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문제 정의
- 또한, 피드백의 형태에 따른 효과를 비교하고자, 시각, 청각, 촉각의 세 가지 피드백을 각각 제공하고, 어떤 피드백이 가장 효과적인지를 분석하고자 한다.
- 본 논문에서는 3차원 가상 공간에서 드로잉할 때 사용자에게 위치 입력에 대한 피드백을 부여하는 효과적인 방법을 설계하고 그 성능을 측정하여, 피드백을 통해 사용자가 올바른 위치를 입력하는데 도움을 줄 수 있는지 확인하고자 한다. 또한, 피드백의 형태에 따른 효과를 비교하고자, 시각, 청각, 촉각의 세 가지 피드백을 각각 제공하고, 어떤 피드백이 가장 효과적인지를 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 가상환경에서 정확한 3차원 드로잉을 보조할 수 있도록 시각, 청각, 촉각 피드백을 설계하고 그 성능을 비교하였다. 피드백이 제공되지 않은 경우보다 피드백을 제공한 경우의 드로잉 오차가 20% ~ 43% 정도 감소하여 피드백의 효과를 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 따라서 사용자가 그리는 선과 주어진 선 모델의 위치를 비교하여, 드로잉의 오차 정도에 따라 사용자에게 제공되는 피드백의 강도가 달라진다. Table 1은 피드백 설계를 요약한 것으로 오차 거리에 따른 오차 단계의 구분과 각 단계별로 구현된 시각, 청각, 촉각 피드백을 제시하였다.
- 사용자가 그리는 선과 주어진 선 모델 사이의 거리가 멀다는 것은 드로잉의 오차가 크다는 것이다. 드로잉의 오차 정도에 따라 피드백의 강도를 다르게 제공하기 위하여 오차의 범위를 3 단계로 구분하였다. 따라서 사용자가 그리는 선과 주어진 선 모델의 위치를 비교하여, 드로잉의 오차 정도에 따라 사용자에게 제공되는 피드백의 강도가 달라진다.
- 이후에 시각, 청각, 촉각 피드백을 무작위로 정하여 앞선 실험과 마찬가지로 11가지 의선 모델을 따라 그리는 실험을 진행한다. 따라서 실험 참가자는 피드백 없는 경우와 시각, 청각, 촉각 피드백이 있는 경우에 각각 선 모델을 11개씩 따라 그리게 되고 시간은 평균적으로 10분 정도 소요되었다. 실험이 끝난 다음에는 모든 실험 참가자에게 가장 만족스러운 피드백과 따라 그리기에 가장 어려웠던 선 모델을 질문하였다.
- 사용자가 입력해야 할 정확한 위치는 예제 선 모델로 주어지며, 사용자는 가상현실 장치인 헨드-헬드 컨트롤러를 이용하여 최대한 정확하게 주어진 선을 따라 그린다. 매 프레임마다 컨트롤러의 위치를 추적하여 주어진 선 모델과의 오차 거리를 계산하며, 사용자에게 다양한 종류의 피드백을 제공하여 입력 위치를 수정하는데 도움이 되도록 하였다. 본 연구에서 설계한 피드백은 시각, 청각, 촉각의 형태로 설계되었으며, 피드백을 제공하지 않는 경우와 시각, 청각, 촉각의 피드백을 각각 제공하는 경우를 비교하여, 피드백의 유무에 따른 효과와 피드백의 형태에 따른 차이를 분석한다.
- 본 3차원 드로잉 시스템은 실험 참가자가 주어진 선 모델을 따라 그리는 동안 매 프레임마다 드로잉 오차를 3단계로 측정한다. 즉 드로잉에 걸린 총 프레임 수가 드로잉 오차를 측정한 횟수인데, 총 프레임 수는 동일한 실험 참가자가 동일한 모델을 그리는 경우에도 매번 다르다.
- 본 논문에서 개발한 가상현실 3차원 드로잉 시스템은 3차원 드로잉 시 정확한 위치 입력을 위한 피드백의 효과를 검증하기 위한 시험 시스템이며 자유로운 드로잉을 위한 시스템이 아니다. 사용자가 입력해야 할 정확한 위치는 예제 선 모델로 주어지며, 사용자는 가상현실 장치인 헨드-헬드 컨트롤러를 이용하여 최대한 정확하게 주어진 선을 따라 그린다.
- 본 시스템은 Unity 3D 2018.3.1.fl 엔진과 SteamVR 플러그인을 통합하여 개발하였으며, 가상현실 장비는 HTC Vive Pro를 사용하였다. 실험 참가자는 가상현실 헤드셋을 착용하고 양손에 컨트롤러를 쥔 상태로 실험에 참여하였다.
- 매 프레임마다 컨트롤러의 위치를 추적하여 주어진 선 모델과의 오차 거리를 계산하며, 사용자에게 다양한 종류의 피드백을 제공하여 입력 위치를 수정하는데 도움이 되도록 하였다. 본 연구에서 설계한 피드백은 시각, 청각, 촉각의 형태로 설계되었으며, 피드백을 제공하지 않는 경우와 시각, 청각, 촉각의 피드백을 각각 제공하는 경우를 비교하여, 피드백의 유무에 따른 효과와 피드백의 형태에 따른 차이를 분석한다.
- 본 연구에서는 사용자가 선 모델을 따라 그릴 때 최대한 정확하게 그릴 수 있도록 시각, 청각, 촉각 방식의 피드백을 설계하고 단일 피드백을 제공한다.
- 시각, 청각, 촉각 중에서 어떤 피드백이 더 효과적인가를 알아보기 위하여, 시각, 청각, 촉각 중 하나로 단일 피드백을 제공하였다. 실험 참가자가 선 그리기를 반복할수록 선 형태에 익숙해지는 것을 감안하여 무작위의 순서로 피드백을 제공하였으며 피드백에 따른 드로잉 오차를 비교하여, 어떤 피드백이 더 도움이 되었는지 평가하였다.
- 제공하였다. 실험 참가자가 선 그리기를 반복할수록 선 형태에 익숙해지는 것을 감안하여 무작위의 순서로 피드백을 제공하였으며 피드백에 따른 드로잉 오차를 비교하여, 어떤 피드백이 더 도움이 되었는지 평가하였다.
- 또한, 실험 참가자가 실험 도중 그린 선은 수정할 수 없도록 하였다. 실험 참가자의 드로잉 시간에 제으¥은두지 않았지만, 피드백에 따른 시간을 비교하기 위해 드로잉 시간을 측정하였다.
- 따라서 실험 참가자는 피드백 없는 경우와 시각, 청각, 촉각 피드백이 있는 경우에 각각 선 모델을 11개씩 따라 그리게 되고 시간은 평균적으로 10분 정도 소요되었다. 실험이 끝난 다음에는 모든 실험 참가자에게 가장 만족스러운 피드백과 따라 그리기에 가장 어려웠던 선 모델을 질문하였다.
- 피드백 형태에 따른 영향 외에도 피드백 유무의 영향을 확인하기 위해, 실험 참가자는 피드백이 없는 상태로 11가지 모델의 선을 따라 그리는 것으로 실험을 시작한다. 이후에 시각, 청각, 촉각 피드백을 무작위로 정하여 앞선 실험과 마찬가지로 11가지 의선 모델을 따라 그리는 실험을 진행한다. 따라서 실험 참가자는 피드백 없는 경우와 시각, 청각, 촉각 피드백이 있는 경우에 각각 선 모델을 11개씩 따라 그리게 되고 시간은 평균적으로 10분 정도 소요되었다.
- 즉 드로잉에 걸린 총 프레임 수가 드로잉 오차를 측정한 횟수인데, 총 프레임 수는 동일한 실험 참가자가 동일한 모델을 그리는 경우에도 매번 다르다. 피드백에 따른 오차의 검출 횟수를 측정하고 효과를 비교하기 위해서는 오차의 측정 횟수를 맞추어야 하므로, 단계별 오차의 검출 횟수를 총 프레임 수로 나누어 단계별 오차 비율을 계산하였다. 단계별 오차의 검출 횟수는 빈도(frequency)이며, 이를 총 프레임 수로 나눈 값은 상대 빈도(relative frequency) 가된다.
대상 데이터
- 실험 참가자는 가상현실 헤드셋을 착용하고 양손에 컨트롤러를 쥔 상태로 실험에 참여하였다. Figure 5의 선 모델을 포함하여 총 11개의 선 모델을 제공하였으며, 20대 성인 4명(남: 2명, 여: 2명)을 대상으로 실험을 수행하였다. 실험 참가자는 사전에 본 시스템의 드로잉에 적응할 시간을 위해 1분 정도의 자유로운 드로잉 시간을 가졌다.
- fl 엔진과 SteamVR 플러그인을 통합하여 개발하였으며, 가상현실 장비는 HTC Vive Pro를 사용하였다. 실험 참가자는 가상현실 헤드셋을 착용하고 양손에 컨트롤러를 쥔 상태로 실험에 참여하였다. Figure 5의 선 모델을 포함하여 총 11개의 선 모델을 제공하였으며, 20대 성인 4명(남: 2명, 여: 2명)을 대상으로 실험을 수행하였다.
- 보이는 선 모델들을 따라 그린다. 피드백 형태에 따른 영향 외에도 피드백 유무의 영향을 확인하기 위해, 실험 참가자는 피드백이 없는 상태로 11가지 모델의 선을 따라 그리는 것으로 실험을 시작한다. 이후에 시각, 청각, 촉각 피드백을 무작위로 정하여 앞선 실험과 마찬가지로 11가지 의선 모델을 따라 그리는 실험을 진행한다.
성능/효과
- 통하여 깊이감, 공간감을 느낄 수 있었다 [이. [이에 의하면, 선 원근법과 공기 원근법이 깊이감 지각반응과 안 구운동 반응에 영향을 미치는가에 관하여 실험한 결과, 원근법 종류에 관하여 지각반응의 차이는 있으나, 안 구운동 반응에는 영향을 주지 않은 것으로 나타났다. U이에 의하면, AR 기반 제품 디자인의 환경에서의 감각형 객체를 디자인하여 가상 객체의 촉감을 느끼게 하고 다차원 피드백(시각, 청각, 촉각)을 구현한 시스템을 시연한 결과, 몰입감 향상 방법들의 유용성에 대해 긍정적인 평가를 받았다.
- 증강현실에서도 피드백에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. 가상환경에서 사용자에게 거리 정보를 제공하여 UI 조작을 실험한 결과, 햅틱 피드백의 감각 치환을 통해 고유 감각과 시각 정보의 불일치를 일정 부분 해소할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. [21].
- 29%로 평균 오차 거리가 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서 피드백이 제공되지 않았을 때보다, 피드백을 제공하였을 때 드로잉의 오차가 감소하였고, 피드백이 제공되지 않았을 때의 정확도보다 청각, 촉각, 시각 피드백이 제공되었을 때의 정확도가 각각 24.02%, 76.22%, 74.55% 향상되었다.
- 만성 뇌졸중 환자들의 보행훈련을 가상현실에서 시각 또는 청각 피드백과 함께 중재하여 평가한 결과, 전통적인 균형 훈련과 비슷한 중재 효과를 보였고 [17], 일어서기 훈련에서는 시각과 청각 피드백을 적용한 실험군이 대조군보다 일어서기 동작의 질적인 향상에 효과를 보이고, 균형 능력에 효과를 보였다[18]. 또한, 시각 피드백 자세균형 훈련 프로그램을 통해 정상 20대 성인과 60대 고령자를 대상으로 실험한 결과 두 군 모두 자세균형 능력에서 유의한 향상을 보인 것을 확인할 수 있다. 119, 2이.
- 또한, U5]에 의하면, 두 개의 진동자가 부착된 암밴드를 이용하여 햅틱 피드백을 통한 현악기 연주자의 음정 교정을 돕는 HapTune 시스템을 개발하였다. 사용자 실험을 통하여, 현악기 교육에서 사용되는 기존 시스템인, 시각 피드백을 이용한 크로매틱 튜너의 단점인 자세 오류를 유도하는 것과 악보 읽기를 방해한다는 점을 보완하면서 대등한 교육 효과를 보여주었다.
- [14]에 의하면, 가상환경에서 악기를 연주할 때 햅틱 피드백을 제공하여 악기를 연주하는 느낌을 주었다. 사용자들은 햅틱 피드백에 긍정적인 반응을 보였고, 사용자가 입력에 대한 확신을 줄 수 있음을 확인하였다. 또한, U5]에 의하면, 두 개의 진동자가 부착된 암밴드를 이용하여 햅틱 피드백을 통한 현악기 연주자의 음정 교정을 돕는 HapTune 시스템을 개발하였다.
- [22]에 의하면, 진동과 임팩트가 결합된 햅틱 에츄에이터를 만들고 진동 피드백과 비교한 결과, 사용자들은 철과 나무에서는 진동과 임팩트가 결합된 피드백을, 고무에서는 진동 피드백을 더 선호하였다. 진동과 임팩트가 결합된 피드백은 강체의 충돌 효과와 비슷한 느낌을 제공하고 사실적인 충돌 효과를 느끼게 하는 것을 확인할 수 있다. [2이에 의하면, 촉각적 착각의 대표적인 Saltation 현상을 활용하여 플랫폼 환경에서 실험한 결과, 신체 외부 공간에서의 촉각적 피드백 전달이 가능한 것으로 나타났다.
- 피드백의 형태에 따라서는 청각 피드백에 비해 시각 피드백과 촉각 피드백의 효과가 우수하였다. 촉각 피드백은 드로잉 시 방해가 될 수 있다는 예상과 다르게 오류를 정확하게 인지하는데 도움을 주어 효과를 보였고 청각 피드백은 소리 발생이 사용자의 집중력을 방해하는 요소로 작용하여 시각 및 촉각 피드백에 비해 효과가 낮은 것으로 평가되었다. 청각 피드백은 소리의 높낮이나 음색 등 다른 요소를 활용하여 더 좋은 피드백 효과를 얻을 수 있도록 개선할 필요가 있다.
- Table 3은 평균 오차 거리를 수치로 정리한 것이다. 피드백이 제공되지 않은 경우를 기준으로 청각 피드백은 80.63%, 촉각 피드백은 56.75% 그리고 시각 피드백은 57.29%로 평균 오차 거리가 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서 피드백이 제공되지 않았을 때보다, 피드백을 제공하였을 때 드로잉의 오차가 감소하였고, 피드백이 제공되지 않았을 때의 정확도보다 청각, 촉각, 시각 피드백이 제공되었을 때의 정확도가 각각 24.
- 피드백이 제공되지 않은 경우보다 피드백을 제공한 경우의 드로잉 오차가 20% ~ 43% 정도 감소하여 피드백의 효과를 확인할 수 있었다. 피드백의 형태에 따라서는 청각 피드백에 비해 시각 피드백과 촉각 피드백의 효과가 우수하였다.
후속연구
- 향후 연구에서는 3차원 입력의 위치 오차를 수직, 수평, 깊이 축으로 분해하여 피드백의 효과를 더 세밀하게 분석하고, 시각, 청각, 촉각의 단일 양식 피드백을 결합한 다중 양식 피드백을 설계하고 개발할 계획이다. 이를 통해 효과적
- 이 경우는 실험 참가자 개인의 특성에 기인한 것으로 유추할 수도 있으나, 충분한 수의 실험 참가자를 대상으로 실험을 수행하지 못한 근본적인 문제가 있었다. 향후 충분한 수의 참가자 대해 실험을 수행하여 통계적으로 유의 미한 결과를 도출할 필요가 있다.
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