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평창올림픽 드론쇼, 어떻게 설계했을까?

드론쇼

드론이 평창 동계올림픽 마스코트 수호랑을 형상화하고 있다. / 사진: 해외문화홍보원(공공누리 1유형)

 

2018년 평창동계올림픽의 개막식에서 보여준 ‘드론쇼’는 무려 1218대의 드론을 이용하여 ‘올림픽 오륜기’ 및 ‘마스코트 수호랑’ 등을 하늘위에 수놓으며 많은 관객들의 탄성을 자아냈다. 이는 지난 2016년 독일에서 펼쳐진 500대의 드론공연을 갱신한 세계최고 기록이라고 한다. 말이쉽지, 이를 위해서는 드론의 상당한 안전성과 통신·제어 등의 기술들이 필요하다.

 

드론으로 연출된 공간 디자인은 어떻게 하였을까?


드론이 공간상에 비행할 때, 우리는 드론 한 대당 한 개의 고유위치를 대응시킬 수 있다. 위치를 측정하는 기준점(원점O)으로부터 앞·뒤(x축), 좌·우(y축), 상·하(z축)까지 이르는 거리를 순서쌍 (x,y,z)로 나타내는 것이다. 이와 같은 표현을 직교좌표라 하며, 공간상에서 물체의 위치를 나타내는 가장 일반적인 방법으로 사용한다. 따라서 드론 1218대를 띄우려면 총 1218개의 좌표를 활용해야 하며, 구현하고자 하는 이미지에 대한 드론의 위치좌표가 서로 충돌(좌표값의 일치)이 일어나지 않도록 설계해야 한다.

 


평면 디자인의 공간 스케치 아이디어

 

⑴ 평면 디자인에서 적당한 개수의 을 추출한다.


이 작업은 소프트웨어로 손쉽게 처리할 수 있다.(저자는 Mathematica를 이용하였다.)

우선, 평면상에 디자인을 흑백으로 스케치 한다. 디지털로 나타낸 그림은 가로×세로의 크기를 픽셀(pixel)로 나타내는데, 이 픽셀의 위치를 순서쌍 (x,y)로 나타내면 각 픽셀의 고유위치가 결정된다. 다음의 평면디자인은 가로×세로=230×200(픽셀)의 이미지로 총 46,000개(=230×200)의 순서쌍이 존재한다. 각 픽셀에는 음영의 값이 0(흰색)∼1(검정색) 사이의 값으로 표현되는데 0이 아닌 픽셀의 순서쌍중에 적당한 개수만큼 균등한 간격으로 순서쌍을 추출하면 된다. 여기서 점의 개수가 많아질수록 더욱 정교한 구현이 가능하다. 하지만 ‘점의개수=드론의 개수’임도 함께 생각해야한다.

드론


⑵ 평면상의 을 서로 다른 높이가 되도록 올린다.

 

평면디자인에서 추출한 점들의 좌표 (x,y)를 상·하(z축)의 수직방향으로 들어올리면 공간상의 좌표 (x,y,z)로 나타낼 수 있으며, 이때 평면의 수직방향에서 관찰되는 공간상의 점들의 형상은 평면디자인과 같다. 역으로 생각하여 공간상의 좌표 (x,y,z)를 평면으로 떨어뜨리면 (x,y)가 되기 때문이다. 이는 어떠한 물체에 수직으로 빛을 비출 때 바닥에서 그려지는 그림자의 원리와 같다. 수학에서는 이를 정사영(projection)이라고 부른다. 여기서 공간상에 붙어있는 ‘’은 ‘드론’의 충돌과도 같은 의미이다. 따라서 서로 인접한 점들에 대해서는 높이(z) 값을 다르게 주어야 한다.

드론

바로 이렇게 만들어진 ‘점(드론)’들의 ‘고유좌표 (x,y,z)’ 값들이 바로 드론쇼의 퍼포먼스를 보여줄 최종 목적지가 되는 것이다.


드론

이와 같은 방법을 이용하면 그림, 문자 등 얼마든지 쉽게 공간 디자인이 가능하다.


 

드론


여기서 좀 더 수학적인 욕심(?)을 내면, 아래와 같이 관찰자의 위치에 따라서 그 모습이 다르게 보이도록 소프트웨어를 이용하여 각 점들의 (x,y,z) 좌표값을 정교하게 계산하여 연출할 수도 있다.

  

드론

물론, 이렇게 공간상에 나타낸 ‘드론(점)’의 위치설계는 시작에 불과하다. 지상에서부터 목적지까지 수천대의 드론이 충돌없이 도달하는 경로를 각각 계산해야 하며, 이를 위해서는 실시각 드론의 위치를 관제센터에서 파악하며 제어할 수 있는 빠르고 정확한 통신기술이 필요하다. 이에 이번 평창동계올림픽의 드론쇼는 최신의 GPS 센서 및 5G 통신기술이 적용되어 사방으로 1∼2m 수준을 항상 유지할 수 있도록 설계되었다고 한다. 이외에도 강풍과 같은 외부적 요인, 수천대의 드론을 한 명이 비행시키는 군집제어 등 반영되야 할 기술적 요소가 많다. 다음번 드론쇼에서는 기술의 발전으로 얼마나 더 장관인 퍼포먼스가 연출될지 기대가 된다. 




[더 알아보기] 

이 글에서 소개한 내용은 세계적으로 유명한 Matheatica 소프트웨어로 구현한 것이며, 이는 이 글을 써 주신 이장훈 선생님의 홈페이지 수학생각(http://www.mathought.com)의 수학실험실에서 Dynamic한 실험과 조작을 통하여 더욱 즐겁게 관찰할 수 있다. 단, 공개프로그램인 Wolfram CDF Player를 설치하고 데스크탑PC(혹은 노트북)의 Microsoft Internet Explore 환경에서 작동이 가능하다.



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