In Watching 3D Stereoscopic Display Using the Binocular Disparity, the Effect of Pupillary Distance of Adults and Children on the Perception of 3D Image

(1)

양안시차를 이용한 3D 입체영상 장치의 시청에 있어 성인 및 아동의 동공간거리가 미치는 영향

강석현·홍형기

서울과학기술대학교 안경광학과

투고일(2011년 7월 20일), 수정일(2011년 8월 23일), 게재확정일(2011년 9월 17일)

···

목적: 양안시차를이용한 3D 입체영상 시청(관람) 시성인과아동의 동공간거리의 차이가심도지각에 미치는영 향을분석하였다. 방법:성인의동공간거리는기준동공간거리로설정하고, 아동의동공간거리는초등학교저학년을 대상으로측정한표본의분석값으로설정하였다. 이렇게설정된동공간거리값에따른양안시차(binocular disparity)

와교차점의 위치(crossing location) 관계를 분석하였다. 결과: 설정된 동공간거리값은 아동이 57.3 mm로성인의

65 mm^보다^작았다. ^{양안시차가} (+)^방향으로^증가할^때^교차점의 ^위치는^스크린^뒤로 ^멀어지며^가파르게 ^증가한다.

또한 (⁻)^방향으로^시차량이 ^증가할^때^교차점의 ^위치는 ^스크린^앞으로 ^멀어지며^완만하게 ^증가한다. ^성인과 ^아동,

두집단 간 교차점위치의 차이(difference of crossing locations)^는^{양안시차가} (⁻)^방향일 ^때^보다 (+)^방향일 ^때^크

게나타난다. ^즉^동일한^{양안시차에} ^대하여^아동은^성인에 ^비해^근치감과 ^원치감이 ^더^크게 ^느껴질^것으로 ^예상할

수있다. ^결론:^동일한^양안시차 ^조건의 3D ^{입체영상을}^시청(^관람) ^시^아동이^느끼는^입체감은^성인에^비해 ^깊이감

이더크다. 그러므로 3D 입체영상 제작 시아동의동공간거리를 고려한양안시차설정이 필요하다.

주제어:입체 영상, 입체영상 장치 3D, 동공간거리, 양안시차

···

서 론

3D

^{입체영상의}^원리^[1]^및^이를^구현하는^방법에^대한^연

구는 오래전부터 진행되어 왔다^[2-4]

.

^최근 ^들어

3D

^입체

영화의확산을통해

3D

^{입체영상에} ^대한^관심은^점차^증

가하고있다^[5]

.

^전^세계^흥행

1

^위였던^영화

‘

^아바타

(Avatar,

2009)’

^는^{국내에서도}^관객^수

1357

^만^명을^동원하며 ^한국

영화의

‘

^괴물

(2006)’

^을^밀어내고^현재까지 ^국내^역대^최고

흥행작으로기록되어있다

.

^이러한

3D

^{입체영상의}^열풍은

가전업계에도 이어져 최근 특수안경을 착용하는 방식의

3D TV

^의^상용화가 ^{본격적으로}^{시작되었다}

. 3D TV

^시장

규모는 지난해

(2010

^년

) 420

^만 ^대였으며

,

^올해

(2011

^년

)

2340

^만 ^대

, 2015

^년에는

1

^억

5920

^만 ^대로^가파르게^성장할

것으로예상된다^[6]

.

기존의

3D

^{입체영상은} ^실감나는 ^입체감을 ^구현하기^위

해블록버스터 영화를중심으로 집중되었지만

,

^최근에는

스포츠

,

^{다큐멘터리}

,

^교육용^{애니메이션}^등^콘텐츠가 ^다양

하게활성화되어다양한시청자층을 형성하고있다

.

^또

한과거영화관에서만누릴수있었던

3D

^{입체영상이}

TV

에서도 구현되고 다양한콘텐츠의보급이확대되면서

3D

입체영상매체를이용하는인구가낮은연령대까지확대되 고 있다

.

3D

^입체영상^원리의^발견과^연구는 ^꽤^오래 ^전부터^진

행되어왔으나대중의관심속에관련제품

(TV,

^스마트폰

,

게임기 등

)

^이 ^쏟아져^나온 ^것은^불과

2

^년이^채^안되었다

. 3D

^시장 ^규모의^확대와 ^더불어

3D

^{입체영상매체에} ^대한

안전성 문제도제기되고 있다^[7]

.

^이와^같이

3D

^입체^효과

를 내는 하드웨어와 소프트웨어 분야에대한 연구 뿐만 아니라

3D

^{입체영상이}^우리 ^인체에^미치는^영향

,

^즉 ^휴먼

팩터

(human factor)

^에^관한 ^연구도^진행 ^중이다^[8-10]

. 3D

^{입체영상은}^{양안시차를}^이용하여^깊이감^조건을^만

들기때문에입체감을느낄수있다^[1]

.

^이^때^중요한^변수

로작용하는것이동공간거리

(PD, pupillary distance)

^이다

.

^현

재

3D

^입체영상 ^장치 ^제작에 ^관련된 ^{업계에서는} ^성인의

동공간거리

65mm

^가 ^{일반적으로}^사용되고 ^있다^[3]

.

^동공간

거리가 달라지면입체감도달라지고

,

^{동공간거리는}^연령

,

성별

,

^인종^등에 ^따라^다양한^분포를^가진다고 ^알려져^있

다^[11,12]

.

^영화

‘

^아바타

(Avatar, 2009)’

^이후 ^국내에서 ^상영

교신저자 연락처: 홍형기, 139-743 서울특별시 노원구 공릉2동 172번지 서울과학기술 대학교 안경광

TEL: 02-970-6232, FAX: 02-971-2852, E-mail: [email protected]

<초청논문>

(2)

된국외

3D

^입체영화 ^총

34

^편^가운데

22

^건이^{영상물심의}

위원회로부터

‘

^{전체관람가}

’

^등급을^판정받아^[13]

,

^성인과^아

동이함께

3D

^{입체영화를} ^보는^일이^흔해졌다

.

^이렇게^아

동의

3D

^입체영화^시청이^증가하는 ^상황에서^아동의

3D

입체영상시청에대한고려가필요하다

.

^본^{논문에서는}^서

울지역에 거주하는초등학교 저학년아동의동공간거리 의분포를측정하고

,

^이를^이용하여^성인과^아동의^동공간

거리의 두조건에서 양안시차

(binocular disparity)

^와^심도

지각과의 관계를수치화하여분석하고자 한다

.

이론 및 원리

1. 양안시차를 이용한 3D 입체영상의 원리

인간은외부의사물에대해상대적인 거리감을 느낄수 있다

.

^이것은^인간이^좌우^나란히^두^개의^눈을^가지고^있

기때문이다

.

^두^눈의^간격

,

^즉^{동공간거리에}^의해^양안시

차가발생하여 미세하게 다른각도의 두영상이 각각좌 안과우안의망막에투영된다

.

^좌우안의^미세하게^다른^두

이미지는하나의포개진영상으로합쳐지며입체감을느끼 게된다

.

^이를 ^입체시

(stereoscopic vision

^또는

stereopsis)

^라

한다^[1,4]

.

양안시차를이용하면

2D

^영상으로

3D

^{입체효과를}^낼^수

있다

.

^미세하게^다른 ^각도

(

^시차

)

^의^이미지가 ^그려진^평평

한두 영상을편광 등의 방법으로좌안과 우안의망막에 투영된다고하자

.

^이^때^두^영상의^비슷한^부분

(

^고시점

)

^과

망막중심와를 이은좌우안두선분

(

^시축

, visual axis)

^에서

각고시점을하나로융합

(flat fusion)

^하기^위해^두^눈이^미

세한각도로폭주와개산을한다

.

^두^고시점을^융합하여^교

차점

(crossing location)

^을^이루면^망막에 ^투영된^이미지 ^중

고시점에해당하는부분

(

^망막^대응점

, retinal corresponding point)

^이^{포개지면서}

(

^중심와^융합

, foveal fusion)

^입체감을

느끼게된다

.

^이런^원리로^평평한^스크린에^표시된^영상을

입체감있는영상으로인식할수있는데현재

3D

^영화관

,

3D TV

^가^이러한^{양안시차를} ^이용한다

.

입체감은크게원치감

(perception of far distance)

^과^근치

감

(perception of close distance)

^으로^나눌^수^있다

.

^원치감

과근치감은절대적인것이아니라양안시차를둔각각의 이미지에 대해상대적이다

.

^본^{논문에서는} ^원치감과 ^근치

감의기준을 스크린으로정하였다

.

Fig. 1(a)

^에서는^두^눈의^시축

(visual axes)

^이^스크린의^양

안시차를가지는좌안과우안에대응되는영상각각의고 시점

A

^를^지날^때

,

^두^시축은^스크린^뒤에서^교차한다

.

^이

때망막중심와에서고시점에대응하는이미지가포개진다

.

이때고시점은교차점

(crossing location)

^의^위치만큼^스크

린보다 들어가 보이는데 이를 원치감이라 한다

.

^반대로

Fig. 1(b)

^와^같이 ^두^시축이^스크린^앞에서^교차하면 ^응시

하고있는고시점은스크린앞의교차점위치만큼튀어나 와 보이는데이를 근치감이라한다

.

^{양안시차가}^증가하여

스크린 상의좌우 두고시점 간의 거리가커지면 교차점 의 위치는스크린으로부터 멀어져입체감이커진다고 할 수 있다

.

2. 동공간거리(PD)에 따른 교차점의 위치

3D

^관련^콘텐츠가^{다양화되면서}^성인과^아동이^함께^가

정에서

3D TV

^를^{시청하거나} ^{영화관에서}

3D

^{입체영화를}

관람하는 경우가많아졌다

.

^이^때 ^시청

(

^관람

)

^거리와 ^영상

의시차등의조건이같은환경이라하더라도 동공간거리

Fig. 1. Principle of stereoscopic vision. (a) Perception of the far distance and (b) Perception of the close distance.

Fig. 2. The difference of the crossed locations by the different PD values at the same binocular disparity. (a) Perception of the far distance and (b) Perception of the close distance.

(3)

의조건이달라지면입체감도다르게느껴질수있다

. Fig.

2

^는^{동공간거리가}^다른^두^시청

(

^관람

)

^자^가^동일한^거리에

서동일한시차의

3D

^{입체영상을}^시청

(

^관람

)

^할^경우^동공

간거리의 차이에따른 교차점의위치변화를보여준다

.

Fig. 2(a)

^에서는^양시축의^교차점이^스크린^뒤에^위치할^경

우를보여주고있다

.

^동일한^시차량에^대해^{동공간거리가}^작

아지면교차점이

A

^에서

A'

^로^변하는^것을^보여준다

.

^즉^동

공간거리가상대적으로작을수록원치감은커진다고볼수

있다

. Fig. 2(b)

^와^같이^양시축의^교차점이^시청

(

^관람

)

^자와^스

크린사이에위치할때

,

^{동공간거리가}^{상대적으로}^작을수록

교차점은스크린으로부터멀어지는경향을보인다

.

^동시에

교차점이시청

(

^관람

)

^자에^{가까워지며}^{상대적으로}^근치감이

커진다고볼수있다

.

^그러므로^현재^양안^시차의^원리를^이

용한

3D

^입체영상^장치의^경우

,

^성인을^기준으로^제작되는

3D

^{입체영상을}^{동공간거리가}^{상대적으로}^작은^아동이^시청

할때성인과다른입체감을느끼게된다^[12]

.

3. 양안시차에 따른 교차점의 위치 변화^[3,14]

일반적으로입체감은스크린과양시축의교차점

(crossing location of two visual axes)

^간^거리에^의해서^결정되고

,

^교

차점의위치

(crossing location)

^는^시차의^값에^의해^결정된다

.

도식화된

Fig. 1

^을

Fig. 3

^과^같이^{좌표평면에}^작도하여^양안

시차

(binocular disparity)

^와 ^교차점의 ^위치

(crossing location)

의관계를수치화할수있다

.

^{스크린으로부터}^양시축의^교

차점까지의거리

,

^근치감

,

^원치감의^시차량를^수치화^할^때

부호를정할필요가있다

.

^본^{논문에서는}^모든^값의^부호를

좌표평면에따르고단위는

mm

^로^한다

.

Fig. 3

^에서 ^수평 ^방향의

x

^축

(x axis)

^은 ^양안시차

(BD,

binocular disparity)

^를^나타내고^수직^방향의

y

^축

(y axis)

^은^스

크린으로부터교차점의위치

(crossing location)

^를^나타낸다

.

그러므로스크린은

xz

^평면^위에

, Fig. 3

^의^평면은

xy

^평면에

놓인다

.

^시청거리

(watching distance)

^는^스크린과^{안구회선점}

(center of rotation of the eye)

^P0사이의거리로정의하여D 로표기하고

,

^{좌표평면의}^정의에^따라 ^D는^음수이다

(

^D

< 0).

동공간거리는P로표기하고양수이다

(

^P

> 0).

^동공간^거리의

절반은

Fig. 3

^의^{안구회선점}

(center of rotation of the eye)

^P0

의

x

^축^방향의^위치에^해당된다

.

^스크린과 ^교차점^간^거리

(distance between crossing location and screen)

^는^d로^표기한

다

.

^양안시차

(BD, binocular disparity)

^는 ^b로^표기하고

, b/2

^에

해당되는값을

Fig. 3

^의

x

^축^상에서

B

^로^나타낸다

. Fig. 3(a)

와같이교차점이스크린뒤에위치할경우d과b은모두양 수

(

^d

> 0,

^b

< 0)

^이나

Fig. 3(b)

^와^같이^교차점이^스크린^앞에

위치할경우에는모두음수

(

^d

<0,

^b

<0)

^이다

.

Fig. 3(a)

^는

Fig. 1(a)

^를 ^{좌표평면에} ^작도한^그림이다

.

^∆

OdB와 ∆PydP0은 닮음

(similarity)

^이므로 ^닮음비로^나타내

면 아래와같다

.

(1)

식

(1)

^을^스크린과 ^양시축의^교차점^간의^거리 ^d에^관하

여 정리하면 양안시차와스크린과 교차점까지의 거리의 관계식을 아래와같이나타낼 수있다

.

(

^단

, 0

^이므로 ^이다

) (2)

Fig. 3(b)

^는

Fig. 1(b)

^를 ^{좌표평면에} ^작도한^그림으로^마

찬가지로 ∆dBO와 ∆dP0Py의 닮음비로나타내면 식

(1)

^과

같고

,

^스크린과^교차점^간의^거리^d에^관한^식으로^나타내

면 아래와같다

.

(

^단

,

^이므로 ^이다

) (3)

양안시차에 따른교차점의 위치 변화의관계식은 스크 린앞에있는경우와뒤에있는경우모두하나의식으로 정리된다

.

(4)

식

(4)

^에서 ^시청자의^전면에^교차점이^형성되는^조건은

b

< 0

^일 ^때 ^b

<

^P이고

,

^b

< 0

^이면 ^d

>

^D이다

.

연구대상 및 방법

본 연구는성인과 아동의동공간거리에 따른 입체감의 변화를알아보기위해성인과아동의대표값을설정했다

. 3D

^입체영상^장치^제작에^관련된^{업계에서는}^성인의^동공

간거리

65 mm

^가^{일반적으로}^사용되고^있다

.

^그러므로^본

d:⁽^{d D}– ⁾=⁽^b^⁄2⁾:⁽^P^⁄2⁾

d b D× b P– ---

= ^d^≥0 0^≤^b^<^P

d b D× b P– ---

= d≤0 b≤0

d b D× b P– ---

=

Fig. 3. The diagram of the relation between BD(binocular disparity) and the crossing location from screen. (a) Perception of the far distance and (b) Perception of the close distance. D, P, d and b represent the watching distance, the pupillary distance, the distance from the screen to the crossing location and the binocular disparity, respectively.

(4)

논문에서는성인의 동공간거리를

65 mm(standard PD)

^로

정하였다^[3]

.

^아동은 ^성인과 ^{동공간거리가} ^다르기 ^때문에

거리감인식에차이가발생한다

.

^연령

,

^인종

,

^성별^등에^따

라동공간거리의 차이는보고된 바가 있다^[11]

.

^이처럼^동

공간거리는다양한분포를가지기때문에국내에적합한 아동의 동공간거리를 설정하기 위해서는 내국인대상의 동공간거리 측정이 요구된다

.

^아동의 ^{동공간거리를} ^설정

하는데있어 아동의범위를 제

2

^차 ^성징이^시작되지^않고

동시에

TV

^등^{영상매체의} ^{시청시간이} ^적지 ^않은^초등학

교저학년으로설정하였다

. 2011

^년

5

^월

,

^서울시 ^노원구의

한초등학교에서저학년을대상으로동공간거리를측정하 였다

.

^아동의^{동공간거리}^측정은^초등학교 ^저학년에 ^해당

하는

2

^학년과

3

^학년에 ^재학 ^중인

2002

^년생 ^및

2003

^년생

의학생

,

^총

221

^명을^대상으로^{이루어졌다}

.

^성별은^남학생

112

^명

,

^여학생

109

^명으로^{구성되었다}

.

동공간거리의측정은 동공거리계

(Model:PD-82, SHIN-

NIPPON)

^를 ^{이용하였다}

.

^측정한 ^표본의^자료를 ^분석하기

위해

SPSS 12.0

^{프로그램을}^이용하여^집단별^평균분석

, t-

검정

,

^{상관분석을}^{실시하였고} ^통계학적 ^유의수준

(p-value)

은

0.05

^이하로^하였다

.

통계분석을통하여얻은초등학생의표본군의동공간거 리와 성인의 기준 동공간거리

(Standard PD)

^에^대해 ^일정

한시청거리

(

^D

)

^를^유지할^때

,

^양안시차

(

^b

)

^조건에^따라^양

시축의교차점위치

(

^d

)

^가 ^어떻게^{변화하는지} ^{분석하였다}

.

결과 및 고찰

1. 초등학생의 동공간거리 통계분석

Table 1

^와

Fig. 4

^는^남학생

,

^여학생

,

^전체에^대한^동공간

거리의분포특성를보여준다

.

^남자

(male)

^의^평균값

(Average)

은

58.2

^±

3.1 mm

^로 ^여자

(female)

^평균값

56.4

^±

3.2 mm

^보

다

1.8 mm

^더^컸다

.

^{표준오차는} ^남자

0.29 mm,

^여자

0.3 mm

^였다

.

Table 2

^는^성별^집단의^{상관분석의}^결과를^보여준다

.

^상

관계수는

0.289

^이고

,

^양쪽

t-

^검정으로^분석했을 ^때

t

^통계

량은

4.46(

^t

> 1.971),

^{유의확률은}

0.000(

^p

< 0.05)

^이므로

집단간 유의한차이를보였다

.

본 표본에서 성별간 동공간거리는 유의한 차이를 보 였다

.

^따라서^본^{연구에서는} ^아동의^{동공간거리가}^입체감

에미치는영향을분석하는데있어성별에따른동공간거 리가미치는영향도함께고려하였다

.

2. 양안시차와 교차점 위치의 관계

성인과초등학교 저학년생의동공간거리에따른교차점 의위치비교를위하여성인

,

^초등학생^남자

,

^초등학생 ^여

자 등세집단으로 나누었다

.

시청거리

(watching distance)

^는

2 m

^로^유지하고

(

^D

=

⁻

2000

Table 1. The measured average of PD by gender

(unit: mm)

Gender N Average Deviation Standard Error

Male 112 58.241 3.0719 0.2903

Female 109 56.372 3.1530 0.3020

Total 221 57.3 3.2434 -

Table 2. Correlation analysis between gender and PD

Gender PD Gender Pearson's correlation coefficient

Significance probility (Two side) N

1 221

-0.289 0.000*

221 PD Pearson's correlation coefficient

Significance probility (Two side) N

-0.289 0.000*

221 1 221

*p<0.05

Fig. 4. The measured average of PD by gender.

Fig. 5. The relation between the crossing location (d) and binocular disparity(b) for adults and children who have the different PD(D=−2,000 mm).

(5)

mm),

^성인의^기준^{동공간거리}

(Standard PD)

^Ps는

65 mm,

남자 초등학생

(male)

^의 ^평균 ^{동공간거리} ^Pm은

58.2 mm,

여자초등학생

(female)

^의^평균^{동공간거리} ^Pf는

56.4mm

^를

사용하여 식

(4)

^를 ^이용하여 ^세 ^집단에 ^대한 ^양안시차

(binocular disparity)

^와 ^양시축 ^교차점의 ^위치

(crossing location)

^의^관계를^구하였다

.

Fig. 5

^는 ^세 ^집단의^{동공간거리} ^조건에^따른 ^양안시차

(binocular disparity)

^와 ^양시축의 ^교차점 ^위치

(crossing

location)

^의 ^관계를 ^보여준다

.

^{양안시차가}

(+)

^방향으로 ^증

가할때교차점은스크린뒤로멀어지며가파르게 증가한 다

.

^예를^들어^성인의^기준^{동공간거리를}^기준으로^양안시

차가

+40 mm

^일^때^교차점^위치는

+3.20 m

^이고^시차

+50

mm

^에서는

+6.67 m, +60 mm

^에서는

+24.00 m

^로^스크린으

로부터급격히멀어지는 것을볼수 있다

.

^반면^양안시차

가

(

⁻

)

^방향으로^증가할^때^또한^양시축의^교차점은^스크린

앞으로멀어지지만그 증가량은완만하다

.

^성인과^아동의

동공간거리의변화에 따른양시축의 교차점의위치변화 도확인할수있다

.

^{양안시차가}

(

⁻

)

^방향일^때^교차점^위치

에는큰변화가없었으나

(+)

^방향일^때는^그 ^차이가^뚜렷

했다

. Fig. 5

^에서 ^볼 ^수 ^있듯이 ^{양안시차에} ^따른 ^교차점

(crossing location of two visual axes)

^위치가^성인과^초등

학생각 성별집단 간의 차이는뚜렷한 반면초등학생의 성별간의차이는성인과의차이에비하여상대적으로미 약하다

.

^그러므로

3D

^입체^영상 ^시청시^초등학교^저학년

의남학생과여학생의동공간거리 차이에의한영향은미 약하기때문에

,

^성별을^구분하지^않고^초등학생^전체의^평

균동공간거리

(

^Pe

= 57.3)

^를^이용할 ^수^있다

.

양안시차의 증가에따른 성인과초등학생의 양시축의 교차점의 위치차이

(

^∆d

)

^의^변화는 ^아래의^관계식을 ^통해

알 수있다

.

(5)

식

(5)

^는 ^두^교차점의 ^위치^차이와^그 ^차이량의^방향을

확인하기 위해절대값을 취하지않았다

.

^성인의^동공간거

리 P_s와 초등학생전체의 평균동공간거리 P_e을식

(4)

^에

대입한 관계식의 그래프는

Fig. 6

^와^같다

.

성인과 초등학생의 두 집단 간 교차점 위치의 차이

(difference of two crossing locations)

^는 ^{양안시차가}

(

⁻

)

^방

향일 때보다

(+)

^방향일^때 ^크게 ^나타난다

.

^예를^들어 ^양

안시차 −

40 mm

^일^때 ^{초등학생의}^교차점이 ^성인의 ^교차

점보다 스크린 앞으로

6 cm

^{멀어졌지만}

,

^양안시차

+40

mm

^일^때는^{초등학생의}^교차점이^성인의^{교차점보다}^스크

린 뒤로

1.4 m

^멀어졌다

.

Fig. 7

^은

3D

^{입체영화에} ^나타나는 ^장면들의 ^좌안용 ^영

상

,

^우안용^영상

,

^좌우안^영상을^중첩하여 ^표시한^예시다

.

좌안

,

^우안용 ^영상^사이에 ^존재하는^시차 ^때문에

,

^중첩된

영상은이중상처럼 나타나면

,

^이때^이중상의 ^간격이^입체

영상의양안시차의크기에해당된다

. Fig. 7(a)

^는^원치감을

나타내는 장면이다

. 42" TV

^에 ^이^영상을^표시할 ^때^이중

상간격이최대인위치 A에서의간격

24.7 mm

^이고

,

^좌안

용 영상이 우안용영상의 왼쪽에위치하여

+24.7 mm

^의

d

∆ b D× b P– e

--- _{b P}^{b D}^× – s

--- –

=

Fig. 6. Difference between the crossing locations of the average PD of elementary students and the standard

PD of the adults. Fig. 7. Example 3D images of (a) the positive(+) binocular

disparity and (b) the negative(−) binocular disparity.