보도자료

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광섬유 모션캡처로 손가락 한 마디까지 정교하게
구분 언론보도 등록일자 2018-03-21 출처 헬로우디디
원본 URL http://hellodd.com/?md=news&mt=view&pid=64267
가상현실 세계가 점점 현실화되고 있는 가운데, 가상현실 속 '나' 또한 정교해지고 있다. 섬세함의 핵심 기술은 3D 아바타 외형을 실제 모델에 맞게 형성하는 것으로, 3D 아바타가 실제 사용자의 의사에 맞게 적합한 행동을 보이는 것이다.

모델링 기술의 그래픽, 가상현실의 위치 구현, 시스템 제작 및 전달 속도 등이 한 층 더 업그레이드 됐지만 동작을 실감나게 구현하는 것은 여전히 어려운 작업이다. 자유롭게 움직이는 현실의 나와는 달리 가상현실 속 나는 아직 어색하기 때문이다.

팔을 굽힐 때의 각도, 다리를 뻗는 거리 등 오차가 발생하면 움직임이 부자연스러워 보이고, 하고자 하는 행위가 제대로 반영이 안되는 경우가 많다. 이를 보완해줄 센서기술이 요구된다.

김진석 KIST 바이오닉스 연구단 박사팀이 FBG(Fiber Bragg Grating)를 이용해 실시간 정밀 측정이 가능한 센서 연구를 수행 중이다.


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FBG 광섬유를 이용한 측정센서를 개발 중인 김진석 KIST 박사. 기존 모션 캡처 기술에서 가장 난이도가 높았던 ‘손’을 정확하게 측정할 수 있다.<사진=김진석 박사 제공>


FBG 센서는 광섬유 코어 중앙에 200~300nm 간격으로 굴절률이 다른 물질을 균일하게 빛으로 새겨 놓은 센서다. 이때 반사판 간격에 비례한 파장이 반사되기 때문에, 배치간격과 반사율을 조정해 선택적으로 원하는 파장을 탐지할 수 있다.

이러한 특성을 이용해 FBG 센서는 주로 온도변화 감지나 건물, 비행기 날개의 비틀림과 같은 인장력 측정 등에 사용돼 왔다. 그러던 중 최근 10년 사이 형상 정보를 측정할 수 있는 '형상 센서(Shape Sensor)'가 등장했다.

김 박사는 "FBG를 세 가닥 모아 굽어지는 방향과 세기를 측정할 수 있다"며 "인장력과 곡률을 측정하는 센서에 비해 형상 측정 센서는 개발이 늦었지만, 그만큼 다양한 분야에 응용가능성을 보이고 있다"고 설명했다.


◆손가락 관절 하나하나까지 정밀하게
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실시간으로 실제 손과 똑같이 움직이는 모니터 속 아바타의 손(왼). 그리고 측정기기는 점점 소형화돼, 휴대성이 높아지고 있다(우).<사진=이원희 기자>


모션 캡처 분야는 게임산업을 필두로 영화와 의료 분야에서 연평균 약 10%씩 성장하고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 모션 캡처 기술은 멀티카메라, 광학식 마커, IMU 센서, 마그네틱 센서 등이다.

이 중 멀티카메라와 광학식 마커는 비싼 비용과 공간제약이 있으며, 각도에 따라 음영지역이 나타나는 단점을 갖는다. IMU 센서는 정밀하나 장시간 사용 시 드리프트가 발생해 주기적으로 시스템을 리셋해야 한다. 또한 마그네틱 센서는 자기장의 영향을 받기 때문에 정밀한 측정이 어렵다.

김 박사는 "이에 반해 FBG 센서는 공간제약이 없고 드리프트가 발생하지 않는다"며 "특히 큰 관절만 가능했던 기존 기술에 비해 세부 관절까지 정밀하게 측정 가능하다"고 강조했다.

가장 대표적인 예시로는 인간의 '손'을 들 수 있다. 손은 가장 사용이 많은 부위 중 하나이자, 행위 역시 다양하다. 특히 손은 고곡률의 움직임을 보이고, 단순 상하좌우 움직임이 아닌 다각도의 움직임을 보이기 때문에 측정에 어려움을 갖는다. 김 박사팀은 손 관절의 움직임을 세세하게 측정하기 위해 형상 센서에 각도 센서, 비틀림 센서를 각각 조합해 추가했다.

김 박사팀의 연구는 측정기술과 장비에서만 끝나지 않았다. 아직 FBG 기술의 보급화가 제대로 이루어지지 않아 측정 프로그램과 계측 장비 역시 함께 만들어야 했다. 그는 "생산 기반이 마련되지 않아 납품이 불균형하고, 수요자체가 적은 등 초창기 연구가 갖는 문제점이 있다"며 "하지만 기술력과 가격경쟁력을 확보하면 시장으로 뻗어나갈 가능성이 충분하다"고 역설했다.

이러한 연구가 가능한 데에는 실감교류인체감응솔루션연구단(단장 유범재)의 지원이 있었다. 김 박사는 2016년 1월부터 연구단에 참여했다. 초기부터 참여해 7~8년 연구를 진행해 온 다른 연구팀에 비해 시작이 늦었고, 그만큼 기반 기술도 부족한 상황이었다.

김 박사는 "연구단에서 상용 글로브 센서를 비롯해 안상철, 박정민 박사의 GUI 시스템도 연계 지원을 받았다"며 "만약 이러한 지원이 없었다면 3단계를 맞은 연구단에 발맞춰 최종 목표 실현이 어려웠을 것"이라며 감사의 뜻을 전했다.

한편, 김 박사는 올해 중 무선솔루션 시스템을 지원 받아 휴대형 측정 장비 개발을 수행할 예정이다. 


◆방사선 걱정 없는 대장내시경 등장?
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모션 캡처 기술을 이용해 의료와 엔터테인먼트, 스포츠 등 다양한 산업계에 상용화하는 것이 목표인 김진석 박사. 가장 진출하고픈 분야는 ‘게임’이다.<사진=김진석 박사 제공>


김 박사팀의 FBG 센서는 의료용 카테터에도 적용이 가능하다. 특히 수술로봇을 이용한 영상조형수술의 경우 카테터만 신체 내부에 삽입하기 때문에 내부 상황에 대한 실시간 정보가 필요하다.

하지만 MRI의 경우 영상을 후처리해 보여주기 때문에 실시간 데이터 확보가 안되며, X-Ray의 경우 방사선 피폭이 일어난다. 관련 분야의 전문의들은 업무의 특성상 일반인보다 방사선 피폭 기준치가 높다. 그러나 현실은 이 기준치마저도 뛰어넘는 의료를 수행 중이다.

대장내시경 역시 마찬가지로 피폭이 일어난다. 현재 외국에서는 마그네틱 센서를 이용한 올림푸스의 '스코프가이드'가 보급되고 있지만, 특정 영역에서만 운영 가능하고, 자기장의 간섭을 받는다.

김 박사는 "가장 문제점은 스코프가이드를 적용할 경우 기존 장비와 호환이 되지 않아 모두 교체가 이뤄져야 한다는 점이다"라며 "특히 적용되는 기기는 올림푸스의 최상위 기종 중 하나로 모두 교체하려면 비용문제가 발생할 것"이라고 지적했다.

그는 이어 "FBG 센서는 생검에 사용되는 2~3mm의 채널에 적용이 가능하며, 기존 장비들과 호환이 가능하다"며 "하지만 현재 기술론 카테터가 길어지면 길어질수록 오차가 발생해, 보완 연구가 필요하다"고 설명했다.

또 다른 아이디어로는 카테터에 앞서 삽입되는 가이드와이어에 FBG 센서를 적용하는 것이다. 김 박사는 "FBG를 사용한 가이드와이어가 성공한다면 자연스레 후속 카테터의 성공률 또한 올라간다"며 "온도 센서, 형상 센서 등 다양한 센서를 넣을 수 있고, 레이저 시술까지 가능한 'Laser Scalpel'도 적용 가능하다"고 피력했다.

그는 "먼저 의료 시장에서 가격경쟁력을 확보하고, 차차 엔터테인먼트 산업, 스포츠 산업 등으로 확장시켜나가고자 한다"며 "특히 가장 응용하고 싶은 분야는 게임 산업이며 사용자가 쉽고 편하게 게임을 즐길 수 있는 기술을 개발하고 싶다"고 말했다.

한편 실감교류인체감응솔루션연구단은 KIST 안상철 박사팀의 '4D+ 휴먼 아바타 모델링'과 박정민 박사팀의 '가상물체의 양 손 직접 조작 기술', 배준범 UNIST 교수팀의 '손 착용형 역감 전달 시스템' 등 다양한 모델링, 가상현실 기술이 탄생할 수 있도록 지원을 아끼지 않고 있다.

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