
또 오케스트라의 바이올린, 첼로 등 현악기와 플루트, 클라리넷 등의 관악기 소리를 원하는 공간에서 나게 조절할 수 있어 집안에서도 마치 실제 콘서트홀에 온 것 같은 느낌을 받을 수 있다.
게다가 여러 가지 소리를 개별적으로 제어가 가능해 방송국 음향 편집에도 활용될 수 있으며, 자동차에서는 각 좌석별로 네비게이션, 음악, TV 소리 등을 따로 전달하는 등 적용범위가 매우 다양할 것으로 예상된다.
사운드 볼 시스템은 여러 개의 스피커를 이용해 공간상의 원하는 지점에 음향 에너지를 집중시킨 후, 집중된 지점에서 다시 전파되는 소리를 이용해 가상 스피커를 만드는 기술이다.
이 기술은 2002년 김 교수팀이 미국음향학회(Acoustical Society of America)에 발표한 청취공간에 있는 사람만 소리를 듣고, 다른 영역에서는 조용하게 하는 음향 밝기·대조 기술을 발전시킨 것으로 음향 에너지 집중을 통해 소리의 방향, 움직이는 소리 및 소리의 공간감을 제어할 수 있다.
연구팀은 먼저 가상스피커에 대한 이론적 해를 완전한 적분방정식 형태로 세계 최초로 풀어내 3차원 공간 어디에서도 구현 가능하도록 했다.
이와 함께, 여러 개의 단극 음원을 조합한 다극음원(multipole)을 사용하고 지향성(directivity) 조정을 통해 원하는 음장을 만들어 탁월한 청취 선명도를 이끌어 냈다.
김양한 교수는 ”2002년 논문부터 시작된 음향제어분야의 새로운 이론적 토대를 마련한 것은 중요한 의미가 있다“며 ”이 기술을 바탕으로 지난 9월 국내 굴지 전자업체와 TV용 3차원 음향시스템 개발을 착수했다“고 말했다.
최정우 교수는 “앞으로 홈씨어터, 영화관, 공공장소 등에서 개발된 시스템이 사용되면 새로운 3차원 음장 기술이 가지고 있는 효과를 느낄 수 있을 것이다”며 “3차원 영상 기술과 함께 통합돼 새로운 영상과 음향의 세계를 경험할 날이 멀지 않았다”고 말했다.
한편, 연구팀은 이번 기술에 대한 특허출원을 완료했으며, 관련 논문은 지난 달 관련 분야 최대 학술단체인 국제전기전자공학회(IEEE)가 발간하는 국제저널(IEEE Transaction of Audio, Speech, and Language Processing)에 게재됐다.
※ 기술 개요(소리의 공간감을 자유자재로 누구나 요리해 맛볼 수 있는 기술)
오래도록 우리는 완벽한 3D사운드 혹은 소리의 공간감의 완전한 재현이 가능한 이상적인 오디오 시스템을 꿈꾸어 왔다. 그러나 3D사운드는 그 정의가 명확하지 않은 주관적인 개념이며, 그 평가에 대한 절대적인 척도 또한 존재하지 않는다.
최근 다양한 3D sound 기법이 난립하고 있으나, 이는 청취 환경에 따라 변화할 뿐만 아니라, 동일한 환경에서도 청취자가 누구냐에 따라 다르게 인지되는 근본적인 문제점을 내포하고 있다. 음장 재현 방법의 이러한 근본적인 문제는 과거의 스테레오 시스템에서 볼 수 있는 밸런스 노브(balance knob)로부터 그 해결의 실마리를 찾을 수 있다. 즉, 밸런스 노브는 보편적인 최적의 소리를 찾는 대신에 청취자가 원하는 음향 효과를 얻을 때까지 직접적으로 소리를 청취하고, 스스로 조절해 평가할 수 있는 매개체의 역할을 수행한다.
KAIST에서 개발한 Spatial Equalizer는 밸런스 노브와 같이 청취자가 원하는 3D 사운드를 스스로 평가하고 조절하기 위한 것이다. 즉, 청취자가 시공간적으로 원하는 3D사운드를 실시간으로 청취하고 변화시킬 수 있는 인터페이스의 개념 및 구현에 초점을 맞추고 있다. Spatial Equalizer는 인터페이스 상에서 하나의 점 또는 다수의 점으로 표시되는 가상 음원을 사용자가 조종함으로써 소리의 공간감을 제어할 수 있는 길을 열어 주고 있다. 이는 다수의 점 음원들의 위치를 변화시키거나 각 점에 위치한 가상 음원의 크기를 변화시킴으로써 청취자가 원하는 소리를 구현하는 원리다.
즉, 사용자가 원하는 소리의 공간감을 공간상에 위치하는 몇 개의 가상 음원의 조합으로 대치하고, 실제로 사용자는 원하는 공간감과 듣는 소리가 부합되도록 하나 또는 다수의 가상 음원의 위치 및 각 음원에 의한 소리의 크기를 조절하는 것이다. 여기서, 원하는 공간감을 얻기 위한 기본적인 요소로서의 가상 음원을 sound ball이라 정의하고 사용하기로 한다.
가상의 sound ball 혹은 가상의 스피커를 자유롭게 공간상에 만들어 내기 위해 스피커 어레이 제어 기술의 혁신이 필요하다. 다수의 스피커로 이루어진 스피커 어레이(loudspeaker array)를 사용하면 소리(sound)가 전파하는 모양을 자유자재로 만드는 것이 가능함은 잘 알려져 있다. 다수의 스피커를 개별적인 크기와 위상으로 구동하면, 각각의 스피커를 중심으로 하는 다수의 파면이 형성되고, 이들이 공간상에서 간섭(interference)되면서 고유의 형상을 갖게 되는 원리이다. 1678년 발표된 호이겐스(Huygens)의 원리로부터, 키르히호프-헬름홀츠(Kirchhoff-Helmholtz) 적분 방정식에 이르는 이론식이 관련 연구의 배경을 이루고 있다. 하지만, 이러한 이론들은 어디까지나 우리가 만들고자 하는 가상의 스피커, 즉 음원(sound source)이 공간 외부에 존재하는 경우에 적용할 수 있으며, 소리를 재현하고자 하는 공간 내부에 음원이 있을 경우는 물리적으로 불가능한 문제가 된다.
기존 WFS(wave field synthesis)등 관련 연구에서는 근사화한 적분 방정식을 사용하여 시간 역전(time-reversal)의 형태로 내부의 음원이 발생시키는 것과 유사한 음장을 만들어 낼 수 있음을 부분적으로 밝혀졌으나, 물리적으로 발생 가능한 이유와 온전한 형태의 해에 대해서는 알려진 바가 없었다. KAIST에서는 온전한 적분 방정식 형태로 일반해가 존재함을 수학적으로 밝혀내었으며, 이에 따라 전 3차원 공간에서 임의의 위치의 sound ball을 형성할 수 있는 이론적 토대를 마련하였다.
개발된 sound ball 형성 알고리듬을 사용하여, Spatial Equalizer를 실제 오디오 시스템의 형태로 구축하였다. 이 시스템의 목적은 다수의 sound ball을 사용자가 원하는 임의의 지점에 형성하는 것이므로, 이것을 고려하여 24개의 스피커로 이루어진 선형 어레이 및 50개 스피커로 구성된 구형 어레이를 제작하였다. 사용자와 Spatial Equalizer® 사이에 피드백이 실시간으로 이루어지는 제어를 수행하기 위해 스마트 폰을 사용하여 원거리에서 sound ball을 제어할 수 있는 장치를 구현하였다. 이 인터페이스는 OSC(Open Sound Control) 프로토콜을 사용함으로써 제어 장치인 스마트 폰과 호스트 PC가 원거리에서도 제어 변수를 주고 받을 수 있도록 하였다. 즉, 각각의 sound ball의 위치 및 크기가 Spatial Equalizer®의 노브로서 작동하게 되어, 사용자는 Sound ball의 위치와 크기를 조절함으로써 의도하는 소리의 공간감을 직관적으로 형성할 수 있다.
음식을 만드는 경우와 비유적으로 설명하면, sound ball을 이용하여 이제는 사용자가 원하는 시.공간적 소리를 만들 수 있게 된 것이다. 종래에는 특별한 청취 능력을 가진 사람이 이러한 소리를 만드는 즉 특별한 요리사 만이 소리의 공간 감을 만들 수 있었다 하면 이제는 이 기술을 이용하여 모든 사람이 자신이 느끼기에 좋다고 생각하는 소리를 공간상에 만들 수 있는 “소리 만들기” 요리 법과 도구를 가지게 된 것이다.
그림1. 여러 개의 스피커를 통해 가상다극음원을 만들었다. 지향성 조정을 통해 수렴음장을 제거했으며, 가상스피커로부터 원하는 음장을 재현했다.
그림2. 사운드 볼 시스템 개념도
그림3. 5.1채널 방식의 서라운드 스피커(좌)와 가상스피커(우) - 실제 피아노가 시청자 바로 앞에 놓인 것과 같은 소리를 들을 수 있다.
그림4. 사운드 볼이 형성 및 이동하면서 소리가 TV에서 튀어나오는 것과 같은 느낌을 받는다.
2012.10.10 조회수 15224 -
배상민 교수, 세계 최고 권위 디자인상 휩쓸어
배상민 교수
- 세계 4대 디자인전에서 41개 상 받아 전 세계 대학교 중 최고 실적 -- 나눔프로젝트로 사회공헌활동도 꾸준히 하는 기부천사 -
세계 4대 디자인 대회에서 우리 학교 산업디자인학과 연구팀이 연속적으로 수상을 해 세계의 이목을 집중시키고 있다.
우리 학교 산업디자인학과 배상민 교수팀은 세계 최고 권위의 디자인전인 ‘2012 IDEA 어워드’에 출품한 작품 2점이 상업 및 산업 제품 디자인 부문과 사회적 영향 부문에서 동상과 컨셉트 어워드를 각각 수상했다.
배 교수팀은 이번 수상으로 세계 4대 디자인 대회에서 무려 41개의 상을 받아 기업이 아닌 대학 연구팀으로는 단연 세계 최고의 실적을 거두었다. IDEA 어워드를 주관하는 미국 산업디자인 학회는 KAIST 배 교수팀의 수상실적이 너무 많아 연구팀을 기업으로 착각하는 해프닝이 벌어지기도 했다.
배 교수 연구팀은 이미 지난해 세계 4대 디자인 대회에서 두 번의 그랜드 슬램을 달성하기도 했다. 세계 4대 디자인상에는 레드닷, iF, IDEA, 굿 디자인 어워드가 있으며, 매년 50개국에서 6,000점 이상의 작품이 출품되고 있다.
IDEA 2012 중장비 제품 디자인 부문에서 동상을 받은 ‘남선 공작기계 디자인’은 국내 최초로 중장비 부문에서 수상한 것으로, 지역경제 활성화를 위해 KAIST와 지역 중소기업의 산학 협력을 통해 이뤄진 프로젝트라서 더욱 의미가 크다. 연구팀이 새롭게 디자인한 공작기계는 기존의 딱딱한 틀에서 벗어나 미래지향적인 외형디자인을 추구함과 동시에 생산성을 고려했다.
이와 함께 사용자의 편의성을 증대시키기 위해 양쪽에 상태표시 라이팅바를 설치, 작업이 어느 정도 진행되고 있는지를 보여주고 기계가 오작동을 하면 라이팅바의 색깔이 바뀌어 멀리서도 기계의 상태를 확인할 수 있도록 했다.
사회적 영향 부문에서 컨셉 어워드를 수상한 사운드스프레이는 사회 기본 인프라가 부족한 제3세계를 위한 모기 퇴치 음파 발생기로 자가 발전해 지속적으로 사용할 수 있는 것이 큰 특징이다.
배 교수는 프레온 가스 퇴치제를 사용할 때 흔들어서 사용하는 행동양식을 모방해 통속에 자가 발전기가 들어 있어 흔들어 충전한 후 해충들이 싫어하는 초음파를 발생시켜 모기를 퇴치하도록 고안했다.
배 교수는 “중소기업이 기술적인 측면에서는 우수하지만 글로벌 경쟁력을 갖추기 위해서는 디자인관리가 꼭 필요하다”며 “지역 경제 활성화 및 일자리 창출을 위해 협력한 성공적인 사례”라고 수상소감을 밝혔다.
또 “사운드스프레이는 제3세계의 열악한 환경과 그들의 문화에 맞는 적정기술”이라며 “지속적인 지원을 위해 연구실에서 적정기술을 적용한 제3세계 용품을 개발하고 있으며, 이번에 수상한 사운드스프레이는 상용화해 동남아시아 및 아프리카 현지에 지원할 예정”이라고 밝혔다.
배상민 교수팀 (ID+IM)은 2005년부터 사회공헌 디자인(Philanthropy Design)을 연구 주제로 삶고 혁신적인 디자인을 통해 소외 받는 90%를 위한 나눔 디자인 프로젝트를 진행해 오고 있으며 그동안 세계 최고 권위의 디자인상을 수상하며 그 우수성과 진정성을 알리고 있다.
그림1. 상업 및 산업 제품 디자인 부문에서 동상을 수상한 남선기공의 SPACE540
- 공작기계의 일반적인 디자인에서 벗어나 미래지향적인 외형디자인을 추구했다.
그림2. 상태표시 라이팅바는 작업이 어느 정도 진행되었는지를 보여주고 기계가 오작동을 하면 라이팅바의 색깔이 빨간색으로 바뀐다.
그림3. 남선기공에 대한 토탈 디자인(total design)
- 기업 이미지(Corporate Identity, CI), 제품 디자인(Product Identity, PI), 전시 및 홍보 디자인 까지 디자인 되어진 종합디자인(Total Design) 프로젝트 수행
그림4. 사회적 영향 부문에서 컨셉 어워드를 수상한 친환경 모기퇴치기 사운드스프레이(Soundspray)
그림5. 사운드스프레이(soundspray)의 구조와 원리 - 통속에 자가발전기가 있어 흔들면 충전이 되고, 모기가 싫어하는 초음파를 발생시켜 모기를 퇴치한다.
2012.07.17 조회수 19467 -
2010 스마트폰 소프트웨어 경진대회
우리학교 정보통신팀이 주최한 "2010년 스마트폰 소프트웨어 경진대회" 시상식을 지난 11월 29일 오후 5시 행정분관 2층에서 가졌다.
이번 대회에는 27개 팀이 참여했으며 아이디어, 활용성, 완성도 등의 엄격한 심사를 거쳐 11개팀을 선정했다.
대상은 전산학과 조영상군이 개발한 "딩글한글"이 차지했다. 스마트폰에서 한글을 쉽게 입력할 수 있게 만든 이 어플은 심사위원은 극찬을 받았다. 안드로이드폰 기반이며 이미 온라인상에 3~4만명의 사용자가 있고, 특허출원 중이다.
금상은 시각장애인이 사운드를 듣고 스마트폰으로 사진을 찍을 수 있는 ‘사운드 카메라‘와 TV를 보면서 트위트나 문자를 보내어 자막에 올릴 수 있는 ‘바글’ 어플이 선정됐다.
은상은 교내 택시를 같이 타기 위하여 제작한 ‘택시투게더’, 음감을 찾아 교습할 수 있는 ‘절대음감’과 "KAIST iNFO" 어플이 차지했다.
대상 1명, 금상 2명, 은상 3명, 장려상 5명을 선정해 상금 200만원, 100만원, 50만원, 스마트폰을 각각 지급했다.
이번 경진대회는 소프트웨어 개발 인재의 발굴과 스마트폰 활성화에 기여하고자 마련됐다.
김명호 학술정보처장은 “우리나라의 미래는 과학기술에 있으며, 그중에도 IT기술의 S/W가 높은 비중을 차지하고 있다” 며 “스마트폰 시대의 선두에 여러분이 함께하기를 희망한다”고 말했다.
2010.12.10 조회수 14272