2.1. 개요

다면투사 기반의 시뮬레이션 시스템은 현장과 유사한 가상 환경을 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현해 마치 실제와 같은 몰입 감과 체험을 제공해 효과적이고 체계적인 실증시험이 가능하게 하는 환경을 제공한다. 현재 건축, 건설, 토목분야에서는 BIM 기반 업무 프로세스를 도입함으로써 시공 중 설계 오류발견, 설계변경, 설계변경 승인, 재시공에 걸쳐지는 시간과 인력 낭비를 시공 전에 제거하여 공기 단축, 높은 시공 품질 확보, 그리고 공사비 절감 등에 성공하고 있다. 하지만 컴퓨터 CAD 소프트웨어를 기반으로 하는 작업으로 현장감이나 몰입감과는 다소 먼 환경에서 검증이 되어지고 있다.

Fig. 1

Example of multiscreen simulation system

해외 다면투사 시뮬레이션시스템 관련 VR시장은 국방 및 항공사업의 시뮬레이터에서 출발하여 제조 부문의 품평시스템, 의료 스포츠, 여가, 재난대응, 건축건설 산업영역까지 확대되 면서 큰 시장을 형성(14년 529억 달러에서 18년 884억 달러로 60%이상 성장할 것으로 예측)하고 있다. 또한 스마트폰의 보급 및 VR컨텐츠의 확산으로 일반 대중에게까지 그 활용도가 급속 도로 성장하고 있다. 현재 다면투사 시뮬레이션 시스템이 가장 많이 활동되고 있는 산업군은 자동차로서 과거에는 단순 디자인 품평용에서 설계검증, 환경, 시뮬레이션 등 검증의 영역으로 확대되고 있다. 국내는 자동차 메이커를 중심으로 품평장을 구축하여 활용하고 있으며 과거 디자인 품평만을 진행했으나 다양한 환경을 구축하여 설계 검증및 가상의시뮬레이션 환경을 테스트 진행하고 있다. 또한 국방 및 연구소 기관에서 대형 디스플레이를 구축하여 시뮬레이터, 의학. 약학, 반도체 등에 활용하고 있으나 국내의 가상실증시험 시스템은 단순한 디스 플레이에 머물고 있다.

반면 해외에서는 가상실증시험실을 다양한 분야에 활용하고 있다. 도시의 환경 시뮬레이션, 인체의 세밀한 부분의 표현이 필요한 의학, 원자 단위의 연구가 필요한 분야에서 활용되고 있다. 또한 단순한 대형 디스플레이만의 활용에서 벗어나 트래 킹 장비, HMD(Head Mount Display), AR(Augmented Reality) 등을 활용하여 다양한 분야에 융합적인 연구로 활용 되어 지고 있다. 또한 컨텐츠의 종류 및 활용성이 증대되면서 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 및 가상실증환경 구축이 활발하게 진행되고 있다. 이에 다양한 국외기관들을 직적 방문 하여 다면투사 시뮬레이션 시스템 하드웨어, 소프트웨어 구성, 활용사례 등을 조사하였으며 조사된 자료를 근간으로 건설 분야에 적합한 다면투사 시뮬레이션 시스템을 구축하였다.

2.2. 도쿄 중앙대(일본)

도쿄중앙대 가상실증실험실에서는 디스플레이에 입체적으로 물건이 보이는 원리를 이용한 다양한 실험과 그들을 구현하는 장치를 공개하고 있다. 또한, 최신 대형 가상현실 장치(몰입형 VR 장비)를 같이 공개하고 실제로 가상현실의 공간을 체험 할 수 있게 구성하였다. 관람객이 CG를 이용하여 도시 공간을 재현하고 그 거리를 가상현실 공간에서 체험하는 코너도 설치 되어 있다.

Fig. 2

Flood simulation on urban

최근 일본에 자주 발생하고 있는 재난/재해와 관련하여 도심을 3차원으로 모델링하고 가상 홍수 모의시험을 통해 도심지 침수 피해현황 분석, 유속 분석, 도시피해 현황 분석, 대피경로 분석 등을 수행하고 있었다. 특히 홍수에 따른 건물의 피해현황을 VR 안경을 쓰고 체험을 할 수 있으며 실제 홍수가 난 것 같은 몰임감을 제공하여 일반 시민들이 홍수 체험을 통해 위험도를 실감할 수 있는 환경을 제공하고 있다.

자동차, 기차, 비행기 등 다양한 교통수단으로부터 발생하는 소음과 관련된 피해 분석 등을 위해 3차원으로 설계된 도로, 철로, 비행장 등을 기반으로 방음벽을 설치 했을때와 하지 않았을 때의 음향을 가상공간 내에서 구현하여 실제와 같은 몰입환경의 시뮬레이션이 가능하다. 또한 자동차 속도, 자동차의 종류(소형, 대형 등), 도로의 특성(시멘트, 아스팔트 등), 도로 표면 온도, 방음벽 높이, 건물 내에 있을 경우과 건물 밖에 있을 경우 등 다양한 옵션을 활용하여 소음 테스트가 가능하도록 기능이 개발되었다. 소음 시뮬레이션을 위해 7.1ch의 음향시 스템을 구축하여 시연자를 중심으로 소음이 원거리 → 근거리 → 원거리, 좌 → 우, 우 → 좌 등으로 움직이는 효과를 체험할 수 있어 현실감이 매우 높다.

Fig. 3

Noise simulation

도시 설계 모형 등을 사전에 제작하여 다양한 경관을 사전에 시뮬레이션함으로써 VIP 및 국민들에서 현실감 있는 환경을 사전에 체험할 수 있도록 제공하고 있다.

Fig. 4

View simulation for building

2.3. 고베대학(일본)

고베대학은 파이케이브라는 이름으로 가상실증시험실을 운영 하고 있으며 4K급 프로젝터를 4면 구축하여 몰입감을 높이고 입체(스테레오)를 구현하여 현실감 있는 시뮬레이션이 가능하 도록 구축하였다. 환경, 도시, 원자, 자기장, 의학 등 다양한 분야에 활용하고 있으며 4면을 구성하여 가상의 3차원 환경 안에 있는 극대화된 몰입감을 제공하고 있으며 고베대학에서 보유하고 있는 슈퍼컴퓨터와 연계하여 복잡한 연산을 처리하고 있다.

Fig. 5

PieCAVE of kobe university

2.4. Marquette대학(미국)

다양한 가상실증실험을 위해 밀워키에 있는 Marquette 대학에서 대규모의 가상실증시험실을 구축하였으며 주로 의학 분야와 연계하여 다양한 실험을 진행중에 있다. 특히 의료 교육과 관련하여 수술실과 비슷한 환경 등을 구축하여 간호사나 인턴 등을 대상을 실습을 진행하고 있다. 더불어 사회공헌활동도 적극적으로 하고 있으며 중소기업들에게 공간대여, 사이버 전시회 개최, 연극 개최 등을 통해 지역사회에 이바지하고 있다.

4면규모의BIMCave로구성(전체공간가로15m, 세로13m, 높이 4m)되어 있으며 4K 해상도의 4면의 스크린을 구성하기 위해 FHD 해상도의 프로젝터를 활용하여 전면 4개, 측면 각 2개, 바닥면 2개 등 총 10개의 프로젝터를 활용하고 있다. 특히 인상적인 것은 전면 4K 구성을 위해 1920×1080 해상도의 FHD를옆으로돌려1080을4개붙여서가로해상도를4032로 구성시키고 세로 해상도를 1920으로 세팅하게 맞춘점이 인상 적이었다. 이에 따라 전면만 4개의 프로젝터를 근간으로 Edge Blending을 수행하여 4개의 영상이 전면 스크린을 구성하고 있는 부분이다.

Fig. 6

Medical simulation

MARVL은 의료쪽과 협업으로 다양한 일을 수행하고 있으며 병원이나 의료단체에서 비용을 받고 콘텐츠를 제작해 주고 있다. 심장수술과 같이 복잡한 형태의 수술을 진행해야 하는 경우 혈관의 크기 등에 따른 혈액의 흐름등을 분석하고 이를 3차원 으로 시각화 해줌에 따라 환자, 수술을 진행하는 의료진들 간의 의사소통을 원활하게 하는 시뮬레이션 등을 진행하고 있다.

박물관으로부터 의뢰를 받아 다양한 미술품 및 조각품 들을 3차원으로 볼 수 있도록 제작하였다. 사용자가 사이버박물관을 조이스틱 장비와같은Haptic 장비를활용하여이동하고상세한 정보를 보고 싶은 작품을 선택할 경우 제작연대, 작자, 작품특징 등을 즉시 볼 수 있도록 구성하였다.

Fig. 7

Cyber museum

병원 등과 일을 많이 진행하다 보니 병원의 설계 인테리어 등을 검토하기 위해 3차원으로 설계된 병원건물을 근간으로 응급환자 등의 수송을 위한 최적의 동선, 의사, 간호사들을 위한 수술실 및 대기실, 수납처 등을 검토하기 위한 용도로 제작되었다. Haptic 장비를 활용하여 사용자가 실제 건물을 돌아 다니면서 공간, 동선, 내부인터레이어 등을 확인하는 의사결정 도구로 활용하고 있다.

Fig. 8

Design simulation for building

극지나 오지 등 사람이 가기 어려운 환경을 체험하기 위해 만들어진 시뮬레이션으로 구글맵 등에서 제공되는 위성영상 및 실제로 현지에서 촬영된 영상을 근간으로 지형정보에 Texture 를 매핑하여 가상공간이 아닌 실제 공간을 체험하는 느낌이 날 수 있도록시뮬레이션 시스템 설계하였다. 사막을텍스쳐 매핑한 사례를 보여주었으며 VR 환경으로 관찰시 현장과 너무나 유사한 몰입감을 제공하여 콘텐츠를 다양하게 만들 경우 활용도가 매우 높을 것으로 예상된다.

Fig. 9

Texture mapping simulation

2.5. NASA Goddard Space Flight Center(미국)

NASA에서는 4K급 프로젝터를 4면 구축하여 몰입감을 높이고 우주공간의 현실감 있는 시뮬레이션이 가능하도록 구축 하였다. 우주공간에 구축되어 있는 위성, 정거장 등 큰 규모의 구조물을 시뮬레이션하고 분석하는 시스템을 갖추고 있으며 우주공간에 적합하도록 4면의 3차원 공간을 구성하여 시뮬레 이션에 활용하고 있다.

Fig. 10

NASA goddard space flight center

2.6. VTT(핀란드)

VTT는 북유럽 최대규모의 국가연구소로 2면으로 구성된 BIM Room을 보유하고 있다. 주로 3차원 도시모델 시뮬레이션 및 홍보공간으로 활용하고 있으고 Unity 프로그램을 기반으로 자체적으로 개발한 시뮬레이션 모델을 활용하고 있다.

Fig. 11

BIM room of VTT

2.7. 분석결과

국외의 여러 연구기관에서는 각기 다양한 목적의 시뮬레이 션을 위해 가상실증시험실을 구축하여 운용하고 있다. 핀란드의 VTT에서는 3D 도면검토와도시 시뮬레이션에 활용하고있으며, 일본의 도쿄중앙대에서는 쓰나미 및 소음 시뮬레이션에 활용 하고 있다. 고베대학교에서는 화산폭발에 따른 화산재 시뮬레이 션과지진시뮬레이션등을활용하고있으며, 미국의Marquette 대학에서는 가상현실을 이용하여 사이버박물관, 극지대 가상 건설, 의학실험 등에 활용하고 있다. 또한 NASA에서도 우주 공간을 시뮬레이션하고 독일의 Airbus에서는 비행 시뮬레이 션에 활용하고 있다.

Fig. 12

Comparison virtual lab. with others

3.1. 해외사례 검토 및 요구사항 분석 결과

다양한 국외사례를 분석하고 발주처, 현장에 근무하는 시공사 및 해외건설전문가 등과의 미팅을 통한 요구사항 분석 결과 건설분야에 활용가능한 다면투사 시뮬레이션시스템을 구축하기 위해서는 다음과 같은 요구사항이 도출되었다.

첫째, 시뮬레이션 시스템 규모의 경우 건설분야는 다양한 이해당사자간의 업무협의가 매우 중요하기 때문에 다면투사 시뮬레이션 시스템은 수용인원이 20명 이상이 되어야 한다. 필요에 따라서는 전면스크린을 활용하여 의사결정 회의를 진행해야 하며 또한 3D 도면 검토를 위해서는 다면투사 시뮬레이션 시스템 안에 들어가서 다양한 실험이 가능해야 한다. 때문에 전면 스크린은 가로 5m, 세로 3m 이상의 규모를 확보해야 하며 몰입감을 극대화하기 위해서는 2면 이상의 스크린이 유기적으로 연동되어야 한다.

둘째, 도면검토, 간섭체크, 공정시뮬레이션 등 건설분야에 활용하기 위해서는 전면, 측면 뿐만 아니라 바닥면 활용이 매우 중요하다. 바닥면 투영이 가능해야 고층이나 하늘에서 건축물 이나 SOC 시설물의 시뮬레이션 검토가 효율적이기 때문이다.

셋째, 건설분야 도면은 매우 상세하기 때문에 효율적인 도면검토를 위해서는 다수의 LED 패널을 붙여서 구축하는 방식보다 고해상도의 빔프로젝터를 활용하여 단면을 투사하는 것이 효과적이다. 다수의 LED를 활용할 경우 LED 패널을 연결하는 베젤로 인해 도면검토가 원활하지 않을 수 있기 때문 이다. 또한 전면투사의 경우 향후를 위해 Full HD 이상의 해상도를 갖는 화면 구성이 필수적일 것으로 판단된다.

넷째, 건설분야서 3D 도면설계에 활용되고 있는 Autodesk, Bentley 등 다양한 소프트웨에서 제작된 3D 성과물이 다면투 사 시뮬레이션 시스템과 호환이 되어야 한다. 이는 3D 기반의 중립파일을 사용할 수도 있고 또는 OpenGL의 이미지 후킹 방법을 사용해서 구현할 수도 있을 것이다.

다섯째, 다면투사 시뮬레이션 시스템 상에서 사용자와 도면 간의 다양한 인터렉션이 가능한 장비들의 호환성이 확보되어야 한다. 예를들면VICON, ART와같은트래킹시스템, Wearable Device, JoyStick 등이 해당할 것이며 향후에는 모션인식이 가능하도록 Kinect 등과의 연계성도 확보되어야 한다.

건설분야에 활용가능한 다면투사 시뮬레이션 시스템 구축은 국내에서 최초로 시행되는 사례로 관련 전문가가 국내에 부재 하여 국외에 있는 전문가들과 수차례 면담을 통해 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 구성하였다.

Fig. 13

Structure design of KICT virtual lab.

Fig. 14

Specification of KICT virtual lab.

3.2. 다면투사 시뮬레이션 시스템 구축

하드웨어 플랫폼을 구성하기 위해서는 공간이 무엇보다 중요 하다. 시뮬레이션을 위한 다면투사를 위해서는 후면(Rear) 투사가 기본이 되어야 하기 때문에 이를 근간으로 하드웨어 구성을 고려해야 한다. 건설분야에 적용가능한 시뮬레이션 실험실 구성을 위해 하드웨어 전문가들과 협의한 결과 기본적인 공간 구성은 가로 5m, 세로 1.75m, 높이 2.8m의 규모로 스크린을 구성하였고 4개의 프로젝터를 활용한 3면 후면 투사 방식으로 구축하였다.

전면은 4K 이상의 해상도를 지원하며, 측면과 바닥면은 FHD 해상도를 지원한다. 전면과 측면은 프로젝터가 스크린 뒤에서 영사하는 후면투사방식이며, 바닥면은2개의 프로젝터가 위에서 투사하는 전면 투사방식이다. 바닥면을 투사하는 2개의 프로 젝터로 인해 겹쳐지는 부분은 Edge Bleding 기술로 처리하여 영상을 왜곡없이 볼 수 있도록 하였다. 운영시스템은 서버급 PC 7대(마스터 1, 슬레이브5)로 구성되었다. 서버간의 영상을 동기화하기 위해 G-Sync 기능을 사용하였으며 내부 네트워크 구성을 통해 서버간의 데이터 통신이 가능하다. 각각의 슬레이브 서버는 마스터서버와 네트워크허브를 통해 연결되며, 각 슬레 이브를 통합관리하는 마스터를 통해 모든 프로젝터를 제어할 수 있다. 각 슬레이브에는 디스플레이간의 딜레이를 없애고 한 개의 화면처럼 만드는 하드웨어인 Quadro sync가 장착되어 있으며 이를 통해 총 10개의 그래픽카드를 한 개의 시스템처럼 제어할 수 있게 된다.

Fig. 15

System configuration of KICT virtual lab.

다면투사 시뮬레이션 시스템 구축시 핵심이 되는 소프트웨어 구축을 위해 국내외 다양한 사례조사를 통해 요구사항에 맞는 사양을 분석하였다. 효과적인 소프트웨어를 구축하기 위해서는 Autodesk Revit, Navisworks, 3DSMAX, CATIA, Archi CAD, Bentley 등 다양한 3D 모델링 도구를 사용하여 작성한 3차원 모델을 근간으로 3면 이상의 프로젝터 면에 투영할 수 있는 기능을 지원하는 VR 소프트웨어가 반드시 필요하다. 이를 위해 일본에 있는 전문가들과 협의하여 VR 소프트웨어의 장단 점을 분석하였다.

Fig. 16

Meeting of SW expert group in Japan

다면투사 시뮬레이션 시스템을 구현하기 위한 대표적인 소프 트웨어들로는 WorldViz, TechViz, VRED, VR4MAX, ESI ICIDO 등이 있으며 이러한 장비들은 ART, VICON 등 다양한 Tracking 장비 및HMD와같은 Haptic 장비 등과상호 어울려 구성된다. WorldViZ는 제공되는 API 등을 활용하여 프로그 래밍이 가능하기 때문에 연구용으로 활용하기 좋다는 의견이 있었으며 TechViz는 200여개 이상의 3D 모델링 툴을 지원하고 별도의 데이터 모델 변환없이 바로 VR을 구현할 수 있다는 장점이 있는 것으로 조사되었다.

다양한 사용자가 손쉽게 장비를 활용하여 가상실증실험을 할 수 있는 환경 제공과 중소기업 등 외부에서 시험실을 이용 하는데 용이하기 위해서는 대용량 데이터 변환없이 다양한 3D 모델링 도구를 지원해야 하기 때문에 이러한 조건에 맞는 소프 트웨어는 TechViz가 가장 적합할 것으로 판단되어 TechViz를 선정하였으며 건설분야에 특화된 기능을 활용하기 위해 오픈 AIP를 활용하여 일부 기능은 변경하였다. 이러한 내용을 근간 으로 구성된 전체 개념도는 다음과 같다.

Fig. 17

Principle of KICT virtual lab.

3.3. 통합 테스트

이러한 구성을 통해 구축된 최종적인 다면투사 시스템은 Fig. 18과 같다. 건설분야에 맞는 최적화된 시스템 구축을 위 해 다양한 의사결정자가 회의를 할 수 있는 공간을 동시에 구 축하였으며 국외사례는 실험용 시스템인 반면 본 시스템처럼 협업과 실험이 가능한 시스템은 세계 최초의 사례라고 할 수 있다.

Fig. 18

Virtual lab. of KICT

사용자는 얼굴에 3D 입체안경을 쓰고 손에 Joy-Stick을 착용한 후 시뮬레이션 시스템에 들어가면 강력한 몰입감을 기반으로 가상현실 기반의 도면검토 및 다양한 실험을 진행할 수 있다. 구축된 시스템을 근간으로 BIM 도면 투영 테스트 한 결과는 다음과 같으며 투사영상의 품질 및 스크린 테스트 결과는 정상적으로 작동함을 알 수 있었다.

Fig. 19

Test result

또한 시스템 구축의 결과물 검토를 위해 건설분야 전문가, 시스템 전문가 등 외부전문가들의 자문을 수행하였으며 전문가 검토 결과는 향후 BIM기반의 다양한 활용시나리오를만드는데 기본자료로 활용할 예정이다.