물리적 컴퓨팅: 물리적 컴퓨팅에서 컴퓨터 비전 탐구

By Fouad Sabry

물리적 컴퓨팅이란 무엇입니까

'물리적 컴퓨팅'이라는 용어는 주변 환경을 인식하고 이에 반응할 수 있는 대화형 시스템의 사용을 의미합니다. 그러나 이 정의는 지능형 차량 교통 제어 시스템이나 공장 자동화 프로세스와 같은 시스템을 포함할 만큼 충분히 광범위하다는 사실에도 불구하고 일반적으로 이러한 종류의 제품을 정의하는 데 사용되지 않습니다. 보다 광범위한 관점을 통해 피지컬 컴퓨팅은 인간과 디지털 환경의 연결을 이해하기 위한 혁신적인 패러다임으로 이해될 수 있습니다. 센서와 마이크로컨트롤러를 사용하여 아날로그 입력을 소프트웨어 시스템으로 변환하거나 모터, 서보, 조명 또는 기타 하드웨어와 같은 전기 기계 장치를 제어하는 ​​수제 예술, 디자인 또는 '너 스스로해라' 취미 프로젝트가 가장 일반적인 예입니다. 실제 적용에서 "메이커"라는 이름이 무엇을 가리키는지.

귀하가 얻을 수 있는 이점

(I) 다음 주제에 대한 통찰력 및 검증:

1장: 물리적 컴퓨팅

2장: 마이크로컨트롤러

3장: 임베디드 시스템

4장: A V R 마이크로컨트롤러

5장: 시스템 온 칩

6장: 시각적 프로그래밍 언어

7장: 범용 입력/출력

8장: 아두이노

9장: 단일 보드 마이크로 컨트롤러

10장: 적색광 카메라

(II) 물리적 컴퓨팅에 관한 대중의 주요 질문에 답합니다.

(III) 다양한 분야에서 물리적 컴퓨팅을 사용하는 실제 사례.

이 책의 대상 독자

전문가, 학부생 및 대학원생, 매니아, 취미생활자 및 모든 종류의 물리적 컴퓨팅에 대한 기본 지식이나 정보를 넘어서고 싶은 사람들.

• Language: 한국어
• Publisher: 10 억 지식이 걸립니다 [Korean]
• Release date: May 5, 2024

Book preview

1장: 물리적 컴퓨팅

물리적 컴퓨팅은 환경을 인식하고 반응할 수 있는 대화형 시스템의 사용을 수반합니다. 이 정의는 자동차 및 공장 자동화 프로세스를 위한 지능형 교통 제어 시스템과 같은 시스템을 수용할 수 있을 만큼 충분히 광범위하지만 일반적으로 이를 정의하는 데 사용되지는 않습니다. 피지컬 컴퓨팅은 인간과 디지털 세계 사이의 연결을 이해하기 위한 창의적인 프레임워크입니다. 일반적으로 이 문구는 일반적으로 센서와 마이크로 컨트롤러를 사용하여 아날로그 입력을 소프트웨어 시스템으로 변환하거나 모터, 서보, 조명 및 기타 하드웨어와 같은 전기 기계 구성 요소를 작동하는 수공예 예술, 디자인 또는 DIY 취미 프로젝트를 나타냅니다.

피지컬 컴퓨팅은 전기 공학, 메카트로닉스, 로봇 공학, 컴퓨터 과학, 임베디드 개발 등 다양한 분야와 산업을 아우릅니다.

Physical computing

물리적 컴퓨팅은 다양한 분야와 응용 분야에서 활용됩니다.

교육에서 신체성과 재미의 이점은 다양한 비공식 학습 맥락에서 반영되었습니다. 탐구 기반 학습의 선구자인 Exploratorium은 초기 컴퓨터 기반 인터랙티브 전시물 중 일부를 만들었으며 관련 기술이 발전함에 따라 점점 더 많은 물리적 컴퓨팅 및 촉각 인터페이스 인스턴스를 계속 통합하고 있습니다.

스콧 스니브(Scott Snibbe), 다니엘 로진(Daniel Rozin), 라파엘 로자노-헤머(Rafael Lozano-Hemmer), 조나 브루커-코헨(Jonah Brucker-Cohen), 카밀 어터백(Camille Utterback)은 피지컬 컴퓨팅을 예술적 노력에 통합했습니다.

제품 및 인터랙션 디자인 영역에서는 때때로 비용 효율적인 방식으로 새로운 디지털 제품 개념의 프로토타입을 신속하게 제작하기 위해 수작업으로 제작된 임베디드 시스템이 사용됩니다. IDEO 및 Teague와 같은 회사는 제품 디자인에 이러한 접근 방식을 취하는 것으로 유명합니다.

상용 응용 분야는 Sony Eyetoy와 같은 소비자 가제트 또는 Dance Dance Revolution과 같은 비디오 게임부터 제조 라인을 따라 품질 검사를 자동화하는 데 사용되는 머신 비전과 같은 보다 난해하고 실용적인 응용 분야에 이르기까지 다양합니다. 피지컬 컴퓨팅에는 닌텐도의 Wii Fit과 같은 엑서게이밍이 포함됩니다. 마이크 또는 기타 음파 감지 장치를 사용하여 음파를 감지하고 해석하는 음성 인식과 카메라에서 종종 수집되는 풍부한 비디오 데이터 스트림에 알고리즘을 적용하는 컴퓨터 비전은 물리적 컴퓨팅의 다른 구현입니다. 햅틱 인터페이스의 경우 컴퓨터는 물리적 자극을 감지하는 것이 아니라 생성합니다. 모션 캡처와 제스처 인식은 모두 컴퓨터 비전을 사용하여 마법을 수행합니다.

물리적 컴퓨팅은 과학 연구를 위한 맞춤형 센서 또는 수집기의 제조 및 사용을 설명하는 데에도 사용할 수 있지만 이러한 사용은 일반적이지 않습니다. 빅뱅에서 현재(138억 년 후)까지의 우주 진화를 완벽하게 모방하려는 Illustris 프로젝트는 물리적 컴퓨팅 모델링의 예시입니다.

피지컬 컴퓨팅은 프로토타입 개발에 크게 의존합니다. Wiring, Arduino 및 Fritzing과 같은 도구가 포함된 I-CubeX를 통해 디자이너와 아티스트는 인터랙티브 아이디어의 프로토타입을 빠르게 제작할 수 있습니다.

{챕터 1 종료}

2 장 : 마이크로 컨트롤러

마이크로 컨트롤러 유닛 용 MCU)는 마이크로 컨트롤러이며, MC, UC 또는 μC)는 단일 VLSI 집적 회로 (IC) 칩의 소형 컴퓨터입니다.

메모리 및 프로그래밍 가능한 입력/출력 주변 장치 외에도 마이크로 컨트롤러는 하나 이상의 CPU(프로세서 코어)를 통합합니다.

강유전체 RAM은 프로그램 메모리로 활용되며, NOR 플래시 또는 OTP ROM은 소량의 RAM 외에도 칩에 자주 장착됩니다.

마이크로 컨트롤러는 임베디드 용도로 개발되었으며, 수많은 개별 칩으로 구성된 개인용 컴퓨터 및 기타 범용 응용 프로그램에 사용되는 마이크로 프로세서와 달리 슈퍼 컴퓨터에 사용되는 마이크로 프로세서는 집적 회로입니다.

마이크로 컨트롤러는 최신 용어로 SoC(System on a Chip)와 관련이 있지만 덜 정교합니다. SoC는 외부 마이크로 컨트롤러 칩을 마더보드에 연결할 수 있지만 일반적으로 그래픽 처리 장치(GPU) 및 Wi-Fi 인터페이스 컨트롤러와 같은 고급 주변 장치를 내부 마이크로 컨트롤러 장치 회로로 통합합니다.

마이크로 컨트롤러는 차량 엔진 제어 시스템, 이식형 의료 기기, 원격 제어, 사무 기계, 가전 제품, 전동 공구, 장난감 및 기타 임베디드 시스템을 포함하여 자동 제어 기능이 있는 제품 및 장비에 사용됩니다. 마이크로 컨트롤러는 별도의 마이크로 프로세서, 메모리 및 입력/출력 장치를 사용하는 설계에 비해 크기와 비용을 줄여 훨씬 더 많은 장치 및 프로세스를 디지털 방식으로 제어할 수 있습니다. 비디지털 전자 시스템을 제어하는 데 필요한 아날로그 구성 요소를 통합하는 마이크로 컨트롤러가 널리 사용됩니다. 사물 인터넷의 맥락에서 에지 장치인 마이크로 컨트롤러는 물리적 세계를 수집, 감지 및 제어하는 저렴하고 널리 사용되는 수단입니다.

낮은 전력 소비를 위해 일부 마이크로 컨트롤러는 4비트 워드를 사용하고 4kHz(한 자릿수 밀리와트 또는 마이크로와트)의 낮은 주파수에서 작동할 수 있습니다. 일반적으로 버튼 누름 또는 기타 인터럽트와 같은 이벤트를 기다리는 동안 기능을 유지할 수 있습니다. 절전 모드 중 전력 소비(CPU 클럭 및 대부분의 주변 장치 꺼짐)는 나노와트만큼 낮을 수 있으므로 수명이 긴 배터리 구동 애플리케이션에 적합합니다. 다른 마이크로 컨트롤러는 더 높은 클록 속도와 전력 소비로 디지털 신호 프로세서(DSP)처럼 작동해야 하는 성능에 중요한 기능을 제공할 수 있습니다.

1969년 최초의 멀티칩 마이크로프로세서인 Four-Phase Systems AL1과 1970년 Garrett AiResearch MP944를 만드는 데 여러 MOS LSI 칩이 사용되었습니다. 1971년에는 단일 MOS LSI 칩에 최초의 단일 칩 마이크로프로세서인 Intel 4004가 출시되었습니다. 페데리코 파긴(Federico Faggin)은 인텔 엔지니어 마르시안 호프(Marcian Hoff)와 스탠 마조르(Stan Mazor), 부시콤(Busicom) 엔지니어 시마 마사토시(Masatoshi Shima)와 공동으로 실리콘 게이트 MOS 기술을 활용해 제작했습니다. 4비트 Intel 4040은 8비트 Intel 8008과 8비트 Intel 8080으로 이어졌습니다. 기능적인 시스템을 만들기 위해 이러한 각 CPU에는 메모리 및 주변 장치 인터페이스 칩을 포함하여 여러 개의 추가 칩이 필요했습니다. 따라서 1970년대에는 전체 시스템 비용이 수백 달러에 달했기 때문에 평범한 가전제품을 저렴하게 전산화하는 것이 불가능했습니다.

1975년에는 MOS Technology의 100달러 미만의 마이크로프로세서인 6501 및 6502가 출시되었습니다. 그들의 주요 목표는 이러한 비용 장벽을 낮추는 것이었지만 이러한 마이크로프로세서는 여전히 외부 지원, 메모리 및 주변 칩이 필요했기 때문에 전체 시스템 비용이 수백 달러에 달했습니다.

책에 따르면 1971년 TI 엔지니어인 Gary Boone과 Michael Cochran이 최초의 마이크로 컨트롤러를 만들었습니다. 1974년에는 그들의 노력의 산물인 TMS 1000이 상용화되었습니다. 읽기 전용 메모리, 읽기/쓰기 메모리, 프로세서 및 클록을 임베디드 시스템을 위한 단일 칩에 통합했습니다. RAM과 ROM을 단일 칩의 CPU와 결합했습니다. 이 칩은 결국 10억 개 이상의 PC 키보드에 사용될 것입니다. 당시 인텔의 사장이었던 루크 J. 발렌터(Luke J. Valenter)는 마이크로컨트롤러가 회사의 가장 성공적인 제품 중 하나였으며 마이크로컨트롤러 사업부의 예산을 25% 이상 늘렸다고 말했습니다.

이 당시에는 대부분의 마이크로 컨트롤러가 동시 변형을 가졌습니다. 하나는 EPROM 프로그램 메모리와 패키지 뚜껑에 투명한 석영 유리가 장착되어 있어 자외선에 노출되어 지워질 수 있었습니다. 이러한 지울 수 있는 칩은 프로토타이핑에 사용되는 경우가 많았습니다. 다른 옵션은 마스크 프로그래밍 가능 ROM 또는 한 번만 프로그래밍할 수 있는 PROM이었습니다. 후자의 경우 일회성 프로그래밍 가능을 의미하는 OTP가 때때로 사용되었습니다. OTP 마이크로 컨트롤러에서 PROM은 종종 EPROM과 동일한 유형이었습니다. 그러나 칩 패키지에는 석영 창이 없었기 때문에 EPROM을 닦을 수 없었습니다. 지울 수 있는 버전은 석영 창이 있는 세라믹 포장이 필요했기 때문에 저렴한 비용으로 불투명 플라스틱으로 포장할 수 있는 OTP 버전보다 훨씬 비쌌습니다. 지울 수 있는 변형의 경우 유리가 크게 불투명한 UV 광선에 대한 투명성 때문에 저렴한 유리보다 석영이 필요했습니다. 그러나 세라믹 포장 자체가 주요 비용 차별화 요소였습니다.

1993년 EEPROM 메모리의 발명으로 마이크로컨트롤러(Microchip PIC16C84로 시작)가 가능해졌고 다른 회사들도 신속하게 그 뒤를 따랐으며, 두 가지 종류의 메모리를 모두 제공했다.

오늘날 마이크로 컨트롤러는 저렴하고 애호가가 쉽게 사용할 수 있으며 특정 프로세서에는 거대한 온라인 커뮤니티가 있습니다.

2002년에는 전 세계적으로 판매된 모든 CPU의 55% 이상이 8비트 마이크로컨트롤러와 마이크로프로세서였습니다.

선진국의 일반적인 거주지에는 범용 마이크로 프로세서가 4 개에 불과하지만 약 30 개의 마이크로 컨트롤러가 포함될 수 있습니다. 일반적인 중형 차량에는 약 30개의 마이크로컨트롤러가 있습니다. 또한 세탁기, 전자레인지, 휴대폰 등 다양한 전기 기기에 사용됩니다.

8비트 부문은 역사적으로 MCU 시장을 지배해 왔습니다 [..]. 2011년에는 16비트 마이크로컨트롤러가 처음으로 8비트 장치를 제치고 가장