김태열 0, 유석호, 허영주공주대학교영상예술대학원게임디자인센터, 한국과학기술정보연구원 ramses00@ksc.re.kr, seanryu@kongju.ac.kr, popea@ksc.re.kr Research about CAVE Practical Use Way Through Culture Content's Restoration Process that Utilize CAVE Tae-Yul Kim 0, Seuc-Ho Ryu, Yung-Ju Hur Game Design Center of Kongju National University, KISTI 80, 90년대의영화에서만보아오던가상현실이과학및컴퓨터기술의비약적인발전을바탕으로우리에게가까이다가오고있다. 다양한가상현실시스템 ( VRML, HMD, FishTank, Wall Type, CAVE Type 등 ) 의개발과함께그시스템의발전으로더욱현실감있는가상현실구현이가능해지고있다. 몰입감이높은가상현실은이로써사람들이일상적으로경험하기어려운환경을직접체험하지않고서도그환경에들어와있는것처럼보여주고조작할수있게해주는것이다. 가상현실의응용분야로는교육, 고급프로그래밍, 원격조작, 원격위성표면탐사, 탐사자료분석, 과학적가시화(scientific visualization) 등을들수있다. 구체적인예로서, 탱크및항공기의조종법훈련, 가구의배치설계, 수술실습, 게임등다양하다. 이런가상현실시스템에서는인간참여자의실제조작과가상작업공간이하드웨어로상호연결된다. 이렇게상호연결된하드웨어로인간의오감을적절하게자극하여몰입감을더하여준다. 아직많은부분이모자라지만많은연구와노력으로빠른시간안에거의인간이느낄수있는느낌을가상현실에서도현실과같이느낄수있을것이다. 이논문에서는가상현실시스템의기본적인정의와개념그리고종류를알아보고그중에서몰입감이뛰어난 CAVE형의가상현실시스템에대하여개념분석을하였고다음으로 2003년 KISTI( 한국과학기술정보연구원) 에서만들어진경복궁( 문화원형 Content) 을가상현실시스템에서복원과정을 Design process를거쳐제작되는과정을통해가상현실시스템에서의 VR프로그래밍방법과모델링방법을제시하였다. 이러한과정을통해몰입형가상현실시스템의활용성에대해알아보았고지금시점에서이러한 CAVE 형가상현실시스템의활용방안에대하여연구해보았다. 끝으로가상현실시스템을활용한문화재복원과정에서나타난문제점에대하여서술하고가상현실시스템의활용방안을제시한다. 1. 서 론 1.1 연구배경및목적 21세기에들어서면서컴퓨터의이용은점점많은분야에활용되어지고있다. 특히컴퓨터그래픽이라는학문은각분야에서각광을받으면서컴퓨터의디지털영상매체로의이용이늘어가고있다[1]. 현재는최신기술들의집합체라고할수있는가상현실이게임, 군사등의고부가가치산업과교육, 의료등의실제적인활용또한늘어가고있다. 가상현실은컴퓨터가만들어낸가상의세계를사용자에게다양한감각채널을통해제공함으로써사용자로하여금가상세계에몰입하도록하는동시에, 가상세계내에서현실세계에서와같은자연스러운상호작용이가능하도록하는제반기술과이러한기술에필요한이론적바탕을지칭하는말이다[2]. 가상현실을이용하여현실감을느낄수있는여러가지시스템중몰입형가상현실시스템인 CAVE[3] 의활용방안에대해연구하기로한다. 가상현실시스템중가장몰입감이뛰어난 CAVE는고도의가상현실능력을가지고있는시스템이다. 이러한시스템을통하여문화 Content를가상현실에서표현함으로써이분야에서도몰입형가상현실시스템인 CAVE 의활용방안을모색하려한다. 1.2 연구방법이논문에서는다음과같은방법으로몰입형가상현실시스템 (CAVE) 의활용범위중문화 Content분야에어떻게활용이될것인지를하나의예를들어말하고자한다. 그첫번째단계로써가상현실에대한이해와함께디지털가상현실시스템의분류와이러한시스템들이국내외적으로어디서어떻게사용되는지사용사례에대해조사하고이논문에서초점이되는몰입형가상현실시스템인 CAVE의개요에대하여간단하게알아본다. 두번째로는실제사례를통하여문화 Content의 CAVE 에서의활용예를들어보기로한다. 사례로써는 2003년 KISTI( 한국과학기술정보연구원) 에서경복궁( 1868년흥선대원군이중건 ) 을가상현실시스템인 CAVE 에서복원[4] 한과정을소개하기로한다. 마지막으로이러한시스템을이용함으로써얻어지는효과와함께이러한시스템의활용방안에대하여언급하려고한다.
2. 디지털가상현실시스템의전반적인고찰 2.1 가상현실(Virtual Reality) 가상현실(Virtual Reality) 이라는개념은 1970년중반에 Videoplace 개념을창안한 Myron Krueger 박사에의하여처음으로탄생되어미국 VPL Research사의사장이었던 Jaron Lanier에의하여 1989년에가상현실이란용어로다시표현되었다. 그후스티브목스타칼니스는 실리콘환상(Silicon Mirage) 이란저서에서 가상현실은사람이그속에빠져들어갈수있는, 컴퓨터가만들어낸상호작용적인(Interactive) 3 차원환경 으로정의했다[5]. 이처럼가상현실은다양한사람들에의해다양하게정의되고있다. 초기에는 Synthetic Environments, Cyberspace, Artificial Reality, Simulation Technology 등다양하게명명되었지만최근에는주로가상현실(Virtual Reality) 로불리고있다. 가상현실은발달로 CAD 시스템의발전으로 1995 년이후산업분야에도입되어건축, 국방, 항공분야를중심으로활발한어플리케이션개발이이루어졌다. 하지만일반에게보급되기위해서는다양한어려움을극복해야만했다. 이러한가운데 90년대말컴퓨터기술의관심이인터넷과게임등의분야로이전되면서특수분야에서의활용은물론인터넷접목어플리케이션개발과영화등특수효과에서많이사용되고있으며, 최근에도이러한흐름은지속되고있다 [6]. 2.2 가상현실의분류및저작기술발전방향가상현실시스템에는몰입형가상현실, 데스크탑형가상현실, 제3 의가상현실과인터넷가상현실등으로구분할수있다. 이것은가상현실시스템의행위방식과시스템요소로구분할수있는데특정한부분으로구분지어지는것이아니라상호보완적인요소가아주많다고할수있다. 그리고가상현실시스템의대중화에공헌을하고있는것은데스크톱가상현실이라할수있다 [7]. (1) 몰입형가상현실 컴퓨터를이용하여만들어진 3 차원환경에완전히몰입되어, 그속에서정의된세계를경험하고상호대화식으로정보를 주고받는가상현실시스템이다. 가상현실시스템중가장이상 적인시스템이지만개인이이용하기에는경제적으로고가인단 점이있다. 현재로는특수몇개의대학연구실, 기업, 단체에서 실험적으로 이루어지고 있다. 몰입형 가상현실 시스템에는 Dome, Screen, HMD(Head mount Display), Data Glove, 공간 추적장치, 3D AUDIO 그리고이시스템을컨트롤하고영상을 출력시켜줄수있는영상발생컴퓨터가필요하다. 이러한가 상현실시스템의예로써는마이클더글라스주연의 1994년영 화 폭로(Disclosure)" 를들수있다. (2) 데스크탑형가상현실 전통적인컴퓨터의그래픽화면에나타난영상을통하여사용 자가이용하고있는시스템이다. 이방식의특징은몰입형보 다는현실감이떨어지고부족한면이많지만우선사용자층이 두텁다는특징이있다. 우리들의주변에흔히있는컴퓨터에 특정한장치를마련하면쉽게사용이가능한방식이다. 이시 스템은국내에서도많은대학연구실, 회사들이이시스템으로 교육과연구를하고있다. (3) 제 3의가상현실시스템 이시스템은미리설치된비디오화면과비디오카메라가설치 된방에사용자가들어가자신의모습을촬영하여이미계획된 합성의방법으로화면에다시보여주는시스템이다. 이시스템 은아직문제점도많고보완해야할것도많지만사용자의입장 에서는아주자유로운사용방법으로인하여많은가능성이있 다고할수있다. 제3의가상현실시뮬레이터의예로는방송국 의선거방송, 일기예보[9] 등이다 (4) 인터넷가상현실현재가장빠르게성장하고가장중요한가상현실영역은인터넷일것이다. 인터넷표준인 VRML(Virtual Reality Modeling Language)[10] 의새로운버전에따라 1세대의웹기반 3차원저작도구, 브라우저, 관련제품등의개발이촉발됐기때문이다. 1996년 8월에나온 VRML 2.0 은넷스케이프, 마이크로소프트, 썬마이크로시스템즈, 실리콘그래픽스등주요인터넷업체들이협력해개발하여안정적인플랫폼이나왔기때문에온라인가상현실훈련, 모의실험, 데이터시각화, 기타기술들을위한시장이급속도로성장할것으로기대하고있다. 2.3 몰입형가상현실시스템의국내적용사례 CAVE 시스템을구축하는데는많은고성능장비와소프트웨어
가필요하기때문에많은비용이들어간다. 따라서많은연구 소와학교들이산학협동체제를구축하여업체와함께연구하 고개발하는곳이많다. 또한학교내에서도하나의학과가전 용으로사용하기보다는비주얼라이제이션을필요로하는학과 들이공동으로운영하여효율성을높이기도한다. CAVE는대 용량데이터의비주얼라이제이션과교육그리고연구목적으로 많이쓰이고있다. 연구소나대학교들에서는가상현실환경의 연구, 3 차원사운드, 비주얼라이제이션, 가상현실라이브러리 등의연구와함께각학과에서대용량데이터의가시화를통한 연구, 정신과학적연구및예술분야에서도 CAVE가사용되고 있다. 또한의학이나우주공학, 생화학등의분야와함께군사 연구소에서연구가이루어지고있다. 상업적으로는기계나부 품, 자동차제조업종이나유전과가스등에서많이사용되고있 으면자사의제품을연구개발하는목적이외에도마케팅의목 적으로도사용되고있다. CAVE는구축하는데많은비용이들 고또한이를이용하는데도결코쉽지않다. 하지만, 현재많은 연구가전세계많은대학과연구소에서이루어지고있으며실 제사용도다양화되고있다. CAVE형의몰입형가상현실시스템 은아직매우고가의시스템이기때문에 세계에약 100여개 가설치되어있고, 우리나라에서는한국과학기술원, 한국해양연 구원, 이화여자대학교, 광주과학기술원등에 CAVE가설치되어 있으며또한, 현대자동차에도 CAVE가설치되어운영되고있 다. CAVE와같은몰입형가상현실시스템이주로사용되는분 야는군사, 과학, 제조산업, 항공우주, 의료영상등의최첨단 기술을필요로하고막대한예산이투입되는분야이며, 과학 분야에서는지구환경분야, 유체분야, 구조해석분야, 화학/ 생명 분야등에활용되고있다. 2-4. CAVE 형몰입형가상현실시스템의개념, 개요 가상현실 시스템의 한 종류로써 몰입형 가상현실시스템인 CAVE(Cave Automatic Virtual Environment) 는프로젝션기반의몰입형가상현실시스템이다. 한국과학기술정보연구원에서보유하고있는몰입형가상현실시스템(CAVE) 은 SeeMore라고부르고있고 SeeMore는육면체형태를가진투영기반몰입형가상현실시스템이다. 이러한 CAVE(Cave Automatic Virtual Environment) 는미국일리노이주주립대학교의 EVL(Electronic Visualization Laboratory at the University of Illinois Chicago) 에서이와같은종류의장비를처음개발하여붙인명칭이다. 몰입형가상현실시스템이란사람이실제로가상현실의공간안에있는듯한몰입감을느끼게하기위하여특수장비를사용한가상현실시스템을뜻한다. 이러한가상현실시스템은컴퓨팅시스템과디스플레이시스템과같이크게두가지로나뉜다. 하드웨어시스템은고성능의그래픽처리가가능한그래픽슈퍼컴퓨터를이용하여고성능의그래픽을빠른시간에처리할수있는능력을가진시스템으로구성되고, 디스플레이시스템은앞면, 좌, 우측면, 아랫면그리고윗면의 5면에스크린을설치한후프로젝터로영상을투영시켜서가상현실공간을만들고 6DOF(Degree of Freedom) 를갖는위치추적장비(Tracking System), 3 차원입체안경(Stereoscopic Glass), 3차원마우스인 Wand 및서라운드사운드시스템으로구성되어, 사용자가완전히몰입되어상호대화식으로경험하고정보를주고받을수있게되어있다. 3. 가상경복궁 Content의복원과정 3.1 디지털복원소개오랜역사를자랑하는우리나라는여러지역에걸쳐수많은유적, 유물들이존재한다. 그러나이러한문화재들은시간의흐름속에서그들의원형을점점잃어가고있다. 이것은오랜역사속에서우리에게물려져왔고, 또한먼후손대에까지물려주어야할귀중한문화유산을보존, 보호해야하는것이우리가해야할하나의역할일것이다. 이러한의미에서세계선진국들은일찍부터문화재의보존, 관리, 복원등의분야에첨단컴퓨터시스템을도입하기시작하였고계속되고있다 [11]. 3.2 복원배경및제작방향문화 Content 복원의배경이된경복궁( 景輻宮 ) 은조선태조 3 년(1394) 한양으로수도를옮긴후창건한궁궐로써궁궐의가장중심이되는곳이다. 선조 25 년(1592) 임진왜란( 壬唇倭亂 ) 때대부분의건물이불에타없어졌고그후 273년간재건되지못하였다. 고종5 년(1868) 에복원되어그해 7월창덕궁에서이곳경복궁으로왕궁을옮겼다. 그러나고종32 년(1895) 명성황후가건청궁( 乾淸宮 ) 에서시해당하자고종은경운궁( 현재의덕수궁) 으로옮겨경복궁은왕궁으로써의기능을상실하게되었다[12]. 위와같이경복궁의역사적사실을조사한결과조선시대의처음을상징한건물인동시에여러가지사건이있었던장소이고또한현재경복궁복원사업으로써진행이되고있었다. 고종5 년(1868) 년에중건된경복궁( 景輻宮 ) 을모델로하여경복궁전체가아닌일부인근정전( 勤政殿 ), 근정문 ( 勤政門 ), 흥례문, 광화문( 光化門 ) 을선정하여고증작업을통하여중건당시의원형을복원한건물을콘텐츠로활용하였다.
3.3 제작환경본논문에서제작한프로그램을구현하는데사용한가상현실시스템은한국과학기술정보연구원(KISTI) 에서활용하고있는 CAVE 시스템이다. 있다[14]. 또한투사기반의가상현실시스템은 HMD와다르게여러사용자가동시에가상현실을체험할수있어사용자그룹이공동으로동일한가상현실을체험하기유리하다. 3-4. 복원과정 CAVE에서보이는영역을설정하기위하여위에서말한바와같이경복궁전체가아닌한부분만을복원영역으로설정하였고그영역은그림[ 그림 4] 와같다. 근정전을중심으로하여 이 CAVE시스템은스크린 5 개, 프로젝터 5개로구성된몰입형가상현실시스템으로써 SGI의 Onyx3400을렌더링에사용하였다. KISTI의 Onyx3400은 400Mhz의 MIPS R12000 CPU 를 20 개를사용하고, 그래픽파이프라인 5개를사용해서한파이프라인이한스크린에대한렌더링을전담하게구성되어있다. 보유하고있는시스템의사양은다음과같다. 위치하고있는근정문, 흥례문그리고광화문으로정하였고이영역을바탕으로하여역사적인고증을거쳐모델링작업을시작하였다. 경복궁모델링작업은 3D MAX로만들어진데이터를 MultiGen 파일형식인.flt로변환을하였고최종적으로는 Performer 파일형식인.pfb 로변환하였다..pfb로변환한이유는 OpenGL Performer에서바로그데이터를로딩할수있게하기위해서이다. 몰입형가상현실시스템내에서사용자는 3차원마우스인 Wand 라고불리는장치를통하여가상현실과상호작용을하게이루어져있으며, 이장치를통하여가상세계를탐색할수있다. 또한입체영상은 CrystalEyes사의셔터글라스를이용하여체험할수있으며이는적외선신호를사용함으로써렌더링컴퓨터와의동기를맞추게되어있다. 그리고셔터글라스위에부착되어있는트래킹장비를통해사용자의위치와시점등의정보를주고받음으로써영상을사용자의위치에최적화시켜서보여주게된다. CAVE시스템은프로젝터를이용하여스크린에비추는투사기반의시스템으로써, HMD시스템이나 BOOM형시스템에비해사용자자기자신을가상현실내에서체험할수있다는장점이 그리고이러한일련의어플리케이션을구현하는데에는 C++ 프로그래밍언어를사용하였고, 그래픽에대한렌더링부분에서는 SGI의 IRIS Performer[15] 를사용하였다. 여기서 IRIS Performer는 SGI에서개발한실시간비주얼시뮬레이션을위한그래픽라이브러리이다. 또한 CAVE라는특수한장비의제어및가상현실시스템과의상호작용을구현하기위하여 CAVELib TM 을사용하여프로그램을구현하였다.
이렇게제작된문화 Content는 wand를이용하여자유롭게네 이게이션할수있고 CrystalEyes를통하여스테레오화면을 3 차원화면으로근정전을비롯하여복원된흥례문, 광화문, 영제 교등의모델도자유롭게관람할수있다. 위에서도언급하였듯이가상현실시스템안에서의나상호작용에대한부분은 Control이 C++ 로프로그래밍하여플랫폼에 독립적으로사용이가능하게하였다. 다음은 C++ 로만든 VR 프로그램의샘플이다. 3.5 제작결과물위와같이복원과정을거쳐만들어진 VR 프로그램과 3D모델데이터를이용하여가상현실시스템(CAVE) 상에서시현하는장면을캡쳐한모습[ 그림 7] 이다. 4. CAVE 활용방안지금까지알아본것과같이 CAVE는다른어느가상현실시스 템보다현실감있고몰입감이뛰어나다. 이러한 CAVE시스템을과학분야만이아닌일반사용자들이쉽게사용하기위해서는
게임과같은폭넓은사용자들을확보하고있는콘텐츠로의활 용이가능할것이다. 본연구자는아래와같이 CAVE활용방안 을연구하여보았다. 4.1 3D영상 몰입감즉 Immersive는현실세계대신가상세계에주의를두 는것이다. 또한몰입의정도는시각적상상력에의해서영향 을받는다. CAVE의 3D영상표현기술을사용함으로써몰입감 과현실감그리고사실감의증대를가져오고그결과가상박 물관과같은가상서계에서그림및조각과같은작품들을보 다가깝고자세하게관찰할수있고또한외국의박물관과같 은멀리떨어져있는곳의작품들도마치자기가있는곳에서 보는봐와같은느낌을가져다줄것이다. 현재가상박물관이 라고칭하고있는대부분의사이트들은 VRML기술을이용하여 단순히 Scan 받거나카메라로찍은작품의사진을단순히보 여주는것에지나지않는다. 이러한것에서벋어나 CAVE안에 서 3D로표현된작품을보게된다면굳이멀리까지가지않고 옛시대의명작들을바로내눈앞에서관람할수있을것이다. 또한위에서하나의예로보여주었던문화재복원도 CAVE의 3D 영상을이용하는하나의활용범위가된다. 문화재복원도실 제로문화재를복원하기에앞서가상공간에서먼저복원을함 으로써고증절차와함께실제복원공사에서의실수를줄여줄 것이다. 상현실에서느낄수있다면몰입감은더욱높아질것이다. 이렇게 3D와음향효과를이용하여복원된문화재나유명한거리나건물등을 CAV상에서표현한다면그몰입감은현실과거의흡사하게될것이다. 이러한기술을이용하여가상문화재탐방혹은가상도시투어등의프로그램을개발한다면좋은결과를가져오리라생각한다. 4.3 3D영상과음향그리고인터랙션의조화인터랙션(Interaction) 은상호(Inter) 와작용(Action) 의합성어로써서로간의커뮤니케이션이나행동등에대한전달반응을말하는것이다. 지금까지대부분의게임은모니터에서출력되는그래픽화면만을이용하고있다. 상당수의게임들이그래픽을 3D 화하여게임의재미를더해주고있다. CAVE시스템을사용하여게임을제작한다면어떨까? 몰입감이뛰어난그래픽화면과입체음향을지원하는음향효과그리고인터랙션부분의첨가로예전에플레이하던그어떤게임보다몰입감이나사실감이극대화될것이다. 그중에서도많은몰입감을요구하는 FPS게임들을 CAVE시스템환경에서개발한다면소비자들의많은관심을받게될것이다. 게임을플레이하면사용자가바로총격전이벌어지는현장에있는것과같은착각이들수있 을정도일것이다. 또한군사적으로많이사용하고있는 3D시뮬레이션을이용한게임은현재상용화되어있는부분도많다. 3D 시뮬레이션의환경은전투기면전투기, 탱크면탱크와같이정교한내부표현을함으로써더욱몰입감을느낄수있을것이다. 지금까지알아본바와같이 CAVE를활용하려면많은부분에서사용이가능할것이다. 지금도많은업체와연구기관에서 CAVE를많은분야에서활용할수있게하기위한연구와개발이계속되어지고있다. 4.2 3D영상과음향의조화 CAVE에서의가상적인경험은현실상에서의실제적경험과이론적인경험을바탕으로더욱몰입감과현실감을가진다. 실제로서울종로의거리의차량소음, 사람들의웅성거림등을가 5. 결론및향후활용방안지금까지가상현실시스템(CAVE) 을활용하여문화 Content의하나인가상경복궁의복원과정을살펴보았고 CAVE의활용방안에대하여알아보았다. 가상현실상에서문화 Content를복원하면현존하는많은문화재들이제대로보존되지않고있고점점회손되어가고있는실정, 또는이미훼손이되어원형을알아볼수없게된문화유산들에대해서지금까지개발된그무엇보다도사실적이고현실감있게표현해낼수있고여러
사람이함께경험을할수있다는점을특징으로하여또다른 CAVE의활용방안을 3 가지의분류로나타내었다. 3가지분류로나타낸것중에는지금현재진행중인연구도있을것이다. 하지만아직까지는이가상현실시스템의장비가고가이고운영상에있어서의많은기술을요하기때문에활용상의걸림돌이될수있다. 또한모델링된데이터의폴리곤수가많아지면화면은깨끗해질수있으나그만큼고가의컴퓨팅시스템이필요하게된다는단점을극복할수있다면거의모든분야에서이러한 CAVE 시스템을사용할것이라생각한다.