목 차 >>> 1. 서 론
2. 가상현실 핵심 요소기술 3. 가상현실 적용 사례 4. 결 론
(그림 1) 가상현실의 다양한 응용 분야
1. 서 론
가상현실이란 컴퓨터를 이용하여 만들어낸 가공 의 상황이나 환경을 사람의 감각기관을 통해 느끼 게 하여 사용자가 몰입감을 느끼고 상호작용하게 하는 기술을 말하며, 최근 산업계 현장에서 이러한 가상현실 기술의 적용이 계속해서 증가하고 있는 추세이다. 특히 제조 산업분야에서 가상현실 기술 은 작업 환경이 위험하거나 기술 교육 여건이 용이 하지 않은 상황에서 실감나는 환경을 제공함으로써
저비용, 고효율의 산업 생산 신규인력 훈련에도 활 용되고 있다[1]. (그림 1)은 가상현실의 다양한 응용 분야를 보여준다. 본 논문에서는 산업현장에서의 가상현실 적용 사례를 통하여, 핵심 기술요소와 향 후 응용분야를 제시하고자 한다.
2. 가상현실 핵심 요소기술
가상현실은 참여자를 가상현실세계에 몰입시 키고, 가상현실세계에서의 상호작용을 통하여 다 른 참여자나 가상현실세계를 변화시키는 과정으 로 진행된다[2]. 특히, 게임 분야는 가상현실 기술 을 가장 잘 수용할 수 있는 분야로 삼차원 그래픽 스 기술을 중심으로 그 적용이 확대되어 가고 있 다. 가상현실의 핵심 요소기술은 삼차원 디스플 레이 기술, 삼차원 상호작용 기술, 가상환경 관리 기술 그리고 공유가상환경 기술로 구분된다.
2.1 삼차원 디스플레이 기술
가상현실에서의 삼차원 디스플레이 기술은 가 이영민 (에이알비전(주))
산업현장에서의 가상현실 적용 사례
(그림 2) 영화 “마이너리티 리포트”의 한 장면.
가상환경을 가상 감각을 통하여 인지하고 임의의 정보를 디스플레이한다.
상환경을 가상 감각을 통하여 인지하고 디스플레 이하는 기술을 의미한다. 이 기술은 가상환경이 디스플레이 될 정보를 표현하고 생성하는 모델링 기술, 그리고 모델링 된 정보를 참여자의 감각기 관에 제시하기 위하여 디스플레이 장치에 정보를 전달하는 렌더링 기술 그리고 실제 감각기관에 렌더링 된 정보를 제시하는 디스플레이 하드웨어 기술로 구성된다. 이러한 디스플레이 기술을 통 하여 전달되는 감각에는 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 그리고 운동감이 있으며 각각 시각 정보를 위한 삼차원 그래픽스 기술, 청각 정보를 위한 삼 차원 사운드 기술, 운동감 및 촉각 정보를 위한 Force Feedback 기술[3], 후각 및 미각 생성기술 그리고 운동감 재현 기술이 있다.
2.2 삼차원 상호작용 기술
삼차원 상호작용 기술은 참여자의 의도를 가상 세계에 반영하기 위한 기술로 참여자로부터 입력을 받아 가상환경과 상호작용 하도록 하는 기술이다.
이 기술은 실제 입력을 받기 위한 하드웨어 기술과 함께 아바타가 가상환경과 갖는 상호작용에 대한 정의와 그들의 매핑에 관련된 기술이며, 이는 가상 세계를 사용자에게 어떠한 개념적인 형태로 제공하
여 상호 작용하게 할 것인가에 대한 메타포어에 관 련된 기술을 포함한다.
새로운 상호작용 장치와 기법과 함께 사실감 있 는 상호작용을 제공하는 데에 중요한 요소는 실제 가상세계에 영향을 미치는 조작과 정의 사실감이 다. 예를 들어 삼차원 공간으로 구성된 가상현실 세 계에서 참여자가 조작하는 아바타를 원하는 위치로 이동시키고 주변 환경을 잘 볼 수 있도록 카메라를 제어하는 방법이 자연스럽지 못한다면 그 가상현실 세계의 사실성이 낮아지는 것은 물론이고, 가상현 실 자체를 실현하기 어렵게 된다. 이러한 결과는 물 리적 장치의 조작을 바꾸어주는 매핑 과정이 자연 스럽지 못한 것이 주원인이다. 결과적으로 가상현 실 시스템이 제공하는 움직임과 사용자가 제어하는 움직임을 효과적으로 구분하여 생성하여야 한다.
상호작용 기술에 대한 연구는 초창기 기본적인 작업에 대한 모델링 및 실험을 바탕으로 대상 응용 에 특화된 상호작용 모델을 개발하고 적용하는 방 향으로 발전하고 있다. 또한, 향후 가상현실 환경에 서의 인터페이스 기술은 하나의 장치만이 아닌 여 러 장치와 방법을 복합하여 사용하는 방향으로 발 전할 것이다. 이를 통하여 각각의 상호작용에 적합 한 장치와 메타포어를 제공하고 몰입감을 높이게 될 것이다.
2.3 가상세계관리기술
가상세계 관리 기술은 가상현실 세계의 동적 표 현을 위한 시뮬레이션을 말한다. 가상세계의 시뮬 레이션은 그 정도에 따라 물리 시뮬레이션, 행위 시 뮬레이션, 지능 시뮬레이션, 감성 시뮬레이션으로 나뉜다. 가상현실 세계에서의 물리 시뮬레이션은 충돌 검사 및 반응, 이동 경로 생성이 주가 되며 이와 함께 비행 시뮬레이션, 운전 시뮬레이션 등과 같이 사실적인 운동을 생성하기 위하여도 사용된다. 행
위 및 지능 시뮬레이션은 대부분의 경우 미리 정하 여진 규칙에 기반을 둔 형태로 표현된다. 이러한 규 칙이 결과적으로는 가상현실 세계와 게이머의 상호 작용을 정의하게 되며, 이렇게 제공되는 상호작용 의 다양성과 사실성이 가상현실의 현실성을 높이게 된다. 일반적으로 상호작용의 다양성과 사실성을 모두 만족하는 것은 매우 힘들다.
가상세계관리는 대부분 게임 시뮬레이션의 형태 로 나타난다. 이는 게임세계를 시뮬레이션 하기 위 한 기술로 기본적인 물리학적인 역학계산을 통한 게임세계의 동적 현상의 표현과 함께 게임 인공지 능이라고 불리는 게임의 실제 진행에 관련된 게임 상의 NPC(Non-Player Character)등을 제어하는 기 술을 포함한다. 게임 인공지능이라 불리는 부분은 가상현실 기술 중 지능이나 감성을 시뮬레이션하는 부류에 속하며 이것은 게임의 기획과 시나리오 그 리고 지능적 에이전트를 시뮬레이션하기 위한 인공 지능 기술에 기반한다[4]. 이러한 기술은 각각의 게 임에 따라 경험적으로 모듈을 구성하는 경우가 대 부분이다.
최근 사실적 상호작용이 주가되는 가상현실 시 뮬레이션이 등장하면서 새로운 시도들이 이루어지 고 있다. 지능의 시뮬레이션과 함께 감성의 시뮬레 이션에 대한 시도와 궁극적으로는 몰입감 있는 서 사를 위한 시도들이 이루어지고 있다. 이러한 시도 들에는 간단한 규칙에서 발전하여 행위의 그룹에 대한 모델이나 학습을 통한 가상세계의 발전 기법 등이 있으며, 이와 함께 카메라의 능동적 제어나 음 향효과를 통한 사실적 시뮬레이션 환경의 제공기법 들이 사용된다.
2.4 공유가상환경기술
여러 참여자가 함께 참여하는 가상현실 시스템 의 경우 여러 참여자는 하나의 가상현실 세상에서
서로 상호작용을 하며 콘텐츠를 즐기게 된다. 이럴 때 각각의 참여자는 네트웍을 이용하거나 시간적인 간격을 이용하여 서로 공유하고 있는 가상현실 세 계에 변화를 가하거나 상태 아바타에 영향을 주게 된다. 이러한 가상현실 세계에서 공유 가상환경 기 술은 네트웍을 통하여 연결된 여러 참여자가 가상 현실 세계와 동시에 참여한 다른 참여자에 대하여 상호작용 할 수 있도록 공유되는 환경을 관리하는 기술이다. 이러한 기술은 일반적인 가상현실 기술 의 공유 가상환경 기술에 비교하여 볼 때 특정한 가 상현실 형태에 맞추어 구현하는 형태로 적용된다.
공유 가상환경에서는 항상성과 동시성을 유지하 면서 확장성을 갖는 것이 중요한 문제이다. 이러한 문제를 유발하는 요소에는 네트웍의 데이터 전달 지연 및 손실과 함께, 서로 다른 참여자가 사용하는 하드웨어의 차이에 인한 계산 속도의 차이 등이 있 으며, 결과적으로 위치 갱신, 물체의 인식, 그리고 부드러운 가상현실 콘텐츠 진행에 영향을 준다. 가 상현실에서의 공유 가상환경 기술은 네트워크 게임 및 서버관련 기술을 바탕으로 좀 더 다양한 상호작 용을 지원하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
3. 가상현실 적용 사례
가상현실 기술은 실제 상황을 실시간으로 재현 하고 그 환경과 상호작용 할 수 있도록 함으로써 실제 생활에 다양하고 방대하게 응용 가능하다.
본 논문에서는 대표적으로 알려진 가상현실 적용 사례[5] 및 전망에 대해 살펴보겠다.
3.1 의료 분야 - 정맥주사 시뮬레이터
정맥주사 실습 시뮬레이션 시스템은 햅틱 기술 을 이용하여 실습 대상이 없어도 스스로 주사 실습 을 할 수 있는 인터렉티브 의료 교육용 시스템이다.
(그림 3) 정맥주사 시뮬레이터의 실습 장면
이 시스템은 3D 입체영상과 사실적인 컴퓨터 그래 픽스 효과를 표현함으로써 실습자의 몰입감을 높여 줄 수 있으며, 실습자(예비 의사, 간호사, 응급구조 사)를 대상으로 정맥주사 실습의 질적 향상을 목표 로 하고 있다. 또한 정맥주사 실습을 위한 다양한 교 육용 콘텐츠도 제공하고 있다.
정맥주사 시뮬레이터 주요 기능은 크게 3가지로 구분할 수 있다. 첫째, 정맥주사 실습 시나리오에 따 른 다양한 교육용 콘텐츠를 제공한다. 이 기능에는 동영상 강의, 다양한 환자 케이스에 따른 정맥주사 실습, 정맥주사에 대한 기본지식 및 방법에 대한 문 제풀이 그리고 햅틱 디바이스의 공간감을 익힐 수 있는 다양한 게임 등이 있다. 둘째, 정맥주사용 주사 기의 역감을 제공한다. 그래픽 렌더링에 물리적 특 성을 적용하여 Force-Feedback 장치의 정확한 터치 감각을 지원한다. 마지막으로 개인별 정맥주사 실 습 평가지침을 제공한다. 실습자 개개인의 실습 일 정 및 과정을 보여줌으로써 개인별 평가 및 이력 관
리가 가능하기 때문에 체계적인 실습관리가 가능하 다. 이 시뮬레이터의 장점은 실습 효과를 향상시킬 수 있으며 실습자들의 정맥주사 실습 경험을 극대 화하고 비용 절감 효과를 거둘 수 있다. (그림 3)은 정맥주사 시뮬레이터의 실습 장면을 보여준다.
3.2 산업 분야 - 자동차 정비 시뮬레이터
자동차 정비 시뮬레이터는 가상현실을 이용한 자동차 정비 교육용 VR(Virtual Reality) 콘텐츠를 제작하여 정비 현장에서 고장 유형별 조치방법을 가상현실 환경에서 교육/학습/훈련할 수 있는 솔루 션이다. 이 솔루션은 자동차 3D CAD 데이터를 변 환하여 자동차 구조 3D 모델을 제작한다. 웹 상에서 도 가볍게 핸들링 할 수 있도록 기존 CAD 데이터 용 량의 1/100 수준으로 데이터를 변환한다. (그림 4) 는 자동차 3D Data 생성 방법을 보여준다.
(그림 4) 자동차 3D Data 생성 방법
이 시스템은 3D viewer panel 기능, 콘텐츠 생성 기능, 콘텐츠 시뮬레이션 기능으로 구성된다. 3D viewer panel 기능은 3D 구성품을 시각화하는 창으 로 실시간 렌더링을 통하여 사용자에게 가시화한 다. 또한, pan, obit, zoom 등의 기본 네비게이션 기 능을 이용하여 구성품을 컨트롤한다. 콘텐츠 생성 기능에서는 정비 절차 시 구성품의 분해/조립 시뮬 레이션을 간단한 조작으로 생성하고 정비 항목별로 정비 업무를 생성하고 업무에 해당하는 구성품의 분해/조립절차를 생성한다. 또한, 조립은 분해의 역 순으로 저장된다. 콘텐츠 시뮬레이션 기능은 생성 된 절차를 3D 환경에서 실제 시뮬레이션을 할 수 있 다. (그림 5)는 위의 3가지 기능에 대한 각 실행 화면 을 보여준다.
3.3 안전교육 분야 - 소방훈련 시뮬레이터
소방훈련 시뮬레이터는 가상환경에서 화재를 재 현, 체험 및 소방 훈련을 수행할 수 있는 실감영상기 반 소방안전 대응 훈련 시뮬레이터이다. FDS(Fire Dynamics Simulator) 데이터를 활용한 사실적인 화 재현상 시뮬레이션 및 가시화가 가능하여 소방 훈 련 효과를 극대화할 수 있으며, 화재 종류별 체험/
대응 등 모의훈련이 가능한 시뮬레이터이다. 화재
위험도가 높은 대형 소방대상물 화재 발생 시, 그 대 피경로의 파악, 진화 훈련과 같은 전문지식 습득이 나 신속한 의사결정을 위한 소방 훈련에 활용하여 소방관 안전 및 재난 대처 능력 향상을 목표로 한다.
도로 터널용 소방 훈련 시뮬레이터는 토로터널 사고를 통해 발생된 매연 및 기타 유독성 가스 흐름 을 사실에 근거로 묘사해 소방관 또는 운전자가 가 상의 환경에서 안전하게 피난 인명구조, 소방 활동 등의 훈련을 수행할 수 있도록 한 시스템이다. 이 시 스템의 주요 기능으로는 화면제어, 시점 전환, 이동 경로 가시화 등의 시뮬레이션 제어, 화재 진압 수행 및 인명 구조 등의 화재 소방 훈련, 화염 농도 및 투명 도 조절 등의 FDS 가시화 기능 등이 있다. (그림 6)은 소방훈련 시뮬레이터의 주요 장면들을 보여준다.
3.4 군사훈련 분야 - 특수전 가상 집단훈 련 시뮬레이터
특수전 가상 집단훈련 시뮬레이터는 최신의 IT(Information Technology) 및 VR(Virtual Reality) 기술, 전자제어 기술, 광학기술이 탑재되는 가상 전 장 기반의 모의훈련 시스템이다. 이 시스템은 동작 인식 센서, 모의총기, HMD 등을 이용한 가상현실 기반 모의 군사훈련으로, 특수작전 분야, 대 테러작
(A) 3D viewer panel 기능
(B) 콘텐츠 생성 기능
(C) 콘텐츠 시뮬레이션 기능 (그림 5) 자동차 정비 시뮬레이터의 실습 장면
전 분야 및 사격훈련 등의 다양한 임무를 가상현실 기반의 훈련 콘텐츠를 활용, 개인/팀별 임무수행절 차 및 팀워크 향상과 전술능력을 배양하기 위한 모 의훈련을 할 수 있다.
이 시스템은 크게 특수작전과 대테러작전으로 나누어진다. 첫째, 특수작전은 수행임무 단계별로
침투 및 기동, 교전 시 대응, 정찰 및 감시, 직접 타격, 항폭유도 및 BDA 결과보고, 임무 수행 시 우발상황 부여 모의 등이 있다. 대테러작전에는 시설물 검색 및 점령, 내부 소탕, 인질 구축, 요인 경호, 저격수 운 용 및 사격이 있다. 예를 들어, 특수작전 중 침투 및 기동에서는 훈련자가 가상의 자형과 환경을 고려,
(A) 시뮬레이션 기능
(B) 화재 소방훈련 기능
(C) 열기 체험 및 실감 영상
(D) 네트워크를 통한 팀훈련 (그림 6) 소방훈련 시뮬레이터의 주요 장면
(A) 가상의 특수작전 중 침투 장면
(C) 훈련자 신체특성 반영을 위한 화면 (D) 네트워크를 통한 팀훈련 (그림 7) 특수전 가상 집단훈련 시뮬레이터의 주요 장면
가용한 방향으로 침투 및 기동이 가능하도록 가상 전장 환경을 제작해야 한다. 또한, 조이스틱을 이용 하여 아바타의 임직임을 조정해야 하며 아바타의 자연스러운 움직임을 표현하기 위하여 모션 캡쳐 데이터를 이용한다.
4. 결 론
본 논문에서는 가상현실 기술을 기반으로 교 육, 훈련 등에 활용되는 산업현장에서의 적용 사 례를 제시하였다. 다양한 가상현실 적용 분야들 에 비해 산업현장에서의 적용 분야들이 가지는 특수성은 실제 생상 현장에서 활용될 수 있도록 실세계 데이터를 기반으로, 보다 정교하고 현실 가있게 재현하여야 하며 도출된 결과의 신뢰도가 높아야 한다는 점이다. 이를 위해서는 정밀도 높 은 3D 시뮬레이션 기술을 바탕으로 효과적인 실 세계 데이터 정보 취득 기술과 고해상도 몰입형 가시화 기술 및 상호작용 기술의 확보가 필수적 이다. 이는 디지털 콘텐츠 산업과 융합하여 가상 현실 기술의 파급 효과 뿐만 아니라 신개념의 디 지털 콘텐츠, 휴먼 인터페이스 등의 제품이 창출 되어 다양한 산업 분야에서 고수익 사업의 시너 지 효과를 극대화 할 것으로 전망된다.
참 고 문 헌
[ 1 ] ETRI, 산업 적용성 가상현실 기술, 2011년 2월.
[ 2 ] 한국콘텐츠진흥원, 게임백서 - 가상현실 기술, 2003년, pp.746-790.
[ 3 ] V. Vuskovic, M. Kauer, G. Szekely, M. Reidy,
"Realistic force feedback for virtual reality based diagnostic surgery simulators", IEEE International Conference on ICRA'00, 2000, pp.1592-1598.
[ 4 ] M. Zyda, "Form visual simulation to virtual
reality to games", Computer, vol. 38, Issue 9, 2005, pp.25-32.
[ 5 ] http://www.ar-vision.com
저 자 약 력
이 영 민
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이메일 : [email protected]
∙ 1984년 숭실대학교 전산학과(학사)
∙ 1986년 숭실대학교대학원 전산학과(석사)
∙ 2000년 한국과학기술원 전산학과(박사)
∙ 1986년~2000년 국방과학연구소 선임연구원
∙ 2002년~2003년 충남대학교 겸임교수
∙ 2000년~-현재 에이알비전(주) 대표이사
∙ 관심분야 : 증강현실, 가상현실, 그래픽스, 영상처리, 모델링 & 시뮬레이션
