[pickup] About 3D Display

출처 : DigiCon님의 이글루

3D Display란, 간단히 정의를 내리자면 ‘인위적으로 3D화면을 재생시켜 주는 시스템의 총체’라고 할 수 있다. 여기서 시스템이란, 3D로 보여질 수 있는 소프트웨어적인 기술과 그 소프트웨어적 기술로 만든 컨텐츠를 실제로 3D로 구현해내는 하드웨어를 동시에 포함한다. 소프트웨어 영역까지 포함시키는 이유는 3D Display 하드웨어의 경우 각각의 입체 구현방식마다 별도의 소프트웨어적 방식으로 구성된 컨텐츠가 따로 필요하기 때문이다.

▲ 입체 홀로그램 디스플레이
(사진은 일본 Hitachi사에서 개발한 입체 홀로그램 시스템)

흔히 3D Display라고 하면 우리가 SF영화에서 흔히 보는 입체 홀로그램을 떠올리는 분들이 많을 것이다. 하지만, 영화에서 볼 수 있는 수준만큼의 진정한 입체 홀로그램 디스플레이를 실현시킬 수 있는 기술력이 세계적으로도 아직 없는 관계로, 이 글에서는 가상 3D Display에 대해서 주로 알아보게 될 것이다.

▲ 사람의 양안시차에 의한 시각인지 구조

양 눈이 약 65mm 정도 떨어져 있기 때문에 양 눈으로 각각 약간씩의 좌우 정보에 대한 시차를 가지고 들어온 영상이 시신경을 통해 각각 반대편 뇌로 들어간 후 시각령(시각적인 정보를 처리하는 뇌 뒤쪽의 대뇌 피질 영역)에서 두 영상이 하나로 합쳐지면서 공간감을 느낄 수 있게 된다.

가상 3D 디스플레이는는, 사람이 입체감을 느끼는 여러 요인 중 우리 눈이 가로방향으로 약 65mm 떨어져 있어서 나타나게 되는 양안시차(Binocular Disparity)를 이용하여 평면적인 디스플레이 하드웨어에서 말그대로 가상적으로 입체감을 느낄 수 있게 하는 시스템의 총체이다. 다시말해, 우리의 눈은 양안시차 때문에 똑같은 사물을 바라보더라도 각각 약간은(정확히 말하면 좌우의 공간적 정보를 약간씩 나눠가지고 있는) 다른 화상을 보게 되고 이 두 화상이 망막을 통해 뇌로 전달되면 뇌는 이를 정확히 서로 융합하여 우리가 입체감을 느낄 수 있게 되는데, 그것을 이용하여 2D 디스플레이 장치상에서 좌우 화상 두개를 동시에 띄워 각각의 눈으로 보내는 설계를 통해 가상적인 입체감을 만들어 내는 것이 바로 가상 3D 디스플레이인 것이다.

참고로 양안시차는 인간이 3차원 공간을 지각하는 요인 중 한가지 일 뿐이고 실제로는 인간에게는 더 많은 정보 즉, 폭주(눈의 회전각), 조절(눈의 초점 맞춤), 운동시차(관찰자와 물체의 상대적인 운동에 의한 변화) 및 심리적인 요인(원근법, 음영, 기타 감각)등의 다양한 요인에 의해 3차원 공간을 지각하고 있다. 따라서 양안시차만을 이용하는 가상 3D 디스플레이는 기본적으로 어느정도 한계를 가지고 있기에 입체감을 보다 더 사실적으로 구현하기 위한 심리적 요인(Human-Factor)의 동시적 작용에 대한 연구도 함께 진행중이다. 또한 양안시차만을 이용함에 따라 가상 3D 디스플레이를 사용하여 가상 입체화상을 오랫동안 보고 있을 경우 실세계를 바라보는 것과의 미묘한 차이 때문에 눈이 쉽게 피로해지는 문제도 아직까지는 남아있는 상태이다.

▲ 촬영 단계에서부터 가상 3D 디스플레이용 컨텐츠를 만들어내는 방법
물론 2D 컨텐츠를 소프트웨어적인 방법만 써서 3D 컨텐츠로 전환시키는 방법도 있다.

가상 3D 디스플레이용 입체 컨텐츠는 실제 촬영에서부터 두대의 카메라를 이용하여 양 카메라를 65mm가량 벌린 후 동시에 촬영하는 2안 촬영방식을 통해 제작이 가능하다. 물론 이 경우 컨텐츠의 제작비가 카메라를 한대를 사용할 때보다 두배 이상 올라가기 때문에 그 비용이 문제가 된다. 따라서 카메라 한대로 촬영한 1안 시점의 소스에서 소프트웨어적인 계산을 통해 2안 촬영방식과 같은 효과를 내는 방법도 개발이 되고 있는데, 입체의 품질로 따지자면 아무래도 하드웨어적인 2안 촬영에 비해 떨어지지만 비용이 훨씬 저렴하고 기존 2D 컨텐츠를 가상 3D 컨텐츠로 변환할 수 있다는 큰 매리트가 있어(이를 이용하면 기존 2D DVD의 실시간 입체화도 가능하다) 소프트웨어 변환방식도 활발히 연구되고 있는 추세이다.

▲ 가상 3D Display용 좌우 채널을 한 화면에서 나타내는 방법
하나의 화면을 두개로 쪼개서 쓰기 때문에 해상도와 체감밝기는 반으로 줄어든다.

가상 3D Display 하드웨어 장치에서 하나의 화면으로 두 채널의 화상을 나타내기 위해서는, 대부분의 경우 하나의 화면에서 가로나 세로의 한쪽 방향으로 줄을 한줄씩 바꿔가며 한 채널씩 출력하게 된다. 그렇게 동시에 두 채널의 화상의 하나의 디스플레이 장치에서 출력되면 하드웨어적 구조상 무안경 방식의 경우 그대로 오른쪽 화상은 오른쪽 눈으로, 왼쪽 화상은 왼쪽 눈으로만 들어가게 되며 안경을 쓰는 방식의 경우는 각각의 방식에 맞는 특수한 안경을 통하여 오른쪽 화상은 왼쪽 눈이 볼 수 없게, 왼쪽 화상은 오른쪽 눈이 볼 수 없게 각각 가려주는 방법을 사용한다. 한줄씩 바꿔가며 출력한다고 해도 줄의 두께와 간격이 0.1~0.5mm 정도의 아주 미세한 수준이므로 우리의 눈은 그정도의 간격은 인지하지 못하고 각 채널의 두 화상을 각 눈에서 하나씩의 화면인 것으로 인식하게 되지만, 2D 화면으로 쓸 때에 비해 똑같은 크기의 화면에서 눈으로 들어가는 정보량은 각 채널당 반을 나눠 가지므로 해상도와 체감밝기가 절반 정도로 줄어들게 되는 단점이 있다.

▲ 2안방식에서 더 시점을 추가한 개념의 다안방식

▲ 광고용으로 이용되고 있는 다안방식의 예 (출처 : SPL) 실제로 볼 땐 보는 각도에 따라 다른 각도의 화면이 나타나게 된다. 그리고 물론 이것은 일반 광고용이므로 1채널 이미지를 사용하고 있어 눈으로 실제적인 공간감을 느낄 수는 없다.

바로 위에서 설명한 2안방식(Stereoscopic Display)에서 좀 더 생각을 넓혀 보자면, 보는 각도를 이동함에 따라 다른 위치의 입체를 감상할 수 있는 다안방식(Volumetric Display)도 생각해 볼 수 있을 것이다. 하지만 다안방식의 경우 컨텐츠를 제작할 때 최종적으로 원하는 시점의 수만큼 카메라를 더 추가해야 하는 문제가 생긴다. 카메라 대수의 추가는 당연히 제작비의 증가로 이어지기 때문에 제작비가 기하급수적으로 늘어나 버리는 것이다. 소프트웨어적으로도 물론 구현이 가능하겠지만 소프트웨어 2안방식에 비해 더욱 더 입체의 품질에 문제가 됨은 물론 데이터량이 늘어나기 때문에 실시간 처리가 힘들어진다. 결정적으로는 기본적으로 평면적인 하나의 화면에서 모든 화상을 나타내야 하는 가상 3D 디스플레이 장치의 한계상 옆에서 볼수록 화면이 상대적으로 좁아지기 때문에 표현할 수 있는 입체의 각도가 제한되어 투입되는 비용과 노력에 비해 실용성이 낮다는 문제가 있어 2안방식만큼은 원활하게 실용화되지는 못하고 있으며, 전자기기에 적용하기 보다는 주로 광고나 입체사진 같은 쪽에서 많이 이용되고 있는 상태이다.

▲ 다안방식에서의 해상도 저하 문제를 해결하기 위한 Autostereoscopic 방식
단 이 방식은 관찰자가 1인으로 제한된다.

그리고 가상 3D 디스플레이 시스템상 하나의 3D 화면에서 두 시점 이상의 화상을 화면을 나누어서 모두 출력해야 하므로 다안방식의 경우 대부분의 경우엔 2안방식보다도 해상도가 떨어지는 문제도 안고 있는데, 해상도 저하에 대한 해결책으로 최근엔 다안방식과 함께 Autostereoscopic이라고 하는, 2안방식의 일종으로써 기본적으로는 2안방식의 출력구조(Stereoscopic)를 가지지만 관찰자의 시점이동을 센서 등으로 감지하여 실시간으로 화면을 각도에 따라 변화시키는(Auto) 방식도 함께 연구되고 있다. Autostereoscopic 방식의 경우 관찰자는 1인으로 제한되지만 2안방식만큼의 해상도를 유지하면서 다안방식 만큼의 입체 표시범위를 가지는 장점이 있다. 물론 Autostereoscopic 방식은 기술적으로 상당한 난이도를 요구하는 만큼 아직 실용화는 힘든 단계이고, 현재까지는 일부 다안방식과 함께 주로 고정 2안, 즉 Stereoscopic 방식이 많이 실용화되어 쓰이고 있다.

양쪽 눈으로 각각 다른 영상을 보내는 방법으로는 아직도 표준화된 방법이 없이 현재까지도 계속 새로운 방법들이 개발되고 있다. 일단 대략적으로 분류를 해보자면, 가상 3D 디스플레이 하드웨어 시스템의 종류로는 디스플레이 장치에 추가적으로 관찰자가 시스템에 필요한 안경을 착용할 필요가 있는가에 따라 안경방식과 무안경 방식으로 나누며, 하나의 화면을 가지고 동시에 얼마나 다양한 각도의 입체를 표현할 수 있는가에 따라서는 윗쪽의 소프트웨어적인 분류에서 한번 언급되었던 2안방식(Stereoscopic Display)과 다안방식(Volumetric Display)으로 나누어진다. 이 글에서는 위의 두가지 분류기준 중에서 안경방식/무안경방식을 기준으로 대표적인 몇가지의 방식에 대해서 간단히 언급하도록 하겠다. 물론 이 글에서 소개하는 방식들 이외에도 여러가지 방식들이 있지만, 이 글에서 소개하는 방식 이외의 것들은 대체적으로 실용화 가능성이 낮아서 굳이 설명할 필요는 없을 듯 하다고 생각된다.

▲ 편광방식 입체 디스플레이 장치용 다양한 디자인의 안경들
일반안경에 장착가능한 방식 등등 계속적으로 기능적/디자인적인 개선이 이루어지고 있다.

안경방식은 디스플레이 기기의 주류가 CRT에서 LCD와 같은 평판 디스플레이 쪽으로 점점 이동함에 따라, 안경방식 가상 3D Display 방식의 연구와 실용화도 CRT에 최적화된 방식에서 점점 평판 디스플레이에 최적화된 쪽으로 이동하고 있는 추세이다. 그리고 안경방식의 경우 안경을 착용하는 것을 거추장스럽게 생각하는 일반적인 인식 때문에 안경을 착용하더라도 불편함이 없도록 안경의 디자인을 최대한 실제 안경처럼 착용감이 자연스럽고 편안하게 만드는 것이 중요하다고 할 수 있겠다.

| 편광방식

편광방식은 직교한 편광소자의 조합에 의한 차광효과를 이용해서 좌우안의 화상을 분리하는 것인데, 간단히 말하자면 디스플레이 장치에서 오른쪽과 왼쪽 눈에 맞는 영상을 동시에 서로 다른 각도로 편광시켜 쏘아주면 편광안경을 통해 한쪽 눈으로 반대쪽 영상이 못 들어가도록 막는 방법을 사용한다.

▲ 편광방식 가상 3D Display의 원리

▲ 편광방식 가상 3D Display의 구조도

편광방식 디스플레이 장치에서 동시에 두 이미지가 출력될 때, 전체 화면을 한줄씩 번갈아 가면서 오른쪽 영상과 왼쪽 영상이 나타난다(일반적으로 좌우시야각을 확보하기 위해 가로방향으로 분할함). 그렇게 동시에 출력된 이미지는 그 상태 그대로는 한 눈에 두 이미지가 다 보여버리므로, 편광안경을 통해 영상을 걸러주어야 한다. 즉, 안경을 통해 오른쪽 눈엔 왼쪽 이미지가 보이지 않게, 왼쪽 눈엔 오른쪽 이미지가 보이지 않게 걸러내는 것이다.

이 편광방식에서 쓰이는 편광(Polarization) 필터란, 다양한 방향으로 산란되는 빛 중 특정한 한 방향으로 진동하는 빛만 통과시키고 나머지 방향으로 진동하는 빛은 흡수하는 필터이다. 말그대로 일종의 필터 역활을 하는 것이다.

편광방식에서 편광필터를 이용하여 양 눈으로 각각의 이미지가 들어가는 과정은 다음과 같다. 우선 디스플레이 장치에서 좌우 이미지를 각각 다른 방향의 편광필터에 통과시켜 좌우 이미지가 각각 다른 방향으로 진동하는 빛으로 이루어지게 만든다. 그 후 편광안경을 통해 한번 더 걸러내는 작업을 거칠 때 좌우 이미지 각각과 똑같은 방향의 편광필터를 안경으로 사용함으로써 반대편의 이미지가 들어오지 않게 만든다. 예를 들자면, 모니터에서 왼쪽 이미지를 -45도, 오른쪽 이미지를 45도로 진동하는 빛으로만 이루어지게 편광시킨다면, 편광안경에서도 왼쪽 안경알은 -45도, 오른쪽 안경알은 45도 편광필터로 만들 경우 -45도로 진동하는 빛으로 이루어진 왼쪽 이미지는 45도의 오른쪽 안경알을 통과하지 못하게 되고, 오른쪽의 경우에도 마찬가지가 되어 결과적으로 각각의 눈에 맞는 영상 하나만 인식되게 하는 것이다.

편광방식은 편광필터라는 것이 빛을 일부 흡수해 버리는 구조상 전체적인 빛의 투과량이 낮아지기 때문에, 디스플레이 장치 표면에 부착하는 편광필터에 편광안경까지 더해져 상당한 광량감소가 온다는 단점을 가지고 있다. 디스플레이 장치의 표면에 부착하는 필터를 탈부착식으로 만들기 곤란함에 따라(실제로 디스플레이 장치의 표면에 필터를 부착할 때엔 거의 반도체 공장 수준에 가까운 청결도가 유지되어야 한다고 한다) 일반 2D화면 사용시에도 편광필터에 의해 광량이 떨어져 버리므로, 이에 대한 대책으로 밝기가 상당히 밝은 제품을 베이스로 사용해야 할 필요성이 있다.

비록 위와 같은 단점들을 가지고 있지만, 편광방식은 두 채널의 이미지을 분할하는 방향에 따라 좌우나 상하 한 방향으로의 시야각을 굉장히 넓게 가질 수 있다. 일반적으로는 다수가 시청할 때의 위치를 감안하여 가로 방향으로 좌우 이미지를 분할하여 좌우시야각을 확보하는 편이다. 그렇게 편광방식은 좌우 시야각을 거의 180도에 가깝게 확보할 수 있으므로, 다수 시청용으로 적합하다고 할 수 있겠다. 다만 좌우 시야각을 확보할 경우 상하 시야각을 포기해야 하므로(상하 시야각은 대략 10도 정도), 고개를 약간만 젖혀도 양 눈의 높이 차이 때문에 화상이 깨져보이는 일이 생긴다. 그것을 막기 위해 일반적으로 사용하는 선편광 방식 이외에 원편광 방식을 사용하기도 한다.

▲ 편광필터의 작용 및 선편광과 원편광의 차이
선편광된 빛은 위-아래와 같은 2차원적인 움직임을 보이지만 원편광의 경우엔 선편광적인 움직임과 동시에 회전까지도 하는 모습을 보여준다.

선편광과 원편광의 차이는 쉽게 말해 선편광의 경우 통과시키는 빛의 진동방향이 이쪽과 저쪽 따위로 표현할 수 있는 두 방향의 선적인 움직임을 보이는데 비해, 원편광은 원편광 필터를 통과하는 빛의 진동이 원형으로 형성된다는 차이가 있다. 원편광의 경우 상하시야각도 어느정도 확보되어 고개를 약간 젖히는 정도로는 화상이 깨어지지 않게 만들 수 있지만, 경우에 따라 양 채널의 색이 섞여버리기 쉽다는 문제(Crosstalk)를 가지고 있다.

편광방식은 1852년에 W.B.Herapath에 의해 편광판이 발명되고 1891년에 미국의 Anderton이 편광원리를 입체투영에 사용하는 방법을 제안하였으므로 역사가 상당히 오래된 방식이다. 그 후 1935년에 E.H.Land가 편광판을 사용한 입체필름 방식을 발표하였는데 이것이 오늘날 널리 사용되고 있는 편광필터에 의한 입체표시방식의 첫 실용화라고 할 수 있다.

오랜 역사만큼이나 예로부터 편광방식은 입체영화나 만국박람회 등의 이벤트로 널리 사용되고 있는데, 그 대표적인 예로는 캐나다의 IMAX사가 EXPO’90(오사카)의 산토리 관에서 전시한 IMAX 3D가 있다. 또, 입체 TV시스템에의 응용으로는 NHK가 개발한 입체하이비전 시스템이 주목되고 있다. 이 시스템은 입체하이비전이 갖는 뛰어난 임장감과 고화질의 장점이 있기 때문에 편집처리기술에서 설명한 바와 같이 여러 가지의 입체하이비전 프로그램 소프트웨어가 제작되게 되어 각 방면에서 실용화가 진전되고 있다. 그리고 이제까지 도카이대학 해양과학 박물관이나 메이텍 고오베 테크노센터 등에 상설된 예와 함께 의학응용으로 뇌외과 수술·안과수술에 사용된 실적도 있다.

하지만 안경을 써야 된다는 문제와 극장용으로 사용할 경우 특수 스크린과 같은 추가 장비가 필요하다는 문제가 편광방식의 대중화에 걸림돌이 되고 있다. 입체화면의 품질이 좋은 대신 안경을 써야 한다는 점은 안경을 쓰는 것을 번거롭게 여기는 것이 보통의 인식인 관계로 주로 1회성 감상용 및 전문 작업용으로 적합해 보인다. 또한 극장용으로 사용할 경우 추가적인 장비가 필요하다는 문제는 극장용 추가장비의 가격이 저렴해지고 편광방식을 이용하여 3D로 볼 수 있는 영화 컨텐츠가 본격적으로 보급되기 시작한다면 충분히 해결이 가능한 문제이다. 실제로 기존 필름영화 컨텐츠를 입체화 시키기 위한 작업이 헐리우드를 중심으로 활발히 이루어지고 있으므로 좌우시야각에서 강점을 가지는 편광방식의 극장용으로의 보급 가능성은 꽤나 고무적인 상태이다.

* 편광현상에 대한 자세한 정보 : http://physica.gsnu.ac.kr

| 시분할 방식

시분할 방식은 하나의 화면에서 좌우 채널의 이미지가 빠른 속도로 번갈아 가면서 나타내는 화면을 셔터안경 등을 이용하여 빠르게 차단과 개폐를 반복하여 한쪽 눈에 한쪽 방향의 이미지만 들어갈 수 있도록 만드는 방식이다. 이때의 좌우 전환속도는 초당 60회 이상으로 빠르게 작동하여 실제 눈으로는 깜빡임이 느껴지지 않게 만든다.

▲ 시분할 방식 가상 3D Display의 구조도

좌우를 빠르게 번갈아가며 전환시키면서 셔터안경을 이용하여 양쪽 눈에 각각의 방향에 맞는 이미지를 넣어주는 방식은, 예를 들자면 화면에서 오른쪽 채널이 출력되고 있을 때 셔터안경에선 전자적인 작동으로 왼쪽 눈을 가려주고, 그다음 바로 왼쪽 채널이 출력될땐 셔터안경에서 오른쪽 눈을 가려주는 것이다. 이러한 작동이 초당 60회 이상의 속도로 빠르게 이루어지면서 우리가 느끼기엔 마치 두 개의 화상이 동시에 하나의 화면에서 출력되는 것처럼 느끼게 되고, 두 채널의 화상이 뇌 속에서 합쳐서 입체감을 느끼게 된다.

이렇게 빠르게 화면을 전환시키는 동작에는 흔히 브라운관이라고 부르는 CRT의 동작원리를 이용한다. CRT는 그 구조상 초당 60회 이상의 속도로 화면을 빠르게 깜빡거리며 화상을 출력하는데, 그 초당 60회 이상 깜빡거리는 특성을 이용하여 깜빡거릴 때마다 좌우의 이미지를 한번씩 번갈아 가면서 출력시키는 것이다.

일반적인 연구결과에 따르면 우리의 눈은 초당 60회(60Hz로 나타낸다) 이상의 깜빡임은 시각적으로 느끼지 못한다. 따라서 일반적으로 CRT의 깜빡임 횟수(Frequency)가 초당 60회 이상이므로 2D 화면을 보는데에는 큰 문제가 없다. 하지만 가상 3D를 구현하기 위해서 좌우 채널이 주파수를 반씩 나눠가지게 될 경우 실질적으로 눈이 느끼게 되는 주파수는 초당 30회, 즉 30Hz가 된다. 30Hz 정도의 주파수는 사람의 눈으로 보았을 때 깜빡임(Flicker)을 느낄 수 있는 수치로써 지속적으로 깜빡이는 화면을 보게 되어 눈이 쉽게 피로해진다. 따라서 CRT의 성능을 올려서 120Hz나 그 이상의 주파수를 가지는 CRT를 만들어 내거나 해상도를 반으로 줄이면서 60Hz로 120Hz의 효과를 내는 등등 눈으로 느껴지는 플리커를 최소화 하기위한 다양한 기술적 연구들이 이루어지고 있다.

아무래도 시분할 방식은 CRT에서 최적화될 수 있는 방식인 만큼 최근 모니터 시장의 주류가 CRT에서 LCD로 변화됨에 따라 최근엔 LCD를 이용한 시분할 방식도 연구되고 있다. 하지만  LCD는 CRT와는 다르게 화면이 60Hz 이상 빠르게 깜빡이면서 화면이 출력되는 방식이 아닌 액정의 전압에 따른 결정/무결정 반응을 이용하는 완전 다른 방식임에서 오는 잔상 특성(색상 및 밝기에 따라 반응속도가 일정하지 못하다) 및 반응속도 특성(현재 아무리 빠른 반응속도의 LCD라도 CRT의 주파수로 환산하면 대략 60Hz 수준의 속도에 머무르고 있다) 때문에 CRT를 사용했을 때 만큼의 성능은 당장은 기대하기 무리인 상태이다. 하지만 LCD의 응답속도를 개선시키는 Overdrive 회로 같은 기술이 하나 둘씩 나오고 있는 상태이므로 근미래에 LCD 체제에서 부활할 시분할 방식을 충분히 기대해 볼 만한 상황이다.

시분할 방식의 장점은, 앞서 알아보았던 편광방식보다도 훨씬 시야각에서 자유로울 수 있다는 데에서 찾을 수 있다. 단순히 똑같은 화면에서 좌우 채널만 번갈아 가면서 출력되는 것이기 때문에 상하좌우 모든 방향의 시야각에서 전혀 손실이 없다. 따라서 얼마든지 자유로운 자세로 가상 입체 화면을 볼 수 있는 큰 매리트를 가지고 있다. 하지만 편광방식과는 다르게 안경에 전자적 장치(주로 흑백 LCD를 이용한다)를 하여야 하기 때문에 안경에 선을 달거나 무선 센서를 다는 등의 전자적 장치 요소들이 안경의 디자인을 자유롭지 못하게 만들고 덩달아 안경의 가격이 상대적으로 비싸기 때문에 극장 같은 곳에서의 사용을 어렵게 하는 문제가 있다(시분할 방식에 편광방식을 응용하여 셔터 자체를 스크린에 부착하고 관찰자가 편광안경을 끼고 보는 방법도 개발되었으나 이 경우 시야각에서 손해를 볼 뿐만 아니라 스크린의 설치비가 매우 높아진다). 따라서 시분할 방식은 가정이나 사무실 용으로 많이 개발되고 있는 실정이다. 1986년에 일본 Victor사에서 개발한 NTSC방식의 입체화상을 기록한 VHD입체 비디오 디스크도 가정용으로 개발된 것이였다.

박람회용의 규모가 큰 시분할 방식 시스템으로써는 캐나다 IMAX사가 EXPO’90(후지쯔 파필리온)에서 공개한 전천주(全天周) 컬러 3차원 입체영상 투사방식이 있다. 지름이 24m인 돔에 좌우화상을 교대로 시분할 표시하고 90Hz로 개폐하는 무선 액정셔터 안경을 쓰고 보는 것인데, 관객의 시야전체를 덮을 만큼의 거대한 공간에 시분할 방식의 시야각적인 장점이 더해져 압도적인 박력과 임장감을 갖는 입체 CG영상을 상영하였다.

기타 안경방식들 중 잘 알려진 것으로는 HMD 방식과 색차(Anaglyph)방식 정도가 있다.

| HMD 방식

▲ HMD 방식 가상 3D Display의 구조도

HMD는 Head-Mount Display의 약자로, 말그대로 머리에 디스플레이 장치를 쓰고 눈 바로 앞에서 화면을 띄운 후 눈의 바로 앞에 디스플레이 장치를 부착하더라도 렌즈를 이용해 눈으로 초점을 맞춰 선명하게 볼 수 있게 해서 가상 입체화면을 구현하는 방식이다. 따라서 안경방식은 안경방식이되 다른 안경방식과는 완전히 다른 구조를 가지고 있다고 할수 있다. HMD의 경우 작은 크기의 장치로 대화면을 구현할 수 있는 장점 및 다른 방식들에 비해 상대적으로 해상도 저하가 없다는 장점과 함께 무엇보다도 시야각의 제약이 없다는 장점이 있으나, 부피가 큰 안경과도 같은 장치를 머리에 쓰고 있어야 함에서 오는 불편함과 화면이 눈의 가까이에 있는 구조로 인한 피로도 문제, 작은 화면으로 고해상도를 구현해야 하는 기술적 문제를 가지고 있다. 물론 SF 영화에서나 볼 수 있을 만큼 일반적인 안경 수준까지 부피를 줄여서 구현이 가능하다면 1인 사용 용도로써는 가장 실용성이 높은 방식이라고 할 수 있다.

| 색차방식

▲ 색차방식 가상 3D Display의 구조도

놀이동산에서 한번쯤은 봤을법한 색차방식은 한쪽엔 붉은색, 다른 한쪽엔 파란색으로 된 색안경을 가지고 양 채널의 화상을 색상 차원에서 분리하여 입체를 구현하는 방식이다. 색차방식을 통한 가상 입체화면을 본 경험이 없더라도 충분히 예상이 가능하겠지만, 입체감의 품질을 떠나 색안경을 사용하는 만큼 컬러의 왜곡 문제가 있어 색차방식은 점점 쇠퇴하고 있는 추세이다. 그런데 여기서 한가지 흥미로운 사실은, 필자의 기억으로는 색차방식의 색상 왜곡효과를 오히려 역으로 장점으로 이용하여 공포소설의 삽입 일러스트에 색차방식 입체이미지를 사용하던 것이 유행했던 기억이 난다. 참고로 색차 방식은 1853년에 Rollman에 의해 2색 입체표시방식의 원리가 제시된 후 1858년에 d`Almeida에 의해 발표된 방식으로, 편광방식 만큼이나 역사가 오래된 방식이다.

무안경 방식이 본격적으로 전자적인 가상 3D Display 기기에 본격적으로 이용되기 시작한 시기는 LCD와 같은 평판 디스플레이가 본격적으로 생산되기 시작한, 안경방식에 비해 상당히 늦은 20세기 말 부터인데, 그 이전에는 주로 디스플레이 장치가 CRT였던 관계로 CRT는 화면의 표면이 완전 평면이 아닌 볼록한 곡면이여서 무안경 방식의 구조적 특성상 안경방식에 비해 평면이 아니면 적용이 힘들었기 때문이다. 따라서 무안경 방식 가상 3D Display 기기는 안경방식에 비하여 상대적으로 아직 시작 단계이므로 발전가능성이 많다고 할 수 있으며, 또한 안경을 사용하지 않아도 되기 때문에 일반적인 인식 상으로도 안경방식에 비해 강점을 가지고 있는 것이 사실이다. 다만 대체적으로 안경방식에 비해 시야각의 제약이 많아 다수시청용으로는 별로 적합하지 못하다는 것이 가장 큰 숙제로 남아있다.

| Parallex Barrier 방식

패러렉스 베리어(Parallex Barrier) 방식은 패러렉스 베리어로 불리는 가느다란 슬릿상의 개구부 뒤쪽에 적당한 간격을 두고 좌우 2안분의 화상을 교대로 배치하여 특정한 시점에서 이 개구부를 통해 보았을 때 정확하게 양쪽 화상을 분리해서 볼 수 있는 방식이다. 쉽게 말하자면 편광방식같은 광학적 기술을 사용하는 것이 아니라 단순히 좌우 채널을 벽으로 막아 구분시키는 것이다.

▲ Parallex Barrier 방식 가상 3D Display의 구조도

다시말해, 패러렉스 베리어 방식은 디스플레이 장치의 화면에서 세로방향으로 번갈아 가며 좌우 화상을 표현한 후 시선에 따라 좌우 각각의 채널이 보이지 않도록 무수히 많은 막대를 앞에 세워놓는 것이다. 그 패러렉스 베리어로 불리는 앞의 벽 때문에 일정 시점에서 바라볼 때 오른쪽 눈은 왼쪽 화상을 못보며 왼쪽 눈은 오른쪽 화상을 볼 수 없게 되고, 따라서 결과적으로는 안경을 착용하지 않고도 두 채널의 이미지를 적절히 구분시킬 수 있게 된다.

패러렉스 베리어 방식은 특별히 광학적인 기술을 사용하는 것이 아닌 단순한 시야가리개 정도의 구조로 이미지를 구분시키므로, 설계 당시에 의도했던 위치에서가 아니면 시선이 벗어나 화상이 깨져보이는 문제가 있다. 이 위치의 제약엔 좌우 위치 및 전후 위치까지도 포함된다. 시야각의 경우 세로로 이미지를 나누므로 상하시야각은 충분히 확보되지만 위에서 언급했던 것처럼 좌우시야각은 7도 정도로 별로 좋지 못한데, 베리어에 의해 좌우에서 바라보는 각도에 따라 여러개의 관찰가능영역(Viewing-Zone)이 생기긴 하지만 이 역시 일정 위치에서만 생기므로 다수 시청용으론 그다지 적합하지 못하다. 따라서 패러렉스 베리어 방식은 1~3명 정도의 소수의 인원이 안경없이 간편하게 이용할 수 있는 방향으로 개발이 많이 되고 있는 편이다. 그리고 이 외에 2D모드로 사용시 베리어가 화면의 밝기를 떨어뜨림과 동시에 사람에 따라서는 2D 회면에서 베리어가 눈에 거슬리게 느껴질 수도 있다.

패러렉스 베리어 방식은 100여년 전인 1903년에 미국의 F.E.Ives가 처음으로 제안하였다. 그후 한동안은 여러가지 기술적인 한계로 연구 단계에 머물고 있다가, 20세기 말에 들어서 미국 일리노이대학과 미국 DTI사, 일본 NHK방송 등에서 패러렉스 베리어 방식 하에서 다양한 방법으로 가상 입체화상 구현 시도를 함으로써 다시 인정받게 되었다. 현재는 대표적으로 무안경 방식을 주로 개발중인 일본 Sharp사에서 패러렉스 베리어 방식을 사용한 다양한 제품들을 출시하고 있는데, Sharp사의 출시 품목들은 주로 시야각이 좁은 특성을 갖는 무안경 방식을 사용하는 제품들 답게 3D LCD 탑재 노트북과 3D 핸드폰 등 개인 사용자 위주의 제품들이 주류를 이룬다. 참고로 Sharp사는 최근 패러렉스 베리어 방식을 이용한 2중 2D 화면 출력 모니터도 출시한 상태이다(ZDNet Korea 뉴스).

| Lenticular 방식

렌티큘러(Lenticular) 방식은 렌티큘러 렌즈를 세로로 배열시킨 렌티큘러 스크린을 통해 좌우 화상을 굴절시켜 양 눈으로 각각의 화상을 보내는 방법을 사용한다. 따라서 위의 패러렉스 베리어 방식에 비하면 능동적인 구조를 갖는다고 할 수 있다.

▲ Lenticular 방식 가상 3D Display의 구조도

이 렌티큘러 방식은 이미 일상생활에서도 많이 이용되고 있는데, 그림엽서의 입체사진이라던가 신발의 다중이미지 상표 등등이 바로 그것이다. 그런 입체사진이나 다중이미지의의 표면을 보면 울퉁불퉁하고 투명한 막이 입혀져 있는데, 그것이 바로 렌티큘러 스크린이고 렌티큘러 스크린 상의 울퉁불퉁한 면의 한줄 한줄이 다 각각의 렌티큘러 렌즈이다.

렌티큘러 방식은 패러렉스 베리어 방식에 비하여 밝기의 저하가 덜하고 2D 화면상에서 베리어 같이 눈에 거슬릴 수 있는 구조물이 없는 장점이 있으나, 2D 화면에서는 렌티큘러 렌즈 각각의 곡면이 눈에 거슬리게 보일 수 있으며 대형화 하기 위해서는 패러렉스 베리어 방식에 비해 상당히 어려운 광학적 기술력 및 많은 비용이 든다는 단점이 있다. 또한 시야각 특성도 패러렉스 베리어 방식에 비해 별로 나을 것이 없어, 패러렉스 베리어 방식보단 약간 낫긴 하지만 그래도 마찬가지로 설계 당시 의도했던 위치에서 조금만 벗어나도 상이 깨져 보이는 단점이 있다. 따라서 이런 시야각 특성상 렌티큘러 방식도 패러렉스 베리어 방식처럼 1인 및 소수가 사용할 수 있는 용도로의 개발에 초점이 맞추어져 있는 경우가 많은데, 1994년 가을부터는 업무용 비디오게임의 분야에서 실용화가 시작되어 있다.

렌티큘러 방식 자체의 역사는 패러렉스 베리어 방식만큼이나 오래되었는데, 이미 1932년에 H.E.Ives가 렌티큘러 스테레오의 특허를 취득하였을 정도이다. 그러나 가공기술이나 재료 기술이 미숙하여 오랫동안 제구실을 못했었는데, 그 후 1960년대에 접어들어 정밀가공기술이나 플라스틱 공업, 사진·인쇄 기술 등의 기술이 진보됨에 따라 렌티큘러 화상기술도 전반적으로 현저하게 진보하였다. 일상생활에서 접할 수 있는 입체사진도 대략 이때부터 생산되기 시작했다. 최근엔 렌티큘러 방식을 응용한 실사 입체사진 분야의 상용화에 대해서도 활발하게 연구되고 있는 등, 렌티큘러 방식은 예전부터 전자적인 입체 디스플레이 분야보다는 주로 광고나 제품장식 같은 쪽으로 많이 활용되고 있는 상태이다.

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여기까지 위에서 알아본 4가지 방식들을 표로 요약하자면 아래와 같다. 각 항목당 10점 만점 기준 상대평가이며, 참고로 이용편의성은 안경 착용여부 및 2D화면 이용시의 문제를 중점적으로 평가한 점수이며 기술난이도는 실제 제품을 만들기 쉬울수록 높은 점수를 매긴 것이다. 어디까지나 필자가 수집한 데이터 및 실제 사용경험을 토대로 한 필자의 다소 주관적인 판단에 따른 것이므로 참고 정도로만 보시면 되겠다.

이용편의성 시야각 기술난이도 대형화 향후전망 편광 7 6 8 10 10 시분할 6 10 6 7 4 Parallex Barrier 9 1 10 1 8 Lenticular 10 2 7 2 7

▲ 가상 3D Display 방식 정리

아무래도 편광방식이 향후 전망은 가장 좋아보이는데, 안경을 써야한다는 제약이 있긴 하지만 시야각 및 기술적인 면에서 비교적 저비용으로도 쉽게 실용화와 대형화가 가능해, 전체적으로 평균 이상의 무난한 수준을 유지하며 개인용과 다수시청용 양쪽 모두에 가장 대응하기 쉬운 방식이기 때문이다. 다만 편광방식은 안경을 써야 한다는 점에서 가정용 TV의 입체방송엔 아무래도 대응하기 힘드므로, 전문가용 모니터 시스템이나 극장용 다수시청 시스템의 개발에 주력하는 쪽이 성공가능성이 높아보인다. 따라서 현재 편광방식의 가장 큰 과제는 안경을 사용함에서 오는 불편함을 수고스럽게 생각하지 않을 정도의 뛰어난 극장용 가상 입체 컨텐츠들을 활발히 생산하는 것이 아닌가 한다.

패러렉스 베리어 방식은 비록 시야각 특성과 대형화 가능성은 별로 좋지 못하나 다른 방식에 비해 상대적으로 제작이 쉽고 무엇보다 무안경 방식이라는 강점이 있어 가정용 TV의 입체방송용으로 널리 보급될 수 있는 가능성이 높다고 하겠다. 이에 비해 렌티큘러 방식은 패러렉스 베리어 방식에 비해 기본적인 성능은 약간 더 좋으나 만들기가 상대적으로 어렵다는 문제 때문에 가정용 입체TV 중 고급 모델에 채용되거나 전문작업용 모니터로서 활용될 수 있는 가능성이 높을 것으로 전망된다. 또한 렌티큘러 방식의 경우 입체사진 분야에서도 쉽게 활용이 가능한 강점을 가지고 있기 때문에 실사 출력물을 활용하는 가상 입체화상 영역에서도 얼마든지 선전이 가능한 매리트가 있다.

시분할 방식의 경우 위 4가지 방식 중에선 상대적으로 소인원 다수시청용과 소수의 전문작업용으로 적합한 모델이라고 할 수 있다. 다만 CRT 시장이 점점 쇠퇴해 감에 따라 시분할 방식도 LCD와 같은 평판 디스플레이 체제로 이전해야 할 필요성이 있으며, LCD체제에서 CRT만큼의 응답특성을 확보하는 것이 가장 관건이다. 또한 셔터안경의 소형화와 무선화도 큰 과제로 남아있다. 그리고 평가항목엔 들어가지 않았지만 HMD 방식의 경우에도 소수의 전문작업용으로 가장 적합한 모델임이 분명하다. HMD방식은 또한 놀이동산과 박람회 등에서의 가상현실 체험 코스 같은 곳에서 이용되고 있듯이 특정한 장소에서의 유희적 목적으로도 충분히 활용 가능성이 높다. 다만 위의 4가지 방식보다도 더 고차원적이고 복합적인 기술력이 필요한 단점 및 HMD 기기 자체의 소형/경량화 문제가 아직까지 남아있는 상태이다.

이 외에 입체 홀로그램 방식 같은 이 글에서 자세히 다루지 않은 리얼 3D Display 방식의 경우엔 아직도 학교나 기업의 연구실에서 연구를 진행하는 단계에 머무르고 있어, 실용화까지는 아직도 갈 길이 먼 상태이다. 일단 최소한 향후 5~10년까지는 현재의 2D 디스플레이 체제에서 쉽게 적용이 가능한 가상 3D Display 방식이 주류를 이루게 될 것으로 전망된다.