개인화된 가상 경험에서의 무게감 인식과 사용자 반응 = Weight Perception and User Responses with Personalized Virtual Experiences

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Virtual reality (VR) systems still face challenges in simulating the weight of objects. In response to this, the exploration focused on a virtual tactile technology for effectively perceiving the weight of heavy objects in a virtual reality environment and a method for personalizing the weight according to the user's characteristics. Existing technologies for simulating the sense of weight in virtual reality environments are mainly limited to the representation of lightweight objects, and have the limitation of providing a uniform interaction experience that does not reflect the user-specific characteristics.
This study proposed a distance control and rotation control method that can effectively perceiving the sense of weight of heavy objects without the need for specialized hardware. In addition, the effectiveness of personalized interaction was evaluated by applying individual feature parameters. The distance control method measures the speed at which a user lifts an object in the real world, converts it into a specific ratio, and maps it to the movement of a virtual object. The movement of the virtual object is based on position updates, which intentional visual offset between the user's actual movement and the virtual object. The rotation control method is designed to create a visual offset in the rotation of the object by mimicking the torque caused by gravity, reproducing the effect that it becomes difficult to keep an object horizontal as its weight increases. For personalization, we also leveraged the speed at which the user lifts the object as an individual feature, and applied this data to the distance and rotation control methods. Furthermore, the impact of the personalized experience on user immersion and interaction accuracy was analyzed.
The experimental results confirmed that the distance and rotation control methods proposed in this study enhance realism and immersion compared to the existing methods in the heavy object condition. The personalization experiment also confirmed that the personalized experience improves both immersion and accuracy, but when the groups were divided based on the measured speed, the results were found to be inconsistent in terms of realism and workload. The heavier the object, the higher the realism, but participants with lower-than-average speeds experienced increased workload, while the opposite was true for those with higher-than-average speeds.
These results suggest that interaction modalities based on individual characteristics have a significant impact on user experience. This is anticipated to serve as a foundation for developing a system for sharing and embodying others' experiences, with applications in the design of rehabilitation programs, personalized training, and entertainment.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 가상 현실 환경에서 고중량 물체의 무게감을 효과적으로 전달하기 위한 가상 촉각 기술과 사용자의 특징에 맞춘 개인화된 무게감 전달 방법을 연구하였다. 기존의 가상 현실 환경에서 무게감을 재현하는 기술은 주로 가벼운 물체의 표현에 국한되어 있다는 점과, 사용자의 개별 특징을 반영하지 못한 일률적인 상호작용 경험을 제공한다는 한계가 있었다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 별도로 제작된 하드웨어 없이도 고중량 물체의 무게감을 효과적으로 전달할 수 있는 거리 제어 및 회전 제어 방법을 제안하였다. 또한 사용자의 개인 특징 값을 적용하여 개인화된 상호작용에서의 효과를 확인하였다.
제안하는 거리 및 회전 제어 방법은 사용자가 실제 물체를 들어 올릴 때의 측정된 속력을 기반으로 비율 값을 생성하고 이를 가상 물체에 적용하여 시각적 오프셋을 발생시켜 무게감을 제공하는 방법이다. 거리 제어 방법은 객체의 움직임 거리를 비율에 따라 제어하고, 회전 제어 방법은 객체의 회전에 무게별로 설정된 회전에 따라 시각적 오프셋이 발생하도록 설계하여 고중량에서 효과적인 무게감 인지의 가능성을 실험을 통해 검증하였다. 또한, 개인화의 효과를 확인하기 위해 거리 및 회전 제어 방법에 개별 속력 값을 특징 요소로 활용하여, 개인화된 경험이 사용자의 몰입감과 상호작용의 정확도에 미치는 영향을 분석하였다.
실험 결과, 고중량 물체 조건에서 본 연구에서 제안한 거리 제어와 회전 제어 방법이 기존 방법에 비해 사실감과 몰입감을 효과적으로 제공한다는 것을 확인하였으며, 개인화 실험에서도 개인화된 경험이 몰입감과 정확도를 향상시킴을 확인하였다. 주목할 점으로는, 측정 속력 집단을 평균 속력을 기준으로 나누어 분석한 결과 사실감과 작업 부하 측면에서 집단에 따라 상반된 결과를 나타냄을 확인하였다. 평균 속력보다 낮게 측정된 참가자 집단에서는 물체의 무게가 무거울수록 사실감이 높아졌지만 작업 부하 측면에서는 상대적으로 더 높은 부담이 있었고, 평균 속력보다 높게 측정된 참가자 집단에서는 이러한 양상이 반대로 나타남을 확인하였다.
이러한 결과는 개인적 특성에 기반한 상호작용 방식이 사용자 반응에 유의미한 영향을 미친다는 것을 시사하며, 이는 향후 재활 프로그램 설계나 맞춤형 트레이닝, 엔터테인먼트 분야 등에서 타인의 경험을 체화하거나 체화를 통해 경험을 공유하는 시스템 개발에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 가상 환경에서의 효과적인 무게감 전달을 위한 접근법과 개인화된 경험 구현 가능성을 확인하고, 개인화된 무게감 제공이 사용자의 몰입감과 정확도에 미치는 상관관계를 확인하였다. 이를 기반으로 다양한 사용자 특성을 반영한 가상 현실 상호작용 연구의 기초 자료를 제공하는 데 기여하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 접근 방법 1
• 제2절 논문의 구성 5
• 제2장 관련 연구 6
• 제1절 촉각 피드백 6
• 1. 직접 및 간접 촉각 피드백 6
• 2. 가상 촉각 피드백 6
• 제2절 가상 현실에서의 개인화 8
• 1. 사용자 정의 개인화 8
• 2. 데이터 기반 개인화 9
• 제3장 가상 촉각 및 무게감 제공 방법 11
• 제1절 접근 방법 11
• 1. 거리 제어 방법 12
• 가. 구현 13
• 2. 회전 제어 방법 15
• 가. 구현 16
• 제2절 무게감 실험 19
• 1. 속력 측정 방법 19
• 2. 거리 제어 방법 실험 20
• 가. 연구 개요 20
• 나. 실험 환경 및 피실험자 21
• 다. 실험 설계 21
• 라. 실험 결과 22
• (1) 객체 선택 과제 23
• (2) 차고 정리 과제 27
• 마. 토론 30
• 3. 회전 제어 방법 실험 30
• 가. 연구 개요 30
• 나. 실험 환경 및 피실험자 31
• 다. 실험 설계 32
• 라. 실험 결과 33
• (1) 객체 선택 과제 33
• (2) 물건 이동 과제 35
• 마. 토론 36
• 제4장 개인화된 경험이 정확도 및 몰입감에 미치는 영향 분석 38
• 제1절 연구 개요 38
• 제2절 접근 방법 39
• 1. 거리 제어 방법 39
• 가. 구현 40
• 2. 회전 제어 방법 42
• 가. 구현 43
• 제3절 개인화된 무게감 인지 실험 46
• 1. 속력 측정 방법 46
• 2. 거리 제어 방법 실험 48
• 가. 실험 환경 및 피실험자 48
• 나. 실험 설계 49
• 다. 실험 결과 50
• (1) 객체 선택 과제 50
• (2) 무게 유추 과제 52
• (3) 차고 정리 과제 57
• 라. 토론 62
• 3. 회전 제어 방법 실험 65
• 가. 실험 환경 및 피실험자 65
• 나. 실험 설계 65
• 다. 실험 결과 67
• (1) 객체 선택 과제 67
• (2) 무게 유추 과제 69
• (3) 물건 이동 과제 74
• 라. 토론 78
• 제5장 토론 81
• 제6장 결론 및 향후 연구 84
• 참고문헌 86
• 부록 99
• 국문초록 105