Study on Scent Media Service in Virtual Reality

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http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.6.414 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

발향장치를 이용한 가상현실에서의 향 미디어 서비스

유옥환¹ · 김민구² · 김정도^3,+

Ok Hwan Yu¹, Min Ku Kim², and Jeong-Do Kim^3,+

Abstract

To augment emotion and immersion in virtual reality (VR), technological research based on scent displays have increased in recent years. The results of extensive studies have enabled the development of methods to interface head mounted displays (HMDs) with scent devices, and the possibility of VR applications of this development was identified via several demonstrations in actual VR environments.

Despite all these efforts, more practical methods and conditions for scent display in VR environments are yet to be developed. To effi- ciently interface VR and scent, this study proposes three ways to set the position for scent display and scent conditions. The first is scent display using local positioning in the VR engine, the second is scent display using the relative distance and orientation between user and object in VR environments, and the third is scent display using time setting. In this study, we developed scent devices using a piezo actuator to validate the proposed method and successfully conducted demonstrations and experiments.

Keywords: Scent Media Service, Virtual Reality, Scent Device

1. 서 론

가상공간에서 인간의 상상력을 구현하는 가상현실은 사용자 가 가상공간 안에 있음을 잊을 정도의 몰입감과 현실감을 제공 하는 것을 목표로 한다. 여러 기술적 진보에 의해 가상공간에서 의 몰입감과 현실감이 점점 좋아지고 있으나, 대부분 시각 및 음향 기술의 진보에 의존하고 있다. 인간이 현실감을 느끼기 위 해 필요한 시각, 청각, 촉각 및 후각 중에서 촉각과 후각의 경

우 그 기술적 어려움 때문에 증강현실에 제한적으로 적용되고 있다.

가상현실 시스템에서 향을 발향하기 위한 기술적 연구가 2000 년대 들어 급증하기 시작하였다. 솔레노이드 밸브, 표면탄성파 (Surface Acoustic Wave : SAW), 그리고 초소형 펌프 등을 사 용한 발향 장치(Scent Device)들이 개발되기 시작하였으며[1-7], 이러한 향 디스플레이 장치들은 주로 가상 전시장 혹은 가상 박 물관 시스템에서 다양한 시각적 장비와 발향 장치를 이용하여 사용자에게 극대화된 몰입감을 제공하기 위한 연구가 진행되었 다[8-11]. 그러나 대부분의 연구는 발향 장치를 Head-Mounted Display(HMD) 와 연동시키는 방법을 중심으로 이루어졌으며, 가 상현실로의 적용은 그 가능성을 확인하는 수준에 그쳤다.

가상현실 환경에서 향을 발향하기 위해서는 사용자의 위치뿐 만 아니라, 사용자와 사물간의 거리와 방향 등이 고려되어야 하 는 등, 다양한 조건들이 필요하다. 즉, 사용자와 발향을 원하는 사물과의 위치가 가깝다 하더라도 사용자가 사물을 바라보는 방 향이 다르다면 향의 발향이 제한되어야 한다. 가상환경에서 향 의 발향을 위한 다양한 조건들이 필요하지만, 아직 이러한 연구 들은 체계적으로 진행된 바 없다.

본 연구에서는 가상현실 시스템에서 발향을 위한 3가지의 방 법을 제안한다. 첫 번째는 가상환경에서 절대위치를 기준으로 한 발향 방법, 두 번째는 사용자와 발향을 원하는 사물과의 거 리와 방향을 고려한 발향 방법, 세 번째는 가상환경에서의 시간 설정을 통한 발향 방법을 제안한다.

본 연구에서 제안된 가상환경에서의 발향 방법의 유용성을 입

1호서대학교 전자공학과(Department of Electonic Engineering, Hoseo University)

31499,Hoseo University, 20, Hoseo-ro 79beon-gil, Sechul-ri, Asan-si, Chungcheongnam-do, Korea

+Corresponding author:

(Received: A. 00, 2018, Revised: A. 00, 2018, Accepted: A. 00, 2018)

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증하기 위해 Unity 엔진을 이용한 실제 실험이 이루어졌으며, 자체 제작한 발향장치가 사용되었다.

2. 가상현실 적용을 위한 발향장치 설계

본 연구에서 설계된 HMD 부착형 발향 장치는 초소형 압전 액체펌프를 이용하여 향 카트리지 속의 향액을 히터로 배출하 여 기화시킨 후에 초소형 팬(fan)을 이용하여 사용자의 코로 전 달하는 방법을 사용하며, 블루투스 통신을 통해 가상현실 시스 템과 연동된다. Fig. 1은 본 연구에서 개발된 발향 장치 외형을 보여주고 있으며, Fig. 2는 발향 장치의 내부 구조를 보여주고 있다.

HMD 부착용 발향 장치에서 사용된 압전 액체 펌프는 Fig. 3 에서 것처럼, 2개의 압전 진동자를 이용한 바텔(Bartels)사의 다 이어프램(diaphragm)형 펌프인 mp6이다.

본 연구에서는 향의 미세 농도 제어를 위해, Max14514 Lamp Driver 를 이용하여 액체 펌프의 주파수와 진폭을 동시에 제어한다.

3. 가상현실 환경에서의 향-미디어 서비스 방법

3.1 발향장치의 정보 제공 방법

가상현실 시스템이 발향 장치에게 발향 장치의 스펙정보를 요청하면 발향 장치는 Device Capability 라고 불리는 자신 의 스펙정보를 가상현실 시스템에게 제공하여야 한다[12-14].

가상현실 시스템에게 제공할 발향 장치의 Device Capability 는 적어도 세 가지의 정보를 제공하여야 하며, 그 정보는 다 음과 같다.

- Device ID

- 발향 가능한 향의 코드

- 발향 가능한 향의 농도 조절 단계

이러한 세 개의 정보 중에서 발향 가능한 향의 종류를 보내 기 위해서는 향의 종류가 표준화된 코드로 정의되어 있어야 한 다. 최근 ISO IEC JTC SC29 MPEG 표준에서 MPEG-V를 통 하여 ScentCS라는 이름으로 360가지 향의 종류들을 코드화하 였다[14].

가상현실 시스템은 발향 장치에게 Device Capability를 요청 가능하며, 이는 다음과 같은 함수에 의하여 이루어진다.

• Device_Capability_Request( )

이 함수가 발향 장치에게 전송되면 발향 장치는 가상현실 시 스템에게 발향 장치의 스펙정보인 Device Capability를 전송한 다. 가상현실 시스템에게 전송된 Device Capability는 디바이스 정보 구조체인 Device_Cap 구조체로 변환되며, 이 구조체는 다 음과 같은 구조로 이루어진다.

class Device_Cap {

byte device_id; // 디바이스 장치의 고유번호 byte scent_num; // 발향 가능한 향의 개수

byte[] scent_code; /ScentCS 에 의해 정의된 향코드 byte scent_ctr_level; // 제어 가능한 농도의 단계 }

3.2 가상현실 환경에서의 발향방법

가상현실 환경에서 향을 발향하기 위해서는 사용자의 위치뿐 만 아니라, 사용자와 사물간의 거리와 방향 등이 고려되어야 하 는 등, 가상환경에서의 다양한 조건들이 필요하다. 즉, 사용자와 발향을 원하는 사물과의 위치가 가깝다 하더라도 사용자가 사 물을 바라보는 방향이 다르다면 향의 발향이 제한되어야 한다.

본 연구에서는 가상현실 시스템에서 발향을 위한 세 가지의 방 법을 제안한다.

Fig. 1. Scent device attached to HMD

Fig. 2. Inner structure of scent device

Fig. 3. Structure of piezo liquid pump

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3.1.1 가상현실 내 위치(Local Position)에 따른 발향방법 가상현실 환경에서의 절대위치(이하 월드좌표) 범위에 사용자 가 들어오게 되면 발향을 하는 방법이다. 본 연구에서는 발향의 월드좌표를 결정하기 위해, collider를 충돌하여 이벤트를 발생 시키는 방법을 사용한다.

Fig. 4 에서 볼 수 있는 것처럼, 사용자가 미리 결정된 위치에 존재하고 있는 collider와 충돌하게 되면, 충돌 이벤트가 발생하 게 되며, 이 충돌 이벤트에 의해 발향 명령 함수기 발향장치에 게 전달된다. 발향명령함수는 발향하기를 원하는 향, 농도, 지속 시간에 대한 정보를 포함하고 있다.

Fig. 5 는 사용자는 발향 위치를 결정하기 위하여 box collider 를 이용하여 월드좌표와 범위를 지정하는 스케일(scale)을 결정 한 후, 해당 box collider를 동작(on)시켜주는 방법을 보여주고 있다.

가상현실 환경에서 사용자가 설정해둔 collider와 충돌했다면, 다음과 같은 방법으로 발향 명령 함수를 호출하여 발향하게 된다.

if(LocalPosition_Event) {

Scent_Display(scent_code, duration, scent_intensity, Device_Cap.device_id);

}

3.1.2 상대거리와 방향에 따른 발향방법

가상현실 환경에서 특정 대상과 사용자간에 거리 및 사용자

가 바라보는 방향(orientation)에 따라서 발향여부와 발향 농도 를 결정하는 방법이다. 본 연구에서는 상대거리와 방향을 결정 하기 위해 collider의 범위를 이용하는 방법을 사용한다. 사용자 는 어떤 형태의 collider를 사용하여도 무방하지만, 일정한 범위 를 정하기 위해서는 구 형태의 sphere collider를 사용하는 것이 가장 적절하다. 가상현실 환경에서 사용자가 collider 범위 내에 들어오게 되면 특정 대상의 월드좌표와, 사용자의 월드좌표 및 시선(rotation) 정보를 가져온 후 대상의 월드좌표와 사용자의 월 드좌표와의 연산을 통해 거리와 방향 정보를 얻을 수 있다. 이 중에서 방향은 사용자의 시선 값과 비교하여 발향 여부를 결정 하게 되고, 상대거리 값을 이용하여 발향 농도를 결정하여 발향 명령 함수를 통하여 원하는 향을 선택 후 발향 장치에 명령을 하여 발항하게 한다.

사용자는 상대거리와 방향을 이용한 발향 방법을 적용하기 위 해 Fig. 6과 7에서처럼 collider를 발향하고자 하는 대상의 월드 좌표에 생성하여 범위를 설정해 준 후 사용자가 해당 범위 안 에 들어오면 상대거리와 방향을 연산하는 함수를 실행시켜주어 Fig. 4. Position for scent display determined by box collider

Fig. 5. Scent positioning box determined by box collider

Fig. 6. Sphere collider for determination of relative distance and ori- entation

Fig. 7. Object for scent display determined by sphere collider

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야 한다.

발향여부는 사용자의 시선에 따라서 정해지게 되는데 특정 대 상과 사용자의 월드좌표에 따른 방향 범위 안에 사용자의 시선 이 포함될 때 발향하도록 하여야 한다.

가상현실 환경에서 사용자가 sphere colider 범위 안에 들어 왔다면, 다음과 같은 방법으로 발향 명령 함수를 호출하여 발 향하게 된다. 먼저 상대거리와 방향 범위를 계산하여 발향 가 능 여부와 상대거리에 따른 발향농도를 결정하여야 한다. 개 발환경에서 상대거리와 방향 범위를 계산하여 발향가능 여부 와 농도를 결정하기 위한 별도의 구조체와 함수가 필요하며 다음과 같다.

struct {

bool scent_possible; // 발향 가능 여부 byte scent_intensity; // 발향 시 향의 농도 } Relativepos

Relativepos Scent_Relativeposition(transform player, transform target, float range, float intensity_range)

이 함수는 개발환경에서 제공하는 변환(transform) 구조체를 이용하여 사용자와 특정 대상의 월드좌표 및 시선 값을 얻은 후 연산을 통하여 거리와 방향의 기준 값을 구해준다. 그 후 range 라는 변수를 통하여 방향의 범위를 구하여 발향 여부를 결정하고, 변수 intensity_range를 통하여 농도 단계에 따른 거 리 범위를 연산하게 된다. 그 후 연산을 통해 얻은 발향가능 여부와 발향 시 향의 농도단계를 Relativepos 구조체의 형태 로 반환하게 된다.

발향 가능 여부를 나타내는 구조체 Relativepos의 변수 scent_intensity는 0일 경우에 발향이 불가능하다는 의미이며, 1일 경우 발향이 가능하다는 의미이다. 만약 scent_intensity 가 1이라면, 다음과 같은 방법으로 발향 명령 함수를 실행시 키게 된다.

Relativepos Realtiveposition;

if(RelativePosition_Event) {

Relativeposition = Scent_RelativePosition (player, target, range, intensity_range);

if(Relativeposition.scent_possible) { Scent_Display(scent_code, duration,

Relativeposition.scent_intensity, Device_Cap.device_id);

} }

3.1.3 시간 설정에 따른 발향방법

가상현실 환경에서 특정 시간이 되면 발향하는 방법이다. 시 간에 따라 발향하는 방법으로는 실시간 값을 이용하여 발향 하

는 방법과, 시간지연(delay)을 이용하여 발향하는 방법으로 나누 어진다.

Fig. 8에서 보는 것과 같이 실시간 값을 이용하여 발향하는 방 법은 원하는 발향시간을 설정해 놓고, 설정한 시간과 현재시간 을 비교하여 일치하였을 때 이벤트를 발생시켜 발향명령 함수 를 통하여 원하는 향, 농도, 지속시간을 결정하여 발향하는 방 법이다. 사용자는 발향 시간을 결정하기 위해, 단지 시간 이벤 트(time event) 함수를 이용하여 원하는 발향시간을 결정한 후 해당 이벤트를 동작시키면 된다.

가상현실 환경에서 사용자가 설정한 시간이 일치하여 이벤트 가 발생한다면 다음과 같은 방법으로 발향 명령 함수를 호출하 여 발향하게 된다.

if(Realtime_Event) {

Scent_Display(scent_code, duration, scent_intensity, Device_Cap.device_id);

}

지연을 이용하여 발향하는 방법은 특정 이벤트 발생 시점부 터 일정 시간이 지난 후에 발향하고 싶을 때 사용하는 방법이 며, Fig. 9와 같은 구조로 이루어진다.

Fig. 9에서 보는 것과 같이 지연을 이용하여 발향하는 방법 은 다른 이벤트와 함께 이루어진다. 어떠한 이벤트가 발생하 였을 때, 시간지연 함수를 이용하여 원하는 시간만큼 지연시 킨 후 발향명령 함수를 통하여 원하는 향, 농도, 지속시간을 결정하여 발항하게 된다. 이 방법은 보통 가상현실 시스템에 서의 향을 이용한 저작도구에 사용하기 적합하며, 개발환경에 서 제공하는 WaitForSeconds 함수를 이용하여 쉽게 구현 가 능하다.

Fig. 8. Structure diagram of scent display using real time

Fig. 9. Structure diagram of scent display using time delay

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4. 실험 결과 및 분석

본 연구에서는 가상현실 환경에서의 실감 미디어 서비스를 직접 구현하기 위하여, 2장에서 설명한 발향 장치를 직접 제 작하였으며, 3장에서 제안하는 절대위치에 따른 발향, 거리에 따른 발향, 시간에 따른 발향방법을 서비스 함수와 함께 각각 적용하였다. 사용된 플랫폼은 Unity이며, Oculus DK2 HMD 가 사용되었다. 발향 장치는 2장에서 설명된 HMD 부착형 발 향 장치가 이용되지만 육안으로 발향이 되는 모습을 확인 할 수가 없다. 따라서 발향이 되는 모습을 나타내기 위하여 발향 시 두 발향 장치에 동시에 발향명령을 하여 HMD 부착형 발 향장치 뿐만 아니라 향의 시각적 확인이 가능한 마이크로 다 공성 압전 엑추에이터를 이용한 발향장치에서도 함께 발향될 수 있도록 하였다.

4.1 가상현실 내 위치에 따른 발향 콘텐츠

가상현실 내 위치에 따른 발향을 구현하기 위해 제작된 콘텐 츠는 약 3분간의 동작시간동안 3개의 냄새를 발향한다. 해당 콘 텐츠는 사용자가 자동으로 이동하면서 콘텐츠 내에 생성된 3개 의 Box Collider에 부딪힐 때 발향하도록 제작되었다.

Fig. 10은 사용자가 콘텐츠 내에 설치된 box collider와 부딪 혔을 때 발향하기 위한 설정 값을 보여주고 있다 첫 번째 box collider와 부딪혔을 시 Fig. 10의 (a)와 같은 7단계의 floral 향 이 발향되도록 설정하였다. 그리고, 두번째 box collider와 부딪 혔을 시 Fig. 10의 (b)와 같은 10단계의 편백향이 발향될 수 있 도록 설정하였다.

Fig. 11 은 Fig. 10의 설정 값에 따른 실제 발향 모습을 보여주 고 있다. Fig. 11의 (a)는 7단계의 농도로 비교적 약하게 발향되 고 있으며 Fig. 11의 (b)는 10단계의 농도로 매우 강하게 발향 되고 있는 것을 확인할 수 있다.

4.2 상대거리와 방향에 따른 발향 콘텐츠

거리에 따른 발향을 구현하기 위하여 약 2분간의 동작시간동 안 360도 카메라로 촬영된 가상현실 콘텐츠를 사용하였으며, 콘 텐츠 안에 존재하는 꽃을 대상으로 범위 2.5의 sphere collider 가 존재하며 방향 범위는 기준 방향으로부터 ±28로 설정하였다 . 사용자와 꽃의 거리가 2.5 이하가 되며, 방향 값이 설정한 범 위 이내일 때 향이 발향된다. 향의 농도는 10단계부터 거리가 0.25 씩 늘어날 때마다 1단계씩 낮추어 발향하도록 설정하였다.

또한 본 연구에서 사용된 HMD에 존재하는 위치감지 센서를 이 용하여 사용자의 가상현실 내의 위치를 변화시켰다.

Fig. 12 는 거리에 따른 발향 콘텐츠에서 미리 결정된 3가지의 상황을 보여주고 있다. Fig. 12의 (a)는 사용자가 sphere collider Fig. 10. Scent condition and scent position pre-established by local

position (a) The first position, (b) The second position

Fig. 11. Scent display of scent position in virtual reality (a) The first scent position, (b) The second position,

Fig. 12. Scent condition pre-established by relative distance and ori-

entation between user and sphere collider (a) a close dis-

tance and proper orientation, (b) a long distance, (c) a close

distance, but improper orientation

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범위 내에 들어와 있을 때이며, (b)와 (c)는 사용자의 시선이 정 해진 범위 안에 들어오지 않거나 사용자의 위치가 sphere collider 의 범위 내에 있지 않는 경우를 나타낸다. Fig. 12 (a)의 경우에 는 향이 발향되어야 하며, 거리에 따라서 향의 농도는 변화되어 야 한다 .또한 (b)의 경우는 발향이 되지 않아야 한다.

Fig. 13 은 Fig. 12에서 나타낸 3가지 상황에서의 설정에 따른 실제 발향 모습을 나타낸 것이다. Fig. 13의 (a)에서는 실제 발 향하는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 13 (b)와 (c)는 발향 조건 에 만족하지 못하기 때문에 발향이 되지 않는 것을 확인 할 수 있다.

4.2 시간 설정에 따른 발향 콘텐츠

시간에 따른 발향을 구현하기 위하여 제작된 콘텐츠는 360도 카메라를 이용하여 촬영된 동영상을 합쳐서 적용한 배경 미디 어 서비스이다. Fig. 14에서 보는 것처럼 배경 장면은 폭포가 있 는 숲, 꽃밭, 커피숍 총 3개의 배경으로 구성되어 있으며, 시간 의 흐름에 따라 바뀌는 배경에 맞추어 향이 발향되도록 제작되었다.

콘텐츠 실행 시간을 기준으로 Fig. 14의 (a)와 같이 10초 뒤 에 숲의 배경이 나타남과 동시에 6단계의 green향이 발향되며, Fig. 14의 (b)와 같이 1분 10초 후에 꽃밭 배경이 나타남과 동 시에 7단계의 floral 향이 발향되도록 설정하였다. 마지막으로 Fig. 14 의 (c)와 같이 2분 10초 후에 커피숍 배경이 나타남과 동 시에 5단계의 커피향이 발향될 수 있도록 설정하였다.

Fig. 15 는 Fig. 14의 설정 값에 따른 실제 발향 모습을 보여 주고 있다. Fig. 15의 (b)는 7단계의 농도로 가장 강하게 발향되 고 있는 것을 확인할 수 있다.

5. 결 론

최근 여러 기술적 진보에 의해 가상공간에서의 몰입감과 현 실감이 점점 좋아지고 있으며 이에 따라 가상현실 시스템에서 향을 발향하기 위한 기술적 연구가 급증하기 시작하였다. 가상 현실 환경에서 향을 발향하기 위해서는 사용자의 위치뿐만 아 니라, 사용자와 사물간의 거리와 방향 등이 고려되어야 하는 등, 가상환경에서의 다양한 조건들이 필요 하지만, 아직 이러한 연 구들은 체계적으로 진행된 바 없다.

본 연구에서는 발향 장치를 효과적으로 가상현실 콘텐츠에 적 용하기 위하여 가상현실 내 위치를 기준으로 한 발향 방법, 사 용자와 발향을 원하는 사물과의 거리와 방향을 고려한 발향 방 법, 가상환경에서의 시간 설정을 통한 발향방법, 마지막으로 외 부 입력 및 사용자의 조작에 의한 발향 방법을 제안하였다. 발 향 장치의 기구적 설계를 통하여 향의 농도조절을 할 수 있는 마이크로 다공성 압전 진동자를 이용한 테이블 설치형 발향 장 치를 개발하였으며, HMD에 부착하여 사용할 수 있는 초소형 압전 펌프와 팬, 히터를 이용한 HMD 부착형 발향 장치를 개발 하였다. 본 연구에서 사용된 발향 장치 뿐만 아니라 다양한 발 향 장치를 가상현실 콘텐츠에 적용할 수 있도록 표준 플랫폼과 API 함수를 개발하여 가상현실 미디어 콘텐츠에 적용하였다.

본 연구에서 HMD를 이용한 가상현실 콘텐츠에 앞에서 제안 Fig. 13. Scent display by relative distance and orientation in virtual

reality (a) a close distance and proper orientation, (b) a long distance (c) a close distance, but improper orientation

Fig 14. Scent condition pre-established by time (a) The forest, (b) The flower garden

Fig. 15. Scent display by time setting (a) After 10 sec, (b) After 70

sec

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한 4가지의 방법을 적용한 실험을 통하여 사용자에게 보다 증 대된 몰입감을 제공하는 것을 확인하였으며, 앞으로 다양한 가 상현실 콘텐츠에 향 디스플레이 기술이 적용될 것으로 예상된다.

감사의 글

이 논문은 2018년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 정보 통신기술진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.2015-0- 00318, 후각 바이오 정보 기반 감성증강 인터랙티브 콘텐츠 기술 개발)

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