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문제 정의
- 테크놀로지의 발달로 컴퓨터 속도가 빨라지고 장비들의 고성능화가 이루어져서 기술적인 한계가 극복되면 후자로 인한 몰입의 방해요인이 제거될것으로 기대된다. 현재는 HMD (head-mounted display)나 다채널 시스템을 이용하여 가상환경에서 사용자에게 몰입을 유도해 내고 있으며, 장비개발의 목적은 현실감, 효율성의 측면에서 짧은 시간에 많은 양질의 정보를 사용자에게 제공하는데 두고 있다.
가설 설정
- 그리고 운행속도가 빠를수록 사이버 멀미가 심화된다는 것도 발견하였다. 본 연구에서는 가상현실 이용자에게서 사이버 멀미를 나타내는 생리적 변화가 검출될 때마다 제시환경을 좁은 화면과 느린 운행속도로 전환하는 사이버 멀미감소 가상환경 (cybersickness alleviating virtual environment ; CAVE)이 제시된다면 사용자가 멀미를덜 느낄 것이라는 가설을 세웠다. 가설을 검증하기 위해 피부전도도, 말초체온, 말초 혈류량, 심박률, 눈 깜박임, 뇌전위의 변수들을 입력으로 하는 인공 신경망(artificial neural network)으로 구성된 실시간 멀미 탐지 시스템과 CAVE-제시 피드백 시스템을 구축하였다.
제안 방법
- 。1(좌 후두부), 02(우 후두부) 영역의 뇌전위(electroencephalogram ; EEG) 5개 채널과 심전도 (electrocardiogram ; ECG), 안전위(electroculogram ; EOG), 말초 혈류량(photoplethysmogram ; PPG), 손가락 끝 피부온도(fingertip skin temperature ; SKT), 피부전도도(skin conductance level ; SCL) 각각 한 채널씩으로 구성되었다.
- 사전 설문지와 사후 설문지 작성단계는 7분 정도 소요된다. 9 분 30초 동안 진행되는 가상현실 운행단계에서 피험자들은 시뮬레이션된 KIST 가상현실을 운행하면서 10개의 목표물을 찾는 시지각 과제를 수행하였다. 어지러움이나 멀미증상을 느끼면 느낀 순간 구두보고를 하게 하였다.
- 이 시스템들은 생리적 측정치들의 결과값이 사이버 멀미의 출현을 신호할 때마다 피드백 출력으로 좁은 화면과 감소된 운행속도를 일시적으로 제공하였다. CAVE의 제시가 실제로 가상현실 이용자들의 사이버멀미를 감소시켰는지에 대해 SSQ(simulator sickness questionnaire)와 자기보고를 이용하여 검사함으로써 실시간 멀미 탐지 시스템과 CAVE-제시 피드백 시스템의 효율을 평가하였다.
- ECG 데이터는R-peak를 검줄하여 heart rate, heart period(interbeatinterval)# 구하였다. EOG 데이터에서 눈 깜박 임을 검출하였고, PPG는 진폭을 구하였으며, SCL과 S* KT 평균을 구하였다. 시지각 과제 수행도는 10개의 전체목표물 중 번호를 정확히 맞힌 수를 이용하여 적중률을 계산하였다.
- EEG 데이터는 band pass filter(O~50Hz)로 필터링되었고 움직임과 관련된 artifact를 제거하였다. FFT(fast fourier transform)를이용하여 스펙트럼 분석을 하고 델타, 쎄타, 알파, 베타, 감마파의 파워를 전체 영역의 파워로 나누고 100 을 곱하여 상대파워 백분율을 구했다. ECG 데이터는R-peak를 검줄하여 heart rate, heart period(interbeatinterval)# 구하였다.
- PPG 는 오른쪽 소지 셋째 마디에서 측정하고 SKT는 오른쪽 약지 셋째 마디에서 측정하였으며, SCLe 오른쪽 검지, 중지 셋째 마디에서 측정하였다.
- questionnaire!?], Flow questionnaire, Questionnaire for user interface satisfaction을 이용하여 설문지를 개발하였다.
- 그림 4. 가상현실 사용 만족도 비교. **p<.
- 가상현실 제시 전 1분간 기저선을 측정하고 가상현실이 제시되는 9분 30초, 가상현실 제시 후 1분 동안의 생리신호를 측정하였다. 생리신호 데이터는400samples/sec로 샘플링되었다.
- 본 연구에서는 가상현실 이용자에게서 사이버 멀미를 나타내는 생리적 변화가 검출될 때마다 제시환경을 좁은 화면과 느린 운행속도로 전환하는 사이버 멀미감소 가상환경 (cybersickness alleviating virtual environment ; CAVE)이 제시된다면 사용자가 멀미를덜 느낄 것이라는 가설을 세웠다. 가설을 검증하기 위해 피부전도도, 말초체온, 말초 혈류량, 심박률, 눈 깜박임, 뇌전위의 변수들을 입력으로 하는 인공 신경망(artificial neural network)으로 구성된 실시간 멀미 탐지 시스템과 CAVE-제시 피드백 시스템을 구축하였다. 이 시스템들은 생리적 측정치들의 결과값이 사이버 멀미의 출현을 신호할 때마다 피드백 출력으로 좁은 화면과 감소된 운행속도를 일시적으로 제공하였다.
- 모든 피험자가 CAVE 조건과 non-CAVE 조건을 경험하기 때문에 두 번의 가상현실이 끝난 다음에 두 조건 중에서 어느 조건의 가상현실이 더 편안하였는지와 어느 조건의 가상현실이 더 현실감이 있었는지를 질문하였다. 그 결과 CAVE 조건이 더 편안하다고 응답한 피험자 수가 28명으로 나타났고 non-CAVE 조건이 더 편안했다고 응답한 피험자는 8명으로 나타나서 가상현실에서의 '편안감'은 피드백 제시조건에서 더 높게 나타났다(그림 2).
- 어지러움이나 멀미증상을 느끼면 느낀 순간 구두보고를 하게 하였다. 모든 피험자는 한 달 간격으로 CAVE 조건과 non-CAVE 조건에서 두 번 가상현실을 경험하였다.
- 사이버 멀미시에 변화되는 생리 측정치로서 뇌파 5 채널의 쎄타, 알파, 베타, 감마파의 상대파워, EOG의표준편차, ECG의 heart period, SKT의 평균, 표준편차, PPG의 평균, 표준편차, SCL의 평균, 표준편차의 28개 변수들이 입력되는 인공 신경망을 구성하였다. 정상기간과 멀미기간의 변수들의 값을 이용하여 training vectors를 구축하고 12개 principal vectors들을 획득하여 인공 신경망의 입력벡터로 이용하였다.
- 작성하는 사후 설문지로 구성되었다. 사전 설문지는 피험자들의 멀미이력, 몰입도, 집중력, 현재 컨디션, 성격, 능력특성 등을 조사함으로써 사용자들의 내인 적 요인을 조사하였고, 사후 설문지는 피드백 만족도, 현실감, 편안감, 멀미감 요인으로 가상현실을 경험하고 난 후에 가상현실을 평가하도록 하였다. 신뢰성을 검사하였고 Cronbach alpha값이 0.
- 설문지 분석은 멀미감소 피드백에 따른 일원 반복측정 변량분석을 하였다.
- 설문지는 가상현실을 경험하기 전에 작성하는 사전 설문지와 가상현실을 경험한 다음에 작성하는 사후 설문지로 구성되었다. 사전 설문지는 피험자들의 멀미이력, 몰입도, 집중력, 현재 컨디션, 성격, 능력특성 등을 조사함으로써 사용자들의 내인 적 요인을 조사하였고, 사후 설문지는 피드백 만족도, 현실감, 편안감, 멀미감 요인으로 가상현실을 경험하고 난 후에 가상현실을 평가하도록 하였다.
- EOG 데이터에서 눈 깜박 임을 검출하였고, PPG는 진폭을 구하였으며, SCL과 S* KT 평균을 구하였다. 시지각 과제 수행도는 10개의 전체목표물 중 번호를 정확히 맞힌 수를 이용하여 적중률을 계산하였다.
- 그림 5. 신체적 불편감 비교. ***p<.
- 포함한 2-layer feedforward neural network을훈련시켰다. 실시간으로 생리신호를 측정하면서 위에서 형성한 인공 신경망을 이용하여 0~1의 멀미 결과값을 갖는 실시간 사이버 멀미 탐지 시스템을 구축하였다. 결과값 0.
- 실험은 3단계로 사전 설문지 작성단계, 가상현실 운행단계, 사후 설문지 작성단계로 이루어졌다. 사전 설문지와 사후 설문지 작성단계는 7분 정도 소요된다.
- 9 분 30초 동안 진행되는 가상현실 운행단계에서 피험자들은 시뮬레이션된 KIST 가상현실을 운행하면서 10개의 목표물을 찾는 시지각 과제를 수행하였다. 어지러움이나 멀미증상을 느끼면 느낀 순간 구두보고를 하게 하였다. 모든 피험자는 한 달 간격으로 CAVE 조건과 non-CAVE 조건에서 두 번 가상현실을 경험하였다.
- 가설을 검증하기 위해 피부전도도, 말초체온, 말초 혈류량, 심박률, 눈 깜박임, 뇌전위의 변수들을 입력으로 하는 인공 신경망(artificial neural network)으로 구성된 실시간 멀미 탐지 시스템과 CAVE-제시 피드백 시스템을 구축하였다. 이 시스템들은 생리적 측정치들의 결과값이 사이버 멀미의 출현을 신호할 때마다 피드백 출력으로 좁은 화면과 감소된 운행속도를 일시적으로 제공하였다. CAVE의 제시가 실제로 가상현실 이용자들의 사이버멀미를 감소시켰는지에 대해 SSQ(simulator sickness questionnaire)와 자기보고를 이용하여 검사함으로써 실시간 멀미 탐지 시스템과 CAVE-제시 피드백 시스템의 효율을 평가하였다.
- 구성하였다. 정상기간과 멀미기간의 변수들의 값을 이용하여 training vectors를 구축하고 12개 principal vectors들을 획득하여 인공 신경망의 입력벡터로 이용하였다.
- 표준에러 backpropagation algorithm 의 10 노드 hidden layer를 포함한 2-layer feedforward neural network을훈련시켰다. 실시간으로 생리신호를 측정하면서 위에서 형성한 인공 신경망을 이용하여 0~1의 멀미 결과값을 갖는 실시간 사이버 멀미 탐지 시스템을 구축하였다.
대상 데이터
- 10개 채널의 데이터를 Biopac사의 MP-100(16 bit analog-to-digital system)을 사용하여 획득하였다. 10
- 18~26세의 대학생 36명이 실험에 참가하였다(남 18 명, 여 18명, 평균 22.3세). 모두 약물중독이나 신경학적 장애가 없고 정상시력이었다.
- 가상현실 시스템은 KIST의 3Dvisual and auditory environment genera tor를 이용하였다(3채널, 해상도 : 3840x1024, constant 30frames/sec). 가상현실은 KIST의 건물, 주행도로, 산과 다리 등을 시뮬레이션한 환경으로 게임패드를 이용하여 주행하는 것이었다.
데이터처리
- 사전 설문지는 피험자들의 멀미이력, 몰입도, 집중력, 현재 컨디션, 성격, 능력특성 등을 조사함으로써 사용자들의 내인 적 요인을 조사하였고, 사후 설문지는 피드백 만족도, 현실감, 편안감, 멀미감 요인으로 가상현실을 경험하고 난 후에 가상현실을 평가하도록 하였다. 신뢰성을 검사하였고 Cronbach alpha값이 0.6 이상 되는요인들을 이용하였다.
이론/모형
- EEG는 국제 10/20법으로 Al, A2를 기준으로 측정하였고, 심전도는 lead II법으로 측정하였으며, 안 전위는 오른쪽 눈에 위, 아래 수직법으로 측정하였다. PPG 는 오른쪽 소지 셋째 마디에서 측정하고 SKT는 오른쪽 약지 셋째 마디에서 측정하였으며, SCLe 오른쪽 검지, 중지 셋째 마디에서 측정하였다.
성능/효과
- 44, p<, 001] 나타났다. '신체적 불편감'은 non-CAVE 조건에서 평균 59%, CAVE 조건에서 47.6%로 non-CAVE 조건에서 신체적 불편감을 더 많이 나타냈다(그림 5).
- 것, 3) 가상현실 시스템의 시야와 운행속도가 사이버 멀미에 영향을 미친다는 결과를 얻었다. FOV는 사용자의 위치에서 볼 수 있는 시야의 각도를 의미한다.
- non-CAVE 조건에서 피험자들은 평균 8회 이상의 멀미를 보고하였는데 반해, CAVE 조건에서는 평균 3회로 멀미 보고 수가 현저하게 줄어들었다.
- 가상현실 경험에 대한 '가상현실 사용 만족도에서피드백에 의한 주효과가 나타났다 [F(l, 24)=7.95, p<.01], 평균 62.3%로 CAVE 조건을 53.8%의 non-CAVE 조건보다 높게 평가함으로써 멀미감소 피드백을 제시한 가상환경을 피험자가 더 만족스럽게 평가하였다(그림 4). '신체적 불편감'에서도 피드백에 의한 주효과가[F0, 24)=12.
- FOV는 사용자의 위치에서 볼 수 있는 시야의 각도를 의미한다. 가상현실에 몰입하는 동안 피험자의 90%가 좁은 시야 (50°)와 느린 운행속도에서 사이버 멀미 증상이 유의미하게 감소함으로써 시야가 넓을수록 사이버 멀미를 심화시킨다는 것을 알게 되었다. 그리고 운행속도가 빠를수록 사이버 멀미가 심화된다는 것도 발견하였다.
- 가상현실을 경험하고 난 후에 실시하는 사후 설문지 검사결과에서는 가상현실 경험에 대한 부정적 평가와 가상현실 운행에서 나타나는 신체적 불편감을 측정한 두 요인 모두에서 CAVE 조건이 non-CAVE 조건보다 낮은 점수를 나타냈다. 가상현실의 편안감 검사에서도 CAVE 조건이 non-CAVE 조건보다 더 편안하다고 응답하였다.
- 그 결과 CAVE 조건이 더 편안하다고 응답한 피험자 수가 28명으로 나타났고 non-CAVE 조건이 더 편안했다고 응답한 피험자는 8명으로 나타나서 가상현실에서의 '편안감'은 피드백 제시조건에서 더 높게 나타났다(그림 2). 그리고 CAVE 조건이 더 현실감 있다고 응답한 피험자 수가 11명으로 나타났고 non-CAVE 조건이 더 현실감 있다고 응답한 피험자는 25명으로 나타나서 가상현실에서의 '현실감'은 피드백 비제시조 건에서 더 높게 나타났다(그림 3).
- 그러나 가상현실에서의 현실감 부분에 있어서는non-CAVE 조건이 CAVE 조건보다 더 현실감 있다고응답한 사람의 수가 더 많이 나타났다. 멀미감소 피드백 상황은 멀미를 줄이는 데는 효과적일 수 있으나 가상현실의 현실감에는 부정적으로 작용했다고 보인다.
- 그 결과 CAVE 조건이 더 편안하다고 응답한 피험자 수가 28명으로 나타났고 non-CAVE 조건이 더 편안했다고 응답한 피험자는 8명으로 나타나서 가상현실에서의 '편안감'은 피드백 제시조건에서 더 높게 나타났다(그림 2). 그리고 CAVE 조건이 더 현실감 있다고 응답한 피험자 수가 11명으로 나타났고 non-CAVE 조건이 더 현실감 있다고 응답한 피험자는 25명으로 나타나서 가상현실에서의 '현실감'은 피드백 비제시조 건에서 더 높게 나타났다(그림 3). 재미도에 있어서는 CAVE 조건이 더 재미있었다고 응답한 피험자 수가 17 명, non-CAVE 조건은 19명의 피험자가 더 재미있었다고 응답함으로써 가상현실에서의 재미도에 있어서는 두 조건 간에 큰 차이가 없었다.
- 무작위 피드백은 생리신호 입력을 받는 신경망에서 멀미를 연산했을 때 피드백을 주는 것이 아니라 난수표에서 무작위로 추출된 시간에 멀미 감소 피드백을 제시하는 것이다. 무작위 피드백 제시조건과 피드백 비제시조건에서는 멀미 보고 수, 설문 검사 성적, 과제수행 적중률, 생리적 변화에서 유의미한 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과는 단순히 피드백을 받았다는 것보다는 멀미를 경험할 때 멀미 감소 피드백이 실제로 제시되어야 심리적, 생리적 행동의 변화를 일으킬 수 있다는 것을 보여준다.
- 모색하는 예라고 할 수 있다. 생리신호 분석만을 통하여 가상현실에서의 인간의 감성을 완전히 평가할 수 없으며, 주관적인 설문결과 또한 매우 가치 있는 정보를 제공한다. 그렇기 때문에 가상환경의 특성을 고려하여 개발된 생리신호 측정 및 분석과 설문지를 통한 심리적 평가는 행동적 평가와 더불어 이미 시작된 사이버 심리학의한 축이 될 것이다.
- 가상현실의 편안감 검사에서도 CAVE 조건이 non-CAVE 조건보다 더 편안하다고 응답하였다. 이상의 여러가지 검사들은 모두 CAVE 조건이 가상현실을 운행하는데 있어서 신체적으로 편안하고 실제로 멀미를 줄이는 데 효과가 있다는 것을 일관되게 보여 주었다. CAVE 조건은 생리 신호에 기초한 인공 신경망으로 멀미가 연산되면 수직축으로 150°시야에서 50°시야를 제시하고 속도를 줄이고 심호흡을 하라는 지시가 제시되는 조건이다.
- 멀미감소 피드백 상황은 멀미를 줄이는 데는 효과적일 수 있으나 가상현실의 현실감에는 부정적으로 작용했다고 보인다. 피드백을 통해 멀미는 줄었으나 피드백이 가상현실에 몰입하는 것을 방해하였고, 그 결과 가상현실의 현실감이 떨어진 것으로 생각된다. 피드백을 제시 받았을 때 실제로 멀미가 일어나는 순간이었는지를 물어 보고 멀미 감소 피드백이 멀미를 줄이는 데 효과적이었는지를 묻는 피드백 만족도 설문결과, 대부분의 사람들이 피드백이 적절하게 이루어졌다고 보고하였다.
후속연구
- 결론적으로, 앞으로의 연구에서는 편안함을 증대시키면서도 현실감을 손상시키지 않는 가상현실 시스템을 구축하는 방법에 대한 탐색이 필요할 것으로 생각된다.
- 예를 들면, 몰입은 시야(field of view ; FOV)의 넓이가 60°보다 커야 체험할 수 있다고 보고되고 있다. 테크놀로지의 발달로 컴퓨터 속도가 빨라지고 장비들의 고성능화가 이루어져서 기술적인 한계가 극복되면 후자로 인한 몰입의 방해요인이 제거될것으로 기대된다. 현재는 HMD (head-mounted display)나 다채널 시스템을 이용하여 가상환경에서 사용자에게 몰입을 유도해 내고 있으며, 장비개발의 목적은 현실감, 효율성의 측면에서 짧은 시간에 많은 양질의 정보를 사용자에게 제공하는데 두고 있다.
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