다감각 모듈을 사용한 가상현실 산림 치유 시스템 구현

실험 참가자는 실험에 참가하기 전에 장비의 사용 방법을 익히기 위해 안내하는 Scene을 먼저 지정하였다. 참가자는 해당 Scene에서 좌, 우로 회전하며 앞으로 나아가 목표 지점에 도달하는 것으로 장비의 사용 방법을 익힐 수 있다.

Figure 1. The Scene of a Pilot Study

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본 실험은 실제와 비슷한 그래픽을 구현하기 위해 Unity3D(2020.3.4.f1)으로 HDRP 환경에서 개발되었다. 실험은 두 가지 시스템으로 구성하였다. 첫 번째 시스템은 HMD와 VR-트레드밀을 사용하는 HMD시스템과 KinectV2와 무동력 트레드밀을 사용하여 참가자를 추적하는 non-HMD시스템이다.

첫 번째 시스템인 HMD 시스템은 Meta Quest2를 사용하여 참가자가 가상 환경을 체험할 수 있도록 하였다. 참가자는 KAT Walk Mini(Figure 2.a)를 통해 직접 걷는 동작으로 가상 환경을 이동하였다. 두 번째 시스템인 non-HMD 시스템은 무동력 트레드밀(Figure 2.b)과 Kinect V2를 사용하여 참가자의 움직임을 추적하였다. 트레드밀 위에서 걷는 동작을 통해 가상 환경을 이동할 수 있고 이런 움직임은 참가자 앞의 모니터로 확인할 수 있다. 촉각과 후각 자극을 위해 에어서큘레이터를 사용하여 바람을 발생시켰고, 3D 프린터로 제작한 향기 발생 장치를 활용하였다(Figure 3). 향기 발생 장치는 참가자가 바라보는 방향으로 향기를 분사할 수 있도록 아두이노를 사용해 팬을 제어하였고, 전체적인 구조는 3D 프린터로 출력된 형태로 제작되었다. 에어서큘레이터와 향기 발생 장치는 무동력 트레드밀 앞에 배치되어 참가자가 전방에서 바람과 향기를 경험할 수 있도록 설계되었다.

Figure 2. a) HMD System VR-Treadmill b) non-HMD System no-Power Treadmill

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Figure 3. Olfactory Device Made With a 3D Printer

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참가자는 20-30대 남녀 40명을 대상으로 선정하였으며, HMD 시스템 환경과 non-HMD 환경에 각각 20명씩 배치되어 실험을 진행하였다.

본 실험에 앞서 참가자는 사전 설문조사와 연구 대상자 동의서를 진행한다. 사전 설문조사에는 나이, 성별, VR 사용 경험과 3D가 포함된 프로그램 사용 경험에 대해 작성한다. 실험에는 설문조사 시간을 포함하여 총 20분이 소요된다. 참가자는 두 시스템 중 무작위로 선택되어 해당 시스템을 체험하게 되며, 시작 전 올바르게 움직이기 위한 사전설정과 함께 사용 방법을 익힌다. 4회기 동안 실험이 진행되며, 각각의 환경에 참가자의 집중도를 확인하기 위해 동물 모델(Figure 4)도 추가하였다. 회기마다 30초간 숨쉬기 운동과 1분간 길을 따라서 걷기를 수행하며 매 회기가 끝날 때 참가자가 멀미를 느끼는지에 대한 SSQ 설문지 작성을 진행한다. SSQ설문지는 메스꺼움(Nausea), 안구운동의 불편함(Oculus-motor discomfort), 방향감각 상실(Disorientation)의 가중치를 가지고 있는 16개의 질문지를 가지고 4-likert(증상이 없음, 약함, 보통, 심함)으로 평가한다. SSQ 설문 같은 경우에는 바로 진행하지 않으면 외부의 요인으로 인해 해당 회기의 값을 얻을 수 없다고 판단하여 SSQ 설문 수집은 각 회기를 마치자마자 진행하였다. 산림 치유 프로그램이 완료되면, 최종 설문으로 체험한 시스템을 평가하게 되고 실험이 마무리된다.

Figure 4. Animal models (rabbit, fox, and birds)

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Figure 5. VR Forest Scene

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SSQ 설문지는 Kennedy의 SSQ설문지 분석 방법을 사용하여 정리하였다. Kennedy의 연구에선 총 16개의 증상은 Nausea(N, 메스꺼움), Oculomotor(O, 눈의 피로), Disorientation(D, 현기증) 3가지 요소로 분류하였다. 증상에 따라 가중치를 곱하여 총점을 계산한다.

전체 시스템(N=40), 각 시스템(N=20) 회기의 각 SSQ 점수 간 차이를 알아보기 위해 통계 분석 도구인 SPSS 프로그램으로 대응표본 t검정을 실시하였다.

대응표본 t검정 결과, 대부분의 시스템 환경에서 1회기와 4회기의 차이가 유의미하므로(p<.05) 회기가 거듭될수록 멀미를 더 느낀다고 볼 수 있다. SSQ 점수 중 Nausea와 Oculus-motor discomfort 점수에서 유의미한 차이가 발생하였고 이는 관련된 설문 항목이 영향을 미쳤다고 볼 수 있다. HMD 시스템 환경에서 Disorientation 점수는 유의미한 차이가 발견되지 않았다. 이러한 결과는 서론에서 제시한 첫 번째 가설인 ‘첫 회기보다 나머지 회기들이 멀미를 덜 할 것이다.’를 기각한다. 회기가 진행될수록 피로감이 SSQ 점수를 높게 나오게 되었다고 볼 수 있다.

Table4와 Table5는 참가자의 만족도 평가를 위해 제작한 설문지로, 참가자가 참여한 실험에 해당하는 시스템의 종합적인 평가를 진행하였다. 다감각 만족도 조사 설문지는 추가로 참가자가 부정적인 설문을 진행하였을 때 개선을 위하여 의견을 받았다.

평가는 독립표본 t검정을 사용하여 두 시스템 간 유의미한 차이가 있는지 검정하였다. 참가자는 VR 트레드밀이 모든 방향을 회전하며 걸어갈 수 있고 non-HMD 시스템 환경의 걷기보다 걷는 속도를 조절할 수 있기 때문에HMD를 사용하였을 때, non-HMD보다 조작감이 더 좋다고 느낀다고 대답하였다.

참가자는 HMD를 착용하고 바람을 느낄 때 non-HMD보다 멀미가 심했는데, 이는 VR 트레드밀의 구조물로 인해 바람이 덜 느껴지는 것과 참가자의 회전이 바람을 등으로 맞는 빈도가 많아져서 제대로 전달되지 않았다고 답변하였다.

참가자는 HMD를 사용하였을 때 non-HMD를 사용하였을 때 더욱 멀미를 더 느낀다. HMD의 착용으로 인해 머리의 무게가 앞으로 쏠리고, 화면이 바로 눈앞에 있으며, 걸을 때의 속도가 자신이 생각하는 속도와 다르다고 하였다. 또한, 그래픽이 뿌옇 게 보인다는 의견과 그래픽이 너무 인위적이라고 답변하였다. 향기와 관련한 질문의 답변으로, 향이 산에서 발생할 것으로 예상되는 향이 아니었다고 생각한 답변과 향이 너무 약해서 맡지 못하였다는 답변으로 나뉘었다. 후각 장치를 개량하여 더 많이 퍼질 수 있도록 해야 한다. 이러한 내용은 서론에서 제시한 두 번째 가설인 “후각, 촉각 요인이 각 시스템의 멀미를 줄이는 것에 효과적일 것이다.”에서 후각 요인이 효과적이지 않았으므로 기각된다. 그러나 바람의 발생은 촉각 요인으로써 멀미를 줄이는 데 효과적이었다고 할 수 있다. 앞으로 개선해야 할 점으로 “계절이 좀 더 다양했으면 좋겠다.”, “산의 물체가 바람 또는 사용자의 움직임에 반응하여 움직였으면 좋겠다.”, “더 다양하고 많은 동물 배치가 필요할 것 같다.”, “HMD의 렌즈에서 결이 보였다.”는 것으로 참가자들의 답 변을 요약할 수 있다.