[논문]3D VR 기반의 교육 콘텐츠 개발 시스템 구현

배성실; 이정민; 안성수

doi:10.17662/ksdim.2016.12.1.097

문제 정의

학습자의 의지에 따라 자유롭게 창덕궁을 체험할 수 있는 프리모드와 실제 가이드의 설명을 직접 듣는 것처럼 창덕궁 전체를 설명해주는 가이드 모드로 서비스가 구현되었다. 본 논문에 서는 테마별로 원하는 콘텐츠를 선택하도록 하고, 선택한 학습테마는 학습을 위한 교육용 영상이 시현되며 학습자는 주인공이 되어 여러 모션을 통해 영상 속 인물들과 서로 상호작용하며 학습할 수 있는 환경을 제공하였다. 그림 11은 이러한 내용의 서비스 시나리오를 보여주고 있다.
사이버 멀미를 줄이기 위해서는 시간당 프레임 수(FPS)가 60이상이 되어야 부드러운 콘텐츠 구현이 가능하게 된다. 본 논문에서는 3가지 최적화 방법을 사용하여 기존의 50 FPS를 70 FPS로 증가하게 하였다. 최적화 방법은 (1)3D max를 이용하여 하나의 Scene에 대응하는 권역을 배정하는 scene 분할 (2)카메라 영역 밖의 geometry는 그리지 않는 occlusion culling 기법 (3)동일한 이미지 파일의 메모리 공유가 되는 Static Batching 방법이 될 수 있다.
본 논문은 창덕궁 궁궐의 모습을 고증을 통해 디지털로 복원하여 3D 가상현실 환경을 구축하고 HMD를 통해 시현함으로써 일반인 뿐 만 아니라 학생, 외국인을 위한 교육용 콘텐츠를 개발하였다. 3D 콘텐츠를 구현한 스마트폰은 윈도의 7 운영체제 기반의 갤럭시6를 사용하였고, 타겟 디바이스로 삼성 기어 VR2를 적용하였다.
3D 콘텐츠는 이미지와 저장 용량 때문에 대용량의 메모리가 필요하며, 이에 따라 실시간 영상 구현에 어려움이 따른다. 본 논문은 프로그램 제작 설계 단계에서부터 창덕궁이라는 넓은 지역을 가상 모델링 및 프로그래밍을 위해 프로그램 용량의 상당 부분을 차지하는 리소스 최소화 방법을 채택 및 설계하였다. 상대적으로 역사적 가치가 높은 물체의 디테일을 최대한 살리는 하이 폴리곤 제작과 나머지 모델링을 로우 폴리곤 제작 기법을 통해 모델링된 파일의 메모리를 효율적으로 분배하였고, 타 형식에 비해 손실대비 압축률과 호환성이 뛰어난 DDS(Direct Drew Surface) Texture 파일 형식으로 제작하였다.
또한, 다양한 콘텐츠 구현 기법으로 최소의 228M byte 메모리를 사용해 실시간 시현이 가능하게 하였다. 이러한 성능 개선을 통한 새로운 3D 콘텐츠 구현으로 멀미가 경감되고 몰입감이 향상된 교육용 콘텐츠 시스템을 개발하였다.

제안 방법

19C 순조시대의 창덕궁 구현을 위해 조선왕조실록 등의 고증자료를 참조하였으며, 고증자료로 복원된 그림은 캐드를 이용해 2D로 다시 작성하고 3D max, unity 툴을 이용해 3D 모델링을 구현하였다. 이러한 모델링 이미지에 질감을 넣기 위해 3D 매핑 작업을 수행하였다[7].
3D 콘텐츠를 구현한 스마트폰은 윈도의 7 운영체제 기반의 갤럭시6를 사용하였고, 타겟 디바이스로 삼성 기어 VR2를 적용하였다. 3D 콘텐츠 개발을 위해 창덕궁을 16개 권역으로 구분하여 각 권역별로 텍스처(texture)를 제작해 3D 모델링을 하였으며 실시간 렌더링 작업을 통해 HMD에서 몰입감있는 가상현실을 체험하도록 하였다. 또한, HMD의 몰입감을 증가시키기 위해 트랙커안에 IR-LED(적외선 다이오우드)를 내장시켜 실시간 eye tracking이 가능하게 하였고, FPS(Frame Per Second) 조절과 새로운 콘텐츠 구현 방법을 통해 사이버 멀미를 경감시키는 기술을 제안하였다.
3D 구현을 위해 3D MAX, Unity 5. 3버전 소프트웨어를 사용하였고, 3D 제작 프로그램의 뛰어난 호환성을 가진 Unity를 이용하여 모바일 및 컴퓨터로의 연계성을 극대화 하였다.
가상현실에서 나타나는 사이버 멀미를 줄이기 위해 본 논문에서는 3가지 최적화 방법을 통해 시간당 프레임 수를 기준치인 60이 넘는 70이 되게 하여 몰입감을 증가시켰다. 또한, 다양한 콘텐츠 구현 기법으로 최소의 228M byte 메모리를 사용해 실시간 시현이 가능하게 하였다.
3D 가상현실은 현실과 거의 유사하게 만드는 시뮬레이션 인공 환경으로 구축 방법에 따라 가상현실(VR, Virtual Reality)과 증강현실(AR, Augmented Reality)로 나눈다[1]. 가상현실은 현실대신 가상의 정보를 시뮬레이션 하는 것으로, 현실의 정보에 가상을[2-3], 본 논문에서는 스마트 폰으로 구현된 3D VR 덧입혀서 보완하고 확장하는 증강현실과 구별되며 콘텐츠를 HMD(Helmet Mounted Display)로 시현하는 가상현실 분야를 적용하였다.
본 논문에서 구현한 창덕궁은 과거 전란으로 원형이 훼손되어 고증을 통해 복원하는 과정을 거쳤고 교육시스템 구현으로 문화재 보존 가치와 올바른 역사 교육에 의미를 두었다. 가상현실을 통한 창덕궁 복원을 위해 문화재의 종류 및 역사적 배경, 사운드 효과, 배경음악의 선곡 등 작품 제작에 관한 전반적인 사항 들을 결정하였고, 모델링(Modeling), 질감(Texture) 등에 사용될 프로그램을 위한 작업 환경을 설정하였다. 3D 구현을 위해 3D MAX, Unity 5.
이러한 방법은 크기가 POT(Power of Two)인 하나의 텍스쳐 DDS 파일에 여러 건물의 부속 Surface을 저장할 수 있기 때문에 메모리를 크게 경감 시킬 수 있다. 또한 모바일 플랫폼으로 빌드 시키기 위해 본 프로젝트의 타겟 디바이스인 Samsung Galaxy 6의 GPU에 적합한 압축방식인 ETC를 채택하였고, 텍스트 사용시 Packed Font 기법(R, G, B, A channel 에 각각 글자의 형태를 저장하는 방법)을 사용하여 메모리를 절감하였다. 그림 12는 이러한 방법을 통해 구현된 창덕궁의 콘텐츠 메모리용량을 보여주고 있다.
상기와 같은 구현 콘텐츠는 Unity 3D Engine을 기반으로 하여 조명, 카메라를 효과적으로 사용 하고, HMD를 연계하여 몰입도가 높은 VR 콘텐츠를 개발하였다. 또한 입체 영상을 제작하는 기법인 양안 시차를 활용하여 엔진에서 2개의 가상카메라로 Rendering 하여 입체로 보이게 하는 기술을 이용하였고, 단순한 영상이 아닌 가상 모델들을 보고 부가 정보를 확인할 수 있는 양방향성 콘텐츠를 개발하였다.
3D 콘텐츠 개발을 위해 창덕궁을 16개 권역으로 구분하여 각 권역별로 텍스처(texture)를 제작해 3D 모델링을 하였으며 실시간 렌더링 작업을 통해 HMD에서 몰입감있는 가상현실을 체험하도록 하였다. 또한, HMD의 몰입감을 증가시키기 위해 트랙커안에 IR-LED(적외선 다이오우드)를 내장시켜 실시간 eye tracking이 가능하게 하였고, FPS(Frame Per Second) 조절과 새로운 콘텐츠 구현 방법을 통해 사이버 멀미를 경감시키는 기술을 제안하였다.
16개 권역은 돈화문, 궐내각사, 구 선원전, 금천교, 인정전, 선정전, 희정당, 대조전, 성정각, 낙선재, 함양문, 부용지, 애련지, 존덕정, 옥류천, 연경당이 해당된다. 또한, 당시의 왕이 하루동안 했던 일상을 스토리텔링으로 구성하여 교육에 도움이 되도록 구현하였다. 왕의 하루에 대한 주요 콘텐츠는 다음과 같다.
또한, 본 논문에서는 게임패드를 이용하여 사용자가 원하는 경로를 갈 수 있도록 하는 콘텐츠와 navigation을 통해 정해진 경로를 가는 콘텐츠를 이용하여 멀미 경감과 인지정도 설문을 실시하고 조사, 분석하였다. 본 실험을 위해 20대 초반의 남녀학생 30명을 실험에 참여시켰고 신체적, 정신적 이상이 없는 것을 확인하였다.
그림 1에서 보는 바와 같이 해당 프로그램을 디스플레이에 그대로 사용자에게 노출 시킨다면 핀쿠션 일그러짐(Pincushion Distortion)이 발생하게 된다. 렌즈의 배율이 가장자리로 갈수록 커지기 때문에 생기는 일그러짐을 상쇄하기 위해서 이미지에 술통형 (barrel distortion) 일그러짐을 생성하는 어안 렌더링 기술을 이용하여 사용자에게는 일그러짐이 없는 화면을 보여준다. 가상현실 환경을 구축하기 위해서는 컴퓨터 프로그램을 사용하여 모델링 한 그래픽 파일을 영상으로 만드는 렌더링 작업이 필수적이다.
프로그램은 3D max 2016을 사용하였다. 문화재 복원의 정확성 향상을 위해 고증된 자료를 스캐닝 받아 그것을 토대로 최대한 사실적으로 창덕궁을 모델링하였다. 완성된 창덕궁의 모델은 fbx 파일로 확장자 변환을 통해 unity 파일에서 사용하였다.
본 논문에서 구현한 창덕궁은 과거 전란으로 원형이 훼손되어 고증을 통해 복원하는 과정을 거쳤고 교육시스템 구현으로 문화재 보존 가치와 올바른 역사 교육에 의미를 두었다. 가상현실을 통한 창덕궁 복원을 위해 문화재의 종류 및 역사적 배경, 사운드 효과, 배경음악의 선곡 등 작품 제작에 관한 전반적인 사항 들을 결정하였고, 모델링(Modeling), 질감(Texture) 등에 사용될 프로그램을 위한 작업 환경을 설정하였다.
본 논문에서는 창덕궁 궁궐의 모습을 고증을 통해 3D 가상현실로 구현하였고 HMD를 통해 실시간 영상을 시현하였다. 이러한 영상은 교육용으로 구현하여 서비스 시나리오를 작성해 실감 공간속에서 체험이 가능하도록 하였다.
상기와 같은 구현 콘텐츠는 Unity 3D Engine을 기반으로 하여 조명, 카메라를 효과적으로 사용 하고, HMD를 연계하여 몰입도가 높은 VR 콘텐츠를 개발하였다. 또한 입체 영상을 제작하는 기법인 양안 시차를 활용하여 엔진에서 2개의 가상카메라로 Rendering 하여 입체로 보이게 하는 기술을 이용하였고, 단순한 영상이 아닌 가상 모델들을 보고 부가 정보를 확인할 수 있는 양방향성 콘텐츠를 개발하였다.
본 논문은 프로그램 제작 설계 단계에서부터 창덕궁이라는 넓은 지역을 가상 모델링 및 프로그래밍을 위해 프로그램 용량의 상당 부분을 차지하는 리소스 최소화 방법을 채택 및 설계하였다. 상대적으로 역사적 가치가 높은 물체의 디테일을 최대한 살리는 하이 폴리곤 제작과 나머지 모델링을 로우 폴리곤 제작 기법을 통해 모델링된 파일의 메모리를 효율적으로 분배하였고, 타 형식에 비해 손실대비 압축률과 호환성이 뛰어난 DDS(Direct Drew Surface) Texture 파일 형식으로 제작하였다. 이러한 방법은 크기가 POT(Power of Two)인 하나의 텍스쳐 DDS 파일에 여러 건물의 부속 Surface을 저장할 수 있기 때문에 메모리를 크게 경감 시킬 수 있다.
여러 고증된 역사자료를 통하여 창덕궁이 갖고 있는 특성을 바탕으로 작업을 하였다. 이번 창덕궁 작업에서는 단순히 고증을 얻은 자료로 문화재를 디지털로 복원하는 것으로만 그치지 않고, 그 시대의 설화나 인물을 형상화시켜 우리의 문화재를 외국인들에게 보다 쉽고 흥미롭게 경험할 수 있도록 창덕궁에서 왕이 어떤 하루를 보냈는지, 어떤 음식을 먹었는지 구체적인 내용과 창덕궁 내부의 모습을 사실적으로 묘사한 3D HMD 콘텐츠로 제작하였다.
19C 순조시대의 창덕궁 구현을 위해 조선왕조실록 등의 고증자료를 참조하였으며, 고증자료로 복원된 그림은 캐드를 이용해 2D로 다시 작성하고 3D max, unity 툴을 이용해 3D 모델링을 구현하였다. 이러한 모델링 이미지에 질감을 넣기 위해 3D 매핑 작업을 수행하였다[7]. 그림 8, 9는 복원도부터 3D 매핑까지의 콘텐츠 구현 사례를 보여주고 있다.
완성된 3D 모델의 표면에 스캔 받은 이미지나 포토샵으로 제작한 이미지를 텍스처로 사용하였다. 이번 문화재 복원 작업에서는 조선시대의 원형의 모습을 정확하게 표현하기 위해 고증된 전통무늬 문양으로 매핑하였다.
여러 고증된 역사자료를 통하여 창덕궁이 갖고 있는 특성을 바탕으로 작업을 하였다. 이번 창덕궁 작업에서는 단순히 고증을 얻은 자료로 문화재를 디지털로 복원하는 것으로만 그치지 않고, 그 시대의 설화나 인물을 형상화시켜 우리의 문화재를 외국인들에게 보다 쉽고 흥미롭게 경험할 수 있도록 창덕궁에서 왕이 어떤 하루를 보냈는지, 어떤 음식을 먹었는지 구체적인 내용과 창덕궁 내부의 모습을 사실적으로 묘사한 3D HMD 콘텐츠로 제작하였다.
트래킹은 헤드 트래킹과 아이 트래킹으로 구분되는데, 아이 트래킹은 해당 장면에 대해 초점을 수시로 맞춰야 구현가능하므로 사용자 편리성에 어려움이 있어 적용하지 않았으며, 본 논문에서는 헤드 트래킹을 구현하였다. 헤드 트래킹의 경우 머리의 움직임에 따라 HMD에 내장된 자이로와 가속도계가 카메라의 위치와 방향을 감지하게 된다.
현재의 창덕궁을 19C 당시 상황을 고증을 통해 3D로 재현하였으며, 불타서 없어진 궁궐까지도 복원하여 창덕궁을 16개 권역으로 묶어 콘텐츠를 개발하였다. 16개 권역은 돈화문, 궐내각사, 구 선원전, 금천교, 인정전, 선정전, 희정당, 대조전, 성정각, 낙선재, 함양문, 부용지, 애련지, 존덕정, 옥류천, 연경당이 해당된다.

대상 데이터

본 논문은 창덕궁 궁궐의 모습을 고증을 통해 디지털로 복원하여 3D 가상현실 환경을 구축하고 HMD를 통해 시현함으로써 일반인 뿐 만 아니라 학생, 외국인을 위한 교육용 콘텐츠를 개발하였다. 3D 콘텐츠를 구현한 스마트폰은 윈도의 7 운영체제 기반의 갤럭시6를 사용하였고, 타겟 디바이스로 삼성 기어 VR2를 적용하였다. 3D 콘텐츠 개발을 위해 창덕궁을 16개 권역으로 구분하여 각 권역별로 텍스처(texture)를 제작해 3D 모델링을 하였으며 실시간 렌더링 작업을 통해 HMD에서 몰입감있는 가상현실을 체험하도록 하였다.
본 논문에서 HMD는 삼성 Gear VR 2를 사용하였고 콘텐츠가 탑재된 스마트 폰은 갤럭시 S6와 연동하였다. HMD를 통한 콘텐츠 시현 환경은 다음과 같다.
또한, 본 논문에서는 게임패드를 이용하여 사용자가 원하는 경로를 갈 수 있도록 하는 콘텐츠와 navigation을 통해 정해진 경로를 가는 콘텐츠를 이용하여 멀미 경감과 인지정도 설문을 실시하고 조사, 분석하였다. 본 실험을 위해 20대 초반의 남녀학생 30명을 실험에 참여시켰고 신체적, 정신적 이상이 없는 것을 확인하였다. 총 5분 동안 구현된 콘텐츠를 보도록 하였으며, 멀미경감은 SSQ(Simulator Sickness Questionnaire) 설문 기법을 사용하여 멀미상황을 체크하고 인지정도는 PQ(Presence Questionnaire) 방법을 사용하여 현실성과의 유사성을 조사하였다[8].
질감 표현 작업은 앞서 작업한 3D 모델에 Mapping 하는 작업이다. 완성된 3D 모델의 표면에 스캔 받은 이미지나 포토샵으로 제작한 이미지를 텍스처로 사용하였다. 이번 문화재 복원 작업에서는 조선시대의 원형의 모습을 정확하게 표현하기 위해 고증된 전통무늬 문양으로 매핑하였다.

이론/모형

문화재 복원의 정확성 향상을 위해 고증된 자료를 스캐닝 받아 그것을 토대로 최대한 사실적으로 창덕궁을 모델링하였다. 완성된 창덕궁의 모델은 fbx 파일로 확장자 변환을 통해 unity 파일에서 사용하였다.
본 실험을 위해 20대 초반의 남녀학생 30명을 실험에 참여시켰고 신체적, 정신적 이상이 없는 것을 확인하였다. 총 5분 동안 구현된 콘텐츠를 보도록 하였으며, 멀미경감은 SSQ(Simulator Sickness Questionnaire) 설문 기법을 사용하여 멀미상황을 체크하고 인지정도는 PQ(Presence Questionnaire) 방법을 사용하여 현실성과의 유사성을 조사하였다[8].

성능/효과

본 논문에서 구현한 교육용 콘텐츠와 유사한 콘텐츠는 옥연정사와 경주박물관이 있으며, 그림 12에서 보는 바와 같이 옥연정사는 제작 면적(m²)에 비해 메모리 용량이 크고, 경주박물관은 메모리가 적지만 단 하나의 건물을 대상으로 한 점을 고려하면 상대적으로 메모리 용량이 크다고 볼 수 있다. 그러나, 본 논문에서 구현한 창덕궁 콘텐츠는 16개의 궁궐과 1,200m²의 방대한 면적에도 불구하고 다양한 메모리 감소 기법을 활용해 228M byte 정도의 메모리로도 구현할 수 있게 되어 실시간 3D 영상 시현이 가능하게 되었다.
디지털로 복원된 문화재를 가상현실 세계에서 쉽게 접근할 수 있도록 탐색 운행 경로, 사운드, 상호작용 등을 부과하는 과정인 프로그램 작업은 Unity를 활용하였으며, 사용된 프로그램 언어는 C#로 마이크로소프트에서 개발한 객체 지향언어로 WPF라는 강력한 GUI 라이브러리로 인해 GUI 기반 프로그램을 보다 손쉽게 작성할 수 있다.
가상현실에서 나타나는 사이버 멀미를 줄이기 위해 본 논문에서는 3가지 최적화 방법을 통해 시간당 프레임 수를 기준치인 60이 넘는 70이 되게 하여 몰입감을 증가시켰다. 또한, 다양한 콘텐츠 구현 기법으로 최소의 228M byte 메모리를 사용해 실시간 시현이 가능하게 하였다. 이러한 성능 개선을 통한 새로운 3D 콘텐츠 구현으로 멀미가 경감되고 몰입감이 향상된 교육용 콘텐츠 시스템을 개발하였다.
그림 12는 기존에 출시된 가상현실 체험형 콘텐츠와 본 논문에서 수행한 콘텐츠를 메모리 효율 측면에서 비교하였다. 본 논문에서 구현한 교육용 콘텐츠와 유사한 콘텐츠는 옥연정사와 경주박물관이 있으며, 그림 12에서 보는 바와 같이 옥연정사는 제작 면적(m²)에 비해 메모리 용량이 크고, 경주박물관은 메모리가 적지만 단 하나의 건물을 대상으로 한 점을 고려하면 상대적으로 메모리 용량이 크다고 볼 수 있다. 그러나, 본 논문에서 구현한 창덕궁 콘텐츠는 16개의 궁궐과 1,200m²의 방대한 면적에도 불구하고 다양한 메모리 감소 기법을 활용해 228M byte 정도의 메모리로도 구현할 수 있게 되어 실시간 3D 영상 시현이 가능하게 되었다.
HMD 형태의 기기는 화면 크기를 무작정 키울 수 없고, 초점거리 때문에 화면과 눈과의 거리를 무작정 좁힐 수도 없다. 이 문제를 해결하기 위해 화면을 렌즈로 확대해서 보는 방식을 적용하고, 렌즈를 통해 확대하면 초점 거리를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 실제보다 더 큰 화면을 볼 수 있어 화면 크기와 시야각 문제를 모두 해결할 수 있다. 단지, 렌즈의 광학구조상 왜곡현상이 있기 때문에 일반적으로 왜곡문제를 해결하기 위해 화면에 뿌려지는 영상 자체를 왜곡시키며, 이를 통해 실제로 보이는 화면은 왜곡없는 정상 화면이 나타나게 된다[3].

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 가상현실이란?	3D 가상현실은 현실과 거의 유사하게 만드는 시뮬레이션 인공 환경으로 구축 방법에 따라 가상현실(VR, Virtual Reality)과 증강현실(AR, Augmented Reality)로 나눈다[1]. 가상현실은 현실대신 가상의 정보를 시뮬레이션 하는 것으로, 현실의 정보에 가상을[2-3], 본 논문에서는 스마트 폰으로 구현된 3D VR 덧입혀서 보완하고 확장하는 증강현실과 구별되며 콘텐츠를 HMD(Helmet Mounted Display)로 시현하는 가상현실 분야를 적용하였다.
	3D 가상현실은 어떻게 나눌 수 있는가?	3D 가상현실은 현실과 거의 유사하게 만드는 시뮬레이션 인공 환경으로 구축 방법에 따라 가상현실(VR, Virtual Reality)과 증강현실(AR, Augmented Reality)로 나눈다[1]. 가상현실은 현실대신 가상의 정보를 시뮬레이션 하는 것으로, 현실의 정보에 가상을[2-3], 본 논문에서는 스마트 폰으로 구현된 3D VR 덧입혀서 보완하고 확장하는 증강현실과 구별되며 콘텐츠를 HMD(Helmet Mounted Display)로 시현하는 가상현실 분야를 적용하였다.
	HMD 형태의 기기의 문제점을 해결하는 방법은?	HMD 형태의 기기는 화면 크기를 무작정 키울 수 없고, 초점거리 때문에 화면과 눈과의 거리를 무작정 좁힐 수도 없다. 이 문제를 해결하기 위해 화면을 렌즈로 확대해서 보는 방식을 적용하고, 렌즈를 통해 확대하면 초점 거리를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 실제보다 더 큰 화면을 볼 수 있어 화면 크기와 시야각 문제를 모두 해결할 수 있다. 단지, 렌즈의 광학구조상 왜곡현상이 있기 때문에 일반적으로 왜곡문제를 해결하기 위해 화면에 뿌려지는 영상 자체를 왜곡시키며, 이를 통해 실제로 보이는 화면은 왜곡없는 정상 화면이 나타나게 된다[3].

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