펜싱 게임, 요리, 운동 등 다양한 가상 환경(VR) 시나리오에 활용 가능
(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 산업디자인학과 안드리아 비앙키(Andrea Bianchi) 교수 연구팀이 지난달 23일 온라인으로 개최된 인간-컴퓨터 상호작용 분야 최우수 국제학술대회인 `ACM UIST 2020(The ACM Symposium on User Interface Software & Technology)'에서 상위 1%에게 주어지는 `최우수논문상(Best Paper Award)'을 수상했다고 18일 밝혔다.
ACM UIST에서 우리나라 주관기관이 최우수논문상을 수상한 것은 이번이 처음이다. 컨트롤러의 휨 강성을 실시간으로 조절해 가상 환경에서 사용자가 손으로 쥐고 움직이는 가상 물체를 사실적으로 체험할 수 있는 VR(가상현실) 컨트롤러인 `엘라스틱(ElaStick)'을 개발한 공로를 인정받았기 때문이다. (논문명 : ElaStick: A Handheld Variable Stiffness Display for Rendering Dynamic Haptic Response of Flexible Object)
이번 연구에는 KAIST 산업디자인학과 유능 석사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 기존의 VR 컨트롤러 연구는 손에 쥐고 있는 가상 물체의 무게, 모양, 움직임을 표현하는 데에만 집중돼있어 사용자가 가상 물체를 쥐고 휘두를 때 발생하는 진동이나 갑작스럽게 움직임을 멈출 때 생기는 반동 등을 재현하는 데 많은 제약이 따랐다.
이 같은 문제점을 해결하고 높은 수준의 동역학적 반응을 제공하기 위해서는 물체의 모양, 크기, 재질과 관련된 물체의 강성을 고려해야 한다. 연구팀이 개발한 `엘라스틱(ElaStick)'은 모든 방향으로 자유롭게 휘어지는 구조물에 4개의 케이블을 연결하고, 각 케이블의 물질 조성을 조절해 전체 컨트롤러의 휨 강성 조절이 가능하다. 따라서 이 기술을 적용해 가상 환경에서 실시간으로 다양한 모양 및 크기를 가지는 가상 물체의 사실적인 일루젼(illusion)을 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 엘라스틱(ElaStick)을 활용해 강성 변화에 따른 사용자들의 인지능력을 측정하는 한편 가상 물체를 재현했을 때 VR 경험의 사실감과 몰입감 그리고 즐거움이 크게 향상되는 것을 실험적으로 확인했다.
안드리아 교수는 "미국 MIT, 마이크로소프트, 독일 막스 플랑크 연구소 등 저명한 대학과 기관이 수상한 바 있는 UIST 최우수논문상을 국내 최초로 수상하게 돼 매우 기쁘다ˮ고 말했다. 그는 또 "엘라스틱(ElaStick)은 향후 원격 로봇수술, 의료수술, 게임 등 다양한 가상 환경에서 실용적이면서도 상업적 활용 가치를 기대할 수 있다ˮ고 덧붙였다.
한편, 이번 `ACM UIST 2020'에서 KAIST 산업디자인학과는 안드리아 교수팀의 최우수논문상 수상 외에도 남택진 교수 연구팀이 `어너러블멘션(Honorable Mention)' 논문상을 받았다.
남택진 산업디자인학과장은 "총 7개의 논문상 중 국내 최초의 최우수논문상 수상과 어너러블멘션 논문상의 동시 수상은 KAIST 산업디자인학과의 위상과 연구 우수성을 입증한 결과ˮ라고 강조했다.
관련 유튜브 영상: https://youtu.be/jfIsgFb6hTY
□ 연구개요
논문명: ElaStick: A Handheld Variable Stiffness Display for Rendering Dynamic Haptic Response of Flexible Object
https://doi.org/10.1145/3379337.3415862
1. 연구 배경
최근 VR 산업에 대한 관심이 늘어남에 따라, 기존의 VR 시스템이 제공하는 시청각적 경험을 넘어 사용자가 VR 환경과 상호작용할 때 발생하는 촉감을 그대로 재현하는 차세대 VR 경험에 대한 기대가 높아지고 있다. 기존에 여러 연구자들이 VR 속에서 손에 쥐고 있는 물체의 모양, 질량, 무게중심의 위치, 혹은 물체가 받는 외력 등을 사실적으로 구현한 바가 있으나, 유연한 물체를 자연스럽게 쥐고 휘두를 때 나타나는 미묘한 진동, 반동 등을 세세하게 구현하기에는 기기가 표현할 수 있는 물성의 종류와 그 정밀도에 한계가 있었다.
이에 본 연구에서는 사용자의 움직임에 따라 발생하는 서로 다른 물체의 반응을 세밀하게 재현하기 위해, 컨트롤러의 유연하고 딱딱한 정도를 두 수직 방향으로 자유롭게 조절할 수 있는 메커니즘을 개발하고, 이를 활용할 수 있는 VR 경험 사례와 그 효과를 도출하고자 했다.
2. 연구 내용
사용자가 VR 환경 속에서 마주는 물체들은 그 구성 물질과 길이, 단면의 형태 등에 따라 서로 다른 휨강성을 가지고 있다. 가상의 물체는 구성 물질이 말랑할수록, 물체의 길이가 길수록, 혹은 두께가 얇을수록 작은 휨강성을 가지고 더 쉽게 휘어진다. ElaStick은 모든 방향으로 자유롭게 휘어지는 구조물인 쿼터니언 조인트에 4개의 케이블을 연결하고, 각 케이블을 구성하는 물질 조성을 조절해 전체 컨트롤러의 휨강성을 바꿀 수 있다.
이러한 고유한 메커니즘을 활용하여 연구팀은 ElaStick으로 유연성을 지닌 가상 물체의 반응을 재질, 길이, 모양 등에 따라 정밀하게 재현했다. 연구팀은 사용자 연구를 통해 ElaStick이 제공하는 촉감 경험이 VR 경험의 사실감, 몰입감, 그리고 즐거움을 크게 향상시킴을 실험적으로 증명했다. 추가로 연구팀은 ElaStick을 활용해 강성 변화에 따른 사용자들의 인지능력을 측정하고, 펜싱 게임, 요리, 로프 운동과 같은 VR 시나리오를 개발하여 구체적인 활용 방안을 제안했다.
3. 기대 효과
ElaStick은 표현 범위 내의 임의의 휨강성을 정확하게 표현할 수 있기 때문에, VR 게임 속에서 쥐고 있는 칼날의 형태 등 물체의 미세한 차이까지 구현해 더 높은 차원의 사실감을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한 실시간으로 휨강성을 조절할 수 있다는 점은 사용자의 행동에 따라 서서히 물질의 상태가 변화하는 경험 또한 표현할 수 있다. 이런 세밀한 표현들은 VR 게임뿐만 아니라 산업 현장 교육 등에도 활용될 수 있으리라 기대한다. 이에 더해, ElaStick의 고유한 휨강성 조절 메커니즘은 VR 컨트롤러뿐만 아니라 로봇의 관절들과 같은 강성의 조절이 필요한 구조에 활용될 수 있어, VR을 넘어 여러 분야에서의 응용이 기대된다.
