시각적 요소 정의 - 소프트웨어 융합

3D 모델링의 중요성

로봇의 시각적 요소는 시뮬레이션에서 로봇의 모양과 움직임을 정의하는 중요한 부분이다. 시뮬레이션에서 로봇의 외형이 물리적인 움직임과 어떻게 일치하는지, 다른 객체들과의 상호작용이 어떻게 표현되는지를 시각적 요소를 통해 확인할 수 있다. 시각적 요소는 로봇의 실제 모델을 나타내거나, 개발 초기 단계에서는 간단한 형태로 대체할 수 있다.

시각적 요소와 물리적 요소의 차이

시각적 요소와 물리적 요소는 서로 다르며, 시각적 요소는 시뮬레이션에서 로봇을 어떻게 보여줄지를 정의하고, 물리적 요소는 로봇의 실제 물리적 특성을 정의한다. 즉, 시각적 요소는 주로 그래픽과 관련이 있으며, 물리적 요소는 충돌 처리 및 동역학 계산에 영향을 미친다. 예를 들어, 로봇의 시각적 메쉬가 매우 복잡한 경우에도 물리적 충돌 모델은 더 단순화된 형상을 사용할 수 있다.

기본 형상(Primitive Shapes)

SDF에서는 박스, 구, 원통과 같은 기본 형상을 사용하여 로봇의 시각적 요소를 정의할 수 있다. 이러한 기본 형상은 SDF 파일 내에서 직관적으로 정의할 수 있으며, 비교적 적은 리소스로 로봇의 외형을 표현할 수 있다. 기본 형상을 정의하는 방법은 다음과 같다:

박스(Box): 박스는 세 차원 $(x, y, z)$ 크기를 사용하여 정의된다.

$\text{크기} = \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \end{bmatrix}$

구(Sphere): 구는 반지름 $r$ 을 사용하여 정의된다.

$\text{반지름} = r$

원통(Cylinder): 원통은 반지름 $r$ 과 높이 $h$ 로 정의된다.

$\text{반지름} = r, \quad \text{높이} = h$

기본 형상을 사용하면 로봇의 기본적인 외형을 빠르게 정의할 수 있으며, 시뮬레이션 성능을 유지하면서도 간단한 형태의 로봇을 시각적으로 표현할 수 있다.

메쉬 파일 사용

복잡한 로봇 모델을 시각적으로 표현하기 위해서는 STL, Collada 등과 같은 3D 메쉬 파일을 사용할 수 있다. 메쉬 파일은 로봇의 복잡한 기하학적 구조를 정의하는데 적합하며, 실제 로봇의 모델과 시뮬레이션에서의 로봇을 일치시킬 수 있다. 메쉬 파일을 SDF에서 사용하는 방법은 다음과 같다:

<visual>
  <geometry>
    <mesh>
      <uri>model://robot/meshes/robot.stl</uri>
    </mesh>
  </geometry>
</visual>

SDF에서는 uri 태그를 사용하여 로봇의 메쉬 파일 경로를 지정할 수 있다. 메쉬 파일은 로컬 파일 시스템이나 인터넷에서 다운로드한 파일을 참조할 수 있다. STL 파일뿐만 아니라 Collada 파일(확장자 .dae)도 사용할 수 있다.

메쉬의 스케일링

SDF 파일에서 메쉬 파일을 사용할 때, 메쉬의 크기를 조정해야 할 경우가 있다. SDF에서는 메쉬 파일의 스케일을 조정하는 기능을 제공하며, 이를 통해 메쉬의 크기를 조정할 수 있다. 스케일링은 $\mathbf{S}$ 로 표현되며, 각 축 $x$ , $y$ , $z$ 에 대해 개별적으로 설정할 수 있다.

$\mathbf{S} = \begin{bmatrix} s_x \\ s_y \\ s_z \end{bmatrix}$

여기서, $s_x$ , $s_y$ , $s_z$ 는 각각 $x$ , $y$ , $z$ 축의 스케일링 값이다. SDF 파일에서 메쉬의 스케일링을 설정하는 방법은 다음과 같다:

<visual>
  <geometry>
    <mesh>
      <uri>model://robot/meshes/robot.stl</uri>
      <scale>1.0 1.0 1.0</scale>
    </mesh>
  </geometry>
</visual>

위 예시에서 scale 태그는 메쉬의 크기를 조정하는 데 사용되며, 각 축에 대해 다른 값을 지정할 수 있다. 기본값은 $1.0$ 이며, 이는 메쉬가 원래 크기로 표현된다는 것을 의미한다. 스케일 값을 $0.5$ 로 설정하면 메쉬 크기가 절반으로 줄어들고, $2.0$ 으로 설정하면 메쉬 크기가 두 배로 커진다.

재질(Material) 정의

SDF에서는 로봇의 시각적 요소에 대해 색상과 재질을 설정할 수 있다. 이는 시뮬레이션에서 로봇을 보다 현실감 있게 표현하는 데 도움이 된다. SDF 파일에서 재질을 정의하는 방법은 다음과 같다:

<visual>
  <material>
    <ambient>1 0 0 1</ambient>
    <diffuse>1 0 0 1</diffuse>
    <specular>0.5 0.5 0.5 1</specular>
    <emissive>0 0 0 1</emissive>
  </material>
</visual>

ambient: 주변 조명에 의해 반사되는 색상
diffuse: 확산된 빛에 의해 반사되는 색상
specular: 빛의 반사 정도와 관련된 색상, 물체가 반짝이는 정도를 조정
emissive: 물체가 스스로 발광하는 색상

각 태그는 $r$ , $g$ , $b$ , $a$ (red, green, blue, alpha)를 나타내며, 값은 0에서 1까지의 실수 값으로 설정된다. 예를 들어, 위 예제는 빨간색 재질을 정의한 것이다.

시각적 요소의 위치 및 회전

SDF 파일에서는 시각적 요소의 위치 및 회전을 설정할 수 있다. 이는 로봇의 각 부분이 로봇의 중심 좌표계에서 어느 위치에 배치되는지, 그리고 어떤 각도로 회전되어 있는지를 정의하는 데 사용된다. 위치는 3차원 벡터 $\mathbf{p}$ 로, 회전은 쿼터니언 $q$ 또는 롤, 피치, 요 각도(이 경우는 $\mathbf{r}$ )로 표현할 수 있다.

위치(Position): 위치는 $(x, y, z)$ 좌표로 나타내며, 로봇의 기본 좌표계에서 상대적인 위치를 정의한다.

$\mathbf{p} = \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \end{bmatrix}$

회전(Rotation): 회전은 쿼터니언 $q$ 또는 롤, 피치, 요 각도 $r = (\phi, \theta, \psi)$ 로 표현할 수 있다. 쿼터니언은 복잡하지만 회전 기하학에서 자주 사용되며, 롤, 피치, 요 각도는 직관적으로 각 축을 기준으로 회전한 각도를 나타낸다.

$q = \begin{bmatrix} w \\ x \\ y \\ z \end{bmatrix}, \quad \mathbf{r} = \begin{bmatrix} \phi \\ \theta \\ \psi \end{bmatrix}$

SDF 파일에서는 기본적으로 회전을 롤, 피치, 요 각도로 설정하며, 위치와 회전 설정 방법은 다음과 같다:

<visual>
  <pose>1 0 0 0 0 0</pose>
</visual>

위 예시에서 pose 태그는 6개의 값을 가지며, 첫 번째 세 개의 값은 위치 $(x, y, z)$ 이고, 마지막 세 개의 값은 롤, 피치, 요 각도를 의미한다. 예를 들어, pose 값이 1 0 0 0 0 1.57이면, 이는 $x = 1$ , $y = 0$ , $z = 0$ 위치에서 $z$ 축을 기준으로 90도(라디안 값 $1.57$ ) 회전되었음을 의미한다.

투명도 설정

SDF에서는 시각적 요소의 투명도를 설정하여 로봇의 일부를 반투명하게 표현할 수 있다. 이는 로봇의 내부 구조를 시각적으로 확인하거나, 특정 요소를 덜 강조하고 싶을 때 유용하다. 투명도는 material 태그 내에서 a 값으로 설정되며, $0$ 은 완전히 투명하고 $1$ 은 완전히 불투명함을 의미한다.

<visual>
  <material>
    <diffuse>0 0 1 0.5</diffuse>
  </material>
</visual>

위 코드에서 diffuse의 네 번째 값인 $0.5$ 는 로봇의 해당 시각적 요소가 반투명하게 표현됨을 의미한다. 투명도는 주로 로봇의 시각적 요소를 덜 강조하거나, 물리적 모델과 시각적 모델을 동시에 확인할 때 유용하게 사용된다.

시각적 요소의 상속

SDF에서는 부모-자식 관계를 기반으로 링크 간에 시각적 요소를 상속할 수 있다. 로봇의 각 부분은 일반적으로 링크와 조인트로 연결되며, 자식 링크는 부모 링크의 시각적 특성을 상속할 수 있다. 이는 반복적인 설정을 피하고, 시뮬레이션을 간소화하는 데 도움이 된다.

부모-자식 관계에서, 자식 링크의 시각적 요소는 부모 링크에서 설정된 시각적 특성(재질, 색상, 크기 등)을 물려받는다. 그러나 자식 링크에서 새로운 시각적 요소를 명시적으로 정의하면 부모의 특성을 덮어쓸 수 있다.

<link name="parent_link">
  <visual>
    <geometry>
      <box>
        <size>1 1 1</size>
      </box>
    </geometry>
    <material>
      <diffuse>1 0 0 1</diffuse>
    </material>
  </visual>
  <link name="child_link">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere>
          <radius>0.5</radius>
        </sphere>
      </geometry>
      <material>
        <diffuse>0 1 0 1</diffuse>
      </material>
    </visual>
  </link>
</link>

위 코드에서 parent_link는 빨간색 박스이고, child_link는 부모로부터 상속된 위치와 일부 특성을 바탕으로 초록색 구로 표현된다. 자식 링크는 기본적으로 부모 링크의 속성을 상속받지만, 자식 링크에 새로운 재질이나 시각적 요소를 명시하면 부모의 설정을 무시하고 적용된다.

시각적 요소의 업데이트 주기

SDF 파일에서는 시각적 요소가 어떻게 업데이트되는지를 정의할 수 있다. 일부 시각적 요소는 시간에 따라 변화할 수 있으며, 이 경우 업데이트 주기를 설정하는 것이 중요하다. 예를 들어, 로봇의 특정 부품이 회전하거나 크기가 변하는 경우, 시각적 요소가 그에 따라 동적으로 업데이트되어야 한다.

SDF에서 시각적 요소의 업데이트 주기는 일반적으로 시뮬레이션 프레임워크 내에서 자동으로 처리되지만, 추가적인 설정을 통해 특정 주기마다 업데이트를 강제할 수 있다. 이를 위해 플러그인이나 추가적인 스크립트가 필요할 수 있다.

<plugin name="visual_plugin" filename="libVisualPlugin.so">
  <update_rate>30</update_rate>
</plugin>

위 예제에서 plugin 태그는 시각적 요소를 제어하는 플러그인을 로드하고, update_rate는 시각적 요소가 초당 30번 업데이트된다는 것을 나타낸다. 이는 로봇의 시각적 변화가 일정한 주기로 반영되도록 보장한다.

시각적 요소와 물리적 모델의 불일치 문제

시뮬레이션에서 시각적 요소와 물리적 요소가 다를 때 발생할 수 있는 문제는 충돌 처리나 동역학 계산에서 불일치가 발생할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 시각적으로는 복잡한 메쉬를 사용하더라도 물리적 모델은 단순한 박스로 정의되는 경우, 충돌 시 예상과 다른 결과가 나타날 수 있다. 따라서 시각적 모델과 물리적 모델 간의 일관성을 유지하는 것이 중요하다.

이 문제를 해결하려면 다음과 같은 방법을 고려할 수 있다: - 시각적 요소와 물리적 요소가 최대한 유사하도록 설정 - 복잡한 시각적 요소를 사용할 때는 물리적 모델도 적절히 복잡하게 설정 - 물리적 요소가 너무 간단할 경우, 충돌 처리에 영향을 미칠 수 있음을 인지하고 설정