가상 현실 헤드셋

가상 현실 헤드셋(Virtual reality headset) 또는 VR 헤드셋은 사용자에게 가상 현실 환경을 제공하기 위해 3차원 근안 디스플레이와 위치 추적을 사용하는 머리 장착형 장치이다. VR 헤드셋은 VR 비디오 게임에 널리 사용되지만, 시뮬레이터나 교육 장치를 포함한 다른 용도로도 사용된다. VR 헤드셋은 일반적으로 스테레오스코픽 디스플레이(양쪽 눈에 별도의 이미지를 제공), 스테레오 사운드, 그리고 가상 카메라의 방향을 실제 세계의 사용자 눈 위치와 일치시키기 위해 사용자의 머리 포즈를 추적하는 가속도계 및 자이로스코프와 같은 센서를 포함한다. 혼합 현실(MR) 헤드셋은 사용자가 외부 세계를 보고 상호작용할 수 있게 해주는 VR 헤드셋이다. MR 헤드셋의 예로는 애플 비전 프로와 메타 퀘스트 3가 있다.

VR 헤드셋은 일반적으로 3 자유도(3DOF) 모션 추적을 위해 적어도 하나의 MEMS IMU를 사용하며, 선택적으로 6 자유도(6DOF) 모션 추적을 위한 더 많은 추적 기술을 사용한다. 6DOF 장치는 일반적으로 IMU와 다른 추적 소스(하나 이상의 외부 센서 또는 헤드셋에 내장된 외부 지향 카메라를 사용하는 "인사이드-아웃" 추적)의 데이터를 병합하기 위해 센서 융합 알고리즘을 사용한다. 사용되는 센서 융합 알고리즘은 종종 칼만 필터의 변형이다. VR 헤드셋은 모션 컨트롤러를 지원할 수 있는데, 이는 가속도계와 자이로스코프의 입력을 헤드셋의 모션 추적 시스템과 유사하게 결합한다.

대부분의 헤드셋은 작동을 위해 개인용 컴퓨터에 의존한다. 일부 "독립형" 헤드셋은 모바일 운영체제와 스마트폰 같은 하드웨어를 기반으로 하여 장치에서 직접 VR 앱을 실행할 수 있게 하며, USB 또는 와이파이 연결을 통해 PC에서 VR 애플리케이션을 스트리밍할 수도 있다. 스마트폰용으로 설계된 가상 현실 헤드셋 및 뷰어도 있는데, 이는 전용 내부 디스플레이를 사용하는 대신 장치의 화면을 입체경 역할을 하는 렌즈를 통해 보게 된다.

 역사 

섬네일|2010년대 최초의 대중적인 VR 헤드셋 중 하나인 오큘러스 리프트 DK2
VPL 리서치는 1980년대에 초기 VR 헤드셋을 만든 회사였다.

섬네일|right|2016년에 출시된 플레이스테이션 4 비디오 게임 콘솔용 PSVR 헤드셋
세가 VR은 1991년에 발표되어 1993년 초 겨울 CES에서 공개되었다. 콘솔용으로는 출시되지 않았으나, 1994년 세가 VR-1 모션 시뮬레이터 아케이드 게임 어트랙션에 활용되었다. 또 다른 초기 VR 헤드셋인 포르테 VFX1은 1994년 CES에서 발표되었다. VFX-1은 스테레오스코픽 디스플레이, 3축 머리 추적 및 스테레오 헤드폰을 갖추고 있었다.

소니는 1997년에 글래스트론을 출시했는데, 이는 선택 사양인 위치 센서를 통해 사용자가 주변을 볼 수 있게 했으며, 사용자의 머리가 움직임에 따라 시점이 이동하여 깊은 몰입감을 제공했다. 이러한 VR 헤드셋은 맥워리어 2 플레이어들에게 기체의 콕핏 내부에서 전장을 바라보는 새로운 시각적 관점을 제공했다. 그러나 이러한 초기 헤드셋은 기술적 한계로 인해 상업적으로 실패했으며, 존 카맥은 이를 "두루마리 화장지 심을 통해 들여다보는 것" 같다고 묘사했다.

2012년, 팔머 럭키가 제작한 가상 현실 헤드셋인 오큘러스 리프트를 위한 크라우드펀딩 캠페인이 시작되었다. 이 프로젝트는 나중에 오큘러스 VR의 최고기술책임자가 된 존 카맥을 포함한 여러 저명한 비디오 게임 개발자들의 홍보를 받았다. 2014년 3월, 프로젝트의 모회사인 오큘러스 VR은 페이스북에 20억 달러에 인수되었다. 오큘러스 리프트의 최종 소비자용 버전은 2016년 3월 28일에 배송을 시작했다.

2014년 3월, 소니는 플레이스테이션 4용 프로토타입 헤드셋을 시연했으며, 이는 나중에 플레이스테이션 VR로 명명되었다. 2014년에 밸브 코퍼레이션은 몇 가지 헤드셋 프로토타입을 시연했으며, 이는 사용자가 자연스럽게 이동하고 상호작용할 수 있는 룸 스케일 VR 환경에 중점을 둔 HTC 바이브를 생산하기 위해 HTC와의 파트너십으로 이어졌다. 이 헤드셋은 밸브의 "SteamVR" 소프트웨어 플랫폼을 사용한다. 바이브는 2016년 4월에, 플레이스테이션 VR은 2016년 10월에 출시되었다.

구글은 구글 카드보드로 알려진 가상 현실 뷰어를 위한 일련의 사양과 관련 DIY 키트를 출시했다. 이 뷰어는 카드보드(이름의 유래)와 같이 저렴한 재료(및 자이로스코프가 있는 스마트폰)를 사용하여 제작할 수 있다. 삼성전자는 오큘러스 VR과 협력하여 삼성 기어 VR(일부 삼성 갤럭시 장치와만 호환됨)을 공동 개발했다. LG전자는 LG G5 스마트폰을 위해 LG 360 VR로 알려진 전용 디스플레이를 갖춘 헤드셋을 개발했다. 2017년 3월, 마이크로소프트는 윈도우 10에서 실행되는 VR 및 혼합 현실 헤드셋을 위한 플랫폼인 윈도우 혼합 현실을 출시했으며, PC 제조업체인 에이서, 델, HP, 레노버를 포함한 여러 파트너의 VR 헤드셋이 출시되었다.

2018년, 오큘러스는 내장된 모바일 컴퓨팅 하드웨어에서 VR 앱을 실행할 수 있는 독립형 헤드셋인 오큘러스 고를 출시하여 작동을 위해 PC나 스마트폰을 삽입할 필요가 없게 했다. 2019년 6월, 밸브는 자체 제작한 SteamVR 헤드셋인 밸브 인덱스를 출시했다. 2019년 10월 보고서에서 트렌드포스(Trend Force)는 소니, 페이스북(오큘러스), HTC를 VR 하드웨어의 3대 제조업체로 꼽았다. 2019년 페이스북은 오큘러스 고 개념의 후속작으로 모션 컨트롤러와 6DOF 위치 추적을 지원하는 1세대 오큘러스 퀘스트를 출시했다. 이후 출시된 퀘스트 라인에는 퀘스트 2(2020년 9월 출시)와 메타 퀘스트 3(2023년 10월)가 포함된다.

 기술 

 해상도 및 디스플레이 품질 
개인이 이미지 품질을 인식하는 방식과 가상 세계를 경험하는 방식에 영향을 미치는 다양한 광학 및 시각적 특성이 있다. 이미지 선명도는 디스플레이 해상도, 광학 품질, 주사율 및 시야에 따라 달라진다.

가상 현실 헤드셋은 단일 디스플레이를 넓은 시야(제조업체에 따라 일부 장치의 경우 최대 110°)에 걸쳐 늘리기 때문에, 확대 계수로 인해 디스플레이 기술의 결함이 훨씬 더 두드러지게 나타난다. 한 가지 문제는 소위 방충망 효과(screen-door effect)로, 마치 방충망을 통해 보는 것처럼 화소의 행과 열 사이의 간격이 보이게 되는 현상이다. 이는 시판 버전보다 해상도가 낮았던 초기 프로토타입과 개발 키트에서 특히 두드러졌다.

레티나 전자 종이(Retina E-paper)는 시연된 바 있는 새로운 기술이다. 전기화학적으로 조절 가능한 WO₃ 나노디스크를 기반으로 하는 이 디스플레이는 약 560nm의 화소 크기와 인치당 25,000화소가 넘는 해상도를 달성하여 인간의 시력 한계에 근접한다. 기존의 발광형 마이크로 LED나 OLED 디스플레이와 달리 레티나 전자 종이는 전력 소모가 적고 주변 광을 사용하므로 미래의 VR/AR 헤드셋을 위한 유망한 후보이다.

 광학 
alt=|섬네일|렌즈의 일그러짐과 색수차를 보정하여 보여주는 VR 헤드셋의 디스플레이 이미지

헤드셋의 렌즈는 근접 디스플레이를 넓은 시야로 매핑하는 동시에, 더 편안하고 먼 거리의 초점을 제공하는 역할을 한다. 이 과정에서의 한 가지 과제는 초점의 일관성을 제공하는 것이다. 헤드셋 내부에서 눈이 자유롭게 움직일 수 있기 때문에, 안정 피로를 방지하기 위해 초점을 다시 맞출 필요가 없도록 하는 것이 중요하다.

프레넬 렌즈는 소형이고 가벼운 구조 덕분에 가상 현실 헤드셋에 흔히 사용된다. 이 렌즈들은 다른 렌즈들처럼 여러 조각의 재료를 사용하지 않고 렌즈를 여러 구역으로 나누어 개인이 더 넓은 시야를 가질 수 있게 한다. 이 렌즈에서 발생하는 문제는 헤드셋이 머리에 제대로 정렬되지 않았을 때 렌즈의 능선이 보이는 것이다.

렌즈는 일그러짐과 색수차를 유발하며, 이는 일반적으로 소프트웨어에서 교정된다. 또한 렌즈를 사용자의 안경 처방에 맞춰 동적으로 조정하여 사용자가 교정용 안경 없이 헤드셋을 사용할 수 있도록 할 수도 있다. 인용문: "우리의 시스템은 사용자의 안경 처방에 따라 VR 헤드셋을 자동으로 조정한다. 광학 교정이 헤드셋에 자동으로 내장되므로 사용자는 더 이상 헤드셋 내부에서 안경을 착용할 필요가 없다. [...] 우리는 서보 모터를 사용하여 헤드셋의 각 렌즈 위치를 조정한다."

 레이턴시 요구 사항 
가상 현실 헤드셋은 일반 비디오 게임보다 레이턴시—입력 변화가 시각적 효과로 나타나기까지 걸리는 시간—에 대해 훨씬 더 높은 요구 사항을 갖는다. 시스템이 머리 움직임에 반응하는 속도가 너무 느리면 사용자에게 멀미의 일종인 가상 현실 멀미를 유발할 수 있다. 밸브의 엔지니어에 따르면 이상적인 레이턴시는 7–15 밀리초이다.

그래픽 처리 장치(GPU) 또한 필요한 양의 프레임을 렌더링할 수 있을 만큼 강력해야 한다. 오큘러스는 엑스박스 원과 플레이스테이션 4의 제한된 처리 능력을 이유로 첫 장치들로 PC 게임 시장을 목표로 삼았다고 언급했다.

시표 추적 렌더링(Foveated rendering)은 렌더링 부하를 줄이기 위한 새로운 기술이다. 이 기술은 시표 추적 하드웨어를 사용하여 사용자가 보고 있는 지점을 파악하고, 사용자의 시선에서 먼 곳의 렌더링 해상도를 낮춘다. 인간의 주변시는 중심와보다 훨씬 덜 민감하기 때문에 사용자가 이를 알아차리지 못할 수 있다.

 다양한 분야에서의 활용 

섬네일|2013년 포트 스튜어트에서 지상 전투 훈련용 가상 현실 헤드셋 사용을 준비 중인 미군 병사

 의료 훈련 및 진단 
가상 현실 헤드셋은 현재 의대생들에게 외과 수술을 교육하는 수단으로 사용되고 있다. 이를 통해 통제된 가상 환경에서 필수적인 수술 절차를 수행할 수 있다. 학생들은 가상 환자에게 수술을 시행하며 실제 환자에게 수술을 수행하는 데 필요한 기술을 습득한다. 또한 학생들은 수석 외과의의 관점에서 수술 과정을 다시 살펴볼 수 있다.

전통적으로 학생들은 수술에 직접 참여해야 했으며 종종 필수적인 부분을 놓치기도 했다. 이제 VR 헤드셋을 사용하여 학생들은 필수적인 부분을 놓치지 않고 수석 외과의의 시점에서 수술 절차를 지켜볼 수 있다. 학생들은 수술 영상을 일시 정지, 되감기 및 빨리 감기를 할 수도 있다. 또한 위험이 없는 환경에 설치된 실제 헤드셋을 통해 자신의 기술을 완벽하게 연마할 수 있다.

훈련 목적 외에도 증강 현실 헤드셋은 이미 이미지 유도 수술에 사용되고 있다.

스마트폰을 장착한 VR 헤드셋은 주변부 망막 병변을 기록하기 위한 고품질 망막 비디오 및 이미지 캡처에 사용되어 왔다.

 군사 훈련 
가상 현실 헤드셋은 미군에서 사용되어 왔다. 이는 군인을 위험에 빠뜨리지 않고 훈련시킬 수 있는 특히 유용한 도구이다.

가상 현실 헤드셋을 통해 군인들은 가상 현실 속 인물들과 상호작용하며 실감을 느낄 수 있다. 서로 대화하고 다양한 행동을 취함으로써 가상 현실 세계가 마치 실제 세계인 것처럼 느끼게 한다. 군인들이 헤드셋을 사용할 때는 장단점이 있다. 단점은 헤드셋이 열기가 없는 시원한 환경의 실내용으로 제작되었기 때문에, 군인이 군장 없이 헤드셋만 착용했을 때는 기초 훈련과 같지 않다는 점이다. 장점은 상황을 여러 번 반복할 수 있고, 군사 장비가 필요하지 않아 헤드셋 유지 비용이 적게 든다는 점이다.

 보건 및 안전 교육 
가상 현실 헤드셋은 이제 직원의 보건 및 안전 절차 교육에 사용되고 있다. 이를 통해 교육생은 안전한 가상 환경에서 위험한 상황을 경험할 수 있다. 실제 세계의 위험 없이 화재, 기계 고장 또는 화학 물질 유출에 대한 대응을 연습할 수 있다.

전통적으로 안전 교육은 정적인 자료나 대면 훈련에 의존했다. VR을 통해 교육생은 시나리오와 상호작용하고, 세션을 반복하며 반응을 개선할 수 있다. 이는 교육을 더 몰입감 있고 효과적으로 만든다. 기업 또한 비용 절감과 개선된 규정 준수 추적의 혜택을 얻는다.

 같이 보기 
 증강 현실
 곡면 텔레비전

 각주 


분류:컴퓨터 주변기기
분류:미국의 발명품
분류:1994년 도입