일반적으로 3차원 물방울 조형 생성장치는 솔레노이드밸브들의 매트릭스로 구현되고, 표현하고자 하는 3차원 조형을 슬라이스들의 집합으로 이산화하고, 아래에서부터 순서대로 슬라이스를 읽어 대응하는 솔레노이드 밸브를 개폐하여 물방울 조형을 생성한다. 밸브는 수도꼭지처럼 물방울을 생성하며, 물은 물탱크의 수압에 의해 노즐 구멍으로 흐르며 물방울을 생성하기 위해 다른 힘을 가하지는 않는다.
본 논문의 목적은 작품‘동행’을 구현하기 위하여 정확하고 선명한 3차원 물방울 조형을 생성할 수 있는 물방울 완전픽셀화 제어 기법을 개발하는 것이다. 본 논문은 표현할 3차원 조형을 물방울 픽셀들의 집합으로 표현할 때, 미세물방울 생성없이 물방울 픽셀의 위치를 거의 완벽하게 제어하는 물방울 완전픽셀화 제어 기법을 개발하고, 조형 이산화 프로그램 과 물방울 생성 장치 제어 프로그램을 개발하였다. 이 과정에서 새로운 기법 적용을 위한 솔레노이드 밸브 시간 특성 캘리브레이션 기법을 규범화하여 새로운 물방울 조형 생성장치 제어 프로그램을 제작하는데 가이드라인을 제공하였다.
작품’동행’에서는 관람자의 위치를 압력 센서로 인식하고, 해당 위치에 관람자를 상징하는 물방울 조형을 생성하여 관람자를 따라다니는 착시를 형성한다. 나의 또 다른 자아와 동행을 하는 느낌을 조성하기 위함이다. 이와 같은 착시를 형성하기 위하여, 어두운 공간에서 물방울 조형이 낙하하는 과정을 직접 보여주지 않고, 특정 위치에 물방울 조형이 낙하하였을 때, 짧은 시간동안 조명을 켜서 관람자가 물방울 조형을 인지하게 한다. 관람자에게 하나의 물방울 조형을 짧은 시간 동안, 여러 개를 보여주어 물방울 조형이 수평으로 이동하는 착시를 선사한다.
대부분의 물방울 조형 생성장치에서 사용하고 있는 “물줄기 제어 기법”은 조형의 형상이 중력에 의해 왜곡되는 문제가 있고, 물방울 조형 주변에 미세한 물방울들이 많이 생성되어 물방울 조형의 정확도가 저하되는 문제가 있다. 서강대학교, 정문열 교수님 기법 연구에서는 물방울을 생성할 때 한 번에 단 하나의 물방울을 생성하는 “단일 물방울 생성 기법”을 개발하여 물줄기 제어 방식의 두 가지 문제점을 개선했다. 첫째, 한 번에 동일한 크기의 물방울을 하나만 생성하여 미세물방울 생성을 억제하였다. 둘째, 3차원 조형을 슬라이스로 이산화할 때, 슬라이스를 등 간격으로 배치하고 실제 조형을 생성할 때 조형이 완성되는 특정 시점에 각 슬라이스가 이산화 될 때 부여받았던 위치에 도달하도록 물방울 생성 시점을 제어하여 중력에 의하여 형상이 왜곡되는 문제를 개선하였다. 이 방법은 기존의 기법에 비해 미세물방울 생성과 형상이 왜곡되는 문제는 개선하였지만, 수직 해상도에서 손해를 본다. 그리고, 여전히 미세물방울이 다소 생성되며, 물방울의 위치도 조형 이산화 당시 부여된 위치에서 조금씩 벗어난다. 이것은 물방울이 생성될 때 마다 항상 동일한 크기의 물방울이 생성되지 않는다는 것을 의미한다. 이 물방울 제어 기법에서는 밸브에 오픈 명령을 내리고 적당한 딜레이를 준 후, 클로즈 명령을 내리고 적당한 딜레이를 준 후, 그 다음 물방울을 발생시키기 위해 해당 밸브에 오픈 명령을 내리는 과정을 반복하다. 이 제어 기법에서는 두 딜레이 값에 대한 다양한 값을 대입하여 단일 물방울들을 연달아 생성시키는 값을 사용하였다. 그러나 이 기법에서는 이 두 딜레이 시간의 성격이 분명하지 않아서 항상 동일한 크기의 물방울을 생성하기 위해 무엇을 제어해야 할지가 분명하지 않았다. 솔레노이드밸브는 오픈 명령과 클로즈 명령을 내릴 때 바로 열리고 바로 닫히는 것이 아니라, 완전히 열리고 완전히 닫히는데 일정 시간이 소요된다. 그리고 밸브가 열리기 시작한 후 완전히 닫힐 때까지 밸브구멍이 조금이라도 열려 있는 한 물은 계속 흐른다. 따라서 밸브가 열리는 도중에 클로즈 명령을 내린 다든지, 밸브가 닫히고 있는 도중에 오픈 명령을 내린다든지 하면 물방울 하나를 생성하는데 흘려보내는 물의 양을 일정하게 제어하기가 매우 어렵다. 본 논문에서는 밸브의 엄밀한 개폐를 위해 밸브가 오픈명령을 받은 후 완전히 열리는데 걸리는 “완전오픈 성취시간” 과 완전오픈 상태에서 클로즈 명령을 받은 후 완전히 닫히는데 걸리는 “완전클로즈 성취시간”을 초고속 카메라로 측정하였다. 일정의 크기의 물방울 하나를 생성하고자 할 때 이 두시간 간격은 최소한 사용해야 한다. 밸브가 열리기 시작하면 완전히 열린 후에 닫아야 열리는 과정에서 흐르는 물의 양을 일정하게 유지할 수 있기 때문이다. 또한 밸브가 닫히기 시작하면 완전히 닫힌 후에 다시 열어야 닫히는 과정에서 흐르는 물의 양을 일정하게 유지할 수 있기 때문이다. 미세 물방울이 생성되지 않고, 항상 동일한 사이즈의 물방울을 생성하기 위해 자유롭게 제어할 수 있는 시간은 “완전오픈 유지시간”이다. 일정한 크기의 물방울을 최대한 연달아 생성하고자 할 때 각 물방울을 생성하는데 필요한 시간은 “완전오픈 성취시간”, “완전오픈 유지시간” 그리고 “완전클로즈 성취시간”의 합인데, 이를 “물방울생성 최소시간” 이라고 한다. 물방울 생성 제어를 위한 이 세 시간 구간을 찾는 과정을 솔레노이드 밸브 시간 특성 캘리브레이션이라고 한다. 이 캘리브레이션은 새로운 밸브를 구입할 때나 노후화된 밸브의 시간 특성을 새로 측정하고자 할 때 필요한 일이다.
물방울 생성 제어 프로그램에서는 조형을 이산화하는 각 슬라이스를 아래에서부터 차례로 읽어 “물방울생성 최소시간” 간격을 적용하여 물방울 슬라이스를 생성한다. 이것이 슬라이스의 개수를 최대로 하여 물방울 조형의 해상도를 최대로 올리는 방법이다. 인접한 슬라이스들이 생성되는 시간간격은 “인접물방울 생성간격” 으로 동일하지만, 각 슬라이스가 낙하하여 조형을 형성할 때 낙하하는 거리는 중력가속도로 인해 다를 수 밖에 없다. 따라서 조형을 슬라이스로 이산화하는 프로그램에서는 각 슬라이스를 조형의 어느 위치에서 샘플링할지를 알아야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 단일 물방울 생성하는 노즐 오픈명령발생 시점을 기준으로 하는 경과시간 t 과 노즐출구를 기준으로 하는 물방울의 낙하거리 h 간의 관계식 h = f(t) 을 물방울 낙하 실험을 통하여 추출하였다. i 번째 슬라이스를 생성하는 노즐 오픈 명령을 내릴 시점 t_i 를 알면 이 슬라이를 추출할 조형내의 위치 h_i 는 h_i = f(t_i) 를 이용하여 구할 수 있다. i 번째 슬라이스는 h_i 높이를 가지는 수평면과 3차원의 조형의 교차점들의 집합으로 구성되며 이것은 물방울 픽셀의 존재 여부를 나타내는 이진 이미지로 간주한다.
본 연구에서는 작품 구현을 위한 3차원 물방울 조형 생성장치를 설계 및 제작하고, 3차원 물방울 생성장치의 제어 및 조형 슬라이스 이산화 프로그램 과 물방울 생성 제어 프로그램을 제작하였다. 이용하여 물방울 완전픽셀화 제어 기법과 기존의 기법들을 비교하여 본 연구의 성과를 확인하였다. 또한, 스트로보 라이트를 이용하여 정확하고 선명한 물방울 조형이 수평운동을 하는 착시현상을 생성하여 작품‘동행’을 구현하였다. 따라서, 본 연구는 3가지 중요한 성과를 달성하였다. 물줄기 제어 기법보다 한층 더 선명하고 정확한 물방울 조형을 생성할 수 있는 물방울 완전픽셀화 제어 기법을 개발하였고, 솔레노이드밸브의 시간 특성 캘리브레이션 방법을 제시하고, 물방울 조형 생성장치의 개선 방향을 제시하였다. 그리고 이러한 연구결과를 이용하여 전통적인 조각 재료가 아닌 물을 이용하여 조형을 형성하고, 관람자와 교감할 수 있는 작품‘동행’을 구현하였다.

In general, a three-dimensional water drop shape generation device is implemented as a matrix of solenoid valves, and the three-dimensional shaping that is intended to be expressed is digitized as a set of slices. The control program reads the slices sequentially and opens and closes the corresponding solenoid valves to create a water drop shape.
In this dissertation I seek to develop a new water drop shape generation technique that can produce clear three-dimensional water drops in order to realize a three-dimensional water drop artwork ''Accompany''. I devised a new discrete modeling technique that expresses a three-dimensional model as a set of water drops as many as possible within the constraint of gravity, and developed water drop generating hardware and control program. The dissertation also provides guidlines for designing a new control program by finding the timing characteristics of solenoid valves so as to generate the same-size water drops without satellite drops all the time. I devised a well-defined method to measure the timing characteristics of the solenoid valves needed to generate the required water drops .
In the artwork ‘Accompany, when the user moves, the location of the water drop sculpture changes and follows the viewer. The location of the viewer is sensed by the pressure sensors located at regular intervals on the floor. This creates an illusion for the user that he/she is accompanied by the other self. To form such an illusion, the lighting is turned on at the time when the water drop shape falls at a certain location and then turned off immediately so that the remaining process of falling is not visible. The time when the light is turned on is chosen so that the falling water drop shape looks accurate without any distortion because of gravity. In our method, the water drop generation is controlled so that the shape of water drops looks accurate when the shape reaches at a certain position. But most conventional water drop techniques have the problem of distorting the intended form as the shape gradually spreads in vertical directions by gravity.
In order to solve this problem, Jung Moon-Ryul researched and developed a new technique for placing slices at equal intervals at a certain height. Although this method decreased the generation of small satellite water drops and the distortion of the shape, the vertical resolution of the shape was decreased. Also, this technique did not provide any method to calibrate the solenoid valve to find the timing characteristics of the solenoid valve needed for the water drop control program.
In order to solve these problems, this dissertation devised a new discrete modeling technique that produces as many water drops as possible within the constraint of gravity. This results in slices unevenly placed and increases the vertical resolution of the shape. Also, the opening and closing of the nozzle are controlled so that the exact amount of water needed for an optimum drop size flows between the time when the valve begins to open and the time when the valve is closed completely. To find the timing characteristics of the valve, a single water drop generation experiment is conducted that can generate a sequence of the same-size water drops as many as possible without satellite water drops. To generate water drops in this manner, only certain vertical slices of a given shape can be represented. To know which slices to use represent a given shape, I obtained the relationship between the elapsed time since the opening of a valve and the distance that the produced drop falls during that time.
Based on the results of the two techniques developed, I produced a water drop generation control program with the help of a colleague, and designed and produced the hardware of the three dimensional water drop generation device for water drop shape artwork ''Accompany''. In summary, in this dissertation, I achieved three important results. First, I developed a new discrete modeling technique to produce clearer and more accurate water drop shapes than the existing techniques. Second, I devised a calibration method to measure the timing characteristics of a given solenoid valve by taking superspeed camera images of the execution process of the valve while it produces a sequence of the same-size water drops without satellite drops. Finally, I created an interactive sculpture using fluid material rather than traditional sculptural materials.