11 장 가상현실과 VRML

1. 11장 가상현실과 VRML

2. 11.1 가상현실의 개요 11.1.1 가상현실이란? • 가상현실의 세계란 상상의 세계를 현실과 같이 만들어 내고 인체의 모든 감각기관(눈, 코, 귀, 입, 피부 등)이 인위적으로 창조한 세계에 몰입됨으로서 자신이 바로 그 곳에 있는 것처럼 느낄 수 있는 공간을 의미. • 가상현실 세계에서는 현실 세계에 대한 시뮬레이션뿐만 아니라  현실세계에서 불가능한 체험을 가능하게 해 줄 수 있다. • 멀티미디어 기술의 발전은 가상현실의 실현에 큰 영향을 끼침. 2

3. 11.1.2 가상현실 시스템의 요구사항 • 임장감(Presence)과 몰입감(Immersion) • 상호작용성(Interactivity) • 자율성(Autonomy) 가상현실 시스템의 요구사항 3

4. 11.1.3 가상현실 시스템의 종류 (1) 몰입형 가상현실 시스템(Immersive VR System) • 컴퓨터에 의해 만들어진 3차원 환경에 HMD 등의 몰입형 장비를 착용하여 가상의 세계를 경험하고 상호 대화식으로 정보를 주고받는 시스템. • 사용자가 현실과는 완전히 차단된 가상 환경만을 볼 수 있도록 하는 것으로 가장 이상적인 형태. • 고가의 장비를 필요로 하기 때문에 주로 연구 실험용으로 사용. (2) 비몰입형 시스템(Non-immersive VR System) • 탁상형 가상현실 시스템(Desktop VR System) 이라고도 부르며, 모니터 화면에 나타난 영상을 사용자가 보면서 가상현실을 체험하는 방식. • 가상 세계에 대한 몰입감이 떨어지는 등 부족한면은 많으나 PC등 저가의 장비를 이용해 쉽게 사용이 가능하여  현재 대중적으로 많이 보급되어 있음. 4

5. (3) 증강 현실(Augmented Reality) • 실 세계와 가상의 이미지가 중첩되는 복합형 가상현실 시스템(Hybrid VR System). • 사용자가 보는 현실 세계와 부가 정보를 갖는 가상세계를 합쳐 하나로 보여 주는 것으로 최근 활발한 연구가 진행되고 있는 분야. • 가상현실 기술만으로 현실 세계를 완벽하게 대체하기 보다는 현실 세계를 가상세계로 보완해주는 개념. 5

6. 11.2 가상현실 시스템의 구성 • 가상현실 시스템은 크게 렌더링(Rendering) 시스템, 입력장치, 출력장치, 가상현실 응용 개발 소프트웨어, 3차원 모델링(Modeling) 소프트웨어로 구성. • 입력장치는 참여자의 위치, 방향 및 행위로 인한 이벤트 정보를 전송. • 출력장치는 입력정보에 대응하는 3차원 영상, 음향, 촉각(Force Feedback) 등의 출력을 전달. • 렌더링 시스템은 참여자의 정보를 월드 데이터베이스에 반영하여 실시간으로 새롭게 변화된 3D 영상과 음향을 재생. • 월드 데이터베이스는 가상현실과 관련된 데이터를 저장, 관리. 6

7. 가상현실 시스템의 처리과정 7

8. 11.2.1 가상현실 하드웨어 (1) 그래픽 렌더링 시스템 • Silicon Graphics 워크스테이션 - 전문적인 VR application을 개발하기 위해 가장 많이 사용되는 장비로서  성능이 뛰어난 만큼 매우 고가이다. • SGI 워크스테이션에서는 실시간 그래픽 렌더링을 위해서 RISC 프로세서, 비디오 가속보드 및 대용량의 RAM을 사용.  • 자연스런 영상을 얻기 위해서는 적어도 초당 25 ~ 30 fps 수준의 실시간 렌더링 요구. • 대표적인 SGI 워크스테이션으로는 O2, Indigo 2, Octane, Onyx 등이 있다. 8

9. (2) 3D 그래픽 가속 보드(3D Graphic Accelerating Board) • PC용 데스크탑 VR 시스템을 구성하기 위해서는 VRML 또는 3차원 그래픽 라이브러리(OpenGL, Direct 3D 등)를 지원하는 그래픽 가속보드가 필요. • 대표적인 OpenGL 가속보드는 3D Labs 사의 FireGL, Permedia 시리즈, ATI 사의 Rage 시리즈, RivaTNT, Voodoo등이 있다. (3) 입력장치 • 데이터 글러브(Data Glove) : 섬유굴절 케이블을 이용하여 각 손가락의 굽힘과 뻗침을 측정. • 사이버 스틱(Cyberstick), 스페이스 볼(Spaceball) : 3차원 위치와 방향 좌표 입력이 가능한 장치. 9

10. (4) 출력장치 • HMD(Head Mounted Display) • 가상공간에서 강제적인 몰입효과를 얻을 수 있는 디스플레이 장치. • HMD를 착용하고 있는 사용자의 주시방향을 탐지하여 지속적으로 가상환경을 변화시키는 추적기능을 갖는다. • 단점으로 착용감과 해상도가 떨어지며, 장시간 착용시 멀미(Motion Sickness)를 유발할 수 있다. • 크리스털 아이(CrystalEyes) • 컴퓨터 스크린 상의 이미지를 3차원 입체화상으로 보여주는 입체안경 • 완전한 몰입감은 느낄 수 없지만 2차원 화면과 3차원 입체화면의 전환이 용이하고 센서 범위 내의 여러 사람이 동시에 사용 가능. 10

11. 11.2.2 가상현실 소프트웨어 • VR 소프트웨어는 가상공간의 3차원 물체를 생성, 편집하는 3차원 모델링 소프트웨어와 VR시스템의 구성요소(입출력장치, 모델링 데이터베이스 등)를 통합, 제어, 관리하는 VR응용개발 소프트웨어로 나눌 수 있다. (1) 3차원 모델링 소프트웨어 • 가상세계를 구성하는 3차원 물체를 생성, 편집. • 3차원 모델링 소프트웨어는  영화, 광고용 3차원 애니메이션 제작에 많이 사용되고 있으며, 기능에 따라 저가에서 고가의 제품이 다양하게 사용. 11

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13. (2) VR응용 개발 소프트웨어 • VR 시스템의 구성요소들을 통합하고 관리하는 작업을 수행. 13

14. 11.3 사이버스페이스 • 1987년 W.Gibson의 SF소설 'Neuromancer'에서 처음 사용된 용어. • 네트워크를 매개로 하여 컴퓨터와 같은 커뮤니케이션 수단을 기반으로 정보와 지식, 나아가 감각까지도 공유할 수 있는 가상공간을 의미. • 물리적인 제약을 초월하여 컴퓨터를 매개로 하여 대화할 수 있는 가상공간으로 현실공간과는 또 다른 체험의 장소. 14

15. 11.3.1 네트워크 환경에서의 가상공간 • 컴퓨터를 매개로 한 커뮤니케이션 발달 단계 • 사이버스페이스에서는 아바타를 통하여 다른 사용자와 실시간으로 의사소통이 가능. • 기존의 의사소통 방법과는 다른 새로운 방법이 존재 가능. • Online-BODY : 언어로만 제한되어 있는 의사소통 수단을 아바타의 정서적 표현으로 보완하는 방법. 15

16. 감정을 표현할 수 있는 아바타(http://CyberCommunity3D.gmsnet.or.jp/cc96/) 16

17. 온라인 상에서 사용하는 가상의 도구 : 자발적으로 행동을 창출할 수 있고, 이에 따라 인간관계가 형성되어 새로운 행동 양식과 같은 사이버스페이스 독자적인 문화나 사회기반이 형성 가능. 17

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19. 11.3.2 가상도시 • Fujitsu사에서 제작한 CyberCity96. • CyberCity 96의 개발은 인터넷을 포함하는 열린 네트워크 환경을 통하여, 다수의 사용자간의 실시간 대화가 가능하고, PC상에서 작동할 수 있는 3차원 인터페이스를 구현하려는 데서 출발. (1) 가상도시의 개념 • 가상도시에서는 사람과 사람이 만나 정보를 공유하는 커뮤니케이션형의 서비스가 핵심으로, 온라인 쇼핑 등의 편리성을 추구하는 비즈니스형의 서비스와 게임과 영화 등 놀이를 연출한 엔터테인먼트형의 서비스를 제공. 19

20. 인터넷의 풍부한 자원을 활용하여 지금 현실 세계에서 일어나고 있는 일을 실시간으로 사이버스페이스에 반영시키고 있다. • 정기적인 이벤트를 개최하여 일정 시간과 장소에서만 얻어지는 정보를 공유할 수 있고, 게임, 영화, TV, 잡지 등의 각종 미디어를 삽입하여 종합적인 미디어 세계를 실현하는 것을 목표. • 참여자는 아바타를 이용하여 비 언어적 표현을 포함하는 커뮤니케이션을 실현하고, 나아가 텍스트, 음성, 동작 등에 의한 커뮤니케이션 채널의 확장과 각 미디어의 특성을 활용하여 보다 효과적인 사용자 인터페이스를 실현. 20

21. (2) 가상도시 서비스 • 'Communication zone'은 의견교환을 위한 포럼광장과 정보제공을 위한 갤러리로 구성. • 'Online shopping'에서는 가상의 물건들을 구매할 수 있는 곳이고, 직접 원하는 게임 다운로드 가능. • 영화관에서는 상영되는 영화를 볼 수 있고, 'Housing plaza'에서는 현실의 도시와 그 일부를 가상공간에 삽입하여 실시간에 변화하는 현실 세계의 모습을 반영할 수 있게 구현. 21

22. (3) 임장감의 연출 (4) 상호대화의 연출 • 아바타를 사용함으로써 사이버스페이스로의 몰입감이 증대되고 사이버스페이스를 체험의 공간으로 인식 • 텍스트에 의한 실시간 대화와 아바타를 이용한 정서적 표현을 통하여 상호 대화를 보다 효과적으로 지원. 22

23. 11.3.3 사이버스페이스의 예 23

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27. 11.4 가상현실의 활용과 미래 11.4.1 가상현실의 활용 분야 (1) 건설/설계 분야 • 건물의 시공 전에 가상의 모델하우스를 구축하여 설계 상의 오류나 인테리어 디자인에 대한 소비자의 반응을 미리 예측 가능. • 소비자는 가상 모델하우스에서 벽지, 조명등을 바꾸어가며 취향에 맞는 분위기를 선택 가능. • 구축 사례 : 삼성건설, 동아건설, 현대산업개발, 한샘 등. (2) 사이버 쇼핑몰 • 3차원 공간상에 쇼핑몰을 만들어 놓고 각종 시설물과 상품을 배치하여 내부에서 자유로운 쇼핑 가능. • 전자상거래 시스템과 연결되어 실제 홈쇼핑을 가능하게 한다. 27

28. (3) 원격존재(Telepresence) • 원자력 발전소나 제철소, 3D 분야에서 가상현실을 이용하여 원격지 오퍼레이팅 룸에서 작업장에 투입된 로보트를 제어. (4) 교육, 훈련, 엔터테인먼트 • 실내 운전연습기(Driving Simulator), 비행 훈련시스템(Flight Simulator), 게임 등 (5) 네트워크 통신 • 네트워크를 통한 가상세계를 구축. • 최근 들어 인터넷의 폭발적인 확산과 대중화로 많은 컴퓨터들이 네트워크로 연결되면서 서로 정보를 주고받는 분산과 공유 기능의 중요성이 부각. • 원거리의 사람들이 동시에 네트워크를 통해 가상공간에서 대화하고 일할 수 있는 환경이 구축되어 실시간적으로 상호 작용이 가능 28

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30. 11.4.2 가상현실의 미래 • 전문적인 VR 관련 장비가 아직은 매우 고가이나  PC상에서 구현가능한 VR 장비의 가격의 하락으로 VR 응용시스템의 대중화가 예상.  • 현재 인터넷의 대역폭은 낮은 수준이나 초고속 정보통신망이 구축되는 시점에서는 분산환경에서의 VR 응용이 가능. • VR 기술은 교육, 엔터테인먼트, 건설, 시뮬레이션 등 그 응용분야가 광범위하기 때문에 기술이 성숙되는 시점에서는 활용성이 더욱 증대할 것임. • VR 기술의 미래는 HMD나 Data Glove와 같은 VR 장비나 강력한 컴퓨터에 의해 좌우된다기 보다는 VR 환경 구축에 필요한 엄청난 양의 데이타를 어떻게 처리하고 관리할 것인가가 보다 중요한 과제. 30

31. 11.5 웹에서의 가상현실 기술의 활 • 웹에서 활용되고 있는 대표적인 VR기술 : VRML 기반, Superscape VRT 기반, Quicktime VR 기반, 기타 3차원 모델 플러그인 등. • VRML과 VRT는 사용자 입력에 의한 네비게이션이 가능하고, 애니메이션, 사운드 및 스크립팅 기능을 지원하여 동적인 3차원 환경을 연출. • QuickTime VR은 파노라마 VR이라고도 불리며 연속적인 사진을 파노라마 형식으로 배열하여 네비게이션 효과를 연출하는 방식. 31

32. 11.5.1 VRML • VRML은 Web환경에서 동적인 3차원 환경을 개발하기 위하여 표준으로 제안된 스크립트 형식의 언어. • 현재 VRML 2.0 까지 발표되어 있으며, 기능을 보완하여 VRML 3.0 이 발표될 예정임. 32

33. 11.5.2 QuickTime VR • Apple사의 QuickTime VR은 이미지 기반 가상현실 분야에서 업계의 표준으로 사용되며 다양한 활용분야가 존재. • 특징 • 3차원 모델링 데이타를 사용하지 않고 연속적인 이미지로 구성. • 방을 대상하는 경우 방안 내부를 사진으로 연속적으로 찍어 이미지들을 파노라마(Panorama) 형식으로 연결시켜 놓고 확대(Zoom-in), 축소(Zoom-out), 회전(Rotation) 기능을 통하여 방안을 둘러 보는 효과를 연출. • 파노라마와 객체(Object)를 구성요소로 하는 이 기술은 엄밀한 의미에서 동화상과는 차이가 있으며, 사용자의 입력에 따라 장면 또는 특정 객체를 360도 회전하면서 둘러볼 수 있다. • 이미 찍어놓은 사진을 가지고 처리하기 때문에 사진으로 찍히지 않은 부분은 볼 수 없다. 33

34. QuickTime VR과 동영상의 비교 34

35. (1) 파노라마(Panorama) QuickTime VR • 한 장소에 서서 주위의 모습을 둘러볼 수 있는 방식. • 파노라마 QuickTime VR 제작시 주의할 점은 카메라 렌즈가 회전을 할 때 반드시 배경과 수직이 되어야 한다는 것과 가능하면 장면을 작게 나누어 사진들을 둥글게 만들 때 생기는 왜곡을 최소화시켜야 한다. 35

36. (2) 오브젝트(Object) QuickTime VR • 하나의 사물을 여러 각도에서 볼 수 있게 하는 방식으로 파노라마 방식과는 다른 특수한 장비가 필요. • 파노라마 방식은 관찰자가 좌우로만 배경을 움직일 수 있는 반면, 오브젝트 방식에서는 좌우는 물론 상하로도 물체를 움직여 볼 수 있다 36

37. 11.5.3 Superscape VRT • Superscape 사에서 제공하는 Web용 VR 환경 저작기술. • 특징 • 3차원 공간 네비게이션 기능, 애니메이션, 사운드 기능 등 VRML과 유사한 기능을 제공. • 전용 저작 도구인 VRT for Windows가 제공. • VRML및 AutoCad DXF 포맷으로 변환이 가능. • 국내 외에 Superscape VRT를 이용한 다수의 사이트가 구축. • VISCAPE - VRT 브라우저 플러그인 37

38. 11.6 VRML의 소개 11.6.1 VRML의 정의와 역사 • VRML이란 "Virtual Reality Modeling Language"의 약어. • VRML을 이용하여 웹 문서 안에  3차원 공간을 구축할 수 있다. • 현재 VRML 2.0은 54가지 기능의 다양한 노드(Node)들을 제공하여 3차원 물체를 생성하고 애니메이션 및  사용자와의 상호작용 기능을 이용하여 가상세계를 구축할 수 있다. • 사이버 쇼핑몰, 사이버 오피스, 3차원 채팅 사이트, 가상 학교, 그밖에 다양한 시뮬레이션 등 많은 분야에 활용 가능.   38

39. VRML의 역사 39

40. 11.6.2 VRML의 특징 • 사용자 입력에 의한 상호작용과 네비게이션이 가능. • 웹을 기반으로 함. • 인터넷을 통한 다중 참여자를 지원하는 가상환경 시스템 구축 가능. • 웹의 사용을 전제로 설계됨. • VRML 플러그인 만 설치하게 되면 웹 사용이 가능한 어떤 시스템에서도 볼 수 있음. • 빠른 전송을 위해서 아스키 파일 형태로 되어 있음. • 다른 VRML 문서, HTML 문서와 연결되어 사용. • 텍스트 화일 형식으로 되어 있으며 제공하는 정보의 양에 비하여 화일의 크기가 작다.  • VRML 파일은 평균 이미지 파일의 크기와 비슷하고 압축할 경우에는 5분의 1로 줄일 수 있다.  40

41. VRML 문서에서 다른 문서로의 연결 HTML 문서에서 VRML 문서 부르기 41

42. VRML과 다른 멀티미디어 매체의 비교 42

43. 상호작용성(Interactive) • VRML 월드 내에서 사용자는 주위의 사물과 상호작용이 가능. • 집안을 돌아다니다가 닫힌 문을 만나면 열고 들어갈 수 있고 불을 켜거나 끌 수도 있음. • 탐색항해(Navigation) • 사용자는 VRML 월드 내를 마음대로 돌아다닐 수 있음. • 흥미 있는 물체를 마음대로 돌려보거나 이동시켜 볼 수도 있음. • HTML에서처럼 Anchor를 통하여 다른 VRML문서나 HTML문서로 이동. • QuickTime VR은 미리 정해진 범위 내의 장면을 둘러볼 수 있을 뿐임 • 장면의 구성 • 그래픽이나 비디오 같은 매체는 우리가 실제로 보고자 하는 장면에 대한 데이터를 미리 준비해서 파일 속에 저장. • VRML은 국제 표준인 ASCII나 유니코드(Unicode) 형식으로 저장. 43

44. VRML은 장면에 대한 데이터를 저장하는 대신에 장면을 이루는 요소들에 대한 정보를 저장. • QuickTime VR은 미리 찍어둔 몇 개의 사진을 조합. • 3D 애니메이션 • VRML이 아니고 "3D Studio MAX" 같은 3차원 그래픽 툴을 이용하여 만든 모델링 데이터를 애니메이션으로 만든 것. • VRML과 같이 마음대로 네비게이션 할 수 없음. • 스크립트 • VRML만 사용 가능. • 단순한 상호작용뿐 만 아니라 여러 가지 조건을 종합하여 복잡한 상호작용을 할 수 있음. • 노드를 마음대로 제어. • 현재의 상태를 저장(변수를 사용할 수 있다)하여 나중에 사용 가능. 44

45. 11.6.3 VRML 월드의 탐험 • VRML 브라우저는 플러그인 형태로 제공. • Cosmo Player 2.1 • Silicon Graphics(SGI)사의 VRML 브라우저. • VRML 2.0을 완전히 지원. • MS의 DirectX 지원. • 사용이 매우 편리하고 쉬움. • Download : http://www.cosmosoftware.com/download/index_player.html • Community Place 브라우저 • Sony사의 VRML브라우저. • 최신표준을 지원. • Cosmo Player 다음으로 많이 이용됨. • Download : http://www.community-place.com 45

46. Cosmo Player의 사용법 • 이동용 대쉬보드: VRML월드 내에서 움직임을 조절하는 컨트롤. • 관찰용 대쉬보드: 물체를 마음대로 관찰해 볼 수 있는 컨트롤. • 대쉬보드의 변경. • 걷기(Walk) 컨트롤: 이동용 대쉬보드에서 사용되는 컨트롤. • 관찰(Examine) 컨트롤: 관찰용 대쉬보드에서 사용되는 컨트롤. 46

47. 11.6.4 VRML 저작도구 • 텍스트 에디터 • 저작도구 • 노드에 대한 복잡한 지식 없이도 쉽게 VRML 월드를 구현할 수 있음. • WYSIWYG(What You See Is What You Get)기능 제공. • 저작도구의 종류 • 기존의 그래픽툴 • 모델링한 데이터를 VRML로 저장. • VRML의 모든 기능을 사용할 수 없음. • 네이티브(Native) 저작도구 • 처음부터 VRML 저작을 목표로 만들어짐. • V-Realm Builder, Cosmo Worlds 등이 있음. 47

48. 아이콘과 노드를 통한 노드의 삽입과 편집. • 오브젝트 라이브러리의 제공. • 애니메이션을 위한 키프레임 기능. • 스크립트 에디팅. • Cosmo Worlds의 인터페이스는 일반적인 컴퓨터 그래픽 툴의 인터페이스와 매우 유사. • 장점 : VRML 월드를 구현함에 있어서 저작도구를 이용하면 쉽게 사이버 월드를 구현. • 단점 : 자칫 너무 세밀하게 나타내기 때문에 용량이 커진다. • 에디터와 저작도구를 적절히 활용하는 것이 필요. 48

49. 11.6.5 VRML의 노드 • 장면의 구성 • 사물 • 빛 • 시점 • 이벤트 => 노드를 통해서 이러한 요소를 표현. • 노드의 종류 49

50. VRML의 중요한 노드들 50