Interactive Wind System을 이용한 VR 사이버 멀미 개선 연구

이 실험에서는 VR을 한 번 이상 경험해 본 적이 있는 만 19세 이상의 성인을 실험 참여자로 선정하였다. 실험 대상자를 모집할 때에는 실험 결과 해석에 지장이 없도록 다음과 같은 조건을 부여하였다.

또한 멀미와 관련하여 영향을 미칠 수 있는 요인들을 최대한 통제하기 위해 위해서 연구 전날에 피험자들에게 충분한 수면을 취하도록 안내하였으며, 실험 12시간 내 카페인 섭취와 2시간 이내에 음식물 섭취를 주의하도록 안내했다. 또한, 당일 날 실험의 VR 환경과 유사한 현실의 경험인 운전을 하지 않도록 요청했다. 피험자들의 평균 연령은 24.38세였으며, 피험자들은 약 40분간의 실험을 진행했다.

본 논문에서는 실험의 대전제로 촉각 정보의 추가제공을 통해 감각 정보의 불일치를 해소하는 방법, 즉, “VR 환경에서 바람이 있을 때 멀미를 덜 느낄 것이다.”라는 가설을 세웠다.그리고 실험을 설계하며 연관되는 몇 개의 가설을 추가로 설정하였다.

이러한 가정을 고려하기 위해서 실험을 시작하기 전 피험자들에게 demographic data를 받는 설문을 진행하였다. 해당 설문에서는 피험자의 기존의 VR 사용 경험, 비디오 게임 경험, 하루 평균 비디오 게임 플레이 시간, 실험 당일 피험자의 수면 시간, 음식 섭취 여부, 카페인 섭취 여부, 운전면허 획득 여부, 최근 한 달간 운전 시간을 확인할 수 있다.

실험에 들어가기에 앞서 피험자에게 실험에 관해 설명했다. 설명을 마친 후에는 멀미에 영향을 줄 수 있는 요소들을 고려하기 위해 demographic data를 수집하기 위한 설문을 진행했다.

각 주행은 5분 동안 실시되며, 추후 실험 분석에 참고하기 위해 피험자의 모습과 플레이 영상을 촬영했다. 또한, 실험 중 피험자가 멀미를 심하게 호소하는 경우 언제든지 그만둘 수 있도록 안내하고, 사전 동의서를 통해 중도 이탈로 인한 불이익이 없다는 것과 실험 데이터 공유에 대한 동의를 받았다. 이때, 피험자에게 실험 이후 24시간 이내에 실험 데이터 사용에 대한 철회를 요청할 수 있음을 안내했다. 실험 중 피험자는 주행 전(실험 대상자의 초기 상태), 첫 주행 이후, 두 번째 주행 이후로 총 3번 SSQ를 작성했다.

첫 번째 SSQ를 작성한 이후 첫 번째 주행 전 피험자의 앉은키에 맞춰 VIVE HMD 캘리브레이션을 진행했다. 또한 사용자에게 직접 VR 초점 거리 세팅을 하게 해 자신에 맞는 초점을 맞출 수 있도록 했다. 그 후 엑셀 및 휠을 사용하여 주행하는 방법에 관해 설명했다.

피험자에게 설명을 마친 후에는 타이머를 5분에 맞춰 주행하도록 했다. 이때, 피험자를 두 집단으로 나누어 절반은 첫 번째 주행에서 바람이 있도록, 나머지 절반은 두 번째 주행에서 바람이 있도록 진행했다. 5분이 되면 피험자들에게 주행을 멈추게 하고, 모든 피험자는 주행을 멈춘 상태에서 유니티 화면이 꺼지면 HMD를 벗도록 했다.

첫 번째 주행이 끝난 후에는 SSQ를 작성한 후 5분간 휴식을 취하도록 했다. 다만 5분 휴식 이후 피험자가 필요로 하는 경우 추가적인 휴식을 할 수 있음을 안내했다. 이후 두 번째 주행을 하고, SSQ를 작성하고, 실험이나 멀미에 대해 추가로 심층 인터뷰를 요청했다.

각 피험자가 SSQ 설문지에 답한 결과를 계산하여 바람이 있는 경우와 없는 경우 사이버 멀미가 얼마나 차이가 나는지 확인했다. 이때, 두 가지 방법을 이용하였는데, 첫 번째 방법은 두 SSQ 설문지의 값의 차와 실험 조건에 따라 멀미가 증가 혹은 감소한 피험자의 숫자를 표로 나타냈다. 먼저, 사람마다 멀미를 느끼는 정도가 다르며[18], 첫 주행이 두 번째 주행에서의 멀미에 영향을 줄 수 있어서 각 시행에서 멀미 값의 평균을 비교하지 않고 시행 간 점수 차이의 평균을 비교하는 방법을 택하였다.

추가로, 각 실험 조건에 따라 해당하는 사람 수가 얼마가 되는지를 확인하여 수집한 데이터를 기반으로 결과를 해석하고자 하였다.

5분의 주행 시간 동안 충분한 멀미를 느끼게 하기 위해 비교적 길고 복잡한 맵을 갖고 있는 ‘Cartoon Track Laguna Seca(RCC Design 제작)’으로 사용했다. 한 바퀴를 주행하는 데 걸리는 시간은 약 1분 30초로, 5분간 피험자는 약 3~4바퀴를 돌게 된다.

일반적인 운전 환경에서는 운전석 앞이 유리로 막혀 있고 좌우에 개폐식 유리가 있어서 바람을 느끼기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 사용자에게 바람을 더 잘 느낄 수 있는 운전 환경을 제공하기 위해 운전석 주변이 열려 있는 ‘오픈카’를 실험에 사용했다.

Figure 4. Initial setting of an experiment.

Download Original Figure

Figure 5. Racing track.

Download Original Figure

윈드 시스템의 선풍기는 실험에서 ‘오픈카’를 사용하였기에 바람을 전 방향에서 느낄 수 있도록 앞, 양옆으로 3개를 사용하였다. 전면 선풍기는 피험자로부터 직선으로 1.9m의 거리에 두고, 좌우의 선풍기는 사용자로부터 각각 45°, 0.66m에 두었다. 세 선풍기 모두 바람 세기는 ‘강풍’으로 같았다.

만약 세 선풍기를 모두 같은 거리(1.9m)에 두고 실험을 진행하는 경우 좌우의 선풍기의 바람이 전면의 선풍기에 비해 잘 느껴지지 않기 때문에 좌우의 선풍기를 바람이 잘 느껴지는 가까운 위치로 이동시켰다(Figure 6).

Figure 6. Wind system setting.

Download Original Figure

주행하는 동안 계속 돌아가게 되는 전면의 선풍기와 달리 좌우의 선풍기는 휠 컨트롤러의 각도에 따라 반복적으로 껐다 켜지므로 바람 생성에 있어 시간의 지연(약 2초)을 고려하고자 했다. 따라서 좌우 선풍기의 세기를 강풍으로 하여 세 선풍기를 모두 동일한 세기로 설정했다.

정면 선풍기 세팅 시 거리를 1.9m로 설정한 이유는, 사용자가 실험 중 듣게 되는 선풍기 모터의 구동 소리를 최소화하면서도 바람이 피험자의 위치까지 잘 도달하는 거리라고 판단했기 때문이다. 또한, 좌우 바람의 차이를 느낄 수 있도록 각도를 45°로 설정하였다.

13회 시행한 실험을 통해 아래와 같은 결과가 나왔다(Table 3).

Table 3은 각 실험에서 피험자 수가 어떻게 분포되어 있는가를 보여준다. 두 집단의 결과를 종합해 보았을 때 바람이 있을 때 멀미를 강하게 느낀 피험자는 2명, 바람이 없을 때 멀미를 강하게 느낀 피험자의 수는 11명이다. 이처럼 단순히 피험자의 비율로만 비교했을 때, 논문에서 세운 가설을 실험이 뒷받침해 줌을 확인할 수 있다.

Figure 7. Average total scores on each trial.

Download Original Figure

하지만 실험 결과를 해석할 때 ‘이월 효과’를 고려해야 한다. 이월 효과로 인해 피험자의 첫 번째 시행에서의 멀미가 두 번째 시행의 멀미에 영향을 주게 된다[12]. 실험 결과를 통해서도 이를 확인할 수 있는데, ‘X→O’의 두 번째 시행에서 바람이 멀미 감소에 영향을 주었다고 가정할 때 두 집단 모두에서 시행 횟수가 증가할수록 SSQ 값이 증가함을 볼 수 있다. 따라서, ‘X→O’ 시행에서 바람이 있을 때 멀미를 강하게 느낀 2명의 피험자에 대한 결과를 논의할 때 두 번째 시행에서 바람을 추가했다는 것을 고려해야 한다. 동일하게, ‘O→X’의 두 번째 시행에서 바람이 없을 때 멀미를 강하게 느낀 피험자 7명 역시도 우리가 세운 가설에 맞는 결과이지만, 이월 효과가 개입된 결과임을 동시에 고려해야 한다.

그러나 이월 효과를 고려하더라도 초기 주행에 바람이 있었을 때 두 번째 주행에서보다 멀미를 강하게 느낀 피험자가 없었으며, 반대로 두 번째 주행에서 바람이 있었을 때보다 첫 번째 주행에서 멀미를 강하게 느낀 피험자가 6명 중 4명이라는 것을 통해 본 논문에서 세운 가설이 뒷받침되었음을 확인할 수 있다(Table 4).

위의 표는 피험자가 제공한 SSQ의 종합 수치를 보여준 표이다(Table 5). 첫 번째 행의 수치는 피험자들의 첫 번째 주행 후 평균 SSQ 값에서 초기 SSQ 평균값을 뺀 값이며, 두 번째 행의 수치는 피험자들의 두 번째 주행 후 SSQ 평균값에서 첫 번째 주행 후 SSQ 평균값을 뺀 값이다. 즉, 두 시행에서의 SSQ 결과의 차이로 보면 되는 것이다. 위의 표에서 알 수 있는 결과는 아래와 같다.

(1) ‘O→X’ 세팅일 때가 ‘X→O’일 때보다 첫 주행에서 멀미가 더 많이 일어났다. 첫 시행과 시행 전을 비교했을 때 ‘바람’이 있는 경우에 바람이 없는 경우보다 멀미를 더 많이 느꼈다는 것을 의미한다. 그 이유가 무엇인지를 확인해본 결과, ‘O→X’ 세팅에서는 비교적 멀미를 많이 느끼는 피험자들이 2명이 있음을 확인했다. 한 피험자는 예외적으로 도로를 의도적으로 이탈하거나 벽에 부딪히면서 주행을 해 높은 멀미도를 보였고, 두 번째 시행에서 5분을 채우지 못하고 약 4분에서 주행을 멈췄다. 다른 한 피험자는 개인적인 특성으로 사이버 멀미를 많이 느끼는 것으로 예상된다. 첫 번째 주행 이후 어지러움을 호소하며 누워서 휴식을 취했고, 바람이 없는 두 번째 주행에서는 약 1분만 진행하고 주행을 중단했다. 멀미를 많이 느끼는 2명이 있었음에도 불구하고 16.563과 14.960은 큰 차이 값을 보이지는 않는다.

(2) 두 번째 주행이 수행 될 때 ‘O→X’ 시험에서 피험자는 평균적으로 바람이 없는 경우 멀미를 더 많이 느꼈으며, ‘X→O’ 시행에서는 평균적으로 바람이 있는 경우 멀미를 더 많이 느꼈다. 두 수치를 놓고 보면 두 경우 모두 SSQ 값이 늘어남을 확인할 수 있다. 두 번째 시행에서는 비교적 멀미를 더 많이 느꼈다는 의미이다. 이 경우에는 이월 효과로 인해 늘어난 것으로 추론되고, 비교적 ‘X→O’ 시행이 ‘O→X’ 시행보다 늘어난 값이 작음을 확인했다. 큰 차이가 없었던 첫 번째 행과 달리 두 번째 행의 결과값은 11.754와 1.247이라는 큰 차이를 보인다. 이월 효과로 증가하는 멀미를 바람을 통해서 감소시킨 것으로 해석할 수 있다.

SSQ의 3가지 세부 항목인 구토 증상(nausea: N), 안구운동 불편(oculomotor: O), 방향감각 상실(disorientation: D)의 평균을 보았을 때, 전체적으로 두 번째 시행에서 바람이 있는 경우가 첫 번째 시행에서 바람이 있는 경우보다 N, O, D가 작게 증가하였음을 확인할 수 있다(Table 6). 표준편차의 경우 상당히 값을 가지는데 이것은 신체적 또는 경험적 차이로 인해 피험자 개인별로 인식하는 멀미가 상대적으로 많이 다른 것에 기인하는 것으로 보인다.

본 논문에서는 추가로 피험자가 어느 경우에 높은 멀미도를 보이는지 조건을 확인해보며 경향을 파악하고자 했다.

실험에서 SSQ 설문조사를 진행한 이후, 설문 이후에 추가로 심층 인터뷰를 진행했다. 개선되었으면 하는 요소들, 바람이 있는 경우와 없는 경우 어떤 차이를 느꼈는지, 언제 멀미를 강하게 느꼈는지 등을 확인했다.

피험자들이 대부분 동일하게 ‘내리막길과 급커브가 동시에 있는 구간’에서 멀미를 많이 느꼈다고 답했다.

Figure 8. The section where subjects felt cyber sickness a lot.

Download Original Figure

또한 이런 피드백과 함께 ‘바람이 좌우뿐만 아니라 상하로도 추가되어 내리막길 같은 경우에 아래에서도 바람이 불면 더 현실감이 있을 것 같다’라고 말했다.

몇몇 운전 경험이 있는 피험자들은 ‘VR에 바람을 적용할 때 오히려 현실감이 들어서 괴리감을 느꼈다’라는 피드백을 주기도 했다. 바람을 통해서 VR 환경에서 더 높은 현실감을 느꼈지만, 피험자에게 실제 운전 시의 관성이나 쏠림이 느껴지지 않아서 오히려 괴리감이 들었다고 답했다. 그러면서 레이싱 시트에 움직임을 맞춰서 준다면 이러한 괴리감을 줄일 수 있지 않을까 하는 피드백을 주었다.

한 피험자는 ‘바람의 세기가 VR의 차량 속도와 불일치해서 괴리감을 준다’라는 피드백을 주기도 했다. HMD 때문에 바람이 막혀서 바람이 거의 느껴지지 않았다는 피험자들도 있었다.

심층 인터뷰를 통해서 향후 연구를 진행할 때 개선할 수 있는 다양한 시사점을 얻었다.