1. 개요
가. 연구목적
1) 대부분의 사람들은 시각 정보를 통해 물체의 위치를 직관적으로 파악 한다. 그러나 시각 장애우들은 물체에서 발생하는 소리나 촉감을 통해 서 물체의 위치를 직관적으로 파악한다. 반면, 시각장애우를 위한 기존 의 음성 안내 시스템은 물체의 위치를 직관적인 방법으로 알려주는 것이 아니다.
2) 이에 우리는 박쥐가 자신이 발생한 초음파의 반사음을 직접 들음으로 써 물체의 위치를 파악하는데에서 착안하여, 초음파센서를 통하여 물체의 위치를 파악하여 이를 입체음향으로 알려줌으로써 물체의 위 치를 소리를 통해 직관적으로 파악할 수 있는 장치를 만들고자, 이 연구를 진행하였다.
3) 인간이 소리를 통해 물체의 위치를 파악하는 원리를 음향 스펙트럼의 관점에서 연구하고, 초음파센서를 통해 물체의 위치를 파악하기 위한 하드웨어와 소프트웨어를 제작하는 방법을 익히며, 물체의 위치를 입체음향으로써 나타내기 위한 방안을 마련하여, 해당 기능을 제공하 는 장치를 직접 제작하고자 한다.
그림 1. 초음파와 입체음향을 통한 시각장애인 보조기구 개념도
나. 연구범위
1) 초음파센서를 이용하여 물체의 위치를 파악하고 이를 좌표상에 나타 내기 위한 하드웨어 제작에 관한 연구
가) 초음파센서의 작동원리를 이해하고, 하드웨어의 구조를 파악함.
나) 다수의 초음파센서 모듈을 아두이노보드에 연결하여 얻게 된 좌표를 통해 전방의 물체의 위치를 파악하기 위한 하드웨어를 제작함.
다) 물체의 위치를 파악하기 위한 알고리즘을 고안하고, 이를 효과적으로 나타내기 위한 수학적 좌표를 선택하고 적용함.
라) 하드웨어를 제작하고 조립하고, 소프트웨어를 제작함. 공학적 기능상 요구되는 사양과 사용자 입장에서의 편의성을 모두 충족시키는 디자인을 구상하고 장치를 제작하고 사용해봄.
2) 사람이 물체에서 발생하는 소리를 듣고 물체의 위치를 직관적으로 파악하는 원리 및 입체 음향 제작에 대한 이론적 연구
가) 스테레오 음원의 위상차의 개념을 이해하고, 입체음향 제작에 활용되기 위한 이론을 탐색함.
나) 음원의 위치에 따라 음색이 달라지는 이유를 이해하고, 소리의 음색을 음향 스펙트럼의 개념으로 분석하며, 단순조화음으로써 분석하는 푸리 에 해석의 개념을 적용함.
다) 입체 음향 구현의 방법과 원리를 탐색하고, 고등학교 수준에서 이를 제작하기 위한 공학적 방법을 연구함.
3) 제작된 하드웨어를 구동시키는 코드를 프로그래밍하고, 이를 통해 수집 된 물체 위치 좌표값에 대응하는 입체음향을 재생하는 문제에 관련된 문제를 소프트웨어 제작 차원에서 해결하기 위한 기술적 연구
가) 아두이노 보드가 초음파센서를 구동하여 물체의 위치정보를 얻어 좌표 값을 얻어내도록 알고리즘을 디자인하고 프로그램을 코딩함.
나) 물체의 위치좌표에 대응하는 입체음향을 재생해내기 위한 소프트웨어 제작 방안을 마련하고, 이를 실행함.
※ 1) ~ 3)의 연구 분야를 세 개의 팀이 분담하여 유기적인 연관성을 맺고 연구를 진행함.
2. 연구 수행 내용 가. 연구주제의 선정
1) 3 월 달에 올해의 연구주제를 선정하기 위한 회의를 열어 여러 가지 아이디어를 자유롭게 내놓을 수 있는 브레인스토밍 시간을 가짐. 매주 토요일마다 과제연구를 진행하기 위한 모임을 가졌음.
2) 일상생활에서 경험한 불편함을 개선할 수 있는 과학적 아이디어를 팀워 크를 이루어 해결하도록 하는데 목적을 두고 여러 가지 의견을 수렴한 결과, 주로 대중교통과 이동수단에 관한 아이디어가 제시됨.
- 버스에서 서 있는 승객들이 편안함을 느낄 수 있는 버스운행 방안에 대한 탐구
- 고속도로 유령체증의 원인을 분석하고, 해결하기 위한 자동차 운행 시스 템에 관한 연구
- 시각장애 보조기구로서 초음파 센서 활용방안에 관한 연구
그림 2. 주제 선정을 위한 브레인스토밍 및 토의 활동 모습
○ 이와 같은 다양한 아이디어를 가지고, 4월 달에는 주제 선정을 위하여 서울대 물리교육과 전동렬 교수님의 자문을 구함. 교수님의 조언 내용은 다음과 같음.
- 문제를 해결하기 위하여 다양한 실험을 해볼 수 있는 주제가 좋음.
- 이론적인 고민만 하는 것보다는 몸을 움직여서 체험을 해보고 실험을 통해 얻어진 데이터를 분석하는 과정이 학생들이 소화하기 더 쉬울 것이 며 의미도 있음. 그런 다양한 활동을 할 수 있는 주제로서 시각 장애 보조기구에 관한 연구가 가장 좋은 것 같음.
나. 이론적 배경 및 선행 연구
1) 시각장애인용 보조 기구 선행연구 사례
가) 울트라케인(초음파 지팡이) [1]그림 3. 초음파 지팡이(울트라케인)
① 기능 : 전방에 있는 물체의 거리와 방향을 진동으로 알려 줌.
② 특징
- 초음파 센서를 활용함.
- 정보를 진동으로 알려줌.
③ 기타 : 영국에서 개발되었음.
나) ATAD(Assistive Technology for Autonomous Displacement) 시스템 [2]
그림 4. ATAD 장치의 실물 모습 ① 기능 : 물체의 위치를 소리로 알려 줌.
② 특징
- 안경에 달린 두 개의 광센서를 이용하여 물체의 위치를 파악함.
- 이를 8개 채널의 골전달 마이크를 통해 소리로써 알려 줌.
③ 기타 : 스페인에서 개발되었음.
2) 머리전달함수(head related function)를 통한 입체 음향 분석 및 구현
그림 5. 머리전달함수의 세 가지 구성 요소 [3]
인간은 임의의 음원에서 발생한 소리의 위치를 파악할 수 있는 능력이 있다.
그 비결은 양쪽 귀에서 들리는 소리의 미세한 차이를 분석할 수 있는 능력을 경험적으로 습득했기 때문이다. 머리전달함수는 인간의 경험과 느낌을 분석하 여 다음의 세 가지 주요 요소를 통해 음원의 위치에 관한 정보를 나타낸다.
[3], [4], [5]
① 음향스펙트럼 차이 (음색차) : 소리의 전 달경로에 따라 나타 나는 음색의 차이 ② 시간 차이(위상차) :
양쪽 귀에 소리가 전 달되는 시간의 차이 로 인해 나타나는 위 상 차이
③ 음량 차이 : 양쪽 귀
로부터의 거리 차이에 따라 나타나는 소리 크기의 차이, 좌우 음량차이만을 고려하여 만들어진 음원은 스테레오 음원에 해당한다. 3차원 입체 공간감을 구현할 수 있는 음원을 만들기 위해서는 음색차와 위상차를 적절하게 나타내 야 한다.
그림 6. 음색차의 원인이 되는 음향 스펙트럼
3) 입체음향 음원생성과 재생을 위한 기술들 [6]
그림 6. 더미헤드를 이용한 바이노럴 음원 생성과 재생 방법
그림 7. 더미헤드 마이크로폰의 구조와 실제 모양
더미헤드 또는 실제 사람의 양쪽 귀 속에 설치된 마이크로폰을 통해 스테레오
음원을 생성하게 되면, 별 다른 처리를 하지 않더라도 그 자체로 음색차, 위상차, 음량차가 반영된 음원 즉, 3차원 공간감이 살아 있는 음원을 생성할 수 있게 된다.
다. 연구 방법
본 연구 과제를 세 개의 모듈로 나누어 진행하였다.
연구과정은 Phase 1에서 3로 구성되며, Phase1에서는 연구 주제 탐색, Phase2 에서는 기초 실험 및 기술적 구현을 위한 방법 탐색, Phase3에서 는 장치 디자인 및 제작과 피드백, 보정 작업 등이 포함된다.
각 팀의 작업은 처음에는 따로따로 운영이 되지만 Phase2를 거쳐
Phase3 가 되었을 때에는 매우 긴밀하고 유기적인 협력에 의해 최종 작품
이 만들어지게 된다.
그림 8. 프로젝트 팀별 역할과 구성원 및 활동과제
팀 명 구성원 팀별 주요 과제
초음파센서팀
이기호 이기원 장상운
① 초음파 센서의 특성 및 활용 방안에 대한 연구
② 아두이노 보드의 특성에 관한 이론 연구
③ 사용자경험(UX) 디자인 연구
④ 장치 제작 및 테스트, 테스트 후 보정 작업 등
음향분석팀
김선호 박성윤 신승환
① 음향 스펙트럼에 관한 연구
② 소리의 전달 경로에 따른 회절과 공명 등 음파의 물리적 특성에 관한 연구
③ 바이노럴 마이크를 이용한 홀로포닉스 음원 생성
시뮬레이션팀 이철우 이상헌
① 머리전달함수에 대한 이론적 분석
② 아두이노 보드에 적용할 알고리즘 구상
③ 아두이노 보드에 스케치(C언어 프로그래밍) 인코딩 및 장치 테스트 후 보정 작업
표 1. 팀별 구성원 및 주요 과제
세 팀의 협업 방식은 다음과 같다.
1) 초음파센서팀 + 음향분석팀 : 수집된 위치좌표로부터 입체음향을 구현하 기 위한 방법을 하드웨어 제작의 관점에서 탐색하고, 현실적으로 구현가능 하고 효율적인 방안을 마련함.
2) 음향분석팀 + 시뮬레이션팀 : 입체음향을 구현하기 위한 방법을 소프트웨 어 제작의 관점에서 탐색하고, 현실적으로 구현가능하고 효율적인 방안을 마련함.
3) 초음파센서팀 + 시뮬레이션팀 : 초음파센서 장착된 기기를 제작하고 수집 된 정보로부터 물체의 위치좌표를 찾아내는 알고리즘 제작. 위치좌표 정보 를 근거로 입체 음향을 구현하는 소프트웨어를 제작하고 기기에 적용하여 시험 운영함.
라. 연구 활동 및 과정
1) 음향의 입체감에 대한 이론 탐구 : MBL 장치와 CuBase 프로그램을 이용한 음향의 회절과 공명에 의한 좌우 귀에서 수집되는 음향 차이 분석
가) 음량차에 관한 탐구① 두 개의 음향 센서(데시벨 측정기)를 사람의 귀에 대응하는 위치에 놓고, 머리로부터 일정한 거리에서 발생하는 소리를 방향각에 따라 측정하는 실험 ② 하나의 센서로부터 임의의 거리에 있는 음원으로부터 발생한 소리 측정 실험 – 바닥면이나 벽면에 부딪힘으로 인해 거리의 제곱에 반비례하는 결과가 얻어지 지는 않았으나 우리가 일상생활에서 경험할 수 있는 상황으로서 의미가 있음.
표 2. 양쪽 귀에 나타나는 음량 차이 실험
나) 음색차에 관한 탐구 : 표 3에 나타난 실험 결과를 보면, 음향 스 펙트럼상에서 진동 수가 큰 소리쪽의 변 화가 크다는 것을 알 수 있다. 파장이 짧을 수록 회절이 잘 일어 나지 않기 때문이다.
표 3. 장애물에 의한 음향 스펙트럼의 변화 실험 결과
다) 위상차(시간차)에 관한 탐구
바이노럴 마이크로 녹음된 입체음향을 CuBase 프로그램으로 분석해봤다. 보 이는 파형상으로는 좌우의 음량의 변화가 순차적으로 진행됨을 볼 수 있었다.
즉, 입체음향은 좌우 시간 차이 효과(위상차)도 있음을 확인할 수 있었다.
그림 9. CuBase을 통해 측정한 바이노럴 음원의 위상차
2) 아두이노 보드를 이용한 초음파 센서 구동 문제 해결
가) 초음파 센서의 후면부에는 다음과 같은 접속 단자가 마련되어 있다. GND는 접지 단자이며 두 번째 단자에 5V 직류전원선을 연결해주면 아날로그 output 단자에서 물체까지의 거리값이 inch 단위로 출력되어 아날로그/디지털 변환 기로 전송이 된다(초음파센서의 내부회로에서 초음파 펄스간의 시간 간격 값을 이용하여 거리값 송출함).
그림 10. 초음파센서(좌)와 아두이노 보드에 초음파 센서를 연결하는 방법(우)
나) 우리가 사용한 아날로그/디지털 변환기는 널리 상용화되어 있는 아두이노보 드를 사용하였다. 아두이노보드는 구동에 필요한 소스가 오픈되어 있고, C언 어를 기반으로 한 편집기로 자유롭게 수정할 수 있다.
다) 아두이노 보드에는 0번부터 5번까지, 총6개의 아날로그 input 단자가 마련되어 있다. 따라서 보드 하나당 최대 6개의 초음파센서를 장착할 수 있다.
그림 11. 장치제작과정 활동사진(좌), 아두이노 보드에 MP3 shield와 두 개의 초음파센서를 연결한 모습(우)
※ 두 개 이상의 초음파센서를 동시에 작동시킬 때에는 상호 간섭이 일어나는 것을 방지하기 위해 약간의 시간차를 두고 순차적으로 센서를 작동시켜야 한다. 그래서 우리는 if 구문 내에 delay 함수를 이용하여 초음파센서의 작동시간에 적절한 간격을 주었다. 여기서 적절한 간격이란, 하나의 센서에 서 발사된 초음파가 물체에 부딪혀 되돌아오기까지 걸리는 시간보다 약간 큰 값을 의미한다. 음속이 340 m/s라고 가정했을 때 거리 3 m인 경우(초음파 센서의 작동범위가 대략 3 m이므로)에 반사파가 되돌아오는데 걸리는 시 간은 0.02초이다. 따라서 각 센서의 작동 지연 시간을 0.02초보다 약간 크게 설정하였다.
3) 초음파의 측정범위와 각도 문 제에 따른 센서배치
가) 초음파 센서의 측정 범위는 그림 11과 같다.
나) 문제점 : 초음파 센서의 측정 각 그림 12. 초음파 센서의 측정범위
도가 넓지 않기 때문에 삼각 측정을 통한 물체의 좌표를 찾는 방법을 사용하기 어려워짐. 삼각 측 량을 하기 위해서는 초음파 센서의 측정 범위가 중첩이 충분히 넓은 영역에 걸쳐 이루어져야 하 고, 이 중첩 영역 내에 물체가 들어와야 하기 때문 이다.
다) 해결방안 : 다음 그림과 같이 초음파 센서를 배치 하고 서로 이웃한 두 개의 초음파센서의 중첩 영 역에 물체가 위치하도록 함.
4) 장치 작동을 위한 알고리즘 고안 및 구현 방법 연구
가) 입체음향 재생 문제 해결- 양쪽 귀에서 들리는 소리의 음색차와 음 량차 및 위상차를 고려하여 입체음향을 분석하거나 생성하기 위해서는 머리전달 함수를 이용한 알고리즘을 만들어야 한 다. 이는 매우 어려운 수준의 작업이라서 우리는 바이노럴 마이크를 이용하여 음 원을 생성해두고, 이를 재생하는 방식을 채택하기로 하였다.
그림 15. 초음파센서와 MP3 shield 장치 구상도
그림 14. 바이노럴 마이크 그림 13. 초음파 센서의
배치 간격과 각도
나) 바이노럴 음원에 대응하는 위치 설정하기
- 베버의 법칙 적용 : 우리는 소리 크기 변화의 절대값을 감지하는 것이 아니라, 현재 크기와 크기 비율을 인식한다. 소리의 크기는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 거리가 멀어질수록 단위간격당 소리 크기의 변화율이 작아지고, 소리 의 크기가 작아질수록 소리 변화에 민감해지는데 음원 사이의 간격 d를 거리 r에 비례하도록 음원수집 지점을 설정하면 지점당 소리 크기의 변화율을 일정 하게 할 수 있다. ( d ∝ r ) (그림 16)
그림 16. 바이노럴 음원에
대응하는 위치
그림 17. 장치 작동을 위한 알고리즘
다) 초음파 센서 제어 및 아두이노 스케치
- 아두이노 보드가 작동하도록 프로그래밍을 하는 방법은 아두이노 스케치 프로그램을 이용하여 코드를 인코딩하여 기기에 업로드를 하면 된다. 현재 초음파센서를 작동시켜 거리값과 센서 번호를 토대로 음원 파일명을 지정하 여 해당 음원을 재생하도록 하였다. (그림 17)
- 우리가 제작하여 사용한 아두이노 스케치 전문은 다음과 같다.
#include <SPI.h>
#include <SdFat.h>
#include <SdFatUtil.h>
#include <SFEMP3Shield.h>
#if defined(USE_MP3_REFILL_MEANS) &&
USE_MP3_REFILL_MEANS == USE_MP3_Timer1
#include <TimerOne.h>
#elif defined(USE_MP3_REFILL_MEANS) &&
USE_MP3_REFILL_MEANS == USE_MP3_SimpleTimer
#include <SimpleTimer.h>
#endif SdFat sd;
// SD카드 제어용 라이브러리 호출
SFEMP3Shield MP3player;
void setup() { uint8_t result;
Serial.begin(115200);
Serial.print(F("F_CPU = "));
Serial.println(F_CPU);
Serial.print(F("Free RAM = "));
Serial.print(FreeRam(), DEC);
Serial.println(F(" Should be a base line of 1028, on ATmega328 when using INTx"));
if(!sd.begin(SD_SEL, SPI_FULL_SPEED)) sd.initErrorHalt();
if(!sd.chdir("/")) sd.errorHalt("sd.chdir");
result = MP3player.begin();
if(result != 0) {
Serial.print(F("Error code: "));
Serial.print(result);
Serial.println(F(" when trying to start MP3 player"));
if( result == 6 ) {
Serial.println(F("Warning: patch file not found, skipping."));
Serial.println(F("Use the \"d\" command to verify SdCard can be read"));
} }
#if defined(__BIOFEEDBACK_MEGA__) Serial.println(F("Applying ADMixer patch."));
if(MP3player.ADMixerLoad("admxster.053") == 0) { Serial.println(F("Setting ADMixer Volume."));
MP3player.ADMixerVol(-3);
}
#endif }
void loop() {
#if defined(USE_MP3_REFILL_MEANS) \
&& ( (USE_MP3_REFILL_MEANS == USE_MP3_SimpleTimer)
\
|| (USE_MP3_REFILL_MEANS == USE_MP3_Polled) ) // 여기부터가 성보고SAPA가 직접 제작한 코드
MP3player.available();
#endif
int distance[6];
distance[0] = ultra(A0);
delay(30); // 센서간의 간섭을 회피하기 위해 시간 간격을 둠 distance[1] = ultra(A1);
delay(30);
distance[2] = ultra(A2);
delay(30);
distance[3] = ultra(A3);
delay(30);
distance[4] = ultra(A4);
delay(30);
distance[5] = ultra(A5);
// 배열로 센서 0~5 지정
int myMinindex = Min(distance);
Serial.print(myMinindex);
Serial.print(" : ");
Serial.println(distance[myMinindex]);
// 센서의 최솟값을 찾아서 출력함 int org = distance[myMinindex];
distance[myMinindex] = 9999;
int myMinindex2 = Min(distance);
Serial.print(myMinindex2);
Serial.print(" : ");
distance[myMinindex] = org;
// 첫 번째 최솟값을 찾았으면 두 번째 최솟값을 찾음
int iii = distance[myMinindex] / 65 + 1;
int threshold = 20;
if (iii == 1) threshold = 5;
else if (iii == 2) threshold = 10;
else if (iii == 3) threshold = 15;
else if (iii == 4) threshold = 10;
else if (iii == 5) threshold = 5;
// 한계값을 20으로 놓고 각 영역마다 값의 차이를 둠 int diff = distance[myMinindex2]-distance[myMinindex];
if (diff>threshold || abs(myMinindex - myMinindex2) > 1 ||
((myMinindex == 0 || myMinindex == 5) && (myMinindex2
>= 1 && myMinindex2 <= 4)) ||
((myMinindex2 == 0 || myMinindex2 == 5) && (myMinindex
>= 1 && myMinindex <= 4)))
// ||은 or, &&은 and라는 의미이고 숫자들은 센서 번호
// abs는 절댓값을 의미함(만일 2번 먼저 선택되고 1번이 선택된다 면 이상한 번호의 음원이 출력되므로 절댓값을 취해서 음원이 제대 로 선택되도록 설계함)
{
int mm = (myMinindex-1) *10 +
distance[myMinindex]/65+1; // 변수 mm을 지정하고 1~4번 센서 중에서 겹치지 않은 부분의 음원 재생
if (myMinindex == 0)
mm = distance[myMinindex]/65+36; // 0번 센서 겹치지 않은 부분의 음원 재생(음원번호 36번부터)
else if (myMinindex == 5)
mm = distance[myMinindex]/65+46; // 5번 센서 겹 치지 않은 부분의 음원 재생(음원번호 46번부터)
Serial.print("Soundtrack");
Serial.println(mm);
play(mm);
delay(500);
} else {
int mm = (myMinindex-1) *10 +
(distance[myMinindex]+distance[myMinindex2])/130+6;
// 1~4번 센서 중첩 영역 음원 재생
if (myMinindex == 0 || myMinindex == 5) mm =
(distance[myMinindex]+distance[myMinindex2])/130+41;
// 0, 5번 센서 중첩 영역 음원 재생 Serial.print("Soundtrack");
Serial.println(mm);
play(mm);
delay(500);
5) 바이노럴 음원 생성 작업
가) 음원 위치 좌표 정하기 : 초음파센서의 작동범위의 실측사이즈 도면을 종이에 그 린 후에 음원 생성 지점을 점으로 찍어 나 타냄.
나) 바이노럴 마이크를 이용한 음원 녹음
} // else 위의 조건문이 아니면 “ ” 출력 delay(100);
}
int Min(int distance[]) {
int i;
int minvalue = distance[0];
int minindex = 0;
for (i=1;i<6;i++)
if(minvalue > distance[i]) { minvalue = distance[i];
minindex = i;
}
return minindex;
}
// for문을 사용하여 0~5 센서의 최솟값을 찾는 작업을 반복 void play(int key_command)
{
uint32_t millis_prv;
uint8_t result;
char title[30];
char artist[30];
char album[30];
#if USE_MULTIPLE_CARDS sd.chvol();
#endif
result = MP3player.playTrack(key_command);
if(result != 0) {
Serial.print(F("Error code: "));
Serial.print(result);
Serial.println(F(" when trying to play track"));
}
else {
Serial.println(F("Playing:"));
MP3player.trackTitle((char*)&title);
MP3player.trackArtist((char*)&artist);
MP3player.trackAlbum((char*)&album);
Serial.write((byte*)&title, 30);
Serial.println();
Serial.print(F("by: "));
Serial.write((byte*)&artist, 30);
Serial.println();
Serial.print(F("Album: "));
Serial.write((byte*)&album, 30);
Serial.println();
} }
long anVolt, inches, cm;
int sum=0;//Create sum variable so it can be averaged int avgrange=30;//Quantity of values to average (sample size) int ultra(int sensorPin) {
sum = 0;
for(int i = 0; i < avgrange ; i++) {
anVolt = analogRead(sensorPin)/2;
sum += anVolt;
delay(10);
}
inches = sum/avgrange;
cm = inches * 2.54;
return cm;
//reset sample total }
6) 장치의 디자인과 제작
가) 디자인 컨셉 : 시각장애인을 돕는 안내견이 노란색 벨트를 착용하고 있는 것에 착안하여 노란색 벨트에 초음파센서를 장착하는 방식으로 함. (그림 18) 나) 도면은 그림 19와 같다.
다) 장치의 제작 및 테스트
[테스트 방법]
- 장소 : 장애물이 없는 넓은 강당 - 주변 3 m 이내에 의자를 두고
찾아가서 앉기
- 쓰레기통을 찾아 물건 투척하기
그림 18. 장치 개념도
그림 19. 장치 도면(지오지브라 사용함)
3. 연구 결과 및 시사점 가. 연구 결과
1) 연구 과정 요약
모든 연구과정은 세 개 모듈의 유기적 협동에 의해 진행되었다.
연구과정은 Phase 1에서 3로 구성되며, Phase1에서는 연구 주제 탐색, Phase2 에서는 기초 실험 및 기술적 구현을 위한 방법 탐색이 이루어졌다.
특히 Phase3에서는 장치 디자인 및 제작과 피드백, 보정 작업 등이 포함되며, 다음과 같은 다이어그램으로 나타낼 수 있다.
그림 20. Phase3 과정에서 팀 융합 활동
2) 실험 결과 및 연구 결론 제시
가) 다양한 음원에 대한 음향 스펙트럼 분석 : 우리는 바이노럴 음원으로 사용할 소리가 가져야 할 특성으로서 넓은 영역에 걸친 주파수 스펙트럼을 가정하고, 다양한 음원에 대한 음향 스펙트럼을 분석하는 활동을 하였으며 그 결과 다음과 같은 자료를 얻을 수 있었다.
그림 21. 박수소리(왼쪽 위), 사람 목소리(오른쪽 위), 책상 치는 소리(왼쪽 아래), 휘파람(오른쪽 아래)
휘파람소리 속에는 비교적 적은 개수의 진동수 값이 포함되어 있기 때문에 단순조화음 형태의 파동의 형태와 비슷하다. 이에 비해서 박수소리나 책상을 두드리는 소리와 같은 파열음 속에는 다양한 진동수가 포함되어 있어서 파형도 복잡한 모양을 가진다. 다양한 진동수가 포함된 소리가 단순조화음의 날카로운 소리에 비해 사람이 듣기에 더 편안한 느낌을 준다. 그리고 회절과 공명에 의한 차이를 나타내기 위해서도 다양한 진동수가 포함된 파열음을 사용하는 것이 더 좋다는 결론을 내리고, 이를 음원으로 사용하게 되었다.
나) 아두이노 스케치 컴파일링과 업로드 및 주변 기기 작동 테스트 테스트
종류 컴파일링 및
업로드 초음파 센서
작동 및 수집 음원 호출 음원 재생 성공/
실패 성공 성공 성공 성공
표 4. 장치 컴파일링 및 주변 기기 작동 테스트 결과
다) 바이노럴 음원을 듣고 소리의 위치를 역추적 하는 실험
- 실험방법 : 체험자에게 무작위로 선택된 음원을 들려주고, 음원이 녹음될 당시의 위치(방향과 거리)를 말하도록 함.
- 체험자에게 음원을 구분할 수 있는 능력에 대한 학습효과가 있을 거라는 가정을 가지고, 3차에 걸쳐 실험을 시행함. 각 차시마다 시행 횟수는 10회로 제한함.
- 1차 시행과 2차 시행 및 3차 시행 사이에 음원의 위치에 대한 정보를 체험자에게 알려줌으로써 학습 효과가 나타나게 함.
음원종류 테스트종류
시행
차수 박수소리 자동차
엔진음 목소리(남성) 좌/우 구분 성공률(%)
= 맞춘 횟수/시행횟수
1차 100 100 100
2차 100 100 100
3차 100 100 100
전/후 구분 성공율(%)
= 맞춘 횟수/시행횟수
1차 70 60 80
2차 80 70 90
3차 70 70 90
오류 유형
후방음원을 전방으로 인식하는
경우가 많음
전방음원을 후방으로 인식하는
경우가 많음 대체적으로 양호 오류 사례 분석 : 1차시에는 전방을 후방으로 인식하는 경우 가 많았음. 2차시에는 전방음원을 후방으로 인식하는 경우가 여전히 많았으나, 3차시에는 학습효과의 부작용으로 후방음원 조차 전방음이라고 진술하는 경우가 나타남.
거리구분 오차율(%)
= ( 실제거리-체감거리)/실제거리
1차 어려움(포기)구분하기 +60 +30
2차 어려움(포기)구분하기 +40 +20
3차 -40 +30 +20
오류 원인
매우 먼 거리에서 발생하는 것처럼 느껴지고 음량의 차이가 크지 않음.
가까운 거리에서 발생한 소리처럼 들림
대체적으로 다른 소리에 비해 양호 하나 전반적으로 가까운 곳에서 발 생한 소리로 인식
표 5. 바이노럴 음원의 입체감 테스트
라) 제작된 장치를 착용하고 물체의 위치를 찾아가는 실험
- 실험방법 : 체험자가 물체로부터 2~3 m 떨어진 거리에서 제자리에서 회전을 하여 방향감을 상실한 후에 장치에서 재생되는 소리를 듣고 물체의 위치를 추적하여, 물체를 찾을 때까지 이동함.
테스트
종류 1차 2차 3차 4차 5차
성공/
실패 성공 성공 실패 성공 성공
원인 - -
주변 벽면을
향해 돌진함
- -문제점 물체의 거리를 구분하기 매우 어려움 표 6. 장치 테스트
나. 시사점
1) 연구활동을 통해 얻은 학습 효과
가) 쌍이효과(binaural, 雙耳效果) 입체음향의 제작 원리
- 입체음향을 구현하는 머리전달함수의 구성 요소에 대한 이해 : 음색차, 좌우 위상차, 좌우 음량차
- 푸리에 변환의 개념을 이해하고, 이를 적용하여 여러 가지 소리의 음색차를 주파수 스펙트럼을 통해 해석함
나) 아두이노 보드 기반의 하드웨어 및 소프트웨어 제작 과정에 대한 체험 - 초음파 센서 6개, MP3플레이어 쉴드 등을 하나의 아두이노보드에 연결하여 유기적으로 작동시키도록 하는 과정을 통해 전자회로 제작과 구동 프로젝트 를 체험함.
- 위의 기기들을 구동시키기 위한 C언어 기반의 아두이노 스케치를 작성하고 컴파일링과 업로드의 과정을 통해 소프트웨어 제작을 체험함.
다) 팀별 세부 과제의 유기적 협력에 의한 프로젝트 진행 방법을 체험함.
- 연구 진행 과정상에서 기술된 바와 같음. (그림 20 참고.)
- STEAM의 하부 구성요소인 Science, Technology, Engineering, Art, Mathmatics의 모든 분야를 각 팀에서 부분적으로 체험하였고, 이것이 팀간 융합 활동을 통해 모든 구성원들에게 직・간접적으로 영향을 미침.
라) 사용자경험(UX) 중심 디자인에 입각한 장치 제작을 체험함.
- 시각장애우의 입장에서 사용편의성(벨트에 쉽게 탈착이 가능하게 만듦).
- 미적 요소와 상징성(노란색 : 시각장애인 안내견 표지)을 고려함.
2) 개선점
가) 입체음향의 품질 개선이 필요함.
- 거리감이 현저히 부족함.
- 불연속적인 음원을 통한 방식을 연속적인 음원을 만들어낼 수 있는 소프트웨어 차원에서의 알고리즘이 필요함.
나) 물체의 위치를 정확하게 찾기 위한 대안이 필요함.
- 키넥트와 같은 모션 인식 장치를 사용하는 것이 더욱 좋을 것으로 생각됨.
다) 직관적으로 구분하기 어려운 대상에 대해서는 음성 안내 방식으로 대체하는 것도 하나의 방법이 될 수 있음.
4. 홍보 및 사후 활용
가. 논문집 게재 : 창의과학재단의 요청이 있을 경우에 한함.
나. 후속연구 추진 : 입상 여부 및 차기 학생들의 요구에 따라 결정.
1) 머리전달함수 연구와 개발 를 이용한 전문적 알고리즘 개발 2) 스마트폰과 연동되는 장치 및 어플 개발
다. Team 융합 활동을 통한 STEAM 융합 교육
이번 연구의
팀 이름 입체음향팀 초음파센서팀 시뮬레이션팀
일반화 대응 모델
(예시)
Brain Racer Editor
일반화
대응 역할 과학이론
연구 책임 하드웨어 장치
제작 담당 소프트웨어
제작 담당
STEAM요소 S, M T, E, M E, A
표 7. Team 융합을 통한 STEAM 연구활동
5. 참고문헌
[1] http://www.ultracane.com
[2] ATAD: Assistive Technology for an Autonomous Displacement, Universidad Carlos III de Madrid, 2013 [3] Mechanisms of Sound Localization in Mammals, Physiological ReviewsPublished 1 July 2010Vol. 90no. 3,
983-1012
[4] 입체음향(3D 오디오) 기술과 원리, 한국방송공학회지, v.6 no.1, 2001년, pp.36-45
[5] HRTF 를 이용한 헤드폰 기반의 다채널 입체음향 생성, 전자공학회논문지 SP편 제42권 제1호, 2005.1, 71-77 (7 pages)
[6] Dummy head recording, Reproduced from Studio Sound, Vol. 17, pp 42-44 (May 1975), by permission of IPC Media(Ltd, publishers of Hi-Fi News)
6. 부록 – 학생 소감문
이기호 (초음파센서 조, 장치제작 총책임)
그간의 고생을 뒤로하고 이렇게 길고 짧았던 STEAM R&E 연구를 마치게 되어 굉장히 기쁩니다. 누구하나 뒤처지는 것 없이 서로 도와가며 이루어낸 결실이기에 더더욱 기억에 남아있습니다. 어느덧 12월이 맞이 하여 이 연구를 마치면서 벅찬 마음으로 그동안의 도전의 시간들을 짧은 글로 남겨 두기로 하였습니다.
지난 반년은 정말 저희 팀원들에게는 전혀 생각도 하지 못한 어려운 경험이었습니다. 처음 연구 주제를 선정하여 창의과학재단에 R&E 제안서 (계획서)를 제출할 때만 해도 아직은 미흡한 부분이 많았지만 이는 시간이 흐름에 따라 수많은 난관을 극복함에 따라 자연스레 메워져 갔습니다.
초반에 연구를 진행하는 도중에는 과학적인 지식을 조금 더 깊은 관점에 서 바라볼 필요가 있었습니다. 각 팀별로 첫째 초음파센서의 원리 및 구조, 둘째 소리의 다양한 변인에 따른 변화, 셋째 입체음향의 구현방법 및 관련 소프트웨어에 대한 사전 조사가 필요했습니다. 이 조사과정에서 는 관련 국내외 사이트을 탐색하고 또한 해당 분야의 논문을 직접 구해 팀원들과 함께 읽어 주요내용을 요약하면서 정보를 얻었으며 최대한 넓고 필요에 따라서는 자세한 과학적 지식도 수집하여 익혔습니다, 하드 웨어의 중추를 맡았던 아두이노보드와 입체음향구현에 도움을 주었던 머리전달함수, 푸리에 변환, 바이노럴 마이크 등을 알게 된 것이 이 과정의 산물이었습니다. 뿐만 아니라 저가 속해있던 초음파센서 팀의 경우 초음 파센서를 보다 잘 이해하기 위해 관련된 다양한 실험을 해보고, 음향분석 팀은 실제 소리의 속성을 알아보기 위한 실험을 진행하고, 시뮬레이션 팀은 음향연구 혹은 음원편집에 사용되는 소프트웨어를 탐색하는 등 다양한 실험과 탐구를 진행하여 연구주제와 관련된 정보를 직접 추론해 내는 작업도 병행하였고 이를 통해 모든 팀원이 정보탐색의 방법을 익히고 실험을 통한 결과 도출의 방법을 직접 체화할 수 있었습니다. 하지만 초반연구를 진행함에 있어서 실질적인 목표가 눈에 뚜렷하지 못해 동기부 여가 부족했던 점은 무시할 수 없었던 것이었습니다. 이런 상황 속에서는 저를 포함한 팀원들이 서로가 느슨해지는 것을 느끼면 때마다 다시 한 번 고삐를 당겨 연구에 박차를 가하곤 했습니다. 지금 생각해 보면 오히려 이 시기가 장기적인 관점에서 연구를 바라보았을 때 자칫 연구의 기틀이 흔들릴 수도 있었던 가장 아슬아슬했던 시간이었던 것 같습니다.
연구가 중반에 들어서면서 차츰 팀원들이 연구주제에 대한 자세한 고찰이 시작되기 시작하였습니다. 이에 따라서 연구와 직접적으로 관련이 있는 내용들을 다루기 시작하였습니다. 초음파센서 팀은 조사를 통해 알게 된 아두이노 보드와 이에 연결하는 초음파센서의 구동방법 및 세팅방 식을 익히고 음향분석 팀은 머리전달함수를 이해하고 음향스펙트럼 분석 과 바이노럴마이크를 통한 음향수집과 분석을 진행하였으며 시뮬레이션 팀은 향후 코딩의 기틀이 되는 c언어를 익히고 기본적인 알고리즘을 설계하였습니다. 또한 본격적인 연구가 시작됨에 따라 세 팀간의 교류도 강화되었습니다. 초음파센서 팀과 시뮬레이션 팀은 아두이노 보드에
관한 견해를 나누고, 시뮬레이션 팀은 음향구현 방법에 관해서 음향분석 팀과 토론하며 마지막으로 음향분석 팀과 초음파센서 팀은 센서의 영역과 음향배치의 효율성에 관해 이야기 했습니다. 한층 시간이 흐르면서 팀원 들도 점차 연구에 진지한 모습으로 임하기 시작했고 위와 같은 보다 구체적인 접근과 팀 간의 연계를 통해서 연구목표 달성의 방도를 그려나갔 습니다. 더불어 이 기간의 연구는 팀원들의 열정과 더불어 뒤에 이어질 연구의 고비를 넘게 해주는 보이지 않는 힘이 되었습니다.
연구가 무르익음에 따라 실제 제품과 시스템 설계에 총력을 기울였는데 이를 시작하면서 전 연구를 통틀어 가장 힘들었던 시간이 찾아왔습니다.
무엇보다도 기억에 남는 난관은 바로 초음파센서의 영역이 겹치는 부분의 알고리즘을 결정하는 과정에서 있었습니다. 원 궤도에서 시작해서 타원 궤도, 쌍곡선 궤도 등 여러 가지의 알고리즘을 순차적으로 구상 및 구체화함 에 있어서 제가 속해 있었던 초음파센서 팀도 여러 가지의 하드웨어(제품) 설계를 진행해야만 했습니다. 시뮬레이션 팀이 알고리즘을 전환하거나 구체화할 때 저희 팀 역시 이에 맞추어 적절한 설계를 다양한 실험 혹은 정밀한 구성을 진행해야 했고 이를 다시 입체음향 팀에 전달하는 과정 속에서도 실질적인 모델을 제공하기 위해 노력했습니다. 예를 들면 적절한 설계의 과정에서는 다중의 하드웨어(제품) 도안을 제작하여 실제 제품을 더욱 자세히 묘사할 수 있도록 하고 실질적인 모델 제공에 있어서는 실제 초음파 센서의 측정 범위를 적용한 실제 사이즈의 도안을 제공하여 음원 수집에 도움을 주었습니다. 많은 시간이 투자되는 작업이었을 뿐더러 요구되는 노력 역시 높은 수준이어서 초음파센서 팀원뿐만 아니라 전체 팀원이 함께 어려운 시간을 보낼 수밖에 없었습니다. 하지만 힘든 시간을 보낸 만큼 하드웨어는 점점 더 견고해지고 시스템은 정교해졌고 이윽고 연구는 막바지에 치달아 결국 제품을 완성하기에 이르렀습니다. 제품을 완성하여 작동시켜 시스템이 정상 가동되는 것을 확인하였을 때는 누구랄 것도 없이 팀원들이 서로 기뻐하고 환호하였습니다. 저 역시도 연구를 마무리 지은 시점에 와서도 전 연구를 통틀어 그 순간이 가장 행복했던 기억으로 남아 있습니다. 물론 수많은 납땜질과 배선정리, 알고리즘 교정 등의 제품의 보정과정을 거쳐 최종 모델을 완성하였습니다.
저는 이 연구를 진행하였던 동아리의 회장을 맡고 있었기에 보다 이번 연구를 마무리 짓는 감회가 남다릅니다. 알게 모르게 이번 연구동안 많은 고민을 하고 책임감을 느낄 수 밖에 없었고 이에 압도되어 창조적인 활동에 제한이 있었습니다. 하지만 팀원들의 도움으로 고민을 덜어낼 수 있었고 서로 책임을 나누어 가지면서 보다 수월하게 연구를 이끌어 갈 수 있었습니다. 이 값진 경험을 통해서 팀원에게 도움을 주고 때로는 과제를 부여하며 팀 전체를 이끌어 갈 수 있는 능력을 기르고 무엇보다 팀원과 함께하는 연구는 혼자 지고 가는 것이 아니라 함께하는 것이라는 깨달았습니다. 또한 한 명의 팀원으로써 팀과 어우러져 과제를 수행해 나가고 문제를 해결할 수 있는 역할을 익히면서 팀이 가지는 개인 그 이상의 힘을 느낄 수 있었습니다. 학업적인 면에서는 사용자의 편의와 장치의 효율성을 고려하여 제품을 설계하고 직접 제작하는 과정을 통해서
제가 미래에 하고자하는 공학자의 꿈을 보다 뚜렷하게 만들고 미리 공학적 인 연구를 경험함으로서 대학 이후 앞으로 있을 연구에 초석을 다듬을 수 있었습니다. 특히 제품설계과정 중 있었던 방대한 피드백과 교정 작업은 제가 하고자 하는 기계 및 항공 분야에서 필수적인 부분이기에 더욱 큰 도움이 되었습니다.
지난 카이스트에서 진행되었던 발표에는 남는 아쉬움이 많지만 팀원들 의 그간의 노력과 박성태 선생님의 적절한 지도로 연구가 방향성을 잃지 않고 꾸준히 활발하게 진행될 수 있었습니다. 선생님께도 깊게 감사드리 며 다시없을 이런 기회를 근본적으로 제공해 주신 과학창의재단에게도 감사드리고 꾸준히 열정을 잃지 않고 기쁨과 슬픔 온갖 고생을 함께한 저를 포함한 팀원들에게 무한한 고마움과 자랑스러움을 느낍니다.
이철우 (시뮬레이션 조, 소프트웨어제작 총책임)
나는 프로그래밍조의 조장을 맡아 프로그래밍전략을 세우고 팀원과 프로그래밍작업을 수행했다. 우리는 중학교 때처럼 단순히 교과서에 나오는 조건문을 입력하는 것이 아니라, 문제해결을 위해 직접 전략을 구상하여 초음파센서를 이용해 근처의 물체를 찾는 알고리즘을 만들어야 했다. 아두이노 관련 프로그래밍 언어와 아두이노보드와 연결되는 다양한 기기(mp3 player shield와 초음파센서)등은 생소한 요소여서 연구과정 속 우여곡절이 많았다. 하지만 이 과정에서 c언어, 특히 아두이노에 쓰였 던 언어에 대해 심도 있게 공부할 수 있었고, 프로그래밍을 통해 실용적으 로 프로그래밍이 이런 복잡한 기기들을 가동시킬 수 있다는 사실을 깨달으 며 프로그래밍 쪽에도 많은 관심이 생기게 되었다.
분업화 과정에서 내가 특히 프로그래밍을 맡았지만, 전반적인 입체음 향시스템의 이해과정에서 머리전달함수의 개념과 푸리에변환, 베버의 법칙 등 다양한 과학 개념들에 대해 알게 되었다. 특히 이러한 개념들을 습득하기 위해 친구들과 서초 국립도서관에서 다양한 논문들을 찾으며 우리에게 필요한 부분을 발췌했다. 이렇듯 주도적으로 논문을 통해 학습 을 하면서 우리는 우리에게 필요한 다양한 과학지식을 습득함과 동시에 대학원에서 논문을 쓸 때 서술하는 방식이나 연구원들이 입체음향을 다루는 과정 속 문제해결을 어떻게 했는지 심도 있게 탐구할 수 있었다.
과거 연구를 돌이켜보면(한성과학고 영재교육원), 한 조장이 3명 정도 의 팀원을 이끌며 연구를 진행했었는데, 팀원 3명의 책임이 분산되다보니 조장이 팀을 이끄는 역량이 매우 중요했다. 즉, 조장의 리더십 여하에 따라 연구결과의 차이가 매우 심했다. 물론 팀 전체가 유기적으로 연구가 돌아가기 위해 조장 아래 멤버들이 자신의 역할에 충실하고, 그 역할수행 을 위해 꾸준히 정진하여 팀이 유기적으로 돌아갈 수 있도록 기여하는 조직 속 멤버의 리더십도 매우 중요한 요소이다. 즉, 조장이든 멤버든 팀 연구에선 각자 맡은 바를 충실히 하여 최대한의 리더십을 발휘해야 한다. 이런 측면에서, 이번 연구에 배운 분업화(단순히 역할분담 뿐만 아니라, 주제 자체를 세분화시키는 분업화)라는 새로운 연구방법은 팀원 모두가 리더십을 갖고 모두 참여하도록 고취시키기에 매우 좋은 방법이라 고 생각한다. 사실 조장을 맡기에 나는 꽤나 게으른 편이다. 하지만, 초음파센서팀이 연구진행이 빠르게 진행됨에 따라, 초음파센서팀의 차후 연구가 진행되기 위해선 우리 시뮬레이션조가 더욱 빠르게 연구를 진행해 야만 했고, 그로인해 조장으로써 나는 더 많은 리더십을 발휘할 수 있었다.
마찬가지로 각각의 조장은 나와 비슷하게 더욱 리더십을 발휘했고, 이로 인해 분업화된 3개의 조가 서로 탄력적으로 자극을 받으며 연구가 효율적 으로 진행될 수 있었다. 또한 팀 간 인원을 효율적으로 배합함으로써 조직 속 멤버가 발휘할 리더십의 필요성 또한 더욱 가중되었다. 즉, 이런 매우 효율적인 연구방법으로 인해 멤버와 조장 모두다 리더십의 책임감을 배가시킴으로써, 더욱 팀 전체를 유기적이고 조직적인 연구수행을 하도록 이끌어 훌륭한 결과물을 도출시킬 수 있었다. 누구보다 팀워크와 리더십 을 잘 발휘한 우리 팀원들은 차후 대학교에서 팀 연구를 할 때 더 나은 리더십을 발휘할 수 있을 것 같다.
이런 간단한 기구를 만드는데도 하드웨어 제작에서 제품의 착용감과 편리성을 고려한 디자인을 만들어야 했고, 오류가 없이 프로그램을 코딩 해야 했고, 음원의 정밀성을 위해 다양한 음원수집과정과 편집과정이 필요했고, 팀 전체가 유기적으로 돌아갈 수 있는 리더십이 필요했다.
요즘 인재상에 걸맞은 융합형 인재가 왜 필요한지, 이번 연구만 봐도 단편적으로 알 수 있었다.
이렇듯, 이번 연구는 나 자신에게 많은 영향을 끼쳤다. 나 자신이 연구 쪽에 흥미가 많다는 사실도 알게 되었고, 융합적 공부의 필요성도 알게 되었다. 융합적 공부의 필요성을 깨닫고 나선 입맛에 맞춰 공부하는 습관도 버리고 나 자신이 융합적인재가 되기 위해 노력하고 있다. 이는 내 미래의 진로도 더욱 구체화시키는 계기가 되었는데, 원래 갖고 있던 의사라는 꿈이 공학적 요소와 의학적 요소를 융합시킨 의공학을 전공하여 몸이 불편한사람을 위해 다양한 스마트폰앱이나 보조기구를 만드는 의공
학연구원으로 구체화 될 수 있었다.
마지막으로 이렇게 많은 것을 느낄 수 있었던 R&E연구 활동을 할 수 있도록, 저희를 훌륭하게 이끌어주신 박성태 선생님 정말 감사드리고, 힘든 연구 끝까지 참고 함께해준 동료들에게 감사의 말을 전하며 소감을 마치겠다.
김선호 (입체음향 조, 바이노럴 사운드 제작 총책임)
지난 5월 우리 동아리에서 지원한 R&E계획서가 선정되어 R&E를 하게 되었다. 8명의 동아리원을 3개의 조로 나누어 팀을 구성하고 서로 분업을 해서 과제연구를 진행했다. 나는 그중 음향분석조의 조장을 맡았 다. 우리 조는 음향 스펙트럼을 분석해서 입체음향의 특징을 조사하고 머리전달함수를 알아내서 입체음향을 구현하는 것을 담당으로 했다.
그러나 머리전달함수를 우리수준에서 도저히 알아내기가 힘들어서 결국 바이노럴 마이크로 녹음한 입체음향을 음원으로 사용했다. 하지만 머리전 달함수를 찾아내려고 노력했던 과정에서 많은 것들을 알게 되었다. 우리 가 소리의 입체감을 느끼는 것은 귓바퀴, 머리의 구조에 의한 영향으로 양쪽 귀에 들어가는 소리의 음색 차이가 발생한다는 것 때문이라는 것과, 양쪽 귀까지의 거리 차에 의한 소리의 크기의 변화 때문이라는 것을 자세하게 알게 되었다. 그 중 소리가 장애물을 회절해서 지나가면 파장에 의한 회절의 정도가 다른 여러 진동수가 섞인 소리의 진동수 분포가 변화되어 음색이 변화 된다는 사실을 알아냈을 때 가장 성취감이 컸다.
학교 수업시간에 배운 내용을 바탕으로 새로운 내용을 스스로 발견해 냈기 때문이다.
이번 과제연구에서 여러 가지를 깨달았다. 첫 번째는 ‘시작이 반이다’라 는 속담처럼 일단 시작하고 나면 내가 무엇을 해야 할지, 어떤 점을 고쳐야 하는지가 보인다는 것 이다. 여태까지 나는 어려운 일을 만나면 바로 그 일을 시작하지 않고 생각만 하다가 시간이 지나가서 성급하게 일을 끝낸 적이 많다. 하지만 앞으로는 무엇보다 시작이 중요하며 일단 시작하면 아무리 어려운 일이라도 해결할 방법을 찾을 수 있다는 것을 알게 되었다. 두 번째는 팀을 짜서 활동을 할 때는 팀원들을 믿어야 한다는 것이다. 이것은 당연한 말 이지만 처음에 나는 우리 팀을 잘 믿지 못했다. 그래서 처음엔 혼자 생각하고 팀원들에게 일을 쉽게 맡기지 못 했는데, 과제연구를 하다 보니 팀원들과의 호흡이 정말 중요하다는 것을 알게 되었다. 바이노럴 음원을 녹음할 때 팀원과 호흡이 맞지 않아 녹음을 잘못 한 적이 있다. 그날 날씨는 매우 추웠지만 녹음을 잘못 했기 때문에 녹음을 처음부터 다시 할 수 밖에 없었다. 이처럼 팀원과의 호흡이 맞지 않으면 일이 원활하게 진행되지 않는다는 것을 깨달았다.
또한 팀원들을 믿고 의견을 자유롭게 공유하면 나 혼자 생각을 할 때보다 훨씬 좋은 결과가 나올 수 있다는 것도 알게 되었다.
앞으로 1년이 지나면 공대에 진학을 희망하는 나도 공대생이 될 텐데, 이번 과제연구를 통해 공학을 직접 접하면서 많은 것을 배웠다. 특히 수학, 물리만 잘하면 훌륭한 공대생이 될 수 있을 것이란 나의 생각은 완전히 바뀌었다. 여러 분야가 접목되는 공학은 팀워크가 정말 중요하며, 나 혼자 잘하는 것이 아닌 팀 속에 잘 융화되는 것이 정말 중요하다는 것을 느꼈다. 그리고 상황파악 능력, 순간순간의 센스, 앞으로의 상황을 예측할 수 있는 거시적 관점을 가지는 것 또한 중요하다는 것을 알게 되었다.
이번 과제연구를 하면서 공부 할 시간, 놀고 쉴 시간을 꽤 많이 빼앗겼다.
하지만 정해진 목표를 위해 자신의 소중한 시간을 아낌없이 바친 우리 동아리가 대단한 것 같고 고맙다. 그리고 동아리원들과 친해져서 기쁘다.
사실 우리를 보면서 제일 답답하셨을 분은 바로 우리의 담당 선생님이신 박성태 선생님이실 것이다. 우리가 일을 제대로 못하고 있을 때 선생님께 서 알아서 해주시면 과제연구가 매우 수월했겠지만, 선생님은 우리를 혼내셨으며 인내를 가지고 우리가 직접 하도록 도와주시고 격려해 주셨 다. 이렇게 번거로움에도 우리를 위해 수고해 주신 박성태 선생님께 정말 감사하다.
이상헌 (시뮬레이션 조, 프로그래밍)
맨 처음 우리 동아리에서 ‘초음파감지기와 음향증강현실 시스템을 이용한 시각장애 보조기구개발 연구‘라는 주제로 연구를 진행할 때, 더 효율적으로 연구를 진행하기 위해 세 개의 조로 나눴는데, 그중 저는
’시뮬레이션 조‘에 들어가서 연구를 진행하였습니다.
연구진행 초기에는 무엇을 해야 할지 정확하게 몰라서 ‘CUBASE'라는 프로그램을 이용하여 입체음향 분석부터 해나갔습니다. 또한 이 입체음향 관련된 깊은 지식을 얻기 위하여 국립중앙도서관에 찾아가서 머리전달 함수, 베버의 법칙 등 다양한 과학 상식들을 논문을 통해 서로 공부도 해 나갔습니다.
그래도 어떻게 하면 연구 성과를 잘 낼 수 있는지 고민 끝에 ’아두이노‘라 는 보드가 모든 조의 연구 상태를 한 단계씩 업그레이드를 시킬 수 있었고 비로소 STEAM R&E의 STEAM(Science, Technology, Engineering, Art, Mathematics)에 딱 걸 맞는 연구를 할 수 있게 되었습니다.
우선, 초음파 센서를 이용해 근처의 물체를 찾는 알고리즘을 만들고, 이 아두이노 보드에 알맞은 프로그래밍을 하기로 하였습니다. 아두이노 관련 프로그래밍 언어는 흔히 알고 있던 C언어와는 조금 달라서 연구과정 속에서 우여곡절이 많이 있었습니다. 그리고 초음파 센서의 범위들을 겹쳐야 하는지 말아야 하는지 등의 문제가 바로 프로그래밍과 연결되기 때문에 또한 우여곡절이 있었습니다. 하지만, 조장인 철우와 함께 프로그 래밍을 하고, 다른 조원들끼리도 상의 하며 문제점을 해결해 나갔던 것을 통해 아두이노에 쓰였던 프로그래밍 언어나 C언어를 더욱 깊이 공부할 수 있었던 것에 정말 좋았고, ‘팀워크’에 대해서도 많은 공부가 되는 계기가 되었습니다.
연구를 하면서 리더십과 팀워크가 굉장히 중요하다는 것도 깨닫게 되었습니다. 초음파 센서조의 조장이면서 우리 동아리 전체 회장을 맡고 있는 기호는 가끔 실수도 있었지만 우리들을 잘 이끌어 주었던 고마운 존재였습니다. 또한 초음파 센서 조에서 하드웨어 제작 도안을 만들어 내고, 음향 분석 조에서 음원을 만들어내고, 시뮬레이션 조에서 앞선 두 조의 것들을 받아들여 프로그래밍을 하기까지 우리가 했던 연구는 우리 조에서 뿐만 아니라 다른 조원들과의 팀워크가 잘 이루어져야지만 연구가 이루어질 수 있고, 또한 연구 성과가 빛을 발할 수 있는 구조였기에 모두 열심히 상호협력하며 팀워크를 이루어 낸 것이 정말 좋았다고 생각합 니다.
이 연구는 미래 진로를 컴퓨터 프로그래밍이나 소프트웨어 제작 관련으 로 생각하고 있는 저에게 아두이노 보드에 들어갈 프로그래밍을 하면서 했던 공부들을 나중에 잘 사용할 수 있을 것 같고, 이렇게 조를 나누어 연구하면서 상호협력하며 이루어낸 팀워크들이 훗날 대학에서 할 연구에 서도 빛을 발할 것 같아 누구보다도 좋은 스펙이 될 것 같습니다.
우리 동아리(SAPA) 김선호,이기원,이기호,이철우,박성윤,신승환,장 상운 모두 약 1년동안 연구하느라 정말 고생 많았고, 특히 누구보다도 고생하신 담당 교사 박성태 선생님께 정말 감사드립니다.
장상운 (초음파센서 조, 장치 디자이너)
나는 이번 R&E에서 제품 디자인을 책임 맡아 UX적 관점에서 제품을 설계 및 디자인하고 이를 직접 제작하는 역할을 맡았다. 제품을 설계하기 전, 나는 사용자가 어떻게 하면 편하게 제품을 사용할 수 있을지, 어떻게 하면 제품의 성능을 효율적으로 발휘할 수 있을지 등에 대해 팀원들과 많은 회의를 하였고, 직접 초음파 센서의 범위를 도면에 그려 사용자가 사용하기에 최적화된 각 센서간 거리와 각도를 알아보았다. 그리고 이를 통해 센서와 센서 사이의 거리는 약 6cm, 각도는 20도 정도가 가장 적합하다는 것을 알아낸 후 디자인을 결정하고 도안을 제작했다. 완성된 도안에 따라 제품을 직접 만들기 시작하였고 제품 완성 후 외관상 문제, 기능상 문제 등을 알아보며 보정작업을 거친 후 최종적으로 제품을 완성하 였다.
연구를 진행하는 과정 중에서 힘들었던 점은 우선 팀원들과의 의견충돌 이었다. 제품의 디자인, 치수부터 아주 사소한 문제까지 팀원들과 의견이 맞지 않을 때가 많았고 한 가지 문제 때문에 몇 시간동안 의견을 나눈 적도 있었다. 하지만 제품을 완성한 다음 생각해보니 서로가 의견을 제시하고, 자신의 의견과 다른 의견을 서로 토론해가며 보충, 보완하는 과정이 있었기 때문에 비로소 지금의 결과가 있을 수 있었던 거란 생각이 들었다. 그리고 이 과정에서 팀원들과 호흡을 맞추며 협동심, 서로 상호보 완적으로 연구해나가는 방법 등을 배울 수 있었고 앞으로 대학에 가서 연구를 할 때, 또는 회사에서 동료들과 회의를 할 때 주도적으로 참여하고 리더십 있게 의견을 조율할 수 있겠다는 자신감을 얻었다.
그 다음으로 연구과정에서 힘들었던 점은 과학적·공학적 소양의 부족 이었다. 고등학교 1학년부터 동아리에서 물리1을 공부했었고, 지금도 물리를 공부하고 있지만, 연구에 배웠던 이론을 그대로 적용하기란 쉽지 않았다. 우리가 연구했던 과학 분야는 주로 파동에 관한 것이었는데, 소리의 굴절, 회절, 공명 등 기본적인 개념들을 완벽히 숙지해야했고 베버의 법칙, 머리전달함수 등 기존에는 몰랐던 새로운 이론들을 접하기 도 했다. 또한 우리의 연구 주제는 공학적 소양이 특히 요구됐는데 대표적 인 것이 아두이노보드다. 작은 컴퓨터라 할 수 있는 아두이노보드는 전후방 물체를 감지하고 이를 입체음향으로 들려주는 우리 연구주제에 가장 잘 부합하는 장치였는데, 이를 활용하기 위해서는 우리가 직접 프로그래밍을 해야 했다. 이 과정에서 여러 복잡한 프로그램 언어와 잦은 오류로 인해 우리 뜻대로 되지 않아 좌절도 많이 했었지만 선생님의
도움을 받고, 팀원들과 프로그래밍에 대해 공부하고, 그리고 서로 협력해 문제가 발생한 원인을 찾아 이를 해결하며 포기하지 않고 문제를 해결해 나가는 자세와 방법을 배울 수 있었다. 결과적으로 이 모든 과정이 고등학 교에서는 경험하기 힘든 과학적·공학적 소양을 기를 수 있는 좋은 기회가 됐었던 것 같다.
연구를 막 시작했을 때에 나는 무엇을 먼저해야할지 몰랐고 그저 남들이 먼저 해주길 기다렸었다. 내가 하는 연구에 대한 이해도도 부족했었고 무엇인가를 해보려는 의지 또한 없어서 그저 팀원들이 하는 대로 따라가기 만 했었다. 하지만 연구를 점점 진행해 가며 연구주제에 대하여 확실히 이해하게 되고 팀원들과 호흡을 맞춰가면서 연구에 대한 욕심도 생겼고, 내 스스로 무엇을 해야 할지 알았기에 주도적으로 연구를 진행할 수 있게 되었다. 그리고 다음에 또 이런 기회가 생긴다면 이번 연구를 통하여 배운 점들을 토대로 더욱 더 잘할 수 있을 거란 생각이 든다. 끝으로 지금까지 팀을 잘 챙겨주시고 우리를 위해 쓴 소리를 아끼지 않으신 담당선생님과, 서로 도와가며 함께 연구를 진행한 동료들에게 감사의 말을 전하며 소감문을 마친다.
박성윤 (입체음향 조, 바이노럴 사운드 제작 및 관리)
저는 음향분석조에서 바이노럴 마이크를 이용하여 음원을 수집하고 조원들을 보조해주는 역할을 하였습니다. 이 과제 연구를 하면서 음원을 수집하는데 비행기소리나 새 소리 때문에 수집하기 힘든 것과 같은 문제들 도 있었지만 음원을 편집하여 해결해가면서 마지막 결과물이 잘 되는 것을 보고 정말 신기하고 뿌듯하기도 했습니다. 연구를 하면서 보지도 못했던 바이노럴 마이크나 아두이노 보드처럼 다양한 장치들과 베버의 법칙과 같은 과학개념을 보고 배우면서 새롭기도 하고 어려움도 많이 느꼈습니다. 게다가 학생들이 과연 시각장애인을 도와드리는 기구를 만드는 것이 가능할까 의심도 했는데 점점 완성되는 작품을 보면서 완벽하 지는 않더라도 마치 우리들이 발명을 하는 것 같아 자랑스럽기도 했고 처음 해보는 팀 연구인데다가 저의 성격이 소심한 탓에 적극적으로 참여도 못하고 팀원들을 잘 도와주지도 못해서 엄청 미안한 마음과 어쩔 줄 몰라 했지만 팀원들과 담당선생님이 제가 모르는 것을 가르쳐 주고 잘 이끌어 주어서 매우 감사했습니다. 앞으로 이런 팀 활동을 한다면 지금보 다 조금 더 적극적으로 하고 싶고 팀원들을 많이 도와주고 싶습니다.
신승환 (입체음향 조, 바이노럴 사운드 제작 기획)
이번 R&E연구에서 저는 세 조 중에 음향 분석 및 시뮬레이션조에 배정되 입체음향을 구현해 내는 역할을 맡게 되었습니다. 저희 조에서 한 일은 입체음향을 어떻게 만들 것인가? 고민하는 것이었는데 처음에는 머리전달함수를 이해하여 그것을 이용하여 식을 하나 만들어 위치를 그곳에 대입해 3차원적인 입체음향을 만들어 내기로 하였지만 저희 수준 에서는 아직 힘들어 바이노럴 마이크를 이용하여 특정 위치에서의 음원을 발생시켜 녹음을 한 다음 그 녹음된 입체음향을 사용하기로 하였습니다.
그래서 초음파 센서조가 준 좌표값에서 바이노럴 마이크를 이용해 입체음 향을 녹음하였습니다. 또한 바이노럴 마이크에 쓰는 음원을 결정할 때 진동수가 고를수록 듣기 좋은 소리라는 것을 알고 음원을 선택하였고 음원이 머리라는 장애물 때문에 회절이되 진동수 변화가 있을 것이라 생각하고 실험도 해보았습니다.
이번 R&E연구를 하면서 연구에 관한 많은 과학 개념을 알게 되었습니 다. 저는 입체음향을 어떻게 만들어야 될지 잘 몰랐었는데 연구를 진행하 면서 들려오는 소리는 위상차, 음색차, 음향차, 잔향, 회절, 귓바퀴등 여러가지 요인을 통해 들려진다는 것을 알았고 그것을 함수로 만든 것이 머리전달함수라는 것을 알았습니다. 인터넷에는 머리전달함수에 관해 자세히 나와 있는 것이 없어 주말에 국립중앙도서간에 가 머리전달함수에 관해 찾아보고 입체음향에 관한 논문들을 찾아보며 입체음향에 과한 과학적 이론들을 접하고 알게 되었습니다. 거기에 베버의 법칙 관한게 있었는데 청각은 7배 이상의 자극을 받아야 차이를 인식할 수 있다는 것을 알아 가까운 곳은 소리의 차가 큼으로 비교적 간격을 짧게 먼 곳은 소리의 차가 작음으로 비교적 간격을 넓혀 음원을 수집해야 된다는 것을 알았습니다.
제가 이번 연구를 하며 느낀 것은 연구를 할 때 머리로 생각해낸 것과 그것을 실천 할 때는 다르다는 것과 서로 간에 협동이 중요하다는 것이었 습니다. 저희가 음원을 녹음할 때 생각한 것은 그냥 정해진 좌표에서 바이노럴 마이크로 녹음하면 된다고 생각하였는데 실제로 녹음하니 잡음 도 많고 잔향 때문에 구별도 안되고 이정도 차이면 거리 차이가 느껴지겠 지 했던 부분도 차이를 잘 모르겠는 부분도 많았습니다. 실험을 해가며 실험을 직접 시행하는 것과 생각만 하는 것은 완전히 다르다는 것을 확실히 느꼈습니다. 그리고 저희는 특히 서로간에 협동 활동이 중요했는
