모바일 기기에서의 인지 기반 진동 렌더링

Abstract

최근 휴대폰, PDA, 휴대용게임기 등과 같은 개인모바일기기의 보급으로 인해 우리의 생활에 많은 변화가 일고 있다. 개인모바일기기는 통신기능의 향상, 다양한 어플리케이션 탑재, 또한 이동성의 극대화와 같은 기술혁신을 통해 끊임없이 우리 생활을 윤택하게 한다. 이러한 모바일기기의 진보된 기술 중 유저인터랙션(UI) 측면에서 최근에 진동렌더링이 각광을 받고 있다. 그러나, 모바일 기기에서의 수많은 진동 응용 기술에 비하면 모바일 기기를 사용하는 인간의 진동 인지능력에 대한 체계적인 연구는 거의 없는 실정이다. 본 연구에서는 진동 인지 능력에 대한 인지심리학적 데이터를 제공함과 동시에 인간의 인지적 특성을 고려한 진동 렌더링 방법을 통해 효과적으로 진동 메세지를 전달하는 데 그 초점이 있다.이를 위하여 첫 번째로, 모바일기기에서 사용하는 대표적인 진동자(진동모터와 보이스코일)의 진동생성원리 및 물리적/인지적 특성을 조사하고, 물리적 한계 안에서 진동피드백의 효과를 최대화 할 수 있는 진동자 컨트롤 방법을 모색하였다. 두 번째, 넓은 범위의 주파수와 진폭의 조합을 통해 생성된 진동들의 인지적 강도를 정신물리학적 실험을 통해 측정하고, 이를 가지고 Stevens' power law를 기반으로 하는 비선형 함수로 회귀분석하여 모바일기기를 사용할 때의 진동지각모델을 구축하였다. 이러한 진동지각모델은 다른 진동자의 인지적 특성을 정신물리학적 실험 없이도 쉽게 예측하기 위해서 사용 가능하다. 이와같은 진동지각모델을 앞서 구한 두 진동자의 인지적 특성과 비교함으로써 인지 강도 예측을 위한 모델로서의 적용성을 검증하였다. 세 번째, 인간의 진동지각 및 진동자의 물리적 특성을 기반으로 이로 인한 진동 전달의 왜곡을 최소화하는 인지적으로 명료한 진동 렌더링 방법 “Perceptually transparent vibration rendering (PTR)”을 제안하였고, 이 렌더링 방법의 효과 및 유용성을 실험을 통해 검증하였다. PTR을 사용할 때에는 진동의 강도레벨을 5--6단계로 나누어도 사용자들이 서로 다른 강도를 가지는 진동을 구분할 수 있었지만, PTR을 사용하지 않을 때에는 3--4단계로 나누어도 구분하기 어려워 하였다. 또한, 모바일 기기에서 실사용을 위한 진동 멜로디 간의 구분 정확도가 PTR을 통해 렌더링하였을때 향상됨을 실험을 통해 보였다. 마지막으로, 초보자도 손쉽고 빠르게 진동패턴을 디자인하기 위한 진동 저작 도구를 개발하였다. 개발된 진동 저작 도구는 앞서 제안한 인지모델을 기반으로 하는 진동 렌더링 방법을 기본적으로 적용한다.모바일 기기에서의 진동을 통한 인터랙션 방법에 대한 관심이 끊임없이 이어지고 있다. 본 연구에서는 인간의 진동 인지 모델을 탐구하고, 이를 기반으로 하는 진동렌더링 방법을 제안하고 이의 유용성을 검증하며, 초보자도 손쉽게 진동을 디자인할 수 있는 진동 저작 도구를 개발하였다. 따라서, 본 연구는 모바일기기에서의 진동피드백에 대한 관심이 높아져가는 이 시점에 진동 디자인 및 생성, 인지를 위한 효과적인 방법을 제시하는데 그 의의가 있다.

Personal mobile devices, such as the cellular phone, PDA (Personal Digital Assistant), and portable gaming device, are one of the recent technical advances that have dramatically impacted our daily life. One of the most interesting advances for user interaction with mobile devices is vibrotactile rendering for information delivery through the haptic sensation channel. Despite its popularity, relevant perceptual data have been relatively scarce. In this thesis, we present the perceptual data associated with mobile device vibrations and propose perception-based vibration rendering which improves the discriminability of vibrotactile messages.First, the characteristics of two most frequently used vibration actuators, a vibration motor and a voice-coil actuator, have been investigated. According to our results, the vibration motor should be controlled by applied voltage lower than 3.5 V since its perceived intensity is saturated when applied voltage is higher than 3.5 V. For the voice-coil actuator, the voltage frequency from 220 Hz to 320 Hz and the voltage amplitude from 0.6 V to 1.2 V are recommended to generate desired vibration effects. Second, the perceived intensities of mobile device vibrations were estimated for various frequencies and amplitudes using a shaker system. By fitting a nonlinear function to the measured data based on Stevens’ power law, we constructed a psychophysical magnitude function that enables us to predict the perceived intensity of mobile device vibration in a large parameter range. Also, we evaluated the applicability of the model by comparing it to the previously measured perceptual characteristics of the two vibration actuators. The evaluation results showed very high correlations, indicating that the psychophysical magnitude function can reliably explain the perceived intensity of mobile device vibration. Third, we proposed and evaluated perceptually transparent vibration rendering (PTR) which allows desired haptic effects to be designed in the perceptual dimension and to be played through the haptic interface as they should be. In an experiment that used pure tone vibrations to evaluate the benefits of PTR, using the PTR maintained higher percent correct scores with even large stimulation levels. By using PTR, the maximum number of discriminable vibrations was 5 -- 6, in contrast to just 3 -- 4 without PTR. We also evaluated PTR in an experiment using vibrotactile melodies. The discriminability of melodies rendered using PTR was improved, since users could identify the perceived strength of each melody note in an improved accuracy. Finally, we developed a vibration pattern editor named the posVibEditor which offers quick-and-easy vibration design for even novice users. The posVibEditor also supports perceptually transparent rendering.The present study contributes to enlarging our understanding of the utility of perception-based vibration rendering in mobile devices.