기계식 트래킹, 초음파 트래킹, 전자기 트래킹

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1. 기계식 트래킹

기계식 트래킹 기술은 가장 기본적인 위치 추적 기술이다.

관절형 기계 팔에 머리의 위치를 인식하기 위한 센서를 설치하고, 머리를 돌리면 기계 팔이 머리와 함께 회전하면서 머리의 움직임과 위치를 추적하는 방식이 대표적인 예시이다.

기계식 트래킹 장비는 체험자와 물리적으로 연결되어 있는 상태로 움직이기 때문에 매우 정확하고 속도가 빠르며, 정밀하다는 장점이 있다.

위치 트래킹 장비 외에 모터와 브레이크를 '붐 연결 장치'(관절형 기계 팔 장치)에 장착하여 포스 디스플레이(햅틱 디스플레이)를 구현하는 것도 가능하다.

이러한 기기는 사용자의 머리를 추적하기보다는 체험자의 손이나 발 등을 추적하고 이 신체 부위에 피드백을 주도록 설계되어 있다.

이러한 기계식 트래킹 장비의 가장 결정적인 단점은 물리적으로 체험자와 연결되어 있기 때문에 체험자를 세계의 고정된 위치에 묶어두어야 한다는 것이다.

또한 물리적으로 연결되어 있는 기계식 장비의 무게 때문에 체험자의 움직임에 부담을 줄 수 있으며, 그만큼 자유도를 빼앗기도 쉽다.

거대한 시각 디스플레이가 장착되어 있거나, 부피를 많이 차지할 정도로 무겁고 둔한 기계식 트래킹 장비들은 대부분 특수한 목적으로 제작된 '설비' 형태인 경우가 많다.

대표적인 사례가 로봇 팔을 사용하는 기계식 정밀 수술 장비이다.

이러한 설비들은 체험자의 손을 정밀하게 추적하는 것에 집중하는 경우가 많다.

진동을 비롯한 다양한 햅틱 피드백, 트리거에 전해지는 물리적인 저항감 등을 통해 최대한 정밀한 촉각을 전달할 수 있는 I/O 인터페이스를 구현하는 것을 목표로 한다.

이러한 목표는 해당 설비를 통해 달성해야 하는 목표에 따라 조금씩 달라지기는 하지만, 대부분 인간의 신체만으로는 달성하기 힘든 초정밀 작업들이 차지한다.

당연하겠지만, 기계식 트래킹은 눈과 결합된 시각 디스플레이를 제공할 때는 거의 쓰이지는 않는다. 

 

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2. 초음파 트래킹

초음파 트래킹 기술은 초음파 센서를 통해 손신기와 수신기 사이의 거리를 인지하는 방식의 기술이다.

이 거리는 발신된 초음파가 되돌아오기까지의 시간을 기준으로 계산된다.

3개의 송신기, 3개의 수신기를 함께 사용하면 6-DOF 위치를 삼각 측량 방식으로 계산하는 것도 가능해진다.

물론, 일반적으로는 정확도를 높이기 위해 더 많은 송신기를 사용할 것이다.

다만 트래킹 시스템이 사용하고 있는 주파수 범위 내에서 소음이 발생한다면 트래킹 성능이 저하될 수 있다.

사운드를 예시로 들자면, 스피커와 마이크 사이에 방해물이 없다는 조건이 만족되어야 사운드가 둘 사이를 이동하는 시간을 정확하게 계산할 수 있다는 것이다.

또한 초음파 트래킹은 어떠한 위치를 삼각 측량 하기 위해서 복수의 별도 송신기와 수신기가 필요하다는 것이다.

이 송신기와 수신기는 일정한 최소 거리 이상만큼 떨어져 있어야 하기 때문에 설치 과정에서 공간을 많이 차지할 수 있다.

 

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3. 전자기 트래킹

전자기 트래킹은 다른 기술의 발전과 유행에 따라 점차 사용량이 줄어들고 있는 기술 중 하나이다.

하지만 저비용, 단거리 분야에서는 수요가 여전히 존재하고 있기 때문에 완전히 사라진 기술이라고 부르기에는 무리가 있다.

전자기 트래킹 기술은 송신기를 통해 디바이스 내 코일 3개가 자기장을 생성한다.

이 송신기의 자기장은 추적 중인 대상이 지니고 있는 수신기의 코일에 전류를 유도한다.

수신기의 코일에 전류가 흘러 수신기가 감지할 수준이 되면 이 전류의 양을 측정하여 상대적 위치를 결정한다.

이때, 송신기는 수신기의 절대 위치 연산이 가능하도록 미리 지정된 위치와 방향에 고정되어 있어야 한다.

일반적으로 수신기는 체험자의 머리나 손에 배치되거나, 휴대용 디스플레이에 놓이기도 한다.

전자기 추적을 이용해 6-DOF 위치를 측정할 때는 송신기의 세 개의 직교 코일에 각각 직교하는 자기 쌍극자를 유도하여 이루어진다.

수신기에서는 송신기로부터 순차적으로 출력되는 신호 동안 세 개의 별도 직교 코일에 생성된 전류량이 달라지므로, 총 9개의 측정값이 나오게 된다.

이 9개의 측정값을 통해 6개의 값을 계산, 송신기로부터의 상대적인 위치를 추적한다.

전자기 트래킹 방식은 철이나 니켈처럼 금속 재질의 간섭에 취약하다는 것이다.

Flock of Birds와 같은 DC 펄스 시스템(직류 펄스를 이용해 자기장을 생성하는 시스템)은 전자기 측정 전에 와류(Eddy)가 가라앉을 때까지 기다렸다가 측정을 진행하지만, 이는 정밀도를 향상할 수 있지만 측정 레이턴시가 길어진다는 문제가 남는다.

또한 자기장의 범위가 상당히 짧다.

체험자가 작동 범위 가장자리 부근으로 이동하게 되면 정확도가 크게 떨어지며, 범위 확장을 위해 여러 송신기를 사용하는 방법도 있지만 구현 난이도 문제가 있어 바람직한 방안은 아니다.

전자기 트래킹 시스템이 위치 데이터를 연산하는 방식은 순차적 특징을 지니기 때문에 데이터를 생성할 때 시간이 소요된다는 것이다.

이로 인한 발생할 수밖에 없는 추적 지연 문제는 실시간 데이터 처리 능력에 발목을 잡는 요소로 작용한다.

이는 극도로 빠른 반응 속도를 기반으로 현실 세계와 유사한 수준의 상호작용을 구현해야 하는 것을 목표로 삼는 VR 게임과 같은 인터렉티브 중심의 콘텐츠에서 특히 크게 부각될 것이다.

하지만 전자기 방식에는 송신기와 수신기 사이에 금속 물체가 있어 간섭을 일으키지 않는 이상, 보다 자유로운 활동이 보장된다.

이는 기계 장치가 차지하는 공간과 부피 때문에 체험자의 활동을 방해하는 기계식 트래킹 방식과 비교하면 엄청난 이점이 될 수 있다.

무선 시스템을 적용하는 것에도 부담이 없어서 체험자의 활동을 거추장스럽게 방해할 가능성도 매우 낮다.

 

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