VR환경에서의 체감형 이동 디바이스 구현에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

가상현실이란 디지털로 표현된 공간이나 기술을 나타내는 단어이다. 가상현실은 사용자가 디지털 환경에서 활동할 수 있는 공간으로 표현되기도 하며 미니홈피, 인터넷 쇼핑 등이 가상현실 매체에 포함된다. 2012년 머리에 착용하는 영상 디바이스(HMD: Head Mounted Display)인 Oculus Rift가 출시되었다. 대중에게 가상현실은 기존의 넓은 의미에서 가상 환경을 현실과 같이 체험할 수 있는 콘텐츠를 뜻하는 것으로 의미가 축소되었다.
HMD의 특성상 사용자는 체감형 가상현실을 체험함에 있어 몇 가지 제약이 있다. HMD는 머리에 착용해 안구의 양안 시차로 현실감을 느끼기 때문에 시야가 완전히 차단된다. 따라서 사용자는 실내에서 체감형 콘텐츠를 이용할 때 이동 반경의 제약을 받는다. 또한 기존의 입력장치인 키보드, 마우스 등을 사용하기 어렵기 때문에 불편함을 느낄 수 있다. 디바이스 개발사는 이러한 문제를 해결하기 위해 이동과 버튼입력을 담당하는 핸드 컨트롤러를 제공한다. 하지만 이 컨트롤러는 이동과 핸드 인터렉션, 제스처 등의 다양한 입력이 손에 집중되어 있다. 복잡한 입력을 필요로 할 때 사용자가 불편함을 느낄 수 있다. 초심자는 컨트롤러에 적응하는데 시간이 필요하며, 숙련자 또한 손에 집중된 입력에 피로감을 느낄 수 있다.
이에 본 논문에서는 손에 집중된 입력 중 이동 입력을 별도의 와이어리스(Wireless) 디바이스로 분리, 발에 착용하여 이동 입력을 수행하는 디바이스를 제안한다. 자이로 센서를 사용하여 다리의 궤적을 분석해 이동 트리깅을 구현한다. 칼만 필터를 사용해 자이로 센서의 불안정한 데이터를 교정한다. 교정한 데이터는 이동평균 방식을 이용해 요동치는 값을 간략화 한다. 피험자는 본 연구에서 제안하는 장비와 기존의 입력 디바이스를 모두 사용해 동일한 실험을 진행한다. 이후 각 컨트롤러의 적응도, 필수 사용 면적, 실험 완료 시간 등을 통해 비교 검증한다. 그 결과 기존 사용자와 최초 사용자 모두에게 의미 있는 사용성이 나타났다. 본 연구에서 제안하는 디바이스가 기존 이동 입력 디바이스보다 적응도, 수행 시간 등에서 우수한 결과를 보여줬다. 제안하는 디바이스의 적응도가 비교 디바이스보다 큰 폭으로 향상되었고, 수행 시간 또한 평균적으로 우수하게 평가되었다. 또한 필수 사용 면적은 전체 사용자 평균 17%정도 축소되었다.
본 실험을 토대로 이동 입력 분리가 체감형 가상현실 콘텐츠에 높은 접근성을 제공한다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 이동 컨트롤러는 이후 HMD의 제스처 인식을 통한 입력방식 확장에 기여할 것으로 보여진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Virtual reality is a word that expresses digital space. It refers to a space where users can work in a digital environment, such as mini-homepages and Internet shopping. In 2012, Oculus Rift-a head mounted display (HMD) was introduced. Therefore, the meaning of virtual reality is reduced to the content that enables users to experience virtual environment as reality in the conventional meaning. Due to the nature of the HMD, the user has some limitations in experiencing the sensory virtual reality. HMD wears on the head and it feels realistic in the binocular parallax of the eyeball, so the field of view is completely blocked. User is also restricted in the moving radius when using the sensible contents in the room. Moreover, it becomes difficult to use conventional input devices which like keyboard or mouse. the device developer provides a hand controller for hand interaction and input in the virtual space. However, this controller also has hand-focused input such as movement, hand interaction, and gestures. Beginners need time to input smoothly. Experts also have increased fatigue in the hand-focused input.
In this paper, we divide the mobile input into separate wireless wearable devices. We construct a device that is mounted on the foot and inputs movement. It using the gyro sensor, analyze the trajectory of the leg to implement the movement triggering. It use the Kalman filter to calibrate the gyro sensor's unstable data. The calibrated data simplifies the oscillating value using the moving average method. The subjects perform the same experiment using both the equipment proposed in this study and the existing input device. Then, the usability of each controller and the completion time of the experiment were compared and verified. As a result, significant usability was found for both the existing user and the first user. Although there is some deviation according to the user, the device proposed in this study showed better usability and execution time than the existing mobile input device. Based on this experiment, it is confirmed that the mobile input separation provides high accessibility to the sensory in virtual reality contents.
This study is expected to contribute to the expansion of input method through gesture recognition of HMD.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위와 방법 3
• 1.3 논문의 구성 4
• Ⅱ. 관련연구 5
• 2.1 체감형 가상현실 콘텐츠에서의 이동 5
• 2.1.1 HMD의 이동입력 방식 5
• 2.1.2 장르별 이동 조작방법 선택 7
• 2.1.3 아바타의 이동 입력 장치 8
• 2.2 센서(sensor) 10
• 2.2.1 MEMS IMU 10
• 2.2.2 AHRS 알고리즘 14
• Ⅲ. AHRS 알고리즘 구현 및 입력장치 개발 15
• 3.1 입력장치의 하드웨어 구성 15
• 3.2 AHRS 알고리즘 적용 18
• 3.3 이동 입력 트리깅 22
• 3.4 입력장치의 구성 23
• 3.4.1 조작 설정 23
• Ⅳ. 실험 및 분석 25
• 4.1 실험 참여자 25
• 4.2 실험 방법 26
• 4.3 인식률 검사 결과 28
• 4.4 기타 이동 조작 입력장치와 비교 31
• 4.5 가용 범위 측정 32
• Ⅴ. 결론 및 향후 과제 37
• 참고문헌 39
• 국문초록 41
• ABSTRACT 43