[논문]초다시점 디스플레이의 초점 조절 반응 분석

박순기; 이창건; 김종현; 이병호

[국내논문] 초다시점 디스플레이의 초점 조절 반응 분석 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.32 no.3, 2015년, pp.29 - 36

박순기 (서울대학교) , 이창건 (서울대학교) , 김종현 (서울대학교) , 이병호 (서울대학교)

초록
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최근 3차원 영상의 시각 피로를 줄이고 보다 자연스럽고 현장감을 줄 수 있는 차세대 디스플레이 기술인 초다시점 3차원 디스플레이의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 현재 주로 이용되는 다시점 기반의 3차원 디스플레이는 양안 시차만을 이용하여 3차원 영상을 구현하기 때문에, 장시간 시청시 시각 피로와 어지러움과 같은 문제점을 수반한다는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제점의 해결 방안 중의 하나로 초다시점 디스플레이가 제안되었고, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 초다시점 디스플레이는 초점 조절 요인을 제공하기 때문에 보다 자연스러운 3차원 영상을 구현하는 것이 가능하다고 알려져 있어 차세대 3차원 디스플레이로서 주목받고 있다. 최근에는 박형 디스플레이 및 투사형 디스플레이 등을 이용한 다양한 방식의 초다시점 디스플레이의 구현과 더불어 초다시점 영상의 관찰 환경에 따른 인체의 반응을 살펴보는 관련 연구의 필요성이 높아지고 있다. 본 고에서는 최근 진행되고 있는 초다시점 디스플레이의 초점 조절 반응에 대한 연구 동향을 살펴본다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 이러한 초다시점 디스플레이의 초점 조절반응에 대한 분석에 필요한 기본적인 3차원 깊이 인지 요소 및 초다시점 3차원 영상을 구현하기 위한 디스플레이 방식들을 살펴보고 최근에 진행되고 있는 초다시점 디스플레이의 초점 조절 요인에 대한 연구 동향을 살펴본다.
최근 무안경식 3차원 디스플레이는 기존 평판형 디스플레이 및 투사형 디스플레이의 기술 발전에 힘입어 매우 빠른 속도로 발전하고 있다. 본 장에서는 무안경식 3차원 디스플레이 중에서 널리 연구되고 있는 다시점 디스플레이와 집적 영상 디스플레이의 기본 원리에 대한 설명과 각각의 방식에서 나타나는 초점 조절 반응에 대한 연구를 살펴본다.

제안 방법

현재까지 진행된 대부분의 초다시점 디스플레이의 초점 조절에 관한 연구는, 안구의 광학 시뮬레이션과 검안기를 통한 초점 조절 변화의 측정을 통하여 이루어졌다. 검안기를 통한 초점 조절 변화는 초다시점 디스플레이에 일정한 거리를 갖는 시험용 영상을 띄워주고, 피험자가 해당 영상을 관찰할 때 나타나는 초점 변화를 관찰한다. 일반적으로 초다시점 디스플레이 영상을 관찰할 때 수렴을 통한 초점 조절 유발을 제외하기 위하여 관찰하는 눈을 제외한 눈을 가려주어, 단안에 대하여 초점 조절 반응을 관찰한다.
최근에는 시점영상의 시차에 따른 초점 조절변화에 대한 연구가 진행된 바 있다[11]. 이 연구에서는 화면의 시청 거리에 의한 초점 조절 요인을 배제하고 순수하게 시차에 의한 초점 조절 요인을 확인하기 위하여, [그림 6(a)]와 같이 두 개의 시점을 형성시키는 시험용 초다시점 디스플레이를 제작하여 제공되는 시점 영상에 따른 피험자들의 수정체의 초점 변화를 검안기를 사용하여 측정하였다. 이때 시점 영상은 수정체의 초점 조절 여부와 상관없이 망막에 직접 생성되는 맥스웰리안 영상으로 구성함으로써, 눈의 초점 조절은 영상의 흐려짐과 상관 없이 시점 영상들의 차이에 의해서만 유발되도록 하였다.
이 연구에서는 화면의 시청 거리에 의한 초점 조절 요인을 배제하고 순수하게 시차에 의한 초점 조절 요인을 확인하기 위하여, [그림 6(a)]와 같이 두 개의 시점을 형성시키는 시험용 초다시점 디스플레이를 제작하여 제공되는 시점 영상에 따른 피험자들의 수정체의 초점 변화를 검안기를 사용하여 측정하였다. 이때 시점 영상은 수정체의 초점 조절 여부와 상관없이 망막에 직접 생성되는 맥스웰리안 영상으로 구성함으로써, 눈의 초점 조절은 영상의 흐려짐과 상관 없이 시점 영상들의 차이에 의해서만 유발되도록 하였다. [그림 6(b),(c)]에서 볼 수 있듯이, 눈의 초점 조절 여부와 상관없이 선명한 시점 영상이 관찰되며, 눈의 초점 범위가 변화됨에 따라서 시점 영상이 겹쳐지거나 서로 멀어지게 되어, 영상이 한 개의 융합된 영상으로 인지되거나 서로 분리된 별개의 영상으로 인지되게 된다.
[그림 6(b),(c)]에서 볼 수 있듯이, 눈의 초점 조절 여부와 상관없이 선명한 시점 영상이 관찰되며, 눈의 초점 범위가 변화됨에 따라서 시점 영상이 겹쳐지거나 서로 멀어지게 되어, 영상이 한 개의 융합된 영상으로 인지되거나 서로 분리된 별개의 영상으로 인지되게 된다. 따라서 관찰자는 자연스럽게 두 개의 영상을 한 개의 융합된 영상으로 인식하기 위하여 초점 조절 반응을 나타내게 되며, 이때 검안기를 이용하여 피험자의 초점 조절 반응을 관찰하였다. 초다시점 영상에 의한 초점 조절 반응과 비교하기 위하여 피험자가 서로 다른 거리에 있는 실제 3차원 물체를 관찰했을 때의 수정체의 초점 변화를 기록하였고 이를 대조군으로 참조하였다.
따라서 관찰자는 자연스럽게 두 개의 영상을 한 개의 융합된 영상으로 인식하기 위하여 초점 조절 반응을 나타내게 되며, 이때 검안기를 이용하여 피험자의 초점 조절 반응을 관찰하였다. 초다시점 영상에 의한 초점 조절 반응과 비교하기 위하여 피험자가 서로 다른 거리에 있는 실제 3차원 물체를 관찰했을 때의 수정체의 초점 변화를 기록하였고 이를 대조군으로 참조하였다.

대상 데이터

63 디옵터의 범위에서 초점 조절 변화가 일어나는 것을 확인할 수 있다[12]. 실험에 사용한 집적 영상 디스플레이는, 인쇄된 요소 영상을 사용함으로써 대략적으로 5 미터 이내에서 초다시점 영상을 상하 좌우의 2차원 시차를 가진 상태로 관찰할 수 있는 조건이다. 하지만 해당 연구는 집적 영상의 초점 조절 유발 확인 여부에 연구의 목적이 있으므로, 집적 영상으로 구현 가능한 3차원 영상의 깊이 범위에 대한 내용은 다루지 않아, 제시된 3차원 영상의 깊이 범위가 집적 영상 시스템으로 구현 가능한 최대 깊이 범위인지는 확인할 수 없다는 한계점을 가진다.
본 연구는 미래창조과학부 및 (재)기가코리아사업단의 '범부처 Giga KOREA 사업'의 일환으로 수행하였음.

성능/효과

<그림 7>은 3 명의 서로 다른 피험자에 대하여 실험을 진행한 결과이다. 실험 결과에서 볼 수 있듯이, 두 개의 수평 시차만 존재하는 초다시점 조건에서 개인별 차이는 있지만 특정 깊이 구간 내에서는 실제 물체의 깊이와 디스플레이를 통해 구현된 물체의 깊이를 비슷하게 인지한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 구현된 시스템에서는 대략적으로 약 1 디옵터 정도의 범위에서 자연스럽게 초점 조절 현상이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과에서 볼 수 있듯이, 두 개의 수평 시차만 존재하는 초다시점 조건에서 개인별 차이는 있지만 특정 깊이 구간 내에서는 실제 물체의 깊이와 디스플레이를 통해 구현된 물체의 깊이를 비슷하게 인지한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 구현된 시스템에서는 대략적으로 약 1 디옵터 정도의 범위에서 자연스럽게 초점 조절 현상이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실험에서 제안된 초다시점 디스플레이와 유사한 사양으로 실제 초다시점 디스플레이를 제작하게 된다면, 제공되는 영상의 깊이 범위를 실험에서 측정된 1 디옵터 내외로 한정시킴으로써, 관찰자에게 자연스럽게 초점 조절 반응을 유도할 수 있을 것으로 생각되며, 이는 시각 피로를 완화시키고 보다 자연스러운 3차원 영상을 제공하는 결과를 가져올 것으로 생각된다.

후속연구

또한 구현된 시스템에서는 대략적으로 약 1 디옵터 정도의 범위에서 자연스럽게 초점 조절 현상이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실험에서 제안된 초다시점 디스플레이와 유사한 사양으로 실제 초다시점 디스플레이를 제작하게 된다면, 제공되는 영상의 깊이 범위를 실험에서 측정된 1 디옵터 내외로 한정시킴으로써, 관찰자에게 자연스럽게 초점 조절 반응을 유도할 수 있을 것으로 생각되며, 이는 시각 피로를 완화시키고 보다 자연스러운 3차원 영상을 제공하는 결과를 가져올 것으로 생각된다.
실험에 사용한 집적 영상 디스플레이는, 인쇄된 요소 영상을 사용함으로써 대략적으로 5 미터 이내에서 초다시점 영상을 상하 좌우의 2차원 시차를 가진 상태로 관찰할 수 있는 조건이다. 하지만 해당 연구는 집적 영상의 초점 조절 유발 확인 여부에 연구의 목적이 있으므로, 집적 영상으로 구현 가능한 3차원 영상의 깊이 범위에 대한 내용은 다루지 않아, 제시된 3차원 영상의 깊이 범위가 집적 영상 시스템으로 구현 가능한 최대 깊이 범위인지는 확인할 수 없다는 한계점을 가진다.
사람의 초점 조절 반응 특성은 시력, 안경 착용 유무, 연령 등에 의해 차이가 많이 있기 때문에, 다양한 사람들을 대상으로 임상실험을 진행하여 보다 객관적인 실험 결과를 얻을 수 있도록 하는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 병원과 같이 보다 다양한 조건의 피험자를 대상으로 실험을 진행할 수 있는 기관과 협력하여 연구를 진행하는 것이 필요하다.
현재까지 초다시점 디스플레이에서 초점 조절현상이 일어나게 되는 영상의 깊이 범위에 대한 연구는 시점 간격과 주로 연관되어 진행되었다. 하지만, 시점 영상의 해상도, 시점 영상간의 균일도, 시차의 생성 방향, 동공 내에 입사되는 관찰 시점의 숫자, 수직 시차의 부재로 인한 비점수차 등의 요소 또한 일반적인 3차원 영상의 관찰 조건과 차이가 있기 때문에 초점 조절에 영향을 줄 수 있을 것으로 생각되며, 이를 검증하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
결과적으로 이러한 새로운 방식의 초점 조절이 가능한 디스플레이의 원리를 응용하면, 보다 적은 시스템 요구조건으로 초점 조절 유발이 가능한 초다시점 디스플레이 시스템을 제안할 수 있을 것으로 생각되며, 이러한 초다시점 디스플레이의 개발은 초다시점 디스플레이의 활용 가능성을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.
더욱 자연스러운 초점 조절 유발을 위해서는 수평 수차만을 제공하는 것이 아닌 모든 방향의 시차를 제공하는 것이 중요하며, 특히 집적 영상 방식이 아닌 다시점 기반의 초다시점 디스플레이에서는 수직 시차의 부재로 인한 비점수차의 영향을 크게 받게 된다. 따라서 동공 내에 세 개 이상의 시점을 제공할 수 있는 시스템의 구현과, 시점 간의 간격에 따른 깊이 표현 특성 변화 등 추가적으로 연구되어야 할 부분이 남아있다.
새로운 초점 조절 제공 방식의 연구 및 인간 공학, 시각 피로에 대한 연구를 바탕으로 시스템 복잡도와 구현 가능성에 대한 적절한 타협점을 찾을 수 있을 것으로 생각되며, 시각 피로가 없는 보다 자연스러운 3차원 영상을 다양한 환경에서 즐길 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안경 방식의 양안식 3차원 디스플레이는 어떤 장점이 있는가?	3차원 디스플레이는 기존의 2차원 디스플레이보다 사실적으로 물체를 표현하는 것이 가능하고, 공간감을 정확하게 표현할 수 있는 특징으로 인하여 교육, 의료, 산업, 영화, 오락 등 매우 다양한 분야에 걸쳐 활용될 수 있으며, 디스플레이 기술의 발전에 따라 점점 활용도 및 그 이용 가능성이 높아지고 있다[1][2]. 안경 방식의 양안식 3차원 디스플레이는 상대적으로 저렴한 비용으로 큰 화면을 구현할 수 있는 장점으로 인하여 가장 먼저 상용화 되었다.
	3차원 디스플레이의 특징은 무엇인가?	3차원 디스플레이는 기존의 2차원 디스플레이보다 사실적으로 물체를 표현하는 것이 가능하고, 공간감을 정확하게 표현할 수 있는 특징으로 인하여 교육, 의료, 산업, 영화, 오락 등 매우 다양한 분야에 걸쳐 활용될 수 있으며, 디스플레이 기술의 발전에 따라 점점 활용도 및 그 이용 가능성이 높아지고 있다[1][2]. 안경 방식의 양안식 3차원 디스플레이는 상대적으로 저렴한 비용으로 큰 화면을 구현할 수 있는 장점으로 인하여 가장 먼저 상용화 되었다.
	양안식 디스플레이를 사용하면서 발생할 수 있는 부작용은 무엇인가?	하지만 양안식 디스플레이는 사람의 생리적 3차원 인지 요소 중 양안 시차 및 안구의 수렴 요인만을 이용하여 3차원 정보를 전달하기 때문에, 수정체의 초점 변화 없이 안구의 수렴만 조절되는 상태로 영상을 관찰하게 된다. 따라서 수렴과 초점 조절 요인 사이의 불일치가 발생하는 상황에 관찰자가 처하게 되므로, 장시간 3차원 영상을 관찰하는 경우 어지러움이나 메스꺼움과 같은 불편함을 수반한다[3].

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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