가상현실(virtual reality, VR) 기술은 컴퓨터에 의해 생성된 가상 공간과 사용자 간의 상호 작용을 토대로 사용자는 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각 등 오감을 통해 실제와 유사한 몰입감을 느끼고, 그 공간에 존재하는 것과 같은 현실감을 제공하여 환경적 제약으로 경험할 수 없는 상황을 간접적으로 체험할 수 있도록 해 주는 다양한 기술들이 융합된 기술 산업이라고 할 수 있다[1].

이전에 소개되었던 가상현실은 하드웨어 성능 한계로 발전 속도가 느렸으나 최근 관련 하드웨어 기술과 콘텐츠 제작 환경의 변화로 다양한 분야로 확산되고 있다. 하드웨어 성능 발전을 발판으로 여러 가지 콘텐츠 구현이 가능해지면서 게임, 영화 등 엔터테인먼트뿐만 아니라 교육, 훈련, 관광‧여행, 국방 등 다양한 분야에서 활용되기 시작했으며 항공 분야에도 적용하여 조종 훈련을 위한 용도로 개발되어왔다. 사용자 측 디바이스로는 신체에 장착이 가능한 기기들이 다양하게 개발되고 있으며 머리에 장착하는 head-mounted device (HMD) 형식이 가장 많이 소개되고 있다.

최근 들어 가상현실의 응용 분야로 의료 및 헬스케어 분야도 각광받고 있다. 고령화 시대의 도래에 따른 의료서비스 수요 증가 및 의학 기술의 발전에 맞추어 가상현실 기술이 기존 기술로는 불가능한 영역을 보완하여 발전의 한 축을 이루며 부상하고 있다. 의학 분야 중에 항공우주의학 분야는 지상에서 안정적인 상태의 일반적인 의학 분야와는 달리 고고도, 고속 비행 상황에서의 비정상적인 환경에서의 상황이 대부분이어서 실제 상황을 경험하기 불가능한 경우가 많은데 가상현실 기술을 이용하면 현실적으로 경험하기 어려운 상황도 현실감 있게 체험할 수 있다. 예를 들면 비행 중 응급 의료상황에 관련된 훈련을 해볼 수도 있고 조종사 훈련 시 일반적인 항공기 기동 훈련 이외에 생리적으로 발생하는 각종 비행 착각 상황을 경험하여 비행 훈련의 질을 높일 수도 있다. 우주 여행에서 발생할 수 있는 무중력 상태에서 여러 의료 처치 상황을 미리 경험하여 우주인 훈련에 적용해 볼 수도 있다.

본 논문에서는 가상현실의 특징과 분류 및 주요 기술을 살펴보고, 항공의학 분야에서의 적용 가능성과 향후 전망을 살펴보고자 한다.

가상현실은 한 가지 기술보다는 관련된 여러 가지 기술들의 융합으로 구현되는 생태계형 기술의 특성을 가진다. 컴퓨터 그래픽스를 통해 영상을 표현하고, three-dimensional (3D) 입체 기술을 통해 입체감을 구현하여 몰입감을 증진시킨다. 영상 기반의 신체 동작 인식 및 상황 인지 기술을 활용하여 사용자와의 상호 작용을 증진시켜 현실감을 느끼게 해주고, 네트워크를 기반으로 가상 공간을 만들어 사용자의 다중 참여를 보장하며 지리적 제약도 극복할 수 있게 한다. 가상현실 구현을 위해서는 보통 착용형 디스플레이인 HMD와 신체의 움직임 및 생체신호를 감지하는 센서 디바이스와 같은 하드웨어 기술, 콘텐츠와 운영을 담당하는 소프트웨어들이 조합되어 시스템을 이루고 있다[2]. 관련기술의 종류는 Table 1과 같다.

1. 입력 기술

입력 기술은 가상현실의 상호 작용을 위한 인식 기능을 구현하는 기술이다. 가상현실의 구현이 쌍방향으로 이루어지므로 상호 작용 인터페이스의 형태로 개발되고 있으며 기술 발전에 따라 한 가지 기능을 이용하는 단순한 방식에서 동작, 음성 등 다양한 입력방식을 복합적으로 활용하는 형태로 발전하고 있다.

동작 인식 기술은 움직임을 얻는 방식에 따라 착용형과 비착용형으로 나뉜다. 착용형에는 대표적으로 데이터 글러브가 있는데 장갑 형태로 착용하므로 움직임 이외에도 촉각, 떨림 등의 진동 등도 입력할 수 있고 느낄 수도 있다. 비착용형은 카메라를 사용하여 움직임을 인식하고 가상공간에 표출하는데, 보다 자연스러운 상호 작용이 가능하지만 착용형에 비하여 느껴지는 질감이나 진동 등의 감각을 얻지 못하므로 몰입성이 떨어지는 단점이 있을 수 있다. 카메라를 이용한 움직임 추적 시에는 사람과 배경을 분리하고 3D 공간 정보를 제공하는 3D 센싱 기술을 활용하고 있다. 공간에서의 움직임을 인지하기 위해 depth 카메라를 사용하며 구조광 패턴(structured light pattern) (Fig. 1) [3], 스테레오 비전(stereo vision) (Fig. 2) [4], time of flight 기술(Fig. 3) [5]을 이용한다.

2. 출력 기술

출력 기술은 시각, 청각, 촉각 등의 인체 감각을 중심으로 하여 사용자에게 가상 환경을 구현하는 기술이다. 인체의 여러 감각 중에는 시각이 가장 중요한 감각으로서 생활 중에 얻어지는 감각의 약 절반 정도가 시각에서 얻어진다고 한다. 가상현실에서의 몰입감(immersion)과 현존감(presence)도 주로는 시각을 통해 증진될 수 있어서 가상현실 표현 기기로는 시각 관련 기기들이 가장 많이 발전되어있다. 가상현실 기술에서는 HMD와 augmented reality (AR) glass, 홀로그램, 공간 프로젝션 등의 출력 기술들이 개발 및 소개되고 있는데 현실적으로는 HMD가 가장 먼저 실용화되어 시장에 진출하고 있다. HMD는 헬멧이나, 안경, 바이저 등에 렌즈와 반투명 거울 등을 부착하여 디스플레이에 화면을 보여주는 개인화된 디스플레이 장치로서, 넓은 시야각(field of view)을 제공하여 몰입감과 현존감을 증진시키며, 좌우 양안 시차를 활용하여 입체감을 구현하여 외부 실제 환경에서 차단되어 가상 환경에 몰입할 수 있는 환경을 제공한다. 결국 HMD는 가상 세계와 연결하는 창문이라고 할 수 있다. HMD는 최근에는 구글, 애플, 삼성 등에서 해상도, 화상각도, 재생률을 대폭 개선한 기기들을 내놓고 있어 가장 시장에 접근된 기기라고 할수 있다. Fig. 4는 전형적인 HMD의 구조를 보여주고 있다.

HMD와는 조금 다르게 가상현실을 현실 세계와 결합하여 혼합현실(mixed reality)을 구현하는 기술도 있는데 보통 투과형 디스플레이와 투명 패널에 편광을 이용하는 방식이다. 안경 형태로 구현되고, AR glass라고 불리며 구글에서 구글 글래스라는 상품명으로 출시된 적이 있다. 새롭게 소개되는 기술들로는 시선 추적 기술과 foveated rendering 기술이 있다. 사람의 시신경은 전방 약 2° 정도의 아주 좁은 영역(fovea)에만 밀집해 있고, 외곽으로 나가면서는 밀집도가 감소하게 된다. 이에 따라 인간의 구체적인 사물 인식은 fovea 중심의 중심시야로 하고 안구를 움직여서 사물을 관찰하게 된다. Foveated rendering은 렌더링 기법의 하나로 시선이 집중된 중심시야의 좁은 영역만 최대 해상도로 렌더링하고 그 주변을 점차 낮은 해상도로 렌더링하는 것이다. 이를 통하여 동일한 그래픽 데이터로 현저한 기능 향상을 얻을 수 있다. 여기에 시선 추적 기술을 병합하면 HMD를 통하여 사람의 시선을 추적하고, 시선이 머무는 곳만 고해상도로 렌더링 후 나머지 부분은 1/10 이하의 저밀도 데이터를 보내면 인간의 시각은 이런 차이를 인식하지 못하므로 동일한 데이터 리소스로 그래픽 퍼포먼스를 몇 배나 증가시킬 수 있다[6]. 모션 기술도 적절한 움직임을 느끼게 하여 사실적인 체험을 극대화할 수 있는 중요한 기술의 하나이다. 가상현실 내에서 정신적 실감의 단계에서 더 나아가 실제 움직임을 체험할 수 있는 체감 융합형 기술이다. 광시야각 HMD에 의한 가상현실 영상과 외부 바람 체감, 입체 음향과 함께 동기화된 모션이 제공되는 가상현실 융합형 모션 플랫폼이 개발되고 있으며 의료분야에서 수술 체험, 군에서 낙하 훈련용으로 실제 활용되고 있다.

3. 음향 기술

청각은 시각과 함께 정보를 전달하는 기본적인 감각의 하나로, 청각을 통해 콘텐츠를 인식하는 음향 관련 기술도 몰입감, 현존감을 극대화하기 위하여 필수적인 요소이다. 시점 이동에 따라서 사용자와 영상 객체의 움직임을 실시간으로 예측하여, 음향에 방향성을 부여하고 거리감을 재현하여 현존감과 몰입감을 향상시키는 3D 실감 음향 기술로 발전하고 있다. 헤드폰 방식은 음향 출력 공간을 제어할 수 있어 3D 실감 음향을 표현하기 용이하며, 주로 HMD 기기와 통합되어 가상현실 구현에 필수적인 요소가 되었다.

4. 오감 기술

위에 기술한 시각 및 청각 이외에도 촉각‧미각‧후각 등도 가상현실 사용자의 만족도에 영향을 미친다. 오감 기술은 가상현실 콘텐츠의 몰입감과 실감성 향상을 위해 이러한 오감을 자극하여 정보를 전달하는 인터페이스 기술이다. 후각은 인체에서는 진화에 따라 퇴화되었지만 아직도 의식 및 무의식 양측에서 인간의 감성을 지배하는 강력한 인자이다. 가상현실에 후각을 추가한다면 몰임감을 배가할 수도 있는데, 간단하게는 가상현실 헤드셋에 향기를 발산하는 장치를 마스크 형태로 부가로 설치하는 방안이 고안되어 가상현실에서도 향기를 접할 수 있게 하고 있다. 촉감 및 역감 등을 포함하는 촉각 인터페이스(haptic)는 스마트폰의 진동 기능으로 처음 소개되었으며 진동의 강도와 패턴을 통해 입체감을 표현하는 수준으로 발전하고 있다. 물체의 접촉을 통한 촉각 외에도 압축 공기를 이용한 택타일(tactile) 인터페이스 등과 같이 감각을 확장하는 기술도 등장하고 있다. 실제로 소개된 예는 디즈니 연구팀이 개발한 에어리얼(Aireal)로, 인터페이스 장치로부터 사용자의 손 또는 얼굴까지의 거리를 계산하여 링 형태의 압축 공기를 분사하여 촉각을 느끼게 한다. Fig. 5는 전형적인 촉감 인터페이스 중 웨어러블 디바이스의 하나인 팬텀 기기를 보여준다.

인체의 구조는 매우 복잡하고 각 질병별로 상황도 제각각이어서 진단 치료법 개발이 어렵다. 아울러 개발 중인 치료법의 인체 적용에 따른 윤리적 문제도 있어서 현실적으로는 많은 어려움이 있다. 이에 따라 수술법을 익히거나 새로운 수술 수기를 개발할 때 기증된 카데바를 이용하기도 하는데, 기증 카데바가 워낙 희소하여 이 방법 역시 현실적이지 못하였다. 여기에 고고도의 비행 환경까지 가미되면 더욱 어려워질 수밖에 없다. 가상현실에 이미 알려진 해부학적 구조나 병리 현상 자료를 융합시키면 가상 공간에서 제한 없이 수술 시도를 해볼 수 있고, 여기에 비행 환경까지 결합시키면 비행 중의 항공기 내에서 수술을 집도하는 것도 모사해 볼 수 있다. 전술한 HMD 등 각종 디바이스의 발전에 따라 현실감이 향상되어 초기의 제한적인 범위에서 본격적인 진단 및 치료 도구, 의료진 교육 훈련 등으로 활용 범위가 다양해지고 있다. 최근에 각광을 받는 것이 고난도 수술의 예행연습에 활용하고자 하는 것으로, 아래에 기술하는 surgical planning platform이다.

1. Surgical planning platform

분야별로 가장 활발한 분야는 외과 수술 분야 적용이다. 가상현실 환경에 수술 전 시행한 환자의 computed tomography (CT) 스캔 영상과 magnetic resonance imaging (MRI) 영상 데이터를 업로드 하고, 이를 3D 영상 이미지로 재현하여 가상 환경에서 실제 인체 조직을 다치지 않으면서 상세하게 환자의 상태를 파악할 수 있다. 이에 맞추어 의료진들은 수술 등의 치료 계획을 실시간으로 정확하게 세울 수 있어서 진단 치료에 투입되는 의료자원을 절감하고 의료사고도 줄이는 효과를 얻을 수 있다[7] (Fig. 6).

통상의 CT 영상을 통한 수술 전 도상 계획에서는 2D 적인 평면적인 판단만 가능했으나, 가상현실 영상을 통해 3D 영상이 구현되면서 시술자는 수술 시야 내에서 깊이(depth)를 느낄 수 있어 3D 적인 이해가 가능해지고 입체적인 접근도 가능해진다. 또한, 조직 재생에 대한 알고리즘을 가진 소프트웨어를 적용하면 수술적 절제 후에 발생하는 “deformity“를 미리 구현하여 가상현실 상에서 미리 살펴볼 수 있어 수술 후 예상되는 부작용을 줄이고 수술 성공 가능성을 높일 수 있다. 이때 가상현실에 구현되는 환자의 영상은 “digital avata”라고 불리며 이를 통하여 수술 전에 여러 번 예행연습도 해볼 수 있고 교육 훈련용으로도 활용할 수 있다. 라스무스 대학에서 수술 전 계획에 이러한 digital avata를 사용한 결과, 50%에서 수술 계획이 변경되었다고 한다[8-10].

2. Treatment of situational phobia

보통 일반인의 10%−20% 정도에서 비행공포증을 겪는다고 한다. 업무상 항공 여행을 피할 수 없는 경우나 장래에 조종사가 되기를 원하는 사람들에게 가상현실을 이용하여 공포 상황을 연출하고 이에 대한 적응 훈련을 하여 비행에 관련된 공포 증상을 감소시킬 수 있다.

환자 측면에서는 외상 후 증후군(post-traumatic syndrome)이나 고소공포증과 같은 상황 질환을 앓고 있는 환자들에게는 trauma 당시의 상황을 가상으로 재현하여 이해하고 적응하는 훈련을 해서 치료에 활용할 수 있고, 고소공포증 환자에게는 높은 곳으로 이동해서 작업하는 가상 훈련을 통하여 적응 훈련을 해볼 수도 있다. 환청‧환시를 앓고 있는 환자 및 보호자들에게는 가상에서 이러한 환청을 경험하게 해서 환자 자신의 병식을 높이고, 보호자들도 같이 경험하여 환자의 질환에 대한 이해를 높이는 것도 가능하다.

3. Education and training

항공‧우주 분야의 경우 특성상 인명과 직결된 위험 요소가 산재되어 있기 때문에 가상현실 기술은 오래 전부터 교육‧훈련 분야에 성공적으로 적용되어 왔다. 가장 대표적인 예가 비행 훈련용 시뮬레이터이다. 예전에는 움직임이 없는 2D 적인 비행 패턴을 모사했지만, 근래에는 3D 입체영상 기술과 모션 기술울 이용하여 비행 시 감가속의 속도감과 자세를 실제처럼 느낄 수 있게 하여 실제 비행 감각에 근접하는 몰입성이 높아지면서 생리적으로 발생하는 비행 착각 극복 훈련도 할 수 있게 되었다. 이러한 시뮬레이션 기술은 비행 훈련뿐만 아니라 실제 비행 상황에서는 하기 어려운 항공후송 임무 훈련에 가상현실 기술을 이용하여 활용할 수 있게 되었다. 호주 공군에서는 항공후송 임무 (aeromedical evacuation mission) 훈련을 위해서 이러한 가상현실 기술을 이용하고 있다. 보통 기내 후송을 하는 경우 응급상황이거나 환자의 상태가 중한 경우가 많고 비행에 따른 감가속에 의한 환자 및 의료진의 자세쏠림, 진동, 소음에 공간도 협소하여 의료진 간의 협동 작업이 어려워서 일반적인 절차의 의료 처치를 하기가 쉽지 않다. 본 훈련에서는 항공후송에 주로 사용되는 C-130 수송기 기내를 모사하여 훈련을 진행하고 있는데, 사용자는 가상현실 고글을 착용하고 비행할 때 발생하는 여러 비정상 상황에 대비하여 여러 상황에 맞는 훈련을 하게 된다[11].

스위스의 항공구조 및 후송 전문회사인 AirMed & Rescue에서는 에어 앰뷸런스(air ambulance) 업무에 가상현실 시뮬레이션 기술을 활용하고 있다. 에어 앰뷸런스는 항공기 운항과 더불어 위중한 환자에 대한 기내에서의 처치도 동반되어야 하는 팀워크 임무이므로 기존의 비행 훈련용 시뮬레이션 시스템과는 차별화되어 있다. 가상현실 환경에서는 조종사와 탑승 의료진과의 협동 작업을 모사하여 동시에 훈련을 해볼 수 있고 이송 대상인 지상의 병원 의료진도 참여하여 다각도의 협업을 구현해 볼 수 있다. 헬기를 이용한 항공후송(helicopter medical emergency service)은 조종에만 집중하는 일반 헬기 운항에 비하여 의료진 및 환자 탑승에 따른 변수가 많아 좀 더 위험이 높은 임무 비행인 경우가 많으므로, 가상현실을 이용한 훈련은 다양한 관련 분야 인원들의 팀워크 훈련에 적합한 훈련 도구로 주목받고 있다[12].

항공기 운항 때 기내에 환자가 발생하거나 기체 이상 등으로 항공기에서 이탈하여야 할 경우, 가장 신속하고 안전하게 빠져나올 수 있도록 승객 탈출 절차를 마련할 때 컴퓨터 기반 모델을 이용하여 가장 효율적인 방안을 도출하는 모델을 만드는 데에도 가상현실 기술을 이용하여 인간공학적인 도움을 받을 수 있다[13] (Fig. 7). 이 때 사용할 수 있는 상용화 된 HMD 중에 Aero Glass라는 프로그램은 3D의 360° 시야로 관찰할 수 있다고 하며, 각 훈련 시 개별 사용자 중심의 시야를 전 방향으로 제공하여 몰입감을 높이고 있다[14].

사지가 마비되어 재활치료를 받는 환자들에는 모션 캡쳐 기능을 이용한 가상현실을 재활 플랫폼으로도 활용 가능하다. 국내에서는 가상현실을 이용하여 체중 지지 레일 트랙과 멀티모달 인지 기술을 융합한 프로그램을 통해 뇌졸중, 치매 환자 대상으로 보행 교정 가상현실 미디어 기술을 개발했는데[15], 활동이 어려운 환자나 동기 부여가 약한 노령층에 안전하면서도 쉽고, 재미있는 재활프로그램을 제공하는 계기가 될수 있다.

학교기관에서는 전술한 digital avata를 이용하여 의과대학 학생들의 해부 실습, 각 질환별로 각 장기의 변화를 구현하여 치료법을 연습하고 결과를 분석하는 데 활용이 가능하다.

최근 들어 가상현실의 기술 발전에 따라 다양한 분야에서 응용되고 있으며 응용 영역으로 의료 분야도 각광을 받고 있다. 가상현실은 유사 지각 자극을 생성해 실제와 다른 곳에 존재하는 것처럼 느끼게 하는 기술로 미국과 유럽에서는 사회불안, 비행공포증, 대화공포증 등을 가진 환자, 인지행동 요법에 가상현실을 이용한 치료법이 적용되고 있다.

가상현실은 제한적으로 활용되었던 것에서 벗어나 수술, 치료, 재활 등 의료 전 영역으로 적용 범위가 확대되고 있다. 가상현실을 이용하면 가상 환자나 장기를 구현하여 교육 및 훈련이 가능하며, 고난도 수술을 예정하고 있는 경우에는 의료진이 수술 전 적합한 계획을 세우고 사전에 테스트하여 부작용을 줄이고 성공률을 향상시킬 수 있다. 일대일 대면 치료 방식의 심리 치료 및 재활치료에도 가상현실 기술을 활용함으로써 한 명의 의료진이 다수의 의료서비스 수요에 대한 대응이 가능해진다.

용도별 가상현실 헬스케어 시장은 환자관리, 의료훈련 및 교육에 주로 집중되어 있으며, 최종소비자별 시장유형은 의료기관 및 연구기관, 기술 벤처회사, 정부기관 등의 순이다. 시장 규모는 지역별로는 북미가 가장 크고, 다음으로 아태지역, 유럽의 순이다[1].

각국 정부와 대학, 의료기관 등은 건강한 삶에 대한 관심이 높아지면서 가상현실과 헬스케어를 접목해 미래 신성장 동력으로 육성하고 있다. 종합병원 등 의료기관, 가상현실 관련 전문기업 및 대학 및 연구기관, 의료기관의 의료진이 서로 유기적으로 협력하여 가상현실을 고난도 수술, 영상진단, 재활치료, 의학 교육 및 시뮬레이션에 적용하고 있다.

다만, 이러한 실제적 활용에는 현실성 및 몰입성이 중요하므로 가상현실 기기, 센서 및 컴퓨터 시스템의 기능 향상 및 비용 문제, 실제 의료현장 적용에 따른 보험급여 문제, 각종 법률 규제 및 각 플랫폼의 콘텐츠 개발 문제 등 다양한 분야에서의 해결책이 필수적이다[16,17].

하지만 이러한 우려들에도 불구하고 향후에는 가상기술이 각 분야에서 꽃을 피울 것으로 전망된다. 기술이 발전함에 따라 좀 더 작고 저렴하며 고성능의 기기가 가능해질 것이다. 또한 AR, 인공지능 등 다른 신기술과 가상현실의 융합 분야가 확장되어 다양한 분야로 확대될 것으로 보인다.

가상현실 기술은 초기에는 고가의 하드웨어와 부족한 콘텐츠로 인해서 보급률이 낮았지만 기술의 발전, 구매력의 항상 등에 의하여 현재는 꾸준히 사용량이 증가하고 있다.

초기에 게임 분야에서 몰입적이고 상호 작용이 가능한 게임 환경을 제공하여 각광을 받기 시작한 이래 의료, 교육, 여행, 제조업체에서의 공정관리 등 다양한 분야에서 혁신적인 적용 환경을 보여주고 있다.

가상현실의 뛰어난 장점은 기존 미디어가 따라올 수 없는 수준의 몰입감을 제공한다는 점이다. 최근에 의료 부문에서 상용화가 시작되고 있는 시뮬레이션 기법을 이용한 교육 훈련에서는 통제된 가상 환경에서 위험하거나 복잡한 수술 같은 작업을 안전한 환경에서 구현해 볼 수 있다. 사용할 때 물리적‧지리적 장벽을 초월할 수 있고, 사용자의 신체적 부자유도 극복할 수 있어서 차세대 기술을 통한 미래 성장 동력 중의 하나이다. 반면에, 높은 하드웨어 및 소프트웨어 요구사항 및 높은 비용, 개인정보보호, 오용 가능성 등 우려도 있어서 관련 업계가 풀어야 할 과제도 산적하다.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

None.