머리 기반 디스플레이 (Head Based Display)

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1. 머리 기반 디스플레이 (HBD)

HMD와 HBD는 거의 유사한 의미로 쓰이지만, HBD 하위 카테고리에 HMD가 존재하는 개념이라는 것을 기억해야 한다.

HBD는 장치가 머리에 고정되어 있는 형태이며, 체험자의 머리가 움직이면 이에 따라 기기도 함께 움직이게 된다.

체험자의 눈을 가리는 형태로 설계되어 있는 것이 일반적이며, 이러한 구조 때문에 체험자의 머리 움직임/회전을 추적하기에 보다 유리하다.

하지만 체험자의 신체에 부착된 상태를 유지한다는 점 때문에 무게에 민감하며, 체험자의 시야를 원천 차단하는 구조이기 때문에 신체 움직임에 따른 안전사고가 발생하기 쉽다는 문제점이 공존한다.

경우에 따라 유원지 등에서 볼 수 있는 쌍망경처럼 기기 자체는 특정한 장소에 고정되어 있고, 기계팔로 연결되어 체험자가 자신의 머리를 기기에 가져다 대는 방식으로 조작하는 경우도 있다.

HBD 방식의 VR 시스템 중 체험자의 시야를 완전히 가리는 HMD 방식의 경우, 앞서 살펴본 고정형 VR 시스템과 비교했을 때 100% 완전한 FOR을 달성할 수 있다.

 

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2. 머리 고정형 디스플레이 (HMD)

머리 고정형 디스플레이는 HBD 시스템 중 가장 흔하고 익숙한 형태로 VR이라는 단어와 가장 밀접한 연관이 있는 디스플레이다.

기기의 구성이 단순하고 가볍다면 체험자가 손에 들고 사용할 수도 있고, 밴드를 이용해서 머리에 고정시킬 수도 있다.

어떤 형태로 머리에 고정하든 간에 HMD를 사용하는 VR 시스템은 기본적으로 스테레오스코픽 이미지 뎁스 단서를 허용한다.

양 눈에 맞게 설계된 두 개의 스크린은 기기 내부에 부착된 렌즈를 통해서 체험자에게 시야를 제공하며, 이 시야는 앞서 언급한 것처럼 체험자의 두 눈을 완전히 가리는 조건에서 제공되기 때문에 100% 완전한 FOR을 보장할 수 있다.

HMD 기기는 다양한 트래킹 시스템과 궁합이 좋다.

체험자의 머리 움직임과 회전을 감지하기 위해 가속도 센서와 자이로스코프 센서는 거의 모든 기기에 기본적으로 적용되며, 기기 전면에 카메라와 별도의 센서를 부착하여 제한적인 신체 추적 기능을 구현하기도 한다.

경우에 따라 기기에 부착된 센서를 사용하여 체험자의 신체 움직임을 추적하는 것 대신 기기 자체는 특정한 위치에 고정되어 있고 체험자가 기기에 머리를 가져다 댄 상태에서 기기를 붙잡고 원하는 방향과 위치로 이동/회전시키는 방식도 존재한다.

이 경우 체험자 신체에 부착하기에는 기기가 과하게 무겁고 큰 경우, 공용으로 사용되기 위해 부득이하게 기기를 특정 위치에 고정시켜야 하는 경우 등 특정한 목적에 따라 주로 사용된다.

이러한 방식은 기계적인 움직임을 계산하면 되므로, 센서를 사용하는 방식보다 더욱 정확한 움직임/회전량 추적이 가능하지만 체험자의 신체 움직임 자유도가 크게 떨어진다는 단점이 존재한다.

 

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3. HBD의 포괄적인 기능들

앞서 언급한 것처럼 HBD는 100% FOR을 보장할 수 있다.

하지만 FOV는 상당히 제한적인데, 이는 해상도와 연관이 있기 때문이다.

FOV를 높이기 위해서는 그만큼 렌더링해야 하는 이미지의 크기가 커진다는 걸 의미하며, 이는 결국 컴퓨팅 성능에 대한 부담으로 이어질 수밖에 없다.

컴퓨터 성능에 대한 균형을 유지하기 위해서는 '해상도를 높이고 FOV를 좁게 잡는 방법'과 '해상도를 낮추고 FOV를 넓게 잡는 방법'을 고려해야 한다.

물론 꼭 2차원적인 방법으로만 고려해야 한다는 것은 아니다.

인간의 안구는 최대한 넓은 시야각을 확보하기 위해 구 형태로 이루어져 수치상으로는 상당히 넓은 수치의 FOV 값을 가지고 있지만, 실질적으로 초점을 잡고 뚜렷한 상을 인지하여 정보를 받아들이는 '양안 겹침 시야'(Stereo overlap FOV)는 그렇게 넓지 않다.

이러한 점을 활용하여 렌더링 되는 이미지의 중앙 부분(양안 겹침 시야에 노출되는 부분)만 고해상도로 렌더링 하고, 이미지의 외각 부분은 저해상도로 렌더링 하는 방법이 사용되기도 한다.

또한 FOR 100%를 달성할 수 있다고 해도 인간의 신체 구조상 시야 뒤편의 모습까지 동시에 볼 수는 없으므로, 물리적으로 동시에 바라보는 것이 불가능한 영역의 렌더링 품질을 크게 낮춰서 컴퓨팅 자원을 절약하는 방법도 흔히 사용된다.

HBD 방식의 VR 시스템, 특히 HMD 시스템은 등장 초기에는 단순히 컴퓨터와 유선으로 연결되어 특이한 형태의 모니터처럼 기능하는 것이 고작이었다.

이 때문에 컴퓨터와 연결되어 있는 유선 케이블이 체험자의 발에 걸리거나 길이를 가늠하지 못한 체험자의 실수로 컴퓨터가 책상에서 떨어지는 등 다양한 안전사고의 위험이 존재하였다.

이후 HMD 시스템 자체의 성능이 향상되면서 별도의 컴퓨터 연결 없이도 독립적으로 콘텐츠를 즐길 수 있는, '독립형 VR 시스템'이 등장하였고 컴퓨터와의 연결 방식도 유선이 아닌 무선으로 세대 전환이 완료되었다.

현재는 HMD 기기의 무게와 크기를 줄이는 것에 집중하고 있는 추세이며, '안경형 HMD 기기'를 가장 이상적인 도달점으로 추구하는 경향을 보이고 있다.

이 수준까지 도달할 수 있게 된다면 이전보다 더욱 높은 수준의 자유도와 생산성 분야의 활용까지 기대해 볼 수 있을 것이다.

HBD 스타일의 VR 시스템의 최대 장점은 공간 제약을 크게 받지 않는다는 점이다.

고정형 VR 시스템처럼 별도의 디스플레이 장치를 설치하거나 고정시킬 드넓은 공간을 따로 요구하지도 않으며, 경우에 따라 가방이나 파우치에 시스템을 보관할 수 있을 정도의 작고 부담 없는 사이즈를 자랑한다.

만약 '프로젝트 오리온'(Project Orion)의 사례처럼 안경 수준의 소형화, 경량화에 성공한다면 이러한 장점은 더더욱 부각될 수 있을 것이다.

HBD는 앞서 계속 언급한 바와 같이 체험자의 시야를 완전히 가리기 때문에 이에 대한 대응 방안이 함께 요구된다.

기기 외부에 장착된 카메라를 통해 현실 세계의 모습을 제한적으로 묘사하여 체험자의 신체 주변에 현재 어떤 장애물이 있는지를 인지할 수 있도록 해주는 기능은 체험자 본인뿐만이 아니라 주변에 있는 타인의 안전을 위해서라도 필수적인 기능이다.

HTC Vive 제품의 경우 Chaperone 시스템을 통해 이러한 기능을 제공하고 있는데, 체험자가 안전하게 가상 세계를 체험할 수 있도록 체험자가 현실 세계 속 장애물에 가까이 다가가게 되면 그 장애물의 윤각을 마치 야간투시경을 쓴 것처럼 보여줄 수 있다.

 

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4. HBD의 인터페이스

HBD 방식의 VR 시스템은 1인칭 시점을 사용하기 때문에 체험자의 눈을 기준으로 하여 가상 세계의 이미지를 렌더링 한다.

이 때문에 체험자 입장에서 상당히 직관적인 인터페이스를 경험할 수 있다.

당장 시야를 조작하는 경우를 생각해 본다면, 체험자가 보고 싶은 방향으로 고개를 돌리기만 하면 된다.

왼쪽을 보고 싶다면 머리를 왼쪽으로 돌리면 되고, 가까이서 보고 싶다면 머리를 앞으로 들이밀거나, 직접 걸어가면 된다.

이는 HMD 기기에 기본적으로 체험자의 머리 움직임/회전을 추적할 수 있는 센서가 내장되어 있기 때문이다.

하지만 이는 다시 말해서 가상 세계를 제작할 때 기존의 컴퓨터 모니터처럼 '평면' 상에서 가상 세계를 바라보던 개념에서 벗어나 전방위 모든 방면에서 가상 세계를 바라볼 수 있다는 점을 고려해야 한다는 것을 의미한다.

원하는 사물을 손으로 집어 들고, 집어든 사물을 가까이 눈에 가져다 유심히 관찰하고, 이리저리 사물을 전방위로 둘러보기도 하는 등 이전보다 훨씬 더 디테일하고 정교한 가상 세계의 완성도를 요구한다는 것은 가상 세계의 제작 난이도와 비용을 높이는 데 큰 부담이 될 수 있다.

또한 현실 세계에 대한 시야가 완전히 차단된 환경에서 가상 세계를 체험하기 때문에 기존에 사용되던 HID는 사용이 어려울 수도 있다.

당장 텍스트를 입력한다고 가정했을 때, 현실 세계에 존재하는 키보드를 활용하고자 한다면 체험자가 자신이 사용할 키보드가 어디에 있는지 어떻게 알 수 있을까?

마우스는 또 어떠할까?

마우스는 애초부터 2D, 즉 평면적인 환경 내에서 커서를 이용해 탐색하기 위한 포인팅 장비였기 때문에 체험자 주위를 입체적으로 모두 둘러싸듯이 렌더링 하는 가상 세계 환경에서는 커서를 조작하는 것조차가 난감해질 것이다. 

그렇다면 체험자의 신체를 이용하는 인터페이스, 즉 현실 세계에서 신체를 사용하는 방식을 그대로 이식한 완전히 다른 방식의 인터페이스가 준비되어야 할 것이다.

어떠한 버튼을 클릭한다면 체험자가 직접 자신의 손을 뻗어서 클릭하고, 어떠한 사물을 집어 들고자 한다면 직접 그 사물 앞으로 다가가서 손으로 그 사물을 집어드는 식이다.

이는 매우 직관적인 인터페이스를 제공할 수 있다는 압도적인 장점을 지니고 있기는 하지만, 이를 위해서는 신체 움직임을 최대한 정밀하게 추적해야 한다는 기술적인 어려움과 명확한 피드백(특히 촉각 피드백)이 부족하여 체험자가 어색함을 느끼기 쉽다는 단점이 존재한다.

물론 이러한 단점을 극복하기 위해 HMD 기기 외부에 장착된 카메라로 현실 세계의 모습을 보여주도록 한 뒤, 기존의 HID 기기(키보드 등)를 조작할 수 있도록 해준다거나, 가상의 스타워즈 광선검을 연출하기 위해 현실 세계에 존재하는 손전등을 집어 들도록 유도하는 등 질량과 무게가 유사한 형태의 프랍(소품)을 활용해 피드백과 신체 추적 정확도를 끌어올리는 방법을 활용할 수도 있을 것이다.

 

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수고하셨습니다!

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