안녕하세요! 저는 STEM 12기 활동 중인 배재혁입니다. 저는 제가 STEM 회원분들 앞에서 진행했던 세미나 내용을 STEMentor에 소개하고자 해요. 누구나 한 번쯤 들어보았고, 미래 기술로 많은 주목을 받는 VR 기술의 현재와 미래에 대해서 알아보는 시간을 가져 보아요!
VR이란 무엇일까?
먼저, VR이라는 용어를 정리하려고 해요. 흔히들 이야기하는 VR과 AR에 대해서 간단하게 비교해 볼게요. VR은 Virtual Reality의 약자로, 현실 공간과 차단된 상태에서 가상공간을 보여주는 기술이에요. 현실 공간과 차단해야 하므로 반드시 headset이나 smart glasses와 같은 기기가 필요해요. VR 기술의 목표는 현실과 단절된 가상에서의 몰입이라고 볼 수 있고, 높은 몰입도를 바탕으로 엔터테인먼트 분야에서 활발하게 활용되요.
반면, AR은 Augmented Reality의 약자로, 현실 세계의 요소들을 가상의 이미지와 정보로 가공하여 제공하는 기술이에요. AR 기술의 표현 방식은 여러 가지가 있는데, headset이나 smart glasses를 사용하는 방식도 있고, Holographic display나 다른 기술을 사용하기도 해요. 특히, 포켓몬 고와 같이 모바일 기기의 앱을 통해서도 AR을 표현할 수 있어요. AR 기술의 목표는 현실과 가상 세계와의 상호작용이라고 볼 수 있고, 현실성을 바탕으로 내비게이션, 카메라 어플 스티커 등 일상 생활에서 활발하게 활용되죠.
이렇게 VR과 AR 기술은 각각 몰입도와 현실성이라는 목표를 가지고 발전해가고 있어요.
VR, AR을 합쳤다는 개념으로 MR이라는 용어도 등장했는데, MR은 Merged Reality의 약자에요. 이 기술은 현실과 가상 세계가 상호 작용할 수 있는 기술을 의미해요. 현실의 물체와 가상의 물체를 한 번에 컨트롤한다는 점에서 차별점을 두고 있는데, VR, AR 기술이 발전하면 자연스럽게 뒤 따라 나올 기술이에요.
현재 연구되고 있는 VR 기술
다음으로는, 현재 중점적으로 연구되고 있는 VR 기술에 관해서 설명할게요.
VR 기술의 핵심 목표가 몰입감인 만큼, 시각적으로 몰입감을 높이는 데 많은 연구가 이루어지고 있어요. 한편으로는 시각뿐만 아니라, 우리의 오감을 이용해서 VR의 몰입감을 더욱 높이는 연구가 이루어지고 있어요. 마지막으로는, 몰입도 높은 가상현실 환경을 생성하고, 이를 시뮬레이션하는 기술도 연구되고 있어요.
그중에서도, 이번 글에서는 시각적으로 몰입감을 높일 수 있는 VR 디스플레이의 원리에 대해서 간단히 말해 볼게요.
VR 디스플레이의 원리
VR 디스플레이의 기본 원리는 Binocular Disparity, 즉 양안 시차를 이용하는 것이에요. 위 그림을 보시면, 왼쪽 그림처럼 왼쪽 눈과 오른쪽 눈이 각각 물체의 위치가 조금씩 다른 이미지를 인식하면, 이를 통해 오른쪽 그림처럼 양쪽 안구의 수정체 각도가 달라져요. 이렇게 수정체의 각도가 바뀌는 현상을 Vergence라고 하고, 수정체의 각도에 의해 인식한 물체의 거리를 Vergence Depth라고 해요.
이처럼 기본적인 양안 시차를 이용해서 VR 디스플레이를 간단하게 만들 수 있는데, 이를 이용한 제품에는 핸드폰을 장착하여 사용하는 Samsung gearVR이나, 종이로도 만들 수 있는 간이 VR 장치 등이 있어요.
현재 VR 디스플레이의 문제점
하지만, 양안 시차만을 이용한 VR 디스플레이는 몰입감을 주는 데 한계가 있어요. 왼쪽 그림에서 보신 것처럼 VR 디스플레이는 물체의 거리와 상관없이 반드시 하나의 거리에 고정된 이미지를 제공해요. 실제 물체의 거리와 제공된 이미지 사이의 거리 차이가 나면, 시각적인 피로감을 일으키고 멀미나 어지러움을 유발해요. 우리가 흔히 VR 기기를 쓸 때 어지러운 이유가 여기에 있어요.
문제점을 해결할 수 있는 VR 디스플레이 기술
이를 해결하는 방안 중 하나로, Dynamic Focus Display를 사용할 수 있어요. 위 그림의 왼쪽 그림에 보이는 것처럼, Dynamic Focus Display는 양안 시차에 의해 인식한 거리인 stereoscopic distance와 동일하게 제공할 이미지의 허상을 이동시켜요. 이때, VR display의 위치는 고정하고, Focus tunable Lens라고 하는 초점을 바꿀 수 있는 디스플레이 앞에 삽입하여, VR 디스플레이의 허상을 앞서 말한 stereoscopic distance로 이동시켜요. Focus tunable Lens를 넣은 VR 기기의 옆면 모습을 오른쪽 그림에서 보여주고 있어요.
또한, VR 디스플레이가 현실과 차단된 가상세계만을 보여준다는 단점을 극복하고자, VR 기기 외부에 달린 카메라로 현실 세계의 영상을 실시간으로 찍고, 이를 렌더링 하여 디스플레이에 띄우는 방식이 연구되고 있는데, 이를 Video see-through display라고 해요. 결과적으로, 우리 눈으로 보는 현실 세계를 그대로 디스플레이에 담아낼 수 있으니, AR과 같은 기능을 하는 VR 기기를 만들 수 있는 것이죠.
마지막으로, 사용자의 동공을 Pupil tracker로 인식해서 시선의 방향을 추적하고, 이를 이미지 렌더링에 사용하는 기술이 있어요. 이를 Gaze-contingent display라고 부르고 있어요. 이를 구현하기 위해 한 가지 장치를 더 사용하는데, ToF Camera를 사용해요. ToF Camera는 "Time-of-Flight Camera"의 줄임말로, 현실 세계의 영상뿐만 아니라 현실 세계 각 부분과 눈까지의 거리까지 측정해줘요.
Gaze-contingent display는 시선의 방향에 따라 그에 해당하는 적절한 이미지를 렌더링 해서 VR 디스플레이에 띄우는 방식이에요. 이를 위해서 앞에서 말씀드렸듯이, Pupil tracker로 동공을 추적하고, ToF Camera로 외부 환경의 영상과 거리 정보까지 획득해요. 이를 통해 현재 시선이 어느 거리의 물체를 바라보고 있는지 알 수 있고, 이를 Accommodation depth라고 해요. 그 이후 과정은 앞서 말했던 것처럼, 렌더링한 이미지를 Focus tunable Lens를 활용해 이미지의 허상을 Accommodation depth로 이동시키는 과정을 거쳐요.
이렇게 되면, 시선의 변화에 따라 실시간으로 적절한 이미지를 제공할 수 있어, 더 몰입감 있는 VR 디스플레이를 구현할 수 있어요.
미래의 VR 기술
끝으로, VR 기술의 미래에 대해서 말해보려고 해요. 앞서 말씀드린 대로, VR 기술과 AR 기술은 서로 다른 목적을 극대화하는 방향으로 발전해 나가고 있어요. VR 기술의 경우를 먼저 이야기하면, 위 그림의 왼쪽 그림과 같이 저렴하고 성능이 괜찮은 VR 기기가 나오면서 VR 기기의 상용화가 빠르게 진행되고 있어요. 여기에는 코로나로 인해 집에서 할 수 있는 활동을 더 찾게 된 점도 영향을 주고 있어요.
또한, AR 기술의 경우 아직 상용화 단계를 논할 시기는 아니에요. 하지만 위 그림의 오른쪽 그림과 같이 기업용으로는 사용성을 극대화한 AR 기기가 개발되고 있고, 계속된 기술 발전이 이루어지고 있어요. 미래에 어떤 모습으로 AR 기기를 만나볼 수 있을지 기대가 되요.
VR, AR 기술은 미래의 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있고, 결국 언젠가 미래에는 시장을 주도할 기술이 될 거에요. 그래서 VR, AR 기술에 좀 더 관심을 두시면 하는 바람으로 글을 마칠게요.
VR 기술의 현재와 미래에 대한 이번 포스팅은 여기까지입니다!! 긴 글 읽어주셔서 감사하고, 다음에 기회가 된다면 다른 주제로 찾아뵙도록 하겠습니다!!
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