특별기고16 2015년 5월 20일

현실이 되어버린 가상세계

영화 ‘매트릭스’가 너무나 현실 같은 가

상세계를 보여줬다면 동양철학에는

이와 비슷한 장자(莊子;BC 365~293)

의 ‘호접몽(胡蝶夢)’이 있다.

‘대체 무엇이 꿈이고 무엇이 현실인

가’라는 화두를 담고 있는 도가 사상의

유명한 일화이다.

그런데 최근 너무나 현실같지만 결코

현실이 아닌 ‘가상현실’이 우리 곁으로

성큼 다가서고 있다. 바로 가상현실과

증강현실 등의 기술발전 덕분이다.

가상세계는 이제 영화의 소재를 넘어

우리에게 체험 가능한 현실이 되어가

고 있는 것이다. 구글 글라스를 착용하

면 영화 ‘매트릭스’의 네오처럼 벽을 뚫

고 나갈 수 있고, 장자의 나비처럼 하

늘을 날아다닐 수도 있다. 현실과 가상

현실, 증강현실까지 공존하는 세상의

문이 열린 것이다.

현실과 증강현실

‘현실’이란 일반적으로 현재 실존하

는 사실이나 상태를 의미한다. 증강현

실이란 이러한 현실에 기술과 장치 등

을 동원하여 더욱 현실감이 나도록 강

화한 것으로 가상현실의 한 분야다.

예를 들어 구글 글라스와 같은 장치

를 착용하고 특정 사물을 바라보거나

스마트폰으로 특정 건물을 찍으면 시

각으로 특정 정보를 확인할 수 있다.

사물과 정보를 합성하여 현실의 환경

에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는

컴퓨터 그래픽 기법을 사용한다.

AR 증강현실

기존의 가상현실은 가상의 공간과 사

물만을 대상으로 하지만 증강현실은

현실세계를 기반으로 가상의 사물을

합성하고 부가적인 정보들을 제공한

다. 사용자가 눈으로 보는 현실세계에

가상의 물체를 겹쳐 보여주는 방식이

다. 현실세계에 가상세계를 하나의 영

상으로 합쳐 실시간으로 보여주기 때

문에 혼합현실(Mixed Reality, MR)

이라고도 한다.

이렇게 현실환경과 가상환경을 융합

하는 복합형 가상현실 시스템(hybrid

VR system)은 1990년대 후반부터 미

국•일본 등을 중심으로 연구•개발이

진행되고 있다.

현실세계를 가상세계로 보완해주는

개념인 증강현실은 컴퓨터 그래픽으

로 만들어진 가상환경을 사용하지만,

역시 주역은 현실환경이다. 컴퓨터 그

래픽은 현실환경에 필요한 정보를 추

가로 제공하는 역할을 할 뿐이다.

사용자가 보고 있는 실사 영상에 겹

침으로써 현실환경과 가상화면의 구

분이 모호해지도록 한다는 뜻이다. 가

상현실 기술은 가상환경에 사용자를

몰입하게 하여 실제환경을 볼 수 없게

만든다.

하지만 실제환경과 가상의 객체가 혼

합된 증강현실 기술은 사용자가 실제

환경을 볼 수 있게 해주며 뛰어난 현실

감과 부가정보도 제공한다.

증강현실의 도우미들

스마트폰과 스마트패드의 카메라와

GPS, 3축 센서는 자신의 위치를 기반

으로 공간정보(GIS) 기술과 결합한 가

장 대표적인 증강현실 도우미다.

국내 스마트폰 보급 당시 ‘오브제’라

는 증강현실 앱이 등장했지만 별다른

호응을 얻지 못했다. 증강현실에 대한

이해와 기기의 성능 모두가 부족했기

때문이다. 현재는 구글 나우 같은 앱이

위치기반 증강현실을 구현하는 보편적

인 도구가 되고 있다.

많은 정보들이 공간정보(GIS)와 결

합하여 더욱 현실감 넘치는 증강현실

을 보여주고 있는 것이다.

가상현실이란?

프랑스의 극작가, 시인, 배우이자 연

출가인 앙토냉 아르토(Antonin Ar-

taud)가 극장을 묘사하는 단어로 ‘버

추얼 리얼리티’를 사용한 것이 가상현

실이란 단어의 기원으로 알려져 있다.

현재의 ‘가상현실’ 의미와 가까운 ‘인

공 현실(artificial reality)’이라는 단

어는 1970년대에 1세대 가상현실 연구

가 중 한 사람인 마이런 크루거(Myron

Krueger)에 의해 만들어졌다.

그후 1980년대 후반에 미국의 컴퓨터

과학자인 재런 래니어(Jaron Lanier)

에 의해 현재의 ‘가상현실’의 개념을 뜻

하는 단어인 ‘버추얼 리얼리티’가 널리

쓰이게 되었다. 마이크로소프트의 홀

로렌즈를 활용한 제품제작을 보여주

는 가상현실은 컴퓨터를 사용해 인공

기술로 만들어낸 실제와 유사하지만

실제가 아닌 특정 환경이나 상황 혹은

그 기술 자체를 의미한다.

홀로렌즈를 통한 공동설계

여기서 만들어진 가상의 환경이나 상

황은 사용자의 오감을 자극하며 실제

와 유사한 공간적•시간적 체험을 하게

함으로써 현실과 상상의 경계를 자유

롭게 넘나들게 된다.

또한 사용자는 가상현실에 단순히 몰

입할 뿐만 아니라 실재하는 기기를 이

용해 조작과 명령을 수행하는 등 가상

현실 속에서 구현된 것들과의 상호작

용이 가능하다. 가상현실은 사용자와

상호작용이 가능하고 사용자의 경험

을 창출한다는 점에서 일방적으로 구

현된 시뮬레이션과는 엄격히 구분된

다. 쉽게 떠올릴 수 있는 가상현실 시

스템의 예로는 비행훈련 시뮬레이션

과 3D로 표현되었으며 사용자의 의지

가 반영될 수 있는 세컨드라이프와 같

은 게임이 있다.

가상현실의 역사

일반적으로 1968년 유타 대학의 이반

서덜랜드(Ivan Edward Sutherland)

에 의해 고안된 헤드 마운티드 디스

플레이(머리부분 탑재형 디스플레이,

Head Mounted Display; HMD)가 최

초의 가상현실 시스템으로 알려져 있

다. 최초의 HMD 시스템의 무게가 너

무 무거워 천장에 고정되어 있었으며,

선으로 표현된 3차원 영상으로 가상공

간이 생성되었다.

초기 가상현실 시스템 가운데 주목

할 만한 것으로는 1977년 MIT에서 개

발한 아스펜 무비 맵(Aspen Movie

Map)이 있다.

이는 사용자로 하여금 콜로라도 주

의 아스펜으로 가상여행을 떠날 수 있

게 해주는 가상현실 시스템이다. 시

각을 이용한 가상현실로서는 1991년

에 일리노이 대학의 토머스 데판티

(Thomas DeFanti) 등에 의해서 제안

된 CAVE(Cave Automatic Virtual

Environment, 몰입형 투영 디스플레

이)가 유명하다.

가상현실 모델링 언어(Virtual real-

ity modeling language: VRML)는 ‘

뒤퐁’에서 사용자들이 웹브라우저를

이용해 3차원 데이터에 접속할 수 있도

록 하이퍼 플랜트 가상현실 모델링 언

어 응용프로그램을 개발했다.

사용자들이 가상현실을 경험할 수

있도록 애니메이션, 이미지, 오디오

등 복합 미디어 구성을 지원하는 웹

기반 3차원 상호작용 모델링 언어이

다. 세계 최초의 웹GIS(Geographic

Information System)인 인트라맵

(Intramap) 3D의 초기 버전도 VRML

을 기반으로 개발되었다. 가상현실 시

스템은 3차원 시뮬레이션을 통해 실

제 같은 효과를 부여하는 시스템으로

서 사용 환경에 따라 몰입형 가상현

실(immersive VR), 원거리 로보틱스

(tele-robotics), 데스크톱 가상현실

(desktop VR), 삼인칭 가상현실(third

person VR) 등으로 분류할 수 있다.

시뮬레이터와 시뮬레이션 분야

시뮬레이터나 움직임이 빠른 텔레비

전 게임은 영상을 만들어 내고 그것을

연속적으로 바꿔줌으로써 마치 움직

이는 것처럼 보이게 하는 컴퓨터의 기

능을 이용한 장치이다.

실제로 가상세계를 현실처럼 만드는

영화나 실제 상황처럼 확인해야 하는

군대, 항공수송 기관, 우주개발 기관

등에서 많이 쓰이며 더욱 정교한 성능

의 시뮬레이터를 개발하기 위한 연구

가 계속되고 있다.

시뮬레이터는 비행기 조종사 훈련이

나 우주선, 항공기, 잠수함, 탱크, 헬

기 등을 운용하기 전에 실제장비와 똑

같이 만들어서 컴퓨터를 통해서 무한

반복 훈련을 할 수 있는 장치이다.

훈련을 받지 않은 사용자에게 고가

의 실물 비행기를 조정시키는 것은 엄

청난 위험과 함께 막대한 비용이 들기

때문이다.

비행 시뮬레이터는 2종류의 주요한

기능을 수행하는 컴퓨터를 포함한다.

한 대는 유압 장치를 조작하여 조종 장

치의 조작에 맞추어 조종석을 상하로

이동시키고 방향을 회전시킨다. 다른

한 대의 컴퓨터는 조종사가 보는 시계

를 만들어 낸다.

컴퓨터의 기억 장치에는 훈련 구역

의 지도가 입력되어 있어 시뮬레이터

의 조종 장치의 움직임에 맞추어 영상

을 만들며 이동시켜 간다. 컴퓨터는 여

러 가지 기상 조건을 설정할 수 있으며

밤과 낮에 맞추어 밝기를 만들어 낼 수

도 있다.

또한 극한 상황을 만들어서 대응 훈

련을 할 수 있다. 시뮬레이터의 모니터

는 훈련자에게 실제의 것과 똑같이 보

이는 시야를 주기 위해 레이저 광선을

이용해 대형 화면에 컴퓨터가 만들어

낸 영상을 비춘다. 그 밖에 훈련자의

헬멧에 부착된 작은 화면에 영상을 만

들어 내는 방법도 있다.

우리나라 방위사업청에서는 F-35스

텔스 비행기 구매 여부를 결정하기 위

해 시뮬레이터(F-35 시뮬레이터)를 사

용하기도 했다. 이는 대단히 이례적인

일이다. 이것의 조종석은 실물항공기

의 조종석과 동일해 실습자가 조종간

이나 레버를 움직이면 발동기의 출력

이나 보조날개의 각도, 현재의 고도•

속도로부터 항공기가 다음 순간 어떻

게 움직이는가를 본체의 아날로그계

산기로 계산한다. 계산 결과는 조종석

의 계기판에 나타난다.

미군이나 우리나라 특수부대에서도

낙하산 훈련 등 고도의 위험이 따르는

경우에 전투시뮬레이터를 통해 훈련

하기도 한다.

가상현실과 증강현실 등을 활용하여

물리•사회 현상의 모의(模擬)모형 중

심의 장치 또는 수리(數理) 모델 연산

용(演算用) 컴퓨터를 만들어서 각종 실

험에 사용을 하기도 한다.

도시의 각종 재난상황이나 건축물에

대한 정보를 활용하여 바람이나 물의

영향을 시뮬레이션으로 하기도 하며

인체의 촉각 등 각종 물리현상을 똑같

은 방정식으로 나타내는 형식으로 발

전하고 있다.

여러 종류의 전력계통 모의장치, 유

도비행체 시뮬레이터, 잠수함 다이버

시뮬레이터, 원자로 운전제어 시뮬레

이터 등이 있다.

의료용 시뮬레이션은 가상현실 기술

을 이용해 사실에 근접한 가상 시술환

경을 만든다. 시술 경험이 없거나 또는

습득하고자 하는 시술방법을 설정하

여 다양한 경험을 습득하게 하면서 진

단 및 시술 기술을 배우게 한다.

인체를 가지고 직접 실습하기 어려

운 환경에서도 상호작용으로 시술 계

획 및 진행을 검증하기도 한다. MRI,

CT 등의 의료영상에서 물리적 특성을

추출하여 수술계획 및 진단, 해부학교

육, 가상내시경 등을 실현하기도 한다.

다양한 환자 시뮬레이터를 통해 심장

이나 실제 수술하기 어려운 부분에 대

한 수술 방법과 장비 사용법을 익힌다.

또한 수술 환자의 재활을 돕기도 하며

각종 시뮬레이션을 통해서 가상의료

상황을 만들기도 한다.

디브리핑 평가는 시뮬레이션 기반 교

육의 중요한 부분이며 이 과정에서 각

종 상황에서 교육생이 어떻게 대처를

했는지 확인하고 실수의 원인을 찾는

등 교육환경을 개선하게 한다. 사용자

가 시뮬레이션 동영상, 음성, 기록 및

상황에서 모니터를 쉽게 녹화하여 디

브리핑을 할 수 있게 되어 있다

시뮬레이션(simulation)은 실제로 실

행하기 어려운 실험을 간단히 행하는

모의실험을 뜻한다. 특히 컴퓨터를 이

용하여 모의실험을 할 때는 컴퓨터 시

뮬레이션이라고 한다.

시뮬레이션은 가상현실의 가장 큰 분

야로, 우리의 생활을 더욱 안전하고 쾌

적하게 개선하기 위해서는 건물을 짓

거나 물건을 만들어서 실험해 보아야

만 한다. 이러한 실험을 통해서 사람들

의 건강과 안전에 아무런 위험은 없는

지, 고쳐야 할 점은 무엇인가 등을 알

아내야 한다.

그러나 실제로 이렇게 하기는 어렵기

때문에 우리가 원하는 실험 결과를 얻

기 위해 개발된 방법 가운데 하나가 바

로 시뮬레이션이다.

모의실험은 컴퓨터에 실제의 환경과

거의 같은 상황을 연출하는 프로그램

을 기억시켜 놓고 자료를 주어 실행시

키는 것으로 실제 실험과 같은 결과를

얻어낼 수 있다. 모의실험은 여러 가지

조건이 주어질 수 있고 그 결과를 쉽게

얻을 수 있어 적은 비용과 짧은 시간 안

에 큰 효과를 볼 수 있다.

가상현실을 구현하는 기기

삼성기어VR는 헬멧처럼 머리에 쓰

는 디스플레이 장치다. 눈 바로 앞에

화면을 두고 렌즈로 디스플레이를 볼

수 있도록 고안된 제품이다.

가로로 놓이는 화면은 중앙을 반으로

나눠 서로 다른 2개의 화면을 보여주는

데 3D 효과를 위해 오른쪽과 왼쪽 눈에

각기 다른 영상을 보여주기 위함이다.

이를 ‘사이드 바이 사이드’ 방식의 3D

기술이라고 부른다.

화면분할은 기어VR 속에 내장된 2개

의 렌즈가 담당한다. 삼성전자는 기어

VR를 우선 새 대화면 스마트폰 갤럭시

노트4와 함께 쓸 수 있도록 했다. 기어

VR의 거치대에 갤럭시노트4를 가로

로 끼우고 머리에 쓰면 된다. 갤럭시노

트4의 화면 크기는 14.4㎝(5.7인치), 해

상도는 2560×1440이다 스테레오3D로

보여준다.

오큘러스 리프트(Oculus Rift)는 가

상현실 게임을 위한 장비이다. 헤드셋

을 쓰면 헤드셋이 머리의 움직임을 실

시간으로 감지하여 머리가 어느 방향

으로 움직이든지 그 방향으로의 시각

을 제공한다. 또한 각각의 오른쪽, 왼

쪽 렌즈는 오목하게 굽어진 파노라마

디스플레이 영상을 제공한다.

이는 넓은 시야를 제공하여 눈동자를

움직여도 가상 현실의 디스플레이를

볼 수 있다. 헤드를 트레킹하는 기술과

양 쪽 눈에 제공되는 각각의 디스플레

이는 마치 사용자가 가상현실에 들어

와 있다는 착각을 하게 만드는 역할을

하게 된다.

2014년 6월 25일 미국 샌프란시스코

에서 열린 구글 I/O 개발자 콘퍼런스

에서는 다양한 안드로이드 웨어 기기

가 공개되었다. 구글 카드보드(Googl

Card Board)는 구글 웨어러블 콘퍼런

스에서 종이로 만든 VR 헤드셋을 선보

인 초저가 VR기기인 '카드보드'이다.

2015년 MS가 개발 발표한 MS의 홀

로렌즈는 머리에 쓰도록 고안된 기기

다. 유니티테크놀로지의 엔진을 이용

하여 사용자의 눈앞 모니터 속에서나

볼 수 있었던 화면을 띄워준다.

‘가상현실(Virtual Reality, VR)’을

체험하도록 돕는 ‘오큘러스’와 닮았

다. 하지만 현실세계에 그래픽 기술

로 구현한 콘텐츠를 덧붙여 보여준다

는 점에서 홀로렌즈는 기존 가상현실

기기와 구별된다. ‘증강현실(AR, Ar-

tificial Reality)’ 기술을 눈앞에 구현

해주는 머리에 쓰는 디스플레이 장치

(HMD)이다.

공간정보와 증강현실

공간정보의 세계는 미세한 원자와 전

자, 미립자에서부터 우주공간까지를

포괄한다.

공간정보를 관리하는 것은 전자 원자

를 관리하는 데서부터 시작하며 이러

한 현실의 현상을 증강현실을 통해 질

병관리를 위한 DNA지도 제작, 건축

물의 실내정보 관리, 도시 개발, 공장

관리, 발전소 관리 등의 다양한 분야에

활용할 수 있다.

또한 증강현실이나 가상현실을 통해

서 많은 비용을 들이지 않더라도 여러

가지 예측과 훈련, 관리, 운용 등이 가

능하다. 가상현실과 증강현실 기술은

공간정보(GIS) 기술과의 결합을 통해

우리가 살아가는 공간(Space) 속으로

들어와 날로 진화하고 있다.

예전에는 현실적으로 불가능하다고

판단되거나 예산 부족과 낭비적인 실

험이라는 이유로 포기할 수밖에 없었

던 여러 도전들이 가능해지고 있다.

더욱 효율적이며 더욱 창조적인 미래

의 기술, 미래의 먹거리와 일자리는 결

코 먼 곳에 있지 않다.

공간정보와 가상•증강현실 결합 다양한 산업에 활용

가상세계에 대한 패러다임 전환을 소재로 한 영화 매트릭스 가상현실을 체험할 수 있도록 해주는 삼성전자의 기어(Gear) VR

<15> 증강현실과 공간정보

현실세계 기반으로 가상의 사물 합성 부가정보 제공

고성능 시뮬레이터가 대표적… 실제와 같은 훈련 가능

증강현실 시스템을 활용해 구현된 서울광장 전경