본 실험은 자동차 시뮬레이터의 속도 변화(40, 70, 100km/h)와 롤러코스터 시뮬레이터의 운동성 구현 방법(washout 필터 적용, washout 필터 비적용)에 따른 인간 감성을 탑승자의 심리ㆍ생리적 반응을 통하여 비교 평가하였다. 자동차 시뮬레이터, 롤러코스터 시뮬레이터에 각각 건강한 20대 남자 12명, 8명을 대상으로 simulator sickness, 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감에 대한 주관적 평가 및 생리신호로 뇌파의 변동리듬, 심전도, 피부전기저항을 주행 전후에서 측정하였다. 결과, 자동차 시뮬레이터에서의 저속 주행보다 운동 형태가 다양한 롤러코스터 시뮬레이터 주행시 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감, 뇌파 변동리듬을 통한 쾌적도가 높았다. 뇌파의 알파파 대역의 평균 주파수는 롤러코스터 주행보다 자동차 주행에서 더 높았고, 심박률과 피부전기저항은 각 주행조건에서 주행 전후간 유의하게 변화하였다. 이상에서 주행 속도의 증가, 다양한 운동 형태의 시뮬레이터 주행시 주관적 감성은 높았고, 생리적 반응은 주행 속도 증가에 따라 활성화됨을 알 수 있었다.
본 실험은 자동차 시뮬레이터의 속도 변화(40, 70, 100km/h)와 롤러코스터 시뮬레이터의 운동성 구현 방법(washout 필터 적용, washout 필터 비적용)에 따른 인간 감성을 탑승자의 심리ㆍ생리적 반응을 통하여 비교 평가하였다. 자동차 시뮬레이터, 롤러코스터 시뮬레이터에 각각 건강한 20대 남자 12명, 8명을 대상으로 simulator sickness, 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감에 대한 주관적 평가 및 생리신호로 뇌파의 변동리듬, 심전도, 피부전기저항을 주행 전후에서 측정하였다. 결과, 자동차 시뮬레이터에서의 저속 주행보다 운동 형태가 다양한 롤러코스터 시뮬레이터 주행시 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감, 뇌파 변동리듬을 통한 쾌적도가 높았다. 뇌파의 알파파 대역의 평균 주파수는 롤러코스터 주행보다 자동차 주행에서 더 높았고, 심박률과 피부전기저항은 각 주행조건에서 주행 전후간 유의하게 변화하였다. 이상에서 주행 속도의 증가, 다양한 운동 형태의 시뮬레이터 주행시 주관적 감성은 높았고, 생리적 반응은 주행 속도 증가에 따라 활성화됨을 알 수 있었다.
In an experimental study, we assessed human sensibility in terms of psychophysiological response according to change of speeds (40, 70, 100km/h) in a driving simulator and application of motion fitters (washout filter, non-washout later) in a roller coaster simulator. For the driving and roller coas...
In an experimental study, we assessed human sensibility in terms of psychophysiological response according to change of speeds (40, 70, 100km/h) in a driving simulator and application of motion fitters (washout filter, non-washout later) in a roller coaster simulator. For the driving and roller coaster simulators, a group of 12 healthy men in their twenties and a group of 8 healthy men in their twenties, respectively, participated. Participants each completed a simulator sickness questionnaire (SSQ), a subjective assessment of sensations of pleasantness, tension, and arousal, and perception of speed. Physiological signals were measured by 1/f fluctuation of EEG (electroencephalogram), ECG (electrocardiogram), and GSR (galvanic skin response). These were measured pre-to-post under the experimental conditions for each simulator. Subjective pleasantness, tension, arousal, and perception of speed and physiological responses indicating a feeling of pleasantness by 1/f fluctuation were higher for the roller coaster simulator than those measured for low speed driving in the driving simulator. The mean frequency of alpha band (8-l3㎐) in EEG increased with exposure to the driving simulator relative to that for the roller coaster simulator. Heart rate variability and GSR were significantly changed between pre- and post- under each condition in the driving and roller coaster simulators. The data suggest that subjective sensibility was elevated according to gain of speed and variety of simulator motion, and physiological responses were activated with increased speed.
In an experimental study, we assessed human sensibility in terms of psychophysiological response according to change of speeds (40, 70, 100km/h) in a driving simulator and application of motion fitters (washout filter, non-washout later) in a roller coaster simulator. For the driving and roller coaster simulators, a group of 12 healthy men in their twenties and a group of 8 healthy men in their twenties, respectively, participated. Participants each completed a simulator sickness questionnaire (SSQ), a subjective assessment of sensations of pleasantness, tension, and arousal, and perception of speed. Physiological signals were measured by 1/f fluctuation of EEG (electroencephalogram), ECG (electrocardiogram), and GSR (galvanic skin response). These were measured pre-to-post under the experimental conditions for each simulator. Subjective pleasantness, tension, arousal, and perception of speed and physiological responses indicating a feeling of pleasantness by 1/f fluctuation were higher for the roller coaster simulator than those measured for low speed driving in the driving simulator. The mean frequency of alpha band (8-l3㎐) in EEG increased with exposure to the driving simulator relative to that for the roller coaster simulator. Heart rate variability and GSR were significantly changed between pre- and post- under each condition in the driving and roller coaster simulators. The data suggest that subjective sensibility was elevated according to gain of speed and variety of simulator motion, and physiological responses were activated with increased speed.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 동적 시뮬레이터의 형태로 자동차 시뮬레이터와 롤러코스터 시뮬레이션을 바탕으로 한 Gimbal 모션 시스템의 시뮬레이터를 이용하여 운전자나 탑승자의 주관적 평가 및 생리적 반응의 변화로 동적 시뮬레이터의 모션 형태에 따른 인간의 감성 변화를 비교하고자 한다.
제안 방법
/hS. 3분간 정속 주행하도록 하였다. 각 주행 조건에서 주행 전후에 Simulator Sickness와 주관적 감성을 측정하였고, 생리신호는 주행 전과 주행 중에 3분간 측정하였다.
실시하였다. 각 주행 조건마다 주행 전과 주행후에 Simulator Sickness 및 주관적 감성을 측정하였고, 생리신호는 3분간 측정하였다.
3분간 정속 주행하도록 하였다. 각 주행 조건에서 주행 전후에 Simulator Sickness와 주관적 감성을 측정하였고, 생리신호는 주행 전과 주행 중에 3분간 측정하였다. 피험자는 한 주행 조건에 대한 실험이 끝나면 충분한 휴식을 취한 후 다음 주행 조건에 대한 실험을 실시하였다.
주관적 감성은 피험자가 표시한 위치를 mm로 측정하여 0-100점 단위로 환산하였다. 뇌파는 좌우 평균 주파수와 주파수의 변동 리듬 추출에 의하여 쾌적도를 구하였다. 심전도에서 R-peak를 추출하여 3분간 평균 R-R 간격을 구하였고, 피부전기저항은 3분간 진폭의 평균을 구하였다.
뇌파의 주파수 fluctuation(변동 리듬) 추출 원리에 의하여 쾌적도도 산출하였다. 각 시뮬레이터에서 주행 조건에 따른 쾌적도는 그림 9와 같이 자동차 시뮬레이터에서 주행했을 때보다 롤러코스터에서 주행시 더 높았다.
생리적 변화를 살펴보았다[3, 4]. 또한 자동차와 항공 시뮬레이션을 이용하여 가상 현실 환경에서 인간의 심리 . 생리적 반응을 분석한 연구 둥 여러 연구 결과가 보고되고 있다.
롤러코스터 시뮬레이터 에서는 동일한 주행 구간을 워시아웃 필터를 적용한 조건(Washout)과 적용하지 않은 조건(Dynamic)의 2가지 조건으로 실시하였고, 제시 순서는 동일한 피험자가 2가지 조건에 대하여 무작위로 실시하였다. 각 주행 조건마다 주행 전과 주행후에 Simulator Sickness 및 주관적 감성을 측정하였고, 생리신호는 3분간 측정하였다.
본 실험은 동적 환경 제시 측정 시스템으로 구축된 동적 시뮬레이터에서 자동차 주행 시뮬레이션에서 속도 변화에 따른 운전자의 주관적 감성 및 생리적 반응을 측정하였다. 그리고 Gimbal형 모션 시스템으로서 롤러코스터 주행 시뮬레이션에서 운동성 구현 방법에 따른 탑승자의 심리 .
본 실험은 자동차 시뮬레이터에서 속도 변화에 따른 주행, 롤러코스터 모사 시뮬레이터에서 Gimbal형 모션 시스템의 주행 조건에 따른 탑승자의 심리적, 생리적 반응을 비교 평가하였다. 두 종류의 시뮬레이터에서 주행 조건에 따라 탑승자의 심리 .
그리고 Gimbal형 모션 시스템으로서 롤러코스터 주행 시뮬레이션에서 운동성 구현 방법에 따른 탑승자의 심리 . 생리적 반응을 관찰하였다. 그리고 2종류의 시뮬레이터에서 주행 조건에 따라 탑승자의 심리 .
그리고 2종류의 시뮬레이터에서 주행 조건에 따라 탑승자의 심리 . 생리적 반응을 비교 분석하였다.
생리적 반응을 알아보기 위하여 심전도(ECG ;electrocardiogram)와 피부전기저항(GSR ;' gal.,anic skin response)의 생리신호를 MP 100 system과Acqknowledge 프로그램을 이용하여 측정하였고, samling rate는 256Hz로 설정하였다. 심전도는 CM5법을 이용하여 피험자의 흉부에 표면전극을 부착하였고, 피부전기저항 전극은 오른손 검지와 중지에 부착하였다.
7세 피험자로 참여하였다. 실험 전 피험자들에게 신경계에 영향을 줄 수 있는 음주 및 담배, 카페인 음료의 섭취를 금하였고, 실험과정을 충분히 이해시킨 후 실험을 실행하였다.
실험은 동일한 롤러코스터 주행 구간을 워시아웃 필터를 적용한 조건(Washout)과 적용하지 않은 조건 (Dynamic)의 2가지 조건으로 실시하였다.
,anic skin response)의 생리신호를 MP 100 system과Acqknowledge 프로그램을 이용하여 측정하였고, samling rate는 256Hz로 설정하였다. 심전도는 CM5법을 이용하여 피험자의 흉부에 표면전극을 부착하였고, 피부전기저항 전극은 오른손 검지와 중지에 부착하였다. 그리고 뇌파(EEG ; electroencephalogram)는 좌우전두엽 부위(Fpl, Fp2)의 1/f 변동리듬을 측정하였다.
뇌파는 좌우 평균 주파수와 주파수의 변동 리듬 추출에 의하여 쾌적도를 구하였다. 심전도에서 R-peak를 추출하여 3분간 평균 R-R 간격을 구하였고, 피부전기저항은 3분간 진폭의 평균을 구하였다. 측정된 값은 모두 평균과 표준편차를 구하였고, 평균 R-R 간격과 피부전기저항은 각 주행 조건에서 주행 전에 대한 주행 후의 변화량을 구하여 분석하였다.
. 주행은 기어 변속 없이 휠과 페달만을 이용하도록 하였고, 각 조건에서 제시한 속도로 3분간 일정한 차선에서 주행하도록 하였다.
각 주행 조건에서 주행 전후에 Simulator Sickness와 주관적 감성을 측정하였고, 생리신호는 주행 전과 주행 중에 3분간 측정하였다. 피험자는 한 주행 조건에 대한 실험이 끝나면 충분한 휴식을 취한 후 다음 주행 조건에 대한 실험을 실시하였다. 피험자마다 주행 조건의 순서는 무작위로 실시하였다.
대상 데이터
. 시뮬레이터 주행은 롤러코스터를 모의하였고 1희주행시간은 160초로 되어 있다.
실험에 이용한 자동차 시뮬레이터는 본 연구원에설치되어 있으며, 3D graphic을 사용하여 80 inch real projection screen 위에 30(H)x25(V)의 FOV를가지는 영상을 30frame/sec으로 투사되는 방식이고, motione 6축의 유압시스템으로 구성되어 있다(그림 1) . 주행은 기어 변속 없이 휠과 페달만을 이용하도록 하였고, 각 조건에서 제시한 속도로 3분간 일정한 차선에서 주행하도록 하였다.
자동차 시뮬레이터에 대한 감성 평가에는 운전 경력이 1년 이상인 20대 남자 12명(평균연령 : 23.5+1.5세)을 대상으로 하였고, 롤러코스터 시뮬레이터를 이용한 감성 평가 실험에서는 실제 롤러코스터에 대한 경험이 있는 세종대학교 남자 대학생 8명(평균연령 : 23.2 ±3.7세 피험자로 참여하였다. 실험 전 피험자들에게 신경계에 영향을 줄 수 있는 음주 및 담배, 카페인 음료의 섭취를 금하였고, 실험과정을 충분히 이해시킨 후 실험을 실행하였다.
데이터처리
심전도에서 R-peak를 추출하여 3분간 평균 R-R 간격을 구하였고, 피부전기저항은 3분간 진폭의 평균을 구하였다. 측정된 값은 모두 평균과 표준편차를 구하였고, 평균 R-R 간격과 피부전기저항은 각 주행 조건에서 주행 전에 대한 주행 후의 변화량을 구하여 분석하였다. 통계적 분석은 각 주행 조건과 주행 전후의 분석값에 대한 유의차는 SPSS 프로그램을 이용하여 paired t-test로 검증하였다.
측정된 값은 모두 평균과 표준편차를 구하였고, 평균 R-R 간격과 피부전기저항은 각 주행 조건에서 주행 전에 대한 주행 후의 변화량을 구하여 분석하였다. 통계적 분석은 각 주행 조건과 주행 전후의 분석값에 대한 유의차는 SPSS 프로그램을 이용하여 paired t-test로 검증하였다.
이론/모형
Simulator Sickness는 SSQ 계산법에 의하여 Total sickness scoref- 구하였다. 주관적 감성은 피험자가 표시한 위치를 mm로 측정하여 0-100점 단위로 환산하였다.
주관적 평가로서 Simulator Sickness는 Kennedy와 Lane(1993)의 Simulator Sickness Questionnaire(SSQ)를 이용하였고, 주관적 감성은 쾌적감, 긴장감,각성감, 속도감에 대하여 VAS(Visua analogue scale)식을 이용하여 평가하였다.
성능/효과
각 시뮬레이터에서 주행 조건에 따른 각성감은 자동차 시뮬레이터 에서 40km/h, 70km/h 주행에 비해 롤러코스터에서 dynamic 조건으로 주행시 유의하게 높았고(p<0.01), 40km/h 주행에 비해 washout 주행에서도 더 높았다(p<0.05).
쾌적도도 산출하였다. 각 시뮬레이터에서 주행 조건에 따른 쾌적도는 그림 9와 같이 자동차 시뮬레이터에서 주행했을 때보다 롤러코스터에서 주행시 더 높았다. 통계적으로 40km/h 주행보다 롤러코스터에서 dynamic, washout 조건에서 쾌적도는 유의하게 높았고(p<0.
각 시뮬레이터에서 주행 조건에 따른 피부 전기저항의 변화는 그림 11과 같이 주행 전보다 모든 주행 조건에서 피부전기저항의 진폭은 증가하였다. 자동차 시뮬레이터에서는 70km/h, 100km/h 주행 전후간 피부 전기저항 변화량의 유의한 차이가 있었고(p<0.
긴장감, 각성감, 속도감은 탑승자가 저속 주행에 비해 롤러코스터에서 dynamic, washout 조건에서 주행시, 70km/h 주행보다 dynamic조건에서 주행시 더 크게 느꼈다. 그리고 자동차 시뮬레이터에서 속도 변화에 따른 감성은 속도가 증가할수록 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감을 더 크게 느낀 것으로 나타났다. 뇌파의 1/f 변동 리듬을 이용한 a 파 대역의 평균 주파수는 롤러코스터 주행보다 자동차 시뮬레이터 주행 조건에서 더 높았지만, 쾌적도는 평균 주파수의 경향과 다르게 롤러코스터 주행 조건에서 더 높게 나타났다.
생리적 반응을 비교한 결과 주관적 감성은 쾌적감의 경우 자동차 시뮬레이터에서 저속 주행(40km/h)에 비해 롤러코스터에서 주행시 더 높았다. 긴장감, 각성감, 속도감은 탑승자가 저속 주행에 비해 롤러코스터에서 dynamic, washout 조건에서 주행시, 70km/h 주행보다 dynamic조건에서 주행시 더 크게 느꼈다. 그리고 자동차 시뮬레이터에서 속도 변화에 따른 감성은 속도가 증가할수록 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감을 더 크게 느낀 것으로 나타났다.
그리고 자동차 시뮬레이터에서 속도 변화에 따른 감성은 속도가 증가할수록 쾌적감, 긴장감, 각성감, 속도감을 더 크게 느낀 것으로 나타났다. 뇌파의 1/f 변동 리듬을 이용한 a 파 대역의 평균 주파수는 롤러코스터 주행보다 자동차 시뮬레이터 주행 조건에서 더 높았지만, 쾌적도는 평균 주파수의 경향과 다르게 롤러코스터 주행 조건에서 더 높게 나타났다. 생리 신호 분석 결과 자동차 시뮬레이터에서 주행 속도가 증가할수록 평균 RR 간격은 감소하여 심박률은 증가하였으나 통계적으로 유의하지는 않았다.
[5, 7]. 본 실험에서 주행 속도에 따른 심박률의 변화는 확인할 수 있었으나 롤러코스터 주행 조건에 따른 변화의 차이는 크게 나타나지 않았다. 1/f 변동 리듬을 이용한 뇌파는 a파 성분의 평균 주파수가 롤러코스터에서 주행했을 때보다 자동차 시뮬레이터에서 주행시더 높았는데, 이는 자동차 시뮬레이터에서 주행시 운전자가 직접 속도 및 방향을 조정해야 하므로 피험자가 직접 조정하지 않은 롤러코스터보다 더 주의력이 필요하였다고 생각된다.
뇌파의 1/f 변동 리듬을 이용한 a 파 대역의 평균 주파수는 롤러코스터 주행보다 자동차 시뮬레이터 주행 조건에서 더 높았지만, 쾌적도는 평균 주파수의 경향과 다르게 롤러코스터 주행 조건에서 더 높게 나타났다. 생리 신호 분석 결과 자동차 시뮬레이터에서 주행 속도가 증가할수록 평균 RR 간격은 감소하여 심박률은 증가하였으나 통계적으로 유의하지는 않았다. 피부전기저항은 일부 주행 조건에서 주행 전후간에 진폭 변화량의 유의한 차이를 나타냈다.
두 종류의 시뮬레이터에서 주행 조건에 따라 탑승자의 심리 . 생리적 반응을 비교한 결과 주관적 감성은 쾌적감의 경우 자동차 시뮬레이터에서 저속 주행(40km/h)에 비해 롤러코스터에서 주행시 더 높았다. 긴장감, 각성감, 속도감은 탑승자가 저속 주행에 비해 롤러코스터에서 dynamic, washout 조건에서 주행시, 70km/h 주행보다 dynamic조건에서 주행시 더 크게 느꼈다.
05). 속도 변화에 따른 각성감은 40km/h 주행 후와 70km/h 주행 후, 70km/h 주행 후와 100km/h 주행 후 두 주행 조건 간에 유의한 차이가있었고(p<0.01), 40km/h 주행 후보다 100km/h 주행 후에서도 유의한 차이가 있었다<p<0.001).
05). 속도 변화에 따른 속도감은 40km/h 주행 후보다 70km/h 주행 후에서 유의하게 높았고(p<0.01), 40km/h와 70knmh 주행 후보다 100km/h 주행 후 유의하게 높았다(p<0.001). 주행 조건에 따라서는 40km/h 주행 후보다 dynamic 조건과 washout 조건으로 주행시 속도감은 유의하게 높았고(p<0.
05). 시뮬레이터 주행 조건에 따른 긴장감은 40km/h 주행 후보다 롤러코스터에서 주행시 높았고(p<0.05), 70km/h 주행 후보다 롤러코스터의 dynamic 조건에서 주행시 더 높았다(p<0.05).
05). 시뮬레이터 주행 조건에 따른 쾌적감은 40km/h 주행 후보다 롤러코스터에서 주행시 주행 조건에 관계없이 유의하게 높았다(p<0.05).
이와 같은 결과에서 주행 속도의 증가, 운동성이 다양한 환경에서 탑승자의 주관적 감성은 더 높았으며, 생리적 반응은 더 활성화되었다.
01). 이와 같은 분석 결과에서 쾌적도는 자동차 시뮬레이터에서 속도 변화에 따른 주행 조건과 롤러코스터의 dynamic 주행 조건보다도 washout 주행 조건에서 특히 더 높았다.
주행 전보다 모든 주행 조건에서 평균 RR 간격은 감소하였으나 조건간에 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 자동차 시뮬레이터에서 주행 속도 조건에 따라서는 주행 전보다 주행 속도가 증가할수록 평균 RR 간격은 감소하는 것으로 나타났다.
피부전기저항의 진폭은 증가하였다. 자동차 시뮬레이터에서는 70km/h, 100km/h 주행 전후간 피부 전기저항 변화량의 유의한 차이가 있었고(p<0.01), 롤러코스터의 dynamic 주행 조건에서도 피부 전기저항은 주행 전후간 유의한 차이를 나타냈다<p<0Q5). 그러나 주행 조건 간에는 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다.
주파수는 그림 8과 같다. 좌우 평균 주파수는 자동차 시뮬레이터에서 주행시 롤러코스터 주행 조건에서보다 높았으며 washout 주행 조건에 비해 70km/h,lOOkm/h 주행에서 유의하게 높았다(p<0.05).
001). 주행 조건에 따라서는 40km/h 주행 후보다 dynamic 조건과 washout 조건으로 주행시 속도감은 유의하게 높았고(p<0.001, p<0.05), dynamic 조건에서의 주행시 70km/h 주행 후보다도 높았다<p<0.05).
쾌적감은 그림 4와 같이 자동차 시뮬레이터에서 주행시 주행 전보다 40km/h, 100km/h 주행 후에서 유의한 차이가 있었고(p<0.05), 속도 변화에 따라서는 40km/h 주행 후보다 70km/h와 100km/h 주행 후 높았다(p<0.05). 시뮬레이터 주행 조건에 따른 쾌적감은 40km/h 주행 후보다 롤러코스터에서 주행시 주행 조건에 관계없이 유의하게 높았다(p<0.
각 시뮬레이터에서 주행 조건에 따른 쾌적도는 그림 9와 같이 자동차 시뮬레이터에서 주행했을 때보다 롤러코스터에서 주행시 더 높았다. 통계적으로 40km/h 주행보다 롤러코스터에서 dynamic, washout 조건에서 쾌적도는 유의하게 높았고(p<0.05), 70km/h 주행에 비해 washout 조건에서 주행 시(p<0.01), 100km/h 주행에 비해 dynamic, washout 주행 조건에서도 유의하게 높았다(p<0.05, p<0.01). 이와 같은 분석 결과에서 쾌적도는 자동차 시뮬레이터에서 속도 변화에 따른 주행 조건과 롤러코스터의 dynamic 주행 조건보다도 washout 주행 조건에서 특히 더 높았다.
후속연구
시뮬레이터를 이용한 동적 환경에서의 감성 평가는 실제 상황에 따르는 위험 부담을 최소화할 수 있고, 복합적인 자극 제시가 가능하여 제품에 대한 평가에 다양하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 감성은 사회, 문화적 경험에 따라 그 특성이 다르므로 개인간의 차이를 최소화하여 객관화된 감성을 도출하기 위해서는 앞으로 더 많은 대상자에 대한 측정 자료가 요구된다.
또한 시뮬레이터, 시뮬레이션과 같은 가상 현실에 노출되었을 때 실재감이나 현실감의 차이로 인한 부작용으로 심리적, 생리적 반응을 통한 Simulator Sickness에 대한 연구도 수행되었다[13, 14]. 시뮬레이터와 같은 동적 가상 환경 시스템은 실제 환경에서 측정시 위험 부담을 줄이고 다양한 동적 환경을 제시할 수 있어 앞으로 널리 이용될 것으로 예상된다.
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