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< 고찰 > - 문제발생과 해결
1 문제발생과 해결
1. 1 카메라의 영상 인식 범위 및 빔 프로젝트의 영사거리를 고려한 스크린의 확장
카메라의 영상 인식 범위의 한계와 빔 프로젝트의 영사거리의 제한 요소 때문에 스크린의 확장이 어렵다. 간단한 해결방안으로는 프레임을 테이블 형식이 아닌 스텐드 형식으로 하여 스크린을 세워서 배치하고 뒤에서 프로젝터를 영사하여 주고 카메라로 영상을 받는 것인데. 과제의 목표가 테이블식 멀티 터치 스크린이므로 프레임 안에서 최적의 성능을 내는 카메라 및 프로젝트를 테스트하여 선정한 후 이 제한조건에 맞추어 스크린 사이즈를 결정하였다. 800*600mm

1. 2 적외선 센서의 휘도 향상
적외선 센서의 휘도는 멀티 터치 스크린의 감도와 직결되어 있다. 휘도가 약할 경우 확연한 난반사가 일어나지 않기 때문에 영상처리 하기가 어렵고 즉 정확한 터치 점을 찾는데 어려움이 있다. 펄스 구동과 전류 증폭 적외선 센서의 추가를 통하여 해결하였다. 적외선 센서는 제조사별로 모델별로 휘도 및 각도가 천차 만별이므로 다양한 센서의 데이터 시트를 참조하고 선택하는 것이 중요하다.

1. 3 아크릴판과 손가락 접촉면 사이의 미세공기를 통한 난반사 방해
적외선의 확연한 난반사가 이루어지기 위해서는 매질차이가 없어져야 한다. 즉 아크릴판과 손가락이 정확히 접촉하여야 한다. 하지만 손가락과 아크릴 사이에는 미세공기층이 포함되게 되는데 이 공기 층으로 인하여 매질차가 생기고 난반사가 잘 일어나지 않는다 이를 해결하기 위해 바커사의 ELATOSIL M4641 렌즈 코팅용 실리콘을 사용하여 보았으나 결과가 좋지 않았다. 본 모델을 선택한 이유는 적당한 강도와 외부 요인에 대한 내성 적절한 점성, 투명도 등이 있었는데 1mm이하의 두께로 코팅 해보았으나 큰 효과를 보지 못했다. 비휘발성 오일로 아크릴 표면을 닦아 주게 되면 약간의 기름코팅층이 생겨 이를 제거 할 수 있다. 하지만 원천적인 해결 방안이 되지는 못하므로 앞으로 연계시 해결해야 할 문제점 중의 하나라 할 수 있겠다.

<Webcam>
일반적인 웹캠의 경우 적외선을 차단하는 적외선 차단 필터가 내장되어 있다. 본 프로젝트에서 요구하는 것은 가시광선을 차단하고 적외선을 통과시켜 줘야 함으로, 웹캠을 분해하여 적외선 차단 필터를 제거하고 가시광선 차단 필터를 삽입시켜 사용하도록 한다.
IR Filter를 제거하기 용이한 웹캠으로 저가형 Sweex WC001모델이 있으며 중고가형으로 Philips SPC900NC모델이 있다. 테스트를 통하여 최적의 웹캠을 사용한다.
   [ Sweex WC001 ]        [ SAMSUNG Alpha-cam ]
테스트 결과 카메라 별로 해상도와 상관없이 입력 받는 영상의 범위가 다른데 Sweex WC001은 그 범위가 상담히 좁다. 그래서 삼성의 Alpha-cam을 사용하였다.

<IR Sensor>

멀티 터치 스크린을 위한 IR Sensor 선정시 고려해야 할 점으로 휘도 및 적외선 파장이다. 대부분의 적외선 센서가 850nm~940nm의 적외선 파장을 가지고 있는데 후에 적외선 필터의 차단 주파수와 관련하여서 필터 되어지지 않도록 적당한 센서를 선정해야 한다. 휘도는 멀티터치 스크린의 감도를 결정짓는 중요한 사항이므로 휘도는 최대한 센것을 선택하여야 한다 초기 프로젝트의 IR Sensor로 2가지의 모델을 선택하였다. Vishay사의 TSAL6200과 AUK Semiconductor사의 SI-5315. 각각 특성은 Vishay사의 TSAL6200같은 경우 210mW/sr의 휘도와 +/-17도의 각도, 940nm의 적외선 파장의 특징을 보이고 있으며 국내에서 쉽게 구할 수 있는 AUK Semiconductor사의 SI-5315는 145mW/sr의 휘도와 +/-20도의 각도, 950nm의 적외선 파장의 특징을 보이고 있다. 스크린의 가로 사이즈가 800mm인데 1.5cm마다 적외선 센서를 하나씩 배치하여 사각지대가 발생하지 않고 정확한 포인트를 추출할 수 있도록 110개 정도의 IR Sensor를 사용하였다. 처음에는 한쪽면에서만 IR_Sensor를 투사하였으나 거리가 길어짐에 휘도가 약해짐을 고려하여 양쪽 가로면에서 IR_Sensor를 투사하였다.

< Power 및 IR_Sensor회로 >
IR Sensor의 전원 공급으로 컴퓨터의 12V Power Supply를 사용하려 계획하였다. 12V의 Power Supply에 적절한 저항을 연결한 회로를 구성하여 개별적인 IR Sensor 적당한 전류와 전압이 바이어스 되도록 한다.
테스트 결과 감도가 둔하여 펄스 구동을 하기로 결정하였다.
 IR Sensor는 흐르는 전류에 따라서 IR Sensor의 휘도가 바뀌게 되는데 지속적으로 흐르는 허용 전류는 낮은 반면 짧은 시간 동안 주기적으로 On/Off 시켜주는 Pulse구동의 경우 허용 전류가 10배정도 높다. 허용전류를 초과하면 IR_Sensor는 파손되므로 주의하여야 한다.
 Pulse구동을 하기 위하여 DSP2808을 사용하였다. Atmega 128이나 로직을 통하여 구현하여도 무관하나 손에 익숙한 DSP를 사용하였다. DSP를 이용하여 Pulse구동하여 주고 ULN2803 Darlington Array IC를 사용하여 흐를 수 있는 전류를 증폭하여 주었다.
 테스트 결과 상당한 감도 향상을 얻을 수 있었다. 19V전원을 사용하였고 110개의 IR 센서 구동에 1A정도의 전류가 사용되었다.

[Pulse 구동 소스코드] - 간단하게 타이머 인터럽트를 사용하여 구현하였다.
타이머 인터럽트 주기는 20Us이며 20Us의 온타임에 180Us의 오프타임을 주어 1:9의 Pulse 구동을 하였다. 기타 레지스터 설정을 제외한 센서 인터럽트 소스 코드는 다음과 같다.

< Screen >
아크릴은 전반사를 잘 일으키는 매질 중에 하나이다 이러한 아크릴은 두께가 최소 8mm이상에서 전반사를 잘 일으키게 된다. 본 프로젝트를 위해서 800*600*10mm의 아크릴 판을 사용하여 Screen을 제작하도록 계획하였다. 스크린의 비율은 4:3비율이다. 여기서 스크린의 사이즈는 빔프로젝터를 통하여 Diffuser에 영상을 맺히게 할 때 사이즈의 크기가 클 수록 그 영사 거리도 길어지므로 적절하게 선택하여야 한다.

< Diffuser >
아크릴로 제작된 스크린의 표면에 프로젝터의 영상을 맺게 하기 위해 아크릴 판 아래에 기름종이나 후면영사용 스크린을 사용하여 구현할 수 있다. 이 Diffuser는 화면의 해상도 및 선명도에 영향을 많이 주게 되며 난반사되어 지는 적외선에도 영향을 주게 된다. Rosco Gray사의 후면영사용 스크린의 경우 상용제품 답게 선명한 화면을 보여주지만 1M*1M 사이즈에 20만원 초반의 가격대를 가지고 있으므로 기름종이로 대체하였다. 기름종이의 두께가 두꺼울 수록 난반사 되어지는 빛이 산란되어 지므로 적당한 두께의 기름종이를 사용하여야 한다.

전반사란 빛이 광학적으로 밀한 매질(굴절률이 큰 물질)에서 소한 매질(굴절률이 작은 물질)로 입사할 때, 입사각이 특정 각도 이상이면 그 경계 면에서 빛이 전부 반사되어 버리고 굴절광선은 존재하지 않게 되는데 이것을 전반사라 한다.

 본 프로젝트에서 사용될 아크릴 판과 공기와의 굴절율의 차이를 이용하여 멀티 터치 스크린을 구현한다. 아크릴 판의 측면으로부터 투사된 적외선 LED의 빛은 아크릴 판의 내부를 따라 아크릴 표면에서 전반사를 이루게 된다. 이때 외부에서 아크릴 판 위로 접촉이 일어나게 되면 그 부분에서 빛이 산란하면 전반사 장애 즉 난 반사가 일어나게 된다. 멀티 터치 스크린 하드웨어 구조를 그림으로 보면 다음과 같다.

아크릴로 투사된 적외선 LED의 빛이 아크릴 판 안에서 전반사 되어지고, 손가락과의 접촉면에서 난 반사가 발생하는데 난반사 되어 아크릴판(스크린) 아래쪽으로 반사된 적외선은 적외선 카메라를 통하여 인식되고, 이를 영상처리 하여 난반사 된곳의 좌표와 이동 벡터를 파악하여 이를 이용하여 컨텐츠를 조작할 수 있다.

  Frustrated Total Internal Reflection 전반사 효과를 이용한 적외선 감지로 멀티 터치 스크린을
구현하여 그에 따른 컨텐츠를 보여주는 동영상이다. 마이크로 소프트의 Surface를 비롯하여 최근
멀티 터치 스크린을 통한 정말 다양한고 신기하고 마이너리티 리포트를 연상케 하는 장면이 현실로
다가 오고 있다. 기술력도 대단하고 이를 개발하기 위한 개발자의 노력에 박수를 보내고 싶다.

 
 구글에서 멀티 터치스크린에 대한 자료를 발견~ 공부중임...