나뭇잎 교과서

가상 현실·증강 현실

헤드셋을 쓰면 교실 안에서 화성 표면을 걷고, 휴대 전화를 비추면 책상 위에 공룡이 나타납니다. 평평한 화면이 어떻게 깊이와 현장감을 만드는지 알아보고, 이 기술이 가져올 변화를 토론해 봅시다.

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가상 현실·증강 현실

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가상 현실 헤드셋을 쓰고 고개를 돌리면 눈앞의 가상 세계도 함께 돈다. 그런데 화면이 고개를 아주 조금 늦게 따라오면 많은 사람이 어지러움과 메스꺼움을 느낀다. 그 늦음은 수십 분의 1초에 불과한데 왜 그렇게 불편할까? 그리고 평평한 화면 두 개로 어떻게 깊이를 만들며, 가상 현실과 증강 현실은 사회를 어떻게 바꿀까?

그림 1. 고개를 돌리는 동안 화면이 지연 시간만큼 늦게 그려지면, 가상 세계가 고개 방향보다 (각속도 × 지연 시간)만큼 뒤처진다. 회색 틀이 눈이 기대한 위치, 진한 틀이 실제로 그려진 위치이다.
먼저 알아야 할 것눈의 구조와 초점 조절(통합과학), 각속도(역학과 에너지), 센서(과학탐구실험), 연결되는 세상(연결되는 세상과 미래).

3.5.1평평한 화면으로 만드는 깊이

두 눈은 약 6.5 cm 떨어져 있어 같은 물체를 조금 다른 방향에서 본다. 가까운 물체일수록 두 눈의 상이 많이 다르고, 뇌는 이 차이(양안 시차)로 거리를 느낀다. 가상 현실 헤드셋은 두 눈 앞에 각각 조금 다른 그림을 보여 주어 이 차이를 흉내 낸다. 그래서 평평한 화면 두 개만으로도 물체가 손 닿을 거리에 떠 있는 것처럼 느껴진다.

정리 3.5.1 움직임과 화면의 어긋남

고개를 각속도 \(\omega\)로 돌릴 때 센서가 움직임을 감지하여 새 화면을 그리기까지 지연 시간 \(\Delta t\)가 걸리면, 화면은 \(\omega\Delta t\)만큼 늦게 따라온다. 이 어긋남이 귓속 평형 기관이 느끼는 움직임과 눈이 보는 움직임을 다르게 만들어 멀미를 일으킨다.

그림 1에서 두 값을 바꾸어 보자. 고개를 1초에 100° 돌리고 지연이 50 ms이면 화면은 5° 뒤처진다. 이는 손을 뻗었을 때 손가락 세 개 너비쯤이다. 지연을 20 ms 아래로 줄이면 대부분의 사람이 어긋남을 거의 느끼지 못한다고 알려져 있다. 그래서 헤드셋은 1초에 수백~수천 번 고개의 각도를 재는 센서를 쓰고, 고개가 앞으로 어디 있을지 미리 예측하여 그린다.1

3.5.2가상 현실과 증강 현실의 쓰임

가상 현실은 눈앞을 완전히 가상의 세계로 바꾸고, 증강 현실은 실제 세계 위에 정보를 겹쳐 보여 준다. 의대생은 가상 현실로 수술을 연습하고, 정비사는 증강 현실 안경으로 기계 위에 표시된 순서를 보며 고친다. 소방관과 조종사의 위험한 훈련, 먼 곳의 문화재 체험도 가능하다. 한편 오래 쓰면 눈의 피로와 멀미가 생기고, 카메라가 주변 사람을 계속 찍는 문제, 가상 세계에 지나치게 빠져드는 문제도 함께 따져야 한다.

구분보는 것예 가상 현실 (VR)완전한 가상 세계수술 연습, 훈련, 게임 증강 현실 (AR)실제 세계 + 겹친 정보정비 안내, 길 찾기
그림 2. 가상 현실은 세계를 바꾸고, 증강 현실은 세계에 정보를 더한다.

3.5.3예제 풀이

예제 3.5.2

헤드셋 화면이 1도에 화소 20개를 보여 준다. 고개를 1초에 120° 돌릴 때 지연이 40 ms이면 화면은 몇 도, 몇 화소 뒤처지는가? 뒤처짐을 화소 2개 이하로 줄이려면 지연 시간을 얼마 아래로 해야 하는가?

뒤처짐은 \(120 \times 0.040 = 4.8\)°이고, 화소로는 \(4.8 \times 20 = 96\)개이다. 화면이 화소 100개 가까이 밀려서 그려지는 셈이다.

화소 2개는 0.1°이므로, \(120 \times \Delta t \le 0.1\)에서 \(\Delta t \le 0.00083\) s, 곧 약 0.8 ms이다. 실제로 이렇게 짧게 줄이기는 매우 어렵다. 그래서 헤드셋은 그림을 그린 뒤 화면에 내보내기 직전에 최신 센서 값으로 그림을 살짝 돌려 맞추는 방법을 쓴다. 즉 가상 현실의 편안함은 화려한 그래픽보다, 센서와 계산이 사람의 감각을 얼마나 빨리 따라가느냐에 달려 있다.

아래 탐구 카드에서 평평한 화면 두 개로 깊이를 만드는 원리, 늦게 따라오는 가상 세계의 문제, 가상·증강 현실이 사회를 바꾸는 방식을 살펴보자.

  1. 멀미는 배나 자동차에서도 같은 원리로 생긴다. 몸은 흔들리는데 눈은 고정된 실내를 보면, 감각이 서로 맞지 않아 뇌가 혼란을 느낀다. 가상 현실은 그 반대로, 눈은 움직임을 보는데 몸은 가만히 있다.
마무리

가상 현실은 두 눈에 조금 다른 그림을 보여 깊이를 만들고, 고개의 움직임을 센서로 재어 화면을 바꾼다. 지연 시간 \(\Delta t\) 동안 화면은 \(\omega\Delta t\)만큼 뒤처지며, 이 어긋남이 눈과 평형 기관의 감각을 다르게 하여 멀미를 일으킨다. 그래서 처음 질문의 가상 세계가 늦게 따라오면, 수십 ms의 지연도 몇 도의 어긋남이 되어 어지러움을 일으키므로 지연을 20 ms 아래로 줄여야 한다.

탐구 1

평평한 화면 두 개로 가상 현실은 어떻게 깊이를 만들까?

가상 현실의 원리 · 양안 시차와 수렴 · 초점–수렴 불일치
두 눈의 수렴각
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1 m 더 멀어질 때 시차 변화
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초점–수렴 불일치
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왼쪽 그림은 가로(눈 사이 거리)를 크게 과장하고 세로는 로그 눈금으로 그렸다. 가상 화면 거리 1.5 m는 모식값이며 실제 제품마다 다르다(대략 1~2 m). 디옵터(D)는 거리(m)의 역수로, 눈이 초점을 맞추는 데 드는 조절의 양이다. 어른의 두 눈 사이 거리는 평균 약 63 mm이다.

  1. 질문가상 현실 헤드셋 속에는 눈앞 몇 cm에 평평한 화면이 있을 뿐인데, 쓰면 물체가 손에 잡힐 듯 가까이 있거나 저 멀리 있는 것처럼 보인다. 깊이는 어디서 생길까?
  2. 복원두 눈은 6~7 cm 떨어져 있어서 같은 물체를 조금 다른 방향에서 본다. 가까운 물체를 보면 두 눈이 안쪽으로 모이고(수렴), 수정체의 두께를 바꿔 초점을 맞춘다(조절).
  3. 설명두 눈에 맺힌 상의 위치 차이를 양안 시차라 하고, 뇌는 이 차이로 깊이를 계산한다. 1838년 휘트스톤은 두 그림을 각 눈에 따로 보여 주는 입체경으로 이 원리를 증명했다. 가상 현실 헤드셋도 같은 일을 한다. 두 눈 사이 거리만큼 떨어진 가상의 카메라 두 대로 장면을 그려, 왼쪽 화면에는 왼눈 영상을, 오른쪽 화면에는 오른눈 영상을 보여 준다. 렌즈는 눈앞의 화면이 1~2 m쯤 떨어진 곳에 있는 것처럼 보이게 한다.
  4. 연결양안 시차는 거리에 반비례해 작아지고, 같은 깊이 차이가 만드는 시차의 차이는 거리의 제곱에 반비례해 더 빨리 작아진다. 그래서 먼 곳의 깊이는 원근, 가림, 크기, 그리고 머리를 움직일 때 가까운 것이 더 많이 움직이는 운동 시차로 느낀다. 헤드셋이 머리의 위치와 방향을 끊임없이 재는 추적(카메라와 관성 센서)을 하는 까닭이다. 증강 현실은 여기에 더해 현실의 벽과 바닥을 인식해 가상 물체를 정확한 자리에 붙여야 한다.
  5. 적용거리를 0.3 m에서 20 m까지 바꾸며 오른쪽 두 화면의 물체 위치 차이를 보자. 몇 m쯤부터 차이가 거의 사라지는가? 헤드셋으로 보기를 켜고, 물체가 0.3 m에 있을 때와 1.5 m에 있을 때의 초점–수렴 불일치를 비교해 보자.
  6. 판단현실에서는 수렴과 조절이 늘 같은 거리를 가리키지만, 헤드셋에서는 두 눈이 가까운 가상 물체 쪽으로 모여도 초점은 가상 화면 거리에 머문다. 이 초점–수렴 불일치는 가까운 물체를 오래 볼 때 눈의 피로와 불편을 일으키는 원인으로 꼽힌다. 또 헤드셋에 설정된 눈 사이 거리가 실제와 다르면 물체의 크기와 거리가 어긋나 보인다. 제조사들이 권장 연령과 사용 시간을 안내하는 것도 이런 까닭이다.

확인조건이 달라지면

한쪽 눈을 가리고 가상 현실 게임을 하면, 깊이감은 어떻게 될까?

탐구 2

고개를 돌렸는데 가상 세계가 늦게 따라오면 무슨 일이 생길까?

가상·증강 현실의 원리 · 머리 추적 · 움직임–화면 지연 · 예측 보정
가장 큰 각 오차
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화면에서 어긋남
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지금 오차
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머리는 1초에 반 번 좌우로 흔들린다고 두었다. 화면에서 어긋남은 시야 1°에 약 20화소인 화면을 가정한 모식값이다. 실선 상자는 화면에 그려진 자리, 점선 상자는 현실에 고정되어 있어야 할 자리이다. 업계에서는 흔히 움직임–화면 지연 20 ms 이하를 목표로 삼는다.

  1. 질문가상 현실 속 탁자 위의 컵은 내가 고개를 돌려도 탁자 위에 그대로 있어야 한다. 헤드셋은 머리의 방향을 재고, 그 방향에서 보이는 장면을 계산해 화면에 그린다. 이 과정에 시간이 걸린다면 컵은 어떻게 보일까?
  2. 복원각속도가 ω인 회전이 시간 τ 동안 계속되면 각도는 ω·τ만큼 변한다. 사람이 고개를 돌리는 속도는 보통 초당 수십~수백 도이다.
  3. 설명헤드셋은 관성 센서(자이로스코프, 가속도계)와 카메라로 머리의 방향과 위치를 1초에 수백 번 잰다. 이를 머리 추적이라 한다. 센서 측정, 장면 계산, 화면 표시까지 걸리는 시간이 움직임–화면 지연이다. 지연이 τ이면 화면은 τ만큼 이전의 머리 방향으로 그려지므로, 가상 물체는 고개를 돌리는 동안 ω·τ만큼 뒤처졌다가 멈추면 제자리로 미끄러져 돌아온다.
  4. 연결눈과 속귀의 평형 감각은 ‘머리가 돌았다’고 알리는데 눈앞의 세상이 엉뚱하게 움직이면, 감각 정보가 서로 맞지 않아 어지럼증과 메스꺼움(사이버 멀미)이 생길 수 있다. 그래서 헤드셋은 빠른 센서와 화면, 그리고 머리가 지연 시간 뒤에 어디를 향할지 미리 계산하는 예측 보정을 쓴다. 현실 위에 가상 물체를 겹치는 증강 현실에서는 진짜 배경과 비교되므로 작은 어긋남도 더 눈에 띈다.
  5. 적용지연을 50 ms, 고개 속도를 120 °/s로 두고 상자가 얼마나 어긋나는지 보자. 오차를 1° 안으로 줄이려면 지연을 얼마로 낮춰야 하는가? 다음으로 예측 보정을 켜고, 고개를 빨리 돌릴 때와 방향을 바꿀 때 오차가 어떻게 달라지는지 확인해 보자.
  6. 판단예측 보정은 지연을 없애는 것이 아니라 추측으로 메우는 것이다. 머리가 일정한 속도로 돌 때는 잘 맞지만, 갑자기 멈추거나 방향을 바꿀 때는 지나쳤다가 되돌아오는 오차가 남는다. 또 사이버 멀미의 원인은 지연만이 아니다. 화면 속에서 몸은 가만히 있는데 시점만 움직이는 경우(가상 롤러코스터 등)에도 생기며, 사람마다 민감한 정도가 크게 다르다.

확인조건이 달라지면

같은 헤드셋으로 천천히 둘러보는 박물관 관람 앱과 빠르게 고개를 돌리는 리듬 게임을 한다. 지연 시간이 30 ms로 같을 때 옳은 설명은?

읽기 3

가상 현실과 증강 현실은 어디에 쓰이고, 우리 사회를 어떻게 바꿀까?

읽기 · 가상·증강·혼합 현실 · 활용 사례 · 영향 토론 · 과학문화 콘텐츠 만들기

수술을 처음 하는 의사가 환자 대신 가상의 몸으로 연습하고, 정비사는 안경 너머로 겹쳐 보이는 설명서를 보며 엔진을 고친다. 가상과 현실을 섞는 기술은 어디까지 와 있고, 어떤 질문을 남길까?

1현실과 가상 사이

현실 그대로 완전한 가상 세계 증강 현실(AR) 현실 위에 가상 정보를 겹침 가상 현실(VR) 시야 전체를 가상으로 혼합 현실(MR) 가상 물체가 현실과 상호 작용

1994년 밀그램과 기시노는 현실과 가상을 둘로 나누지 않고 하나로 이어진 띠로 보자고 제안했다. 1968년 서덜랜드가 만든 머리 착용 디스플레이는 천장에 매달아야 할 만큼 무거웠지만, 머리 방향을 재서 선으로 그린 입체를 보여 주는 오늘날 헤드셋의 원형이었다. 2016년 출시된 위치 기반 게임 「포켓몬 GO」는 스마트폰만으로 많은 사람이 증강 현실을 경험하게 했다.

2우리 주변의 활용 사례

분야활용 예쓰이는 원리
교육·과학관위험하거나 비싼 실험의 가상 실험실, 태양계·세포 속 탐험, 문화유산 복원 모습 보기양안 시차, 머리 추적
의료수술 연습용 시뮬레이터, 환자 영상(CT 등)을 수술 부위에 겹쳐 보기, 재활 훈련정밀 위치 맞춤, 손 추적
산업설비 정비 안내, 공장 설계 검토, 실제 설비와 똑같이 움직이는 디지털 트윈공간 인식, 실시간 자료 연결
교통·안전비행·운전 시뮬레이터, 앞유리에 길 안내를 띄우는 헤드업 디스플레이, 소방 훈련낮은 지연, 위치 추적
생활·문화가구를 방에 미리 놓아 보기, 가상 공연과 전시, 원격 회의바닥·벽 인식, 네트워크

3미래 사회에 미칠 영향, 토론 거리

기대우려
거리와 비용 때문에 못 하던 경험과 훈련을 누구나 할 수 있음장비 값과 통신 환경에 따른 새로운 격차
위험한 일을 가상에서 먼저 연습해 사고를 줄임사이버 멀미, 눈의 피로, 어린이의 장시간 사용
멀리 떨어진 사람과 같은 공간에 있는 듯한 협업카메라와 센서가 집 안 구조, 시선, 몸짓까지 기록하는 개인 정보 문제
현실에 정보를 겹쳐 판단을 도움가상 정보가 현실을 가려 생기는 사고, 조작된 정보를 현실처럼 믿는 문제

4가상·증강 현실로 과학문화 콘텐츠 만들기

먼저 원자 모형, 판의 이동, 세종 때 천문 기구의 작동, 별자리의 하루 운동처럼 눈으로 보기 어려운 과학을 주제로 고른다. 다음으로 스마트폰의 360° 사진이나 영상, 웹 브라우저에서 돌아가는 3차원 장면, 표식(마커)을 비추면 모형이 나타나는 증강 현실 앱 등 학교에서 쓸 수 있는 것을 고른다. 이어서 관람자가 무엇을 조작하고 무엇을 발견할지 정한다. 보기만 하는 영상보다 직접 움직여 보는 장면이 이해를 돕는다. 그리고 크기와 거리, 색을 과장했다면 그 사실을 표시한다. 멀미를 줄이도록 시점을 갑자기 움직이지 않고, 사용 시간을 안내한다. 마지막으로 발표한 뒤 친구들의 체험 소감을 듣고, 과학적으로 오해를 부를 장면이 없었는지 함께 검토한다.

판단“가상 현실 경험은 실제 경험과 똑같다”거나 “가상 현실은 눈을 망가뜨린다”는 단정은 모두 근거가 부족하다. 가상 훈련은 많은 분야에서 효과가 확인되었지만 실제 경험을 모두 대신하지는 못하고, 건강 영향은 사용 시간과 나이, 콘텐츠에 따라 다르다. 기술의 영향은 기술 자체보다 어떻게, 누가, 얼마나 쓰는지에 달려 있다.

확인조건이 달라지면

어느 박물관이 관람객이 휴대 전화로 전시물을 비추면 설명이 겹쳐 뜨는 서비스를 만들려 한다. 이 서비스는 무엇에 해당하고, 가장 먼저 따질 점은?

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