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[용어 정리] 자유도와 포지셔널 트래킹

작성자
김나은
작성일
조회수
3427

VR 헤드셋 관련 뉴스나 개발자 인터뷰에 종종 등장하는 트래킹 관련 용어 몇 가지를 정리해봤습니다.

빈번하게 사용되는 용어나 알아두면 좋을 정보는 계속해서 올릴 예정입니다. 기사 읽으실 때 참고해주시면 감사하겠습니다.

 

 

■ 자유도(Degrees of Freedom, DOF)

트래킹과 관련해 DOF란 공간 내 강체의 운동 요소를 가리킵니다. 사물이 움직이는 기본 방향으로 이해되는데요, 총 여섯 개의 DOF가 병진운동(Translational movements)과 회전운동(Rotational movements)으로 나뉩니다.

  ▷ 병진운동에 포함되는 3 DOF : 앞/뒤, 위/아래, 왼쪽/오른쪽

   회전운동에 포함되는 3 DOF : 피치(Pitch), 요(Yaw), 롤(Roll)

두 운동을 합치면 6 DOF 가 얻어집니다.

 

 

▲ 6 DOF [이미지 출처 위키피디아]

 

놀이공원 범퍼카로 DOF를 쉽게 설명한 예가 있습니다. 범퍼카는 총 3 DOF를 가지는데, 앞/뒤, 왼쪽/오른쪽으로 움직이는 병진운동과 좌우로 움직이는 회전운동을 합쳐 총 세 가지 입니다. 위아래로 움직이는 것은 불가능하기 때문이죠.

  

▶ 관성 측정장치 (Inertial Measurement Unit, IMU)

종종 트래커(Tracker)라고도 부르는 IMU는 속도, 자세, 중력을 측정하고 송신하는 전자 장치입니다. 자이로스코프(Gyroscope), 엑셀러로미터(Accelerometer), 마그네토미터(Magnetometer) 센서가 사용됩니다.

과거에는 비행장치에서나 볼 수 있었지만, 지금은 스마트폰을 포함한 여러 제품군에서 IMU가 널리 이용됩니다. 다만 현단계에서는 자세(Orientation) 값 만을 정확하게 측정할 수 있다고 합니다.

 

▶ 9 DOF

가끔 IMU와 관련해 9 DOF라는 단어를 볼 때가 있습니다. 총 6 DOF 가 있다고 설명한 위 내용과는 다른데요.

9 DOF는 IMU 생산 업체에서 만들어낸 단어로 보셔도 무방합니다. 세 가지 센서 (자이로스코프, 엑셀러로미터, 마그네토미터)가 회전운동의 3 DOF를 측정할 수 있으니 3 x 3 = 9 DOF 가 나오는 겁니다. 실제 DOF와는 관계가 없다는 이야기입니다.

그래도 각 센서가 도출한 데이터값을 합칠 수 있으니 6 DOF IMU에 비해 최종 결과의 품질이 올라간다는 건 사실입니다. 여전히 병진운동은 감지할 수 없지만요.

 

 

■ 포지셔널 트래킹 (Positional Tracking)

포지셔널 트래킹은 하드웨어와 소프트웨어가 사물의 정확한 위치를 집어내는 기술입니다. 일반적으로 위치 추적, 위치 감지 기능으로 해석됩니다.

주로 HMD 외부 센서 또는 카메라를 이용해 3차원 입체 공간 내 헤드 마운티드 디스플레이(Head-mounted display, HMD), 손, 신체, 기타 장비의 위치를 추적합니다.

VR에서 포지셔널 트래킹이 중요한 이유는 실제 6 DOF를 측정할 수 있기 때문입니다. 가상 '현실'인 만큼 실제 물체의 운동을 얼마나 정확하게 추적하는 게 중요한 것이지요.

사용자가 3D 환경을 인식하는 데에도 포지셔널 트래킹의 역할이 큽니다. 포지셔널 트래킹을 통해 패럴랙스(Parallax)라고 하는 효과를 얻을 수 있는 건데요.

패럴랙스는 두 눈에서 멀리 떨어진 물체보다 가까이 있는 물체가 빠르게 움직이는 것 같은 시차를 가리킵니다. 패럴랙스는 양안시차를 이용한 스테레오스코피(Stereoscopy)와 함께 물체의 거리를 인지하게 하는 작용을 하는데, 일부는 패럴랙스의 역할이 더 크다고 생각합니다.

 

 

▲ 위모트(Wiimote)로 헤드 트래킹을 선보이는 조니 리(Johnny Lee)

 

마지막으로 3 DOF를 추적할 수 있는 HMD에서 발생했던 멀미 현상(눈에 보이는 것과 전정기관의 부조화로 발생) 역시 6 DOF 포지셔널 트래킹을 통해 줄일 수 있습니다.

 

▶ 포지셔널 트래킹의 종류

 

▲ 비컨을 활용하는 아웃사이드-인(왼쪽), 인사이드-아웃(오른쪽) 패러다임

[출처 Mazuryk, Tomasz, and Michael Gervautz. "Virtual reality-history, applications, technology and future." (1996).]

 

  ▷ 인사이드-아웃 트래킹 (Inside-out tracking) : 트래킹 카메라가 추적 대상(장비)에 붙어 있습니다. 외부에 부착된 QR 코드 등의 지표(Fiducial marker)가 카메라의 측정점이 됩니다. 

  해당 장비: HTC 바이브 CV1, 마이크로소프트 홀로렌즈

  해당 시스템: 스팀 라이트하우스*

*레이저 기반 인사이드-아웃 포지셔널 트래킹 시스템입니다. 밸브에서 스팀VR과 HTC 바이브 용도로 개발했습니다. 스팀VR 베이스 스테이션(또는 비컨) 장치의 감지 범위 내에서 자유롭게 움직이거나 원하는 방향을 보고 설수 있습니다. 최초의 홀로덱을 구성할 수 있는 주요 기술입니다.

 

  아웃사이드-인 트래킹 (Outside-in tracking) : 외부 트래킹 카메라가 관측 범위 내의 추적 대상을 감지합니다. 시야에서 벗어나거나, 장애물에 가려 트래킹이 끊길 수 있다는 게 단점입니다.

  해당 장비: 오큘러스 리프트 CV1, 플레이스테이션 VR

  해당 시스템: 오큘러스 컨스털레이션**

**오큘러스 리프트 장치를 위해 오큘러스 VR에서 개발한 광학 기반 아웃사이드-인 포지셔널 트래킹 시스템입니다. 라이트하우스와 마찬가지로 HMD와 터치 컨트롤러를 추적하지만, 광학 센서가 추적 대상에 부착된 IR LED(적외선 LED) 마커를 감지하는 방식입니다. 

 

  마커리스 트래킹 (Markerless tracking) : 카메라가 지표(마커)가 부착되지 않은 대상을 인식합니다. 사용자 손가락의 위치나 동작을 감지하는 립모션(Leap Motion)이 마커리스 트래킹에 해당합니다. 

 

  마커리스 인사이드-아웃 트래킹 (Markerless inside-out tracking) : 구글 프로젝트 탱고에서 볼 수 있는 시스템입니다. 장비에 부착된 여러 대의 카메라와 센서가 3D 환경을 실시간으로 매핑하고 마커리스 인사이드-아웃 트래킹을 선보입니다.

위모트 영상에 등장했던 조니 리(Johnny Lee)가 프로젝트 탱고의 책임 연구원 중 한 명 인데요, 프로젝트 소개 영상에도 등장하는군요. 레노버 팹 2 프로(Lenovo Phab 2 Pro)가 탱고를 지원하는 첫 스마트폰이라고 합니다.

 

 

 

출처 1/2/3

김나은

안녕하세요, VR 게임 및 기기 소식을 전하는 버추얼월드 에디터 김나은입니다. [담당 장르 : 액션, 스릴러]

보유기기 : HTC Vive, Oculus Rift, Sony PlayStation VR, Samsung Gear VR, Windows Mixed Reality, ETC