[첨단 헬로티]

 

3D 입체영상 산업의 핵심 기술인 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술 분야 집중해야

 

Ⅰ. 홀로그램 디스플레이 기술 개요

 

 

홀로그램(hologram) 디스플레이 기술은 홀로그래피(holography) 원리를 이용하여 240개 이상의 레이저 빔을 통해 물체의 표면에 반사시킨 빛으로 360도 3D 입체영상을 재현하는 것이다2). 이를 통해 3D 영상정보에 깊이감(depth)을 부여함으로써 입체감을 느끼게 하는 것이다. 3D 입체 콘텐츠는 실세계의 모습과 동작을 입체적으로 표현하여 사실감 및 가상현장감 등을 제공한다.

 

3D 입체영상 디스플레이 기술은 구현방식에 따라 양안시차3) 디스플레이(binocular display), 스테레오 카메라 시스템(stereo camera system) 및 스테레오 스코픽 디스플레이(stereoscopic display)로 구분된다. 현재는 스테레오 스코픽 방식에서 홀로그램 방식으로 기술개발이 가속화되고 있다.

 

3D 입체영상을 구현하는 방식으로는 ⅰ)2대의 3D 카메라로 촬영한 영상을 한 스크린에 투사하고 시청자는 특수 안경을 쓰고 3D 입체영상을 감상하는 3D 카메라에 의한 방식, ⅱ)2대의 카메라로 촬영한 영상을 균등하게 만들어진 요철위에 적절히 배치하여 시청하는 사람의 시야각에 따라 입체감을 느끼게 하는 요철효과에 의한 방식, ⅲ)빛의 파장을 분할하여 편광유리를 이용한 입체비디오 및 TV와 유사한 착시효과에 의한 방식, ⅳ)매직아이/홀로그램/셔터글라스 원리를 이용 방식 등이 상용화되어 있다.

 

홀로그램에 의해 생성된 3D 입체영상은 스테레오 스코픽 방식보다 현장감이 강화된 기술로서 실사와 같은 입체감을 제공한다. 또한 누구나 편하게 어떤 각도에서도 홀로그램 3D 영상을 감상할 수 있어 스테레오 스코픽 방식에서 야기되는 눈의 피로감과 어지럼증 등의 문제를 근원적으로 해결할 수 있다[1][2].

 

 

Ⅱ. 홀로그램 디스플레이 기술개발 역사

 

홀로그램 디스플레이 기술은 1862년, 플로팅(floating) 방식4)의 유사 홀로그램 기술이 최초→360도 영상관찰 홀로그램→간섭성 홀로그램→투과형 홀로그램→반사형 홀로그램→360도 홀로그램→컴퓨터 홀로그래피→무지개 홀로그램→무지개 엠보싱(embossing) 홀로그램→스테레오 홀로그램→자연색 홀로그래피 기술에 이어 1990년대 초 실시간 홀로그램 영상생성 시스템 기술로 이어져 왔다. 이를 시대적으로 요약하면 다음과 같다[3][4].

 

- 세계 최초의 유사 홀로그램 기술 활용사례는 1862년 영국의 Henry Dirk가 고안한 페퍼의 유령(Pepper's Ghost)을 들 수 있다. 이 원리는 무대 밑의 어두운 곳에서 피사체에 밝은 조명을 투사하면 물체의 영상이 45도 기울어진 거울에 반사되어 다시 무대 위에 비스듬히 설치된 유리판에 투사되는 방식이다. 최근 상업적으로 많이 이용되고 있는 플로팅 방식 홀로그램의 원형이다.

 

- 홀로그램 기술은 물체의 영상을 명암으로만 기록하는 일반 사진과 달리 물체에서 방출되는 빛의 파면에 대한 정보를 필름에 기록하는 기술로서 1948년 세계 최초로 영국의 물리학자 Dennis Gabor가 발표한 논문(A New Microscopic Principle)에서 구현원리를 설명하였다.

 

- 1960년대 초 간섭성(coherent)을 갖는 He-Ne 레이저5) 개발, 1964년 3D물체의 투과형 홀로그램 기술 개발, 1960년대 후반 반사형 홀로그램 기술 개발, 1965년 360도 홀로그램 기술 시연, 1966년 홀로그래피 TV를 목표로 한 인물촬영 기술 개발, 1967년에는 컴퓨터 홀로그래피 기법 개발, 1970년 무지개 홀로그램6) 개발, 1977년 스테레오(멀티플렉스) 홀로그램 기술 개발, 1980년대 초 자연색 홀로그래피 개발, 1990년대 초 실시간 홀로그램 영상생성 시스템 개발 등

 

Ⅱ. 홀로그램 디스플레이 기술 분류 및 재생방식

 

1. 휴먼 팩터를 고려한 기술 분류
3D 입체영상을 구현하기 위한 홀로그램 디스플레이 기술은 3D 입체영상에 깊이감을 주는 요인으로서 스테레오 스코픽 디스플레이, 3D 디스플레이로 분류할 수 있다. 그러나 대부분의 경우 이들을 특별히 구분하지 않고 사용한다. 양안시차와 폭주를 이용하는 스테레오 스코픽 디스플레이 기술은 시점이 제한되는 근본적인 한계점이 있으며, 3D 디스플레이 기술은 자유스러운 시점을 제공하여 자연스러운 입체영상을 구현할 수 있다.

 

이중에서 3D 입체영상을 구현하는 데 있어 가장 좋은 방식이 어느 것인지를 정의하기는 어렵지만, 현재 일반화되어 있는 방법을 정리해보면 다음과 같다[5][6][7].

- LCD(Liquid Crystal Display) 기술을 이용한 평판 디스플레이(FPD : Flat Panel Display) 기술의 발전으로 매우 다양한 고품질의 3D 디스플레이 기기가 개발되어 있다.

- 편광안경이나 액정 셔터 안경 방식은 기술의 완성도가 높아 대화면에 다수를 향한 이벤트나 디지털 시네마 등의 입체 디스플레이에 적용하기에 알맞다.

- HMD(Head Mount Display)는 입체에 국한하지 않고 새로운 개인용 디스플레이 분야를 개척하고 있으며, 많은 수요가 HMD의 기술발전을 가속화시키고 있다.

- 무안경 입체 디스플레이는 개인적인 용도의 소형 단말기에 적합하다. 입체 관찰영역이 협소한 점에 대해서는 많은 개량기술과 표준화도 진행되고 있다.

- 다시점 방식은 안경이 없어도 관찰영역이 넓은 장점이 있으나 시스템의 소형화 및 저가격화가 필요하다.

- 체적형 디스플레이는 눈의 잔상 시간 이내에 디스플레이를 완료하지 않으면 플리커 현상으로 인해 팬텀 이미지(Phantom image)가 생긴다. 따라서 이를 허용할 수 있는 CT영상, 항공관제, 컴퓨터처리 영상 등의 3D 디스플레이에 적합하다.
- 홀로그래피는 조절과 폭주의 모순이 생기지 않는 궁극적인 3D 디스플레이로서의 기대가 매우 높다. 그러나 실시간 디지털 방식으로 홀로그래픽 디스플레이를 구현하기 위해서는 고밀도, 고속응답의 광변조 소자와 같은 재료, 소자분야에서의 해결책이 요구된다. 또한, 제작 현장에서의 레이저 조사가 불가능하므로 동영상 촬영 기술의 확립이 필요하다.

 

3DTV 방송 서비스를 제한하는 주요인들은 휴먼 팩터(Human factor)에 기인하고 있다. 휴먼 팩터는 시청자의 편의성을 도모하기 위해 제작시스템의 설계 및 제품화 과정에서 고려되어야 하는 인간의 정보처리 특성 또는 이를 제작시스템 구현에 응용하는 것을 의미한다. 3D 입체영상 시장이 안정적으로 형성되기 위해서는 휴먼 팩터가 우선적으로 고려되어야 한다. 시청자가 3D 디스플레이 품질의 최종적인 판단을 하게 되기 때문에 시청자의 경험과 판단에 근거한 심리학적, 지각적, 인지적 및 감정적 처리들을 이해하는 것이 필요하다. 이러한 다양한 요소의 휴먼 팩터를 고려하여 홀로그램 디스플레이 기술을 분류하면 표 1과 같다.

 

표 1. 홀로그램 디스플레이의 원리 및 구현방식

※ 1) HMD : Head Mount Display 2) IP : Integral Photography
* 자료 : 홀로그램 디스플레이 자료종합 / 재구성.

 

2. 홀로그램 구현방식 및 재생방식[8][9].
(가) 홀로그램 구현방식
 ■ 스테레오 스코픽 디스플레이(Stereoscopic display) 방식
   - 두 눈의 양안시차(Binocular display)를 이용하여 2D 디스플레이 기기에서 가상적으로 입체감을 느끼게 하는 방식
   - 디스플레이 방식에 따라 HMD(Head Mounted Display) 방식과7) 안경 방식8), 무안경 방식9)으로 구분

 

 ■ 다안식 3D 디스플레이 방식
   - 운동시차와 물체 간의 위치관계와 양안 시차를 이용하여 3D 입체영상을 구현하는 방식
   - 패럴랙스 배리어 방식과 랜티큘러 방식 및 인테그럴 포토그래피(Integral photography) 방식으로 분류
   - 수평/수직 방향으로 빛을 편향함으로써 수평/수직 시차(full parallax)를 모두 얻을 수 있는 특징이 있음

 

 ■ 체적형 디스플레이 방식
   - 물체의 각 위치에 대한 2D 절단면의 화상을 동기화시킨 후 고속으로 전환하여 표시하고 눈의 잔상현상을 이용하여 3D 입체영상을 구현하는 방식
   - 눈의 잔상시간 이내에 디스플레이를 완료하지 못하면 flicker 현상을 유발할 수 있으며, 앞쪽의 재생영상에 숨겨져 있는 뒤쪽 또는 내부 영상이 비쳐서 보이는 팬텀 이미지가 발생될 수 있음

 

 ■ 홀로그래피 방식
   - 레이저 빔(beam)을 통해 발사된 구면파가 피사체에 부딪혀서 반사된 물질파(산란파)와 거울로 반사시킨 흩어짐이 없는 기준파(평행파)를 고해상도 사진 필름에 닿게 하여 중첩시켜 3D 입체영상을 구현하는 방식
   - 이때 두 개의 빛이 겹쳐진 부분에서는 두 개의 광파가 이루는 각도에 대응하는 간섭무늬가 생기며, 이 간섭무늬를 사진 필름에 노광한 다음 기록, 현상 처리하여 3D 입체영상을 구현

 

(나) 홀로그램 재생방식
 ■ 홀로그램은 이를 기록하는 방식에 따라 재생방식이 결정되며, 재생방식은 투과형(transmission)/반사형(reflection)로 구분할 수 있음
   - 투과형 홀로그램은 물질파(object wave)와 기준파(reference wave)를 같은 방향에서 홀로그램 감광판에 입사시키고, 홀로그램 감광판 뒤에서 빛을 비추어 홀로그램을 투과하여 나온 영상을 홀로그램 감광판 앞에서 관찰할 수 있도록 제작
   - 반사형 홀로그램은 서로 다른 방향의 물체파와 기준파가 홀로그래피 감광판에 입사하도록 하고 이 때 물체파로 생긴 간섭무늬가 홀로그래피 감광판을 통과하여 반대 방향의 기준파와 만나 3차원의 영상을 관찰할 수 있도록 제작

 

 ■ 홀로그램의 제작방식은 체적형/평면형으로 구분할 수 있음
   - 체적형 홀로그램은 물체의 영상이 한쪽 방향에서만 회절(diffraction)되어 나오므로 영상이 밝으며, 은염의 두께가 두꺼워 여러 가지 홀로그램을 함께 기록할 수 있음. 파장선택성이 뛰어나 컬러 홀로그램 제작에 필수적임
   - 평면형 홀로그램은 여러 곳으로 빛의 방향이 회절되어 나오기 때문에 홀로그램 영상을 여러 방향에서 관찰할 수 있는 특징이 있음. 홀로그램에 입사된 빛이 여러 방향으로 나뉘어져 회절되므로 홀로그램 영상이 밝지 못한 단점이 있음

 

 

Ⅲ. 3D 입체영상 기술의 파급효과

 

3D 입체영상은 현장감/실존감/자연감을 배가시킨 가상현실(VR : Virtual Reality)10) 및 증강현실(AR : Augmented Reality)11) 등의 특징을 이용하여 가상체험을 통한 다양한 효과를 파급시키고 있다. 특히 연극무대의 장식이나 홍보, 각종 조사/연구 및 수송/보존/관리 등에 응용되면서 방송 ․ 통신 융합분야에서 친근감 있는 커뮤니케이션 효과를 나타내고 있다. 아울러 2D 평면영상으로는 정밀한 제어가 어려운 원격조정 로봇 및 항공관제 등의 분야나 3D 계측제어 및 화상표시 기술 분야에 적용함으로써 능률성과 신뢰성을 향상시키고 있다.

 

기존의 2D 지도제작 방식으로는 세밀하게 표현하기 어려웠던 3D-GIS(Geographic Information System)12) 기술 기반의 도로, 하천 및 고층건물 등 지형지물 표현기술을 활용한 3D 입체지도는 작업의 능률성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과를 파급시키고 있다. 특히 실감형 3D 입체영상 기술의 핵심인 가상현실 기술은 혼합현실/가상현실과 관련된 트래킹, 입체영상 가시화, 터치 인터랙션 및 콘텐츠 서비스 등에 관한 원천기술을 확보하여 국제 기술표준을 선도함으로써 차세대PC 및 지능형로봇 등 타 분야에 산업적 시너지 효과를 파급시키고 있다. 실감제공 기술개발을 통해 4D체험관 기술 분야에서 선도국 대비 95% 정도의 기술수준을 확보하고 있다.

 

가상현실/증강현실/유비쿼터스(Ubiquitous) 공간과 같은 다중 실감공간 간의 유기적인 체험공간 기술력을 확보하여 경쟁력 있는 실감콘텐츠를 제작하고 있다. 아울러 사용자 참여형 테마파크 및 기반 기술을 확보하고 가상 제조경쟁력을 획기적으로 제고할 수 있는 신개념의 기술 및 모듈화 작업에 필수적인 분산 환경에서의 기업 간 제품정보 공유 및 교환기술, 협업 프로세스 관리 및 제어기술, 제품지식 상호 운용성 기술 등의 핵심기술을 확보해가고 있다. 모바일 혼합현실 기반의 관광가이드 및 개인 내비게이션을 통해 국내 관광산업 발전에도 기여하고 있다. 특히 다중 실감공간 프레임워크 기술은 게임/영화/모바일 콘텐츠의 세부 모듈과 호환되어 동일한 프레임워크로 응용 분야를 다변화시켜 게임, 가상체험관 등의 디지털 콘텐츠 산업과의 융합을 통해 가상현실 기술의 기술적 파급효과를 나타내고 있다[10].

 

Ⅳ. 시사점 및 맺음말

 

포화상태인 TV미디어 시장에 새로운 가치를 창출할 수 있는 콘텐츠와 시청매체의 필요성이 대두되었다. 이에 디지털가전 전문기업들은 새로운 수익원을 창출하기 위해 글로벌 시장을 대상으로 공격적인 마케팅을 전개하고 있다. 이는 방송사 및 뉴미디어 사업자들의 가입자 확보를 위한 치열한 경쟁이 가속화되면서 상품 및 서비스의 차별화의 필요성이 부각되고 있음을 시사하고 있다.

 

3D 입체영상 산업은 2009년 12월 제임스 캐머런 감독, 샘 워싱톤 주연의 3D 영화‘아바타(Avatar)’가 폭발적인 흥행을 기록하면서 3D 입체영상 시대로 진입하는 데 결정적인 티핑 포인트13)가 되었다. 이후 세계 최대 전자산업 분야의 전시회인‘CES 2010 14)’에서 3DTV가 전격 소개되고 무안경식 입체 디스플레이 기술의 급속한 발전으로 전 세계적으로 관심이 집중되고 있다.

 

3D 입체영상 산업이 이처럼 블루오션으로 부각되면서 ⅰ)디지털 빅뱅 시대와 함께 현장감과 사실감을 고화질의 해상도 높은 화면을 통해 표현하는 기술적으로 것이 가능해졌으며, ⅱ)고화질/고음질의 디지털방송을 홈 씨어터(home theater)를 통해 시청할 수 있게 되면서 홈 엔터테인먼트 개념으로 발전하고 있다.

 

3D 입체영상 산업은 미디어 시장의 전체 가치사슬(Value chain)에서 고 부가가치 및 고용창출을 향상시킬 수 있는 신 성장 동력으로서의 잠재성이 내재되어 있다. 이 기술의 핵심인 홀로그램 디스플레이 기술은 영화/방송/오락/우주항공/군사/의료 등 전 산업분야에 광범위하게 응용되면서 커다란 부가가치를 창출하고 있다.

 

이에 3D 입체영상 산업의 핵심 기술인 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술 분야에 대한 국내 기술력을 향상시켜 다양한 분야에서 협업할 수 있는 인프라를 마련하는 데 주력할 필요가 있다. 이처럼 기술개발 비용이 증가하는 반면 VR/AR을 이용한 수익구조가 불투명하고 성공적인 사업화모델도 많지 않다는 취약점이 있다. 이에 3D 입체영상 산업을 활성화시키기 위해서는 산/학/연/관/민의 지혜를 모아 선도국과의 기술경쟁력 확보, 기술개발 수준에 미치지 못하는 법률 및 제도의 개선, 국민적 정서와 소비니즈를 반영한 정책적 지원, 핵심(원천) 기술과 특허권 및 표준 개발 등에 주력할 필요가 있다.

 

세계최고 수준의 ICT 인프라를 갖추고 있는 국내 기술력(대용량 가상환경 구축에 필요한 세계수준의 모델링 및 렌더링 기술력, 방대한 온라인 환경 구축 및 운영노하우 등)을 적극 활용한다면 기술선도국과의 기술격차를 빠르게 앞당길 수 있을 것이다. 최근 들어 VR/AR을 활용한 성공적인 사업모델이 다양한 분야에서 활성화되고 있으며 범국가적인 차원에서 콘텐츠, 디스플레이 기기 및 촬영장비, 플랫폼 기술을 융합하여 새로운 가상현실을 오감으로 느낄 수 있도록 다양한 사업을 준비하고 있다. 이에 5G 이동통신 시스템 등을 통해 디지털 홀로그램 기술이 적용된 실감형 3D 입체영상 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

 

 

 

박세환 박사 (주)기술법인 엔펌(ENF : Engineering Firm)_전문위원
              한국CCTV연구소(KCI)_영상보안CCTV산업발전연구회장
              용인시정연구원_비상임연구위원
              한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램_전문위원