Ⅰ. 서 론

가상현실(Virtual reality; 이하 VR)이란, 일반적으로 컴퓨터 그래픽을 이용하여 현실과 유사한 가상의 세계를 경험하게 하는 기술을 말한다(Fig. 1).¹⁾

최근 많이 보급되고 있는 VR 장치는 머리에 착용하는 디스플레이(Head Mounted Display, 이하 HMD)와 손으로 잡는 컨트롤러(Hand Controller, 이하 HC)로 가상현실을 구현한다. VR 장치의 HMD는 디스플레이와 광학렌즈 등으로 구성된다. 미세한 시차(Disparity)를 갖는 2개의 영상을 디스플레이에 생성하면, 광학렌즈 및 합성 안광학계의 굴절과정을 거쳐 양안 망막에 각각 상을 맺게 되고, 이에 대한 융합(Fusion) 등의 과정을 거쳐서 입체감이 있는 시각 상을 인식한다(Fig. 2).^2,3)

이와 같은 VR 장치의 구동 원리는 안경광학 분야에서 입체경의 원리와 매우 유사하다. 입체경은 볼록렌즈와 검사용 타깃 등으로 구성되며, 피검자가 볼록렌즈를 통해 타깃을 주시하면 양안의 망막에 각각 타깃 상을 맺게 되고, 시기능 검사 및 훈련을 수행할 수 있다(Fig. 3).⁴⁾

VR 공간을 구현할 때 사용되는 유니티(Unity, Unity Technology, Denmark) 소프트웨어에서는 프로그램 내부에서 제공하는 특정 단위로 거리 단위를 통일하고 있으며, 1 unit은 실제 현실의 1m와 크기가 같다고 정의하고 있다. 따라서 실제 현실의 meter 단위를 unit 단위로 환산하여 시기능 검사 시스템을 구축한다면 입체 경처럼 가상현실에서 시기능 검사를 수행할 수 있을 것으로 판단하였다.

이에 본 연구에서는 가상현실을 구현하는 HMD(Oculus rift s, Oculus, USA)의 광학계를 이용하여 수정된 토링 톤 시표와 마독스 봉을 기반으로 가상현실의 사위검사법을 개발하였고, 안경광학 분야에서 가상현실 기술의 적용에 대한 기초자료를 제시하고자 하였다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. HMD의 광학계 측정

자동렌즈미터(Visulens 500, Zeiss, Germany)를 이용하여 측정한 HMD(Oculus rift s, Oculus, USA)의 광학 렌즈 굴절력은 26.25D이었고, 버니어캘리퍼스(Vernier calipers, Shincon, China)를 이용하여 측정한 렌즈의 광학중심점 사이의 거리는 62.66mm, 광학렌즈와 디스플레이 사이의 거리는 33.38mm이었다.

가상현실에 사위 시표를 생성했을 때 디스플레이에 송출된 양쪽 타깃의 위치와 분리도는 PC 기반 표면 측정 장치(MarSurf VD 140, Mahr, Germany)를 이용하여 계측하였다(Fig. 4).

광학렌즈에 의해 굴절된 디스플레이 타깃 상의 위치와 분리도, 배율은 다음의 공식을 이용하여 산출하였다(Equation 1-3).

1) 상의 위치

2) 상의 분리도

3) 상 배율

2. 가상현실 기반의 사위측정 시스템 설계

유니티(Unity, Unity Technology, Denmark) 소프트웨어를 이용하였다.

1) 가상의 검사실

가상현실 내 사용자의 시야각은 양안 115°이었으며, 검사실의 크기는 가로(x) 12 unit, 세로(y) 4.5 unit, 깊이(z) 12 unit이었다(Fig. 7).

검사 공간은 1점 투시도를 통한 입체감을 주는 선형 원근법을 이용했으며, 크기감, 분위기 등의 공간감에 영향을 주는 구성 요소(조명)를 천장에 설치하였다.⁵⁾ 또 한, 벽면과 바닥면에 50%의 음영 차이를 두고, 0.5 unit 의 거리마다 격자 선을 표시하여 깊이지각 단서를 제공 하였다(Fig. 8, 9).

사위도 검사를 시작하기 전에 가상현실 내의 거리감을 정확하게 인지할 수 있도록 추가적인 단서를 제공하고자, 가로(x) 3 unit, 깊이(z) 3 unit의 검사수행 공간을 설계하였다.

1 unit마다 빨간색 눈금 선을 표시하였으며, 0.2 unit 마다 파란색 구분 선을 표시하여 거리감을 세분화하였다. 검사 시작 전 착용자가 각 구분점으로 이동하며 가상현실 내의 거리감을 직접 체험할 수 있도록 하였으며, 초록색의 측정원점을 표시하여 사위도 측정 시 항상 같은 위치에서 검사를 수행할 수 있도록 하였다(Fig. 10).

2) 사위 시표

수정된 토링톤 시표와 마독스 봉을 기반으로 가상현실의 사위 시표와 적색선을 제작하였다.

(1) 3m 시표

사위 시표의 크기는 가로 1.2 unit, 세로 0.6 unit이었다. 1△ 간격은 0.03 unit으로 수평 사위는 최대 16 △, 수직 사위는 최대 8△을 측정할 수 있도록 하였다. 적색선의 크기는 가로 0.02 unit, 세로 세로 0.6 unit이 었다.

사위검사 시 시표 및 적색선은 사용자로부터 전방 x: 0unit, y: 0unit, z: 3 unit에 위치하도록 하였다 (Fig. 11).

(2) 40 cm 시표

사위 시표의 크기는 가로 0.28 unit, 세로 0.18 unit 이었다. 1△ 간격은 0.004 unit으로 수평 사위는 최대 28△, 수직 사위는 최대 14△을 측정할 수 있도록 하였다. 적색선의 크기는 가로 0.0025 unit, 세로 0.18 unit이었다.

사위검사 시 시표 및 적색선은 사용자로부터 전방 x: 0 unit, y: 0 unit, z: 0.4 unit에 위치하도록 하였다 (Fig. 12).

(3) 측정 절차

컨트롤러의 오른쪽 트리거를 당기면 우측 디스플레이에 수직의 적색선이 생성되고, 왼쪽 트리거를 당기면 우측 디스플레이에 수평의 적색선이 생성되도록 하였다. 또한, 왼쪽 컨트롤러의 Y-버튼을 누르면 검사 거리가 전환되도록 하였다(Fig. 13-15).

Ⅲ. 결 과

1. HMD의 광학계

가상현실에 3m 및 40 cm의 사위 시표를 생성했을 때 디스플레이에 송출된 타깃의 분리도는 각각 62.49, 58.29mm이었다(Table 1).

디스플레이의 타깃은 광학렌즈에 의해 8.07×의 배율로 광학렌즈로부터 전방 269.44mm에 결상되었으며, 타깃 상의 분리도는 각각 57.51, 20.16mm이었다(Fig. 16, 17).

3m 사위 시표의 크기는 1200.00×600.00mm이었으며, 디스플레이의 타깃 크기는 13.35×6.68 mm, 분리도는 62.49mm이었고, 디스플레이 타깃 상의 크기는 107.73×53.88mm, 분리도는 57.51mm이었다.

40 cm 사위 시표의 크기는 280.00×180.00mm이었으며, 디스플레이의 타깃 크기는 23.37×15.03 mm, 분리도는 56.27mm이었고, 디스플레이 타깃 상의 크기는 188.60×121.73mm, 분리도는 20.16mm이었다 (Table 2, Fig. 18).

2. 가상현실 기반의 사위검사법 개발

1) 검사실

가상현실 내에 제작한 검사실의 크기는 가로(x) 12 unit, 높이(y) 4.5 unit, 깊이(z) 12 unit이었으며, 검사 수행 공간의 크기는 가로(x) 3 unit, 깊이(z) 3 unit이었다(Fig. 19).

2) 사위 시표

HMD 착용자를 기준으로 원거리 검사 시 x: 0unit, y: 0 unit, z: 3 unit, 근거리 검사 시 x: 0 unit, y: 0 unit, z: 0.4 unit에 위치하였다(Fig. 20).

3) 사위 측정 절차

HMD를 착용하면 양쪽 디스플레이에 가상의 검사실이 생성되었고, 3m 전방에 사위 시표가 나타났다. 컨트롤러의 오른쪽 트리거를 당기면 우측 디스플레이의 사위 시표가 수직의 적색선으로 교체되면서 수평사위를 측정 할 수 있었고, 왼쪽 트리거를 당기면 수평의 적색선으로 교체되면서 수직사위를 측정할 수 있었다. 왼쪽 컨트롤러의 Y-버튼을 누르면 검사 거리가 전환되면서 근거리의 사위검사를 수행할 수 있었다(Fig. 21-23).

Ⅳ. 고 찰

가상현실의 기술은 시간과 공간의 제약이 없고, 사용이 편리하며 영상 제작의 한계가 없으므로 항공이나 군사, 건축, 교육, 보건, 의료 등과 같은 사회 각 분야에 활용되고 있다.⁶⁾ 한국보건산업진흥원은 가상현실 기술 시장의 규모가 2016년 기준 2조 81억 원에서 2022년 29조 7,052억 원 규모로 확대될 것으로 전망하였으며, 이미 다수의 연구자는 현재 VR 기술이 시뮬레이션과 같은 초기 콘텐츠에서 더욱 확대될 것으로 의견을 모으고 있다.⁷⁾

가상현실을 구현하는 HMD의 광학계는 광학렌즈의 초점거리보다 눈으로부터 디스플레이까지의 거리가 짧아 허상이 발생한다.⁸⁾ 실제 현실에서 3m 및 40 cm를 주시할 때 조절평면과 폭주평면은 모두 각각의 주시점에 위치하지만, 가상현실은 조절평면이 허상의 위치에 있고, 폭주평면은 주시점에 위치한다는 점에서 입체경의 광학계와 유사하다.

시기능 검사 및 훈련에 사용되는 버넬오스코프(Bernell o scope, Bernell, USA)는 5 D의 광학렌즈를 이용한 입체경과 다양한 시표로 구성된다. 광학렌즈의 전방 19.2 cm에 시표를 위치시키고, 시표 사이의 거리를 85 mm로 하면 5m의 원거리 검사 및 훈련을 수행할 수 있다. 또한, 광학렌즈의 전방 13.3 cm에 시표를 위치시키고, 시표 사이의 거리를 65mm로 하면 40 cm의 근거리 검사 및 훈련을 수행할 수 있다. 5 D의 초점거리는 20 cm이므로, 원거리 및 근거리 검사 모두 타깃과의 거리가 초점거리보다 짧아 허상이 발생하고 이로 인해 조절평면과 폭주평면이 서로 일치하지 않지만 시기능 선별 검사로서 현재까지도 활용하고 있다.⁹⁾

본 연구에서는 HMD로 구현한 가상현실의 광학계를 분석하였고, 이를 기반으로 가상현실의 사위검사법을 개발하였다. 연구에 활용한 HMD의 광학렌즈는 두께 7.80 mm로 초점거리를 정확하게 산출하기 위해서는 주점굴 절력을 측정해야 한다. 그러나 하이브리드 프레넬 렌즈의 전면 및 후면 곡률이 매우 작아서 주점굴절력을 측정 할 수 없었고, 대안으로 근사값의 상측정점굴절력을 이용하였다(26.25 D). 자동렌즈미터를 사용하여 측정한 상측정점굴절력은 26.25 D이었다. 또한, 광학중심점 사이의 거리는 62.66mm이었으며, 광학렌즈와 디스플레이 사이의 거리는 33.38mm이었다.

가상현실에 3m 및 40cm의 사위 시표를 생성했을 때 HMD 디스플레이는 광학렌즈에 의해 상 배율 8.07 로 광학렌즈로부터 전방 269.44mm에 결상하였다. 3m 시표에 대해 양쪽 디스플레이에 송출된 타깃의 분리도는 62.49mm이었고, 광학렌즈에 의해 굴절된 타깃 상의 분리도는 57.51mm이었다. 또한, 40 cm 시표에 대해 양쪽 디스플레이에 송출된 타깃 상의 분리도는 56.27mm이었고, 광학렌즈에 의해 굴절된 타깃 상의 분리도는 20.16mm이었다. 가상현실을 구현하는 디스플레이는 허상의 형태로 사용자의 전방에 결상됐으며, 사위 시표의 위치 인식은 양안의 주시선이 교차하는 지점에서 이루어지는 것으로 나타났다.

유니티를 이용한 가상현실의 영상 제작은 양쪽 디스플레이를 동일하게 또는 독립적으로 제작할 수 있어서 양안의 동시 주시와 주시 분리를 인위적으로 설정할 수 있다. 본 연구에서는 수정된 토링톤 시표와 마독스 봉을 기반으로 가상현실의 사위 시표와 주시 분리용 적색선 타깃을 제작하였다. HMD를 착용했을 때 양쪽 디스플레이에 가상의 검사실 및 사위 시표가 나타나 양안이 동시 주시를 하는 것을 확인하였고, 컨트롤러의 트리거를 당겼을 때 오른쪽 디스플레이의 영상이 적색선으로 교체되면서 양안이 주시 분리하는 것을 확인하였다. 따라서 안구 편위가 있다면 사위 시표의 중앙과 적색선의 중앙이 서로 일치하지 않을 것으로 판단하며, 추후 수정된 토링톤의 사위검사와 신뢰도 및 정확도를 비교하는 임상 연구가 필요할 것으로 생각한다.

Ⅴ. 결 론