College Of Engineering
서울공대 이야기
서울대 이병호 교수팀,
눈의 피로감 없는 3차원 디스플레이 기술 개발

- 토모그래피 기법 응용해 시각적 피로 및 어지러움 해결


▲서울대 전기정보공학부 이병호 교수 연구팀 (이병호 교수 (좌), 이승재 연구원 (우))
 
서울대 공대(학장 차국헌)는 전기정보공학부 이병호 교수팀이 기존 3차원 디스플레이의 한계를 뛰어넘은 토모그래피 3차원 디스플레이를 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구로 3차원 가상현실(VR) 및 증강현실(AR)을 위한 헤드마운트형 디스플레이(Head-Mounted Display, HMD)가 유발하는 시각적 피로, 어지러움, 메스꺼움 등의 문제를 해결할 수 있게 됐다.
 
기존의 3차원 디스플레이에서 눈의 피로감이 발생하는 이유는 3차원 영상을 보기 위해 두 눈의 각도가 모이는 위치와 깨끗한 영상을 보기 위해 눈의 초점이 맺는 위치가 서로 다르기 때문이다. 이에 연구팀은 두 눈의 초점이 같은 위치에서 맺어지고, 수십 개의 위치 변화가 가능한 새로운 디스플레이 기술에 착안했다.
 
연구팀이 제안한 토모그래피 디스플레이는 3차원 물체로부터 나오는 빛의 분포를 다수의 단층 이미지들로 재현하는 기법이다. 여기에서 핵심 기술은 정확한 빛의 분포 재현을 위한 단층 이미지 조합을 찾는 것. 연구팀은 컴퓨터단층촬영(Computed tomography, CT) 기법에 착안해 실제 빛의 분포를 수치해석적으로 역투영시켜 최적의 단층 이미지 조합을 찾아냈다.
 
그리고 이러한 단층 이미지를 고속 공간 변조 백라이트(Backlight), 액정 디스플레이 패널, 가변 초점 렌즈의 조합으로 재현했다. 이때 가변 초점 렌즈의 초점거리, 백라이트와 디스플레이 정보의 변화를 통한 눈의 잔상효과를 이용해 피로감 없는 입체영상을 만들어내는 데 성공했다.
 
연구팀이 실험적으로 입증한 토모그래피 디스플레이는 80장 이상의 단층 이미지를 해상도와 프레임 저하 없이 생성할 수 있다. 80장의 단층 이미지는 눈에서부터 약 18cm부터 수십 m 사이에 분포할 수 있는 넓은 깊이 표현 범위를 갖는다.
 
이러한 기술은 기존의 3차원 디스플레이를 이용할 때의 시각적 피로감에서 벗어나게 하며, VR 및 AR 시스템의 상용화를 위한 편안한 사용자 경험을 이끌었다는 점에서 주목할 만하다. 또한 새로운 형태의 3차원 디스플레이 영화관에도 응용될 수 있다.
 
이병호 교수팀의 이승재 연구원은 “토모그래피 디스플레이를 통해 그 동안 난제로 여겨졌던 양안식 3차원 디스플레이의 시각적 피로 문제를 해결했다”며, “이 연구 결과를 확장시켜 최종적으로 안경식 토모그래피 디스플레이를 구현할 것”라고 전했다.
 
이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 7일자로 게재되었다. 해당 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원(IITP)의 디지털콘텐츠 원천기술 개발사업의 지원을 받았다.
 

▲토모그래픽 3차원 디스플레이의 원리. 고속 공간 변조 백라이트, 액정 패널, 가변 초점 렌즈를 동기화 하여 다수의 단층 이미지를 여러 깊이에 재현. (서울대 공대 제공)



▲토모그래픽 3차원 디스플레이 프로토타입 촬영 사진. 18 cm 부터 광학적 무한대에 이르는 넓은 깊이 표현 범위를 가짐. (서울대 공대 제공)
 
[해당 논문]
S. Lee, Y. Jo, D. Yoo, J. Cho, D. Lee, and B. Lee, ‘Tomographic near-eye displays’ Nature Communications, 10, 2497 (2019).
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10451-2
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