가상현실 시스템의 구성요소
컴, 하드웨어, IT :
2007. 4. 20. 14:05
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3차원(Geometric)그래픽 영상을 실시간 방식으로 처리할 수 있는 컴퓨터와 VR주변기기로 나눌수 있으며, VR주변기기로는 시각장치, 청각장치 및 촉각장치와 이들의 기기들이 공간상의 위치 변화를 컴퓨터가 인식하도록 하는 공간 추적장치 및 3D 입력장치등 으로 이루어져 있다. 이 시스템들은 현재 상당수가 제품으로 나와 있고 개발중인 시스템들이 많으며 가격대 성능비로 따져 보면 상당히 뒤쳐져 있는것이 사실이나 불과 1-2년전에 2-3만불 가량 하던 시스템이 약 1-2천불로 떨어진것을 보면 곧 성능 개선및 대중화가 이루어질것이다.
1. 시각장치
인간이 시각을 통해 파악할수 있는 외부의 정보는 약 6-70%정도를 웃돈다. 그만큼 시각이 중요한 기능을 차지하고 있으나 사람의 눈만큼 아직 기계가 따라 오지는 못하고 있다.
예를 들면 우리의 눈은 약 280도 정도의 각도로 관찰할수가 있지만 컴퓨터 모니터는 겨우 약 56도 정도를 인간에게 디스플레이 해주고있다.
따라서 이것을 극복하는 기술이 선행되어야 하는데 그중하나가 TRACKING장치를 통한 제한된 관찰각의 극복이다.
위의 [그림1]에서 명시되듯이 모니터는 지극히 국소적인 부분만 인간에게 정보를 전달하고 있다. 또한 머리의 회전에 대해 별로 상호작용을 하지 못하고 있다. [그림2]에 보면 이것을
극복하기 위해 트래킹을 부여 하는데 디스플레이 장치가 사람의 머리 움직임에 따라 같이 회전하고 있는 것으로 거의 비슷한 관찰각을 제공하는 것이다.
이를 간단히 분류해보면
ARM MOUNTED DISPLAY(준몰입형)
MONITOR BASE(비몰입형)
HEAD-MOUNTED(몰입형)
몰입형 VR
시스템에 이용되는 HMD,BOOM(Binocular Omni Orientation Monitor)과 DESKTOP VR에 이용되는 Electronic Shuttering Glass가 있다. HMD는 영상을 입체적으로 보기 위해서 각 눈앞에 작은 비디오 모니터(LCD or CRT)를 포함하고 있는 헬멧 형태이며, NTSC(RGB)신호를 입력데이터로 받아서 디스플레이하는 장치이다. 초기 시스템들의 경우 크기도 크기이거니와 무게가 상당히 무거워서(1-2KG)착용하기 힘들었으나 지금은 무척이나 가벼워져 그리 부담없이 착용할수 있는 제품들이 출시되고 있다. 특히나 해상도면에서 초기 200x150정도의 해상도에서 지금은 1280x1024해상도를 지원하는 제품까지 출시되고 있으나 이정도는 상당히 고가품(100,000 USD)이어서 아직 대중적인 사용은 없으며 대체로 500-1,000USD와 10,000USD
정도의 제품들이 주로 사용되어 지고 있다. 특히나 HMD제품들의 경우 그 기능과 성능들이 천차만별이기 때문에 단지 가격만 보고 판단하기에는 맹점이 곧곧에 도사리고 있으므로 전문가의 조언이 필수적이다.
가상 앞선 제품으로는 VPL사와 KAISER ELECTRONIC OPTICS사의 제품이 있으며 보급도 면에서는 Virtual I/O 사의 I/O Glass와 Virtual Research사의 VR4가 가장 많이 보급되어 있다. HMD는 제품 특성상 입체에 대한 고려가 전혀 없어도 되는 방식을 갖고 있다. 즉, 사람의 두 눈을 좌우가 차단되게 고안되어 있기 때문에 좌/우 분리된 영상의 입력과 자신의 시력에 맞는 촛점만 맞추면 어느 제품보다 뛰어난 입체를 구현할수가 있다.(입체 부분에서 다시 설명하겠음)
Electronic Shuttering Glass은 홀로그램과 디스플에이 방식은 다르지만 홀로그램과 같은 고화질의 입체영상을 구현이 가능하며 홀로그램의 약점인 영상의 크기에 구애받지 않으며 깜빡거림(Flickering)이 거의 없는 제품들이 출시되고 있다. 원리는 모니터의 좌우 영상을 교대로 디스플레이시키며 Glass의 좌우 렌즈가 동시성(Inline 혹은 Infrared를 이용)을 갖게 하여 입체영상을 구현하는 방식으로, 경제적인 DESKTOP VR시스템에 이용되며, 특히나 프리젠테이션용으로 대단한 효과를 발휘할수가 있다.
이러한 Glass Type의 경우에는 Electronic Shuttering방식 외에도 Polarizing 방식이 있는데 이 제품의 경우 PROJECTOR를 사용해야 한다는 점이 있으나 다수의 사용자가 깜빡거림없는 입체 영상을 무척이나 저렴한 방식으로 이용(입체영화극장)할수 있는 장점이있다.
BOOM(Binocular Omni Orientation Monitor)은 HMD의 변형형태로 고화질 의 영상을 볼 수 있는 장치로서 스텐드 같은것이 매달려져 있는 시각장치이다. 간단히 설명하며 스텐드에 모니터를 매달아 놓고 잠망경같은 구멍을 뚫어 그속을 들여다 보는 장치로 기계적인 공간추적 장치를 가추고 있다.
입체영상 및 공간추적 장치 기능으로는 최적의 시스템이나 조작이 불편하고(기계를 손으로 잡고 잠명경처럼 움직여야 하므로) 스텐드라는 이동 범위의 한계를 갖고 있다.
2. 청각장치
이 시스템은 음원이 공간상(3D)의 위치변화에 따라 듣는 느낌이 달라질 수 있도록 하는 입체음향시뮬레이션기기를 말하며 여기서는 음원뿐만 아니라 청취자의 위치변화에 따른 음원의 위치변화도 말한다. 대표적으로 Crystal River Fngineering사의 Beachtron System, Convolvotron System, Acoustctron Audio 가 있으며 이것은 HRTF(Head Related Transfer Formet) 사양을 기본으로 스튜디오 내에서 음원 혹은 청취자의 위치 변화에 따란 음량/볼륨등을 DB화 하여 구성된 AUDIO시스템으로 현재 가장 진보된 3D AUDIO시스템을 구축하고
있다. 예를 들면 좌/우 분리에서의 문제점은 단지 좌우가 음량만으로 분리가 되어 어떤 음원의 위치라던지 하는 것을 분리 해낼수가 없으나 3D AUDIO의 경우 같은 거리이라도 음원이 다가 올때와 멀어질때의 음량(밀도)이 다른 효과인 도플러 효과등도 낼수가 있다.
3. 촉각장치
물체에 접촉할때 느끼는 촉감과 물체를 쥐거나 들어올릴때 느끼는 힘을 제어하는 기기를 말하며, 대표적으로 Virtual Technologies사의 CyberGlove와 VPL Reseach사의 DataGlove가
있다. 이들 기기는 표준 장갑형태의 옷감에 센서를 집어 넣은 형태로 시연자의 손가락 움직임 형태에 대해 데이터를 컴퓨터에 입력시키는 장치이나, 아직 촉감이나 무게감등을 표현하는 기술은 없으나 현재 개발중이다. 이것은 HMD를 착용한 시연자가 키보드나 마우스 혹은 여타 입력장비들을 사용하기 곤란한 상황에서 주로 사용되며 3D 공간상에 이 장갑을 표현해준다.
4. 공간 추적장치
초음파,적외선 혹은 자기장을 이용하여 공간상의 위치변화를 컴퓨터가 인식케하여 회전값 이나 위치 이동값을 입력하는 장비이다. 예를 들면 HMD를 착용한 시연자가 고개를 돌렸을때 그 회전값을 감지하여 VIEW의 회전을 이루도록 하는 기기이다. 대표적으로는 Polhemus사의 FASTRAK, Ascension Technology사의 Flock of Birds와 Logitech사의 Head Tracker등이 있다. 이것은 기왕에 설명했듯이 자기장이나 초음파 방식등에 따라 입력 LATENCY TIME이 다르며 그 특징도 조금씩 다르다. 기계 방식의 경우 상당히 정밀한 측정을 할수는 있으나 그 이동범위 제한이 상당히 크고(BOOM), 초음파 방식의 경우 입력 지연시간이 너무커서 정말한 측정에는 조금 곤란하며 자기장 방식은 그 중간이다. 근래 들어 적외선을 이용한 제품들도 속속 출시되고 있다. 이 제품의 특징은 시연자의 움직임이 무척이나 자유롭다는 것인데 시연자는 빛(적외선)을 반사할수 있는 제품을 몸에 부착하고 어떤 장치의 부담없이 자유롭게 움직일수가 있다는 것과 또 한가지는 실제 걷는 동작을 마음대로 할수가 있다는 것이다. 그러나 이 제품들은 특정한 환경에 국한될수 밖에 없다는 단점이 있다.
즉, 태양광같이 밝게 빛나는 곳이나 다른 반사물질이 있는곳에서는 사용할수 없는 스튜디오나 실험실등에서 주로 사용된다.
위의 그림에서 좌측 그림의 경우 사용자가 실제 걷는 동작을 할수가 있는데 사용자의 머리 부분에 반사물질이나 전기적인 위치를 감지할수 있는 장치를 부착 한후 천정에 그것을 감지할수 있는 장치를 한것이다. 이것은 시연자가 가상의 공간을 직접 걸어 다니는 느낌을 줄수가 있는데 불행히도 이것은 초기 공간추적 장치의 원형이다. 이러한 환경을 구현한다는것 자체가 너무도 부담이 되기 때문 이다. 그 다음의 그림의 경우 근래들어 모션캡쳐장비들이 주로 사용하는 방식으로 사용자가 몸에 적외선 반사물질을 부착하고 적외선 카메라로 그 반사빛을 검출하는 방식이다. 그러나 검출 지연이 있어 POST PRODUCTION용으로 주로 사용되고 있다. 즉, 모션캡쳐링 데이터를 이용해 C.G제작에 이용하는 정도이다.
가장 대중적인 시스템은 입력데이터(센서)가 2-4개정도 되는 제품들이 사용 되어지는데 그 이상은 물체의 움직임을 좀더 정교하게 추적할수 있지만 이 데이터 를 받아 들이는데 있어 시스템에 부담을 줌으로 실제는 2-4개 정도를 보통 사용하게 된다.
다음은 각 기기들의 특성이다. 가장 대표적인것은 기계식방식, 초음파 그리고 자기장을 이용하는 방법인데 정밀도면에서는 기계/자기장/초음파 순이나 가격은 그 반대이다.
각 기기들의 성능 측정은 SPECIAL ISSUE란을 확인하기 바란다.
5. 3D 입력장치
기타 3D입력장비에는 우리가 일반적으로 사용하는 2D 마우스와 BALL형으로 생긴 3D BALL 등 다영한 제품이 있다. 이것은 2D 마우스로 입력하기 힘든 X,Y,Z축에 대한 이동과 각축에
대한 회전값등을 입력하기 쉽게 구성한 제품들로 대표적인것은 SPACEBALL2003이라는 제품이 있다. 이것은 VR뿐만 아니라 CAD, ANIMATION등에도 다양하게 사용되어 지고 있다.
1. 시각장치
인간이 시각을 통해 파악할수 있는 외부의 정보는 약 6-70%정도를 웃돈다. 그만큼 시각이 중요한 기능을 차지하고 있으나 사람의 눈만큼 아직 기계가 따라 오지는 못하고 있다.
예를 들면 우리의 눈은 약 280도 정도의 각도로 관찰할수가 있지만 컴퓨터 모니터는 겨우 약 56도 정도를 인간에게 디스플레이 해주고있다.
따라서 이것을 극복하는 기술이 선행되어야 하는데 그중하나가 TRACKING장치를 통한 제한된 관찰각의 극복이다.
위의 [그림1]에서 명시되듯이 모니터는 지극히 국소적인 부분만 인간에게 정보를 전달하고 있다. 또한 머리의 회전에 대해 별로 상호작용을 하지 못하고 있다. [그림2]에 보면 이것을
극복하기 위해 트래킹을 부여 하는데 디스플레이 장치가 사람의 머리 움직임에 따라 같이 회전하고 있는 것으로 거의 비슷한 관찰각을 제공하는 것이다.
이를 간단히 분류해보면
ARM MOUNTED DISPLAY(준몰입형)
MONITOR BASE(비몰입형)
HEAD-MOUNTED(몰입형)
몰입형 VR
시스템에 이용되는 HMD,BOOM(Binocular Omni Orientation Monitor)과 DESKTOP VR에 이용되는 Electronic Shuttering Glass가 있다. HMD는 영상을 입체적으로 보기 위해서 각 눈앞에 작은 비디오 모니터(LCD or CRT)를 포함하고 있는 헬멧 형태이며, NTSC(RGB)신호를 입력데이터로 받아서 디스플레이하는 장치이다. 초기 시스템들의 경우 크기도 크기이거니와 무게가 상당히 무거워서(1-2KG)착용하기 힘들었으나 지금은 무척이나 가벼워져 그리 부담없이 착용할수 있는 제품들이 출시되고 있다. 특히나 해상도면에서 초기 200x150정도의 해상도에서 지금은 1280x1024해상도를 지원하는 제품까지 출시되고 있으나 이정도는 상당히 고가품(100,000 USD)이어서 아직 대중적인 사용은 없으며 대체로 500-1,000USD와 10,000USD
정도의 제품들이 주로 사용되어 지고 있다. 특히나 HMD제품들의 경우 그 기능과 성능들이 천차만별이기 때문에 단지 가격만 보고 판단하기에는 맹점이 곧곧에 도사리고 있으므로 전문가의 조언이 필수적이다.
가상 앞선 제품으로는 VPL사와 KAISER ELECTRONIC OPTICS사의 제품이 있으며 보급도 면에서는 Virtual I/O 사의 I/O Glass와 Virtual Research사의 VR4가 가장 많이 보급되어 있다. HMD는 제품 특성상 입체에 대한 고려가 전혀 없어도 되는 방식을 갖고 있다. 즉, 사람의 두 눈을 좌우가 차단되게 고안되어 있기 때문에 좌/우 분리된 영상의 입력과 자신의 시력에 맞는 촛점만 맞추면 어느 제품보다 뛰어난 입체를 구현할수가 있다.(입체 부분에서 다시 설명하겠음)
Electronic Shuttering Glass은 홀로그램과 디스플에이 방식은 다르지만 홀로그램과 같은 고화질의 입체영상을 구현이 가능하며 홀로그램의 약점인 영상의 크기에 구애받지 않으며 깜빡거림(Flickering)이 거의 없는 제품들이 출시되고 있다. 원리는 모니터의 좌우 영상을 교대로 디스플레이시키며 Glass의 좌우 렌즈가 동시성(Inline 혹은 Infrared를 이용)을 갖게 하여 입체영상을 구현하는 방식으로, 경제적인 DESKTOP VR시스템에 이용되며, 특히나 프리젠테이션용으로 대단한 효과를 발휘할수가 있다.
이러한 Glass Type의 경우에는 Electronic Shuttering방식 외에도 Polarizing 방식이 있는데 이 제품의 경우 PROJECTOR를 사용해야 한다는 점이 있으나 다수의 사용자가 깜빡거림없는 입체 영상을 무척이나 저렴한 방식으로 이용(입체영화극장)할수 있는 장점이있다.
BOOM(Binocular Omni Orientation Monitor)은 HMD의 변형형태로 고화질 의 영상을 볼 수 있는 장치로서 스텐드 같은것이 매달려져 있는 시각장치이다. 간단히 설명하며 스텐드에 모니터를 매달아 놓고 잠망경같은 구멍을 뚫어 그속을 들여다 보는 장치로 기계적인 공간추적 장치를 가추고 있다.
입체영상 및 공간추적 장치 기능으로는 최적의 시스템이나 조작이 불편하고(기계를 손으로 잡고 잠명경처럼 움직여야 하므로) 스텐드라는 이동 범위의 한계를 갖고 있다.
2. 청각장치
이 시스템은 음원이 공간상(3D)의 위치변화에 따라 듣는 느낌이 달라질 수 있도록 하는 입체음향시뮬레이션기기를 말하며 여기서는 음원뿐만 아니라 청취자의 위치변화에 따른 음원의 위치변화도 말한다. 대표적으로 Crystal River Fngineering사의 Beachtron System, Convolvotron System, Acoustctron Audio 가 있으며 이것은 HRTF(Head Related Transfer Formet) 사양을 기본으로 스튜디오 내에서 음원 혹은 청취자의 위치 변화에 따란 음량/볼륨등을 DB화 하여 구성된 AUDIO시스템으로 현재 가장 진보된 3D AUDIO시스템을 구축하고
있다. 예를 들면 좌/우 분리에서의 문제점은 단지 좌우가 음량만으로 분리가 되어 어떤 음원의 위치라던지 하는 것을 분리 해낼수가 없으나 3D AUDIO의 경우 같은 거리이라도 음원이 다가 올때와 멀어질때의 음량(밀도)이 다른 효과인 도플러 효과등도 낼수가 있다.
3. 촉각장치
물체에 접촉할때 느끼는 촉감과 물체를 쥐거나 들어올릴때 느끼는 힘을 제어하는 기기를 말하며, 대표적으로 Virtual Technologies사의 CyberGlove와 VPL Reseach사의 DataGlove가
있다. 이들 기기는 표준 장갑형태의 옷감에 센서를 집어 넣은 형태로 시연자의 손가락 움직임 형태에 대해 데이터를 컴퓨터에 입력시키는 장치이나, 아직 촉감이나 무게감등을 표현하는 기술은 없으나 현재 개발중이다. 이것은 HMD를 착용한 시연자가 키보드나 마우스 혹은 여타 입력장비들을 사용하기 곤란한 상황에서 주로 사용되며 3D 공간상에 이 장갑을 표현해준다.
4. 공간 추적장치
초음파,적외선 혹은 자기장을 이용하여 공간상의 위치변화를 컴퓨터가 인식케하여 회전값 이나 위치 이동값을 입력하는 장비이다. 예를 들면 HMD를 착용한 시연자가 고개를 돌렸을때 그 회전값을 감지하여 VIEW의 회전을 이루도록 하는 기기이다. 대표적으로는 Polhemus사의 FASTRAK, Ascension Technology사의 Flock of Birds와 Logitech사의 Head Tracker등이 있다. 이것은 기왕에 설명했듯이 자기장이나 초음파 방식등에 따라 입력 LATENCY TIME이 다르며 그 특징도 조금씩 다르다. 기계 방식의 경우 상당히 정밀한 측정을 할수는 있으나 그 이동범위 제한이 상당히 크고(BOOM), 초음파 방식의 경우 입력 지연시간이 너무커서 정말한 측정에는 조금 곤란하며 자기장 방식은 그 중간이다. 근래 들어 적외선을 이용한 제품들도 속속 출시되고 있다. 이 제품의 특징은 시연자의 움직임이 무척이나 자유롭다는 것인데 시연자는 빛(적외선)을 반사할수 있는 제품을 몸에 부착하고 어떤 장치의 부담없이 자유롭게 움직일수가 있다는 것과 또 한가지는 실제 걷는 동작을 마음대로 할수가 있다는 것이다. 그러나 이 제품들은 특정한 환경에 국한될수 밖에 없다는 단점이 있다.
즉, 태양광같이 밝게 빛나는 곳이나 다른 반사물질이 있는곳에서는 사용할수 없는 스튜디오나 실험실등에서 주로 사용된다.
위의 그림에서 좌측 그림의 경우 사용자가 실제 걷는 동작을 할수가 있는데 사용자의 머리 부분에 반사물질이나 전기적인 위치를 감지할수 있는 장치를 부착 한후 천정에 그것을 감지할수 있는 장치를 한것이다. 이것은 시연자가 가상의 공간을 직접 걸어 다니는 느낌을 줄수가 있는데 불행히도 이것은 초기 공간추적 장치의 원형이다. 이러한 환경을 구현한다는것 자체가 너무도 부담이 되기 때문 이다. 그 다음의 그림의 경우 근래들어 모션캡쳐장비들이 주로 사용하는 방식으로 사용자가 몸에 적외선 반사물질을 부착하고 적외선 카메라로 그 반사빛을 검출하는 방식이다. 그러나 검출 지연이 있어 POST PRODUCTION용으로 주로 사용되고 있다. 즉, 모션캡쳐링 데이터를 이용해 C.G제작에 이용하는 정도이다.
가장 대중적인 시스템은 입력데이터(센서)가 2-4개정도 되는 제품들이 사용 되어지는데 그 이상은 물체의 움직임을 좀더 정교하게 추적할수 있지만 이 데이터 를 받아 들이는데 있어 시스템에 부담을 줌으로 실제는 2-4개 정도를 보통 사용하게 된다.
다음은 각 기기들의 특성이다. 가장 대표적인것은 기계식방식, 초음파 그리고 자기장을 이용하는 방법인데 정밀도면에서는 기계/자기장/초음파 순이나 가격은 그 반대이다.
각 기기들의 성능 측정은 SPECIAL ISSUE란을 확인하기 바란다.
5. 3D 입력장치
기타 3D입력장비에는 우리가 일반적으로 사용하는 2D 마우스와 BALL형으로 생긴 3D BALL 등 다영한 제품이 있다. 이것은 2D 마우스로 입력하기 힘든 X,Y,Z축에 대한 이동과 각축에
대한 회전값등을 입력하기 쉽게 구성한 제품들로 대표적인것은 SPACEBALL2003이라는 제품이 있다. 이것은 VR뿐만 아니라 CAD, ANIMATION등에도 다양하게 사용되어 지고 있다.
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