선반교육을 위한 가상훈련 콘텐츠는 선반을 사용하는 방법에 대한 기본적인 이해와 운용법을 익힌 후, 이를 활용한 다양한 실습을 가능하게 하는데 주 목적이 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 모션 센싱장치(라이트하우스), 스테레오 영상장치(Head Mounted Display, HMD), 가상현실컨트롤러, 그리고 PC 로 구성된 몰입형 교육 플랫폼을 구축하였다.

<그림 1>은 본 연구를 통해서 개발된 선반교육을 위한 VR 시스템의 신호 흐름도를 보여준다. 학습자는 가상현실 컨트롤러(VR controller)를 손으로 쥐고 움직이면서 가상환경 내에서 구축된 범용선반을 조작한다. 이때 사용자의 움직임은 모션 센싱 장치(라이트하우스)에 의해 획득되고 PC 내에 있는 사용자 명령 해석부에서 해석된다. 해석된 정보를 기반으로 하여 사용자의 손의 궤적과 현재 시간에서의 손의 위치를 계산한다. 계산된 위치와 궤적은 가상환경 내의 범용선반 장비의 속성 및 형상을 기반으로 충돌정보 및 장비의 움직임 등을 시각화하여 시각장치 (HMD)를 통하여 사용자에게 전달한다. 시각적 정보뿐 아니라 사용자가 범용선반 장비를 조작할 때 진동을 통하여 조작감을 사용자에게 전달한다.

선반교육을 위한 VR 콘텐츠는 Autodesk 3Ds Max 2017을 이용하여 모델링하였으며 작은 공구 및 도구는 3D 스캐너를 이용하여 3차원 모델을 구축하였다. 대부분의 가상객체들은 다양한 PC에 최적화되어 표현될수 있도록 저 폴리곤(Low polygon) 및 고 폴리곤 (High polygon) 모델로 나누어 제작하였다. 또한 고 폴리곤 모델이 아닌 저 폴리곤을 이용한 모델을 사용할 때에는 물체를 정밀하게 표현하기 쉽지 않기 때문에 폴리곤 수를 적게 한 채로 세세한 부분까지 추가하기 위해 법선매핑을 사용하였다.

이와 같이 모델링된 범용선반은 3Dmax로 모델링 후 스킨 작업을 하였으며, 사실감을 증대시키기 위해 Unwrap UVW로 작업하여 매핑(Mapping) 작업을 함으로 텍스쳐를 구축하였고, 포토샵으로 구축된 텍스쳐 이미지들을 자세하고 사실적으로 표현하기 위해 모델링한 선반 파트들을 구간별로 나누어 작업하였다. <그림 2(a)>는 3D max를 통해서 모델링한 wireframe으로 표현한 그림이고 <그림 2(b)>는 솔리드 모델을 보여준다. 그리고 <그림 2(c)>는 텍스쳐를 UVW mapping을 통해 사물의 크기에 맞게 입힌 후의 최종 모델을 보여준다. 본 연구에서는 텍스쳐 입힌 모델을 Unity3D를 이용하여 가상환경 내에 위치시키고 원하는 형상으로 렌더링하여 더욱 몰입도가 높은 VR 시스템을 구축하였다. 또한, 본 연구에서는 시각적 현실감을 효율적으로 높이기 위해서 텍스쳐 매핑 뿐 아니라, 선반 데이터의 전처리, 실험실 환경 및 지형지물의 제작, 모델의 단순화, LOD (Level of Detail) 등의 다양한 방법을 이용하였다. 지형지물 데이터는 3차원 좌표계를 기반으로 한 메쉬를 구성하였다. 이렇게 구성된 메쉬들은 실시간으로 처리하기 매우 어렵기 때문에 메쉬 수를 줄이는 간략화 작업을 수행하였다.

가상현실 내에 있는 객체들을 효율적으로 처리하기 위해, 가상 객체들을 아바타, 동적객채와 정적객체로 나누어 개발하였다. 강의자의 컨트롤러 등을 아바타로 정의하였고, 사용하는 장비들 및 결과 이미지들을 동적객체로 설정하였다. 그리고 배경 등과 같이 고정된 객체를 정적객체로 설정하였다. 강의자는 가상환경 내에 존재하는 동적 객체들을 컨트롤러를 이용하여 조작함으로써 객체를 활성화 및 이동 등을 할 수 있게 하였다. 그리고 사용자의 가상의 손과 선반과의 충돌처리를 위하여 물체의 프락시를 Collider 컴포넌트를 이용하여 설정함으로써 효율적인 충돌처리 알고리듬을 구현하였다. 또한 물체에 질량, 저항, 회전 운동저항, 중력, 관절운동처리 여부를 부가하여 외부에서 특정한 힘을 인가하였을 때 물리특성에 따라서 움직일수 있도록 하였다.

본 연구에서 사용한 선반은 다양한 조인트 등을 가지고 있다. 특정 포인트 및 축 주변을 회전하도록 해 주는 힌지 조인트, 브젝트가 떨어진 상태를 유지하되 그 사이의 간격이 약간 벌어질 수 있는 스프링조인트 등을 부여하여 실재감을 높였다. 또한 가상환경 내에서 다양한 데이터를 생성/표시/저장/변경하는 부분을 사용자 인터페이스 부분(체크박스, 텍스트)과 분리하고 사용자 인터페이스 부분과 데이터를 처리하는 부분 사이를 관리하는 부분을 따로 분리하여 렌더링 된 가상물체와 데이터 부분을 서로 영향 없이 쉽게 수정할 수 있도록 하였다. 사용자가 가상훈련 프로그램을 시작시키면 처음에 가상환경을 로딩하는 곳에서 자동적으로 메인이 되는 환경을 로딩하고 매인 환경에서는 배경 환경을 같이 로딩한다. 이때 각 메인씬은 GUI 요소와 실습요소를 담고 있으며 배경 씬은 기능적인 요소를 포함하지 않게 구현하였다. 또한 GUI 요소들은 트리구조로 이루어진 학습데이터를 읽어서 기본 콘텐츠를 구성하였다.

본 VR 콘텐츠는 크게 선반의 형상과 구성품에 대한 교육 및 시나리오 기반으로 제작되었다. 이에 따라 선반의 작동원리에 대한 교육이 가능하도록 구성하였으며, 사용자가 직접 작동하여 반복적으로 조작할 수 있도록 하였다. 사용자가 기기의 각 부분에 대한 조작을 정확하게 할 수 있도록 작동 방향에 대한 표기를 명확하게 하고, 작업 순서에 맞춰 다음 번에 조작할 것을 표기하여 동작 순서를 제시할 수 있도록 제작하였다.

단선적이고 순차적인 기능 위주의 실제 실습환경에는 학습자가 주어진 교육 매뉴얼의 절차에 따라 수행해 나가는 프로세스를 따르지만, 상호작용 및 사용자 인터페이스가 고려된 교육환경은 사용자가 자기주도적인 작업 프로세스를 수행하도록 촉진한다[13]. <그림 3(a)> 는 개발한 VR 콘텐츠의 초기 화면이다. 사람이 가장 잘 볼 수 있는 화면의 가운데 부분에 두 개의 메인 메뉴(학습모드 및 실습모드)를 배치하였다. 사용자가 학습모드를 선택한 후 하위 메뉴 중 하나인 기본 작업메뉴를 선택하게 되면 선반을 이용하여 공작물을 어떻게 처리해야 하는지에 대한 설명을 보여준 후(<그림 3(b)>) 사용자가 설명대로 선반을 구동하게 하였다.

본 가상현실 콘텐츠에서 각 메뉴들의 조작은 사용자가 직접 컨트롤러를 이용하여 메뉴를 선택하게 하였다. 이를 위하여 컨트롤러에서는 레이저포인터가 발사된다고 가정하고(<그림 4(a)>), 레이저포인터가 UI 버튼에 접근하게 되면 롤오버 이미지로 포인팅 중인 메뉴를 <그림 4(b)>와 같이 강조하게 하였다. 이때 사용한 컨트롤러의 트리거 버튼을 누름으로써 메뉴를 최종선택하게 하였다.

본 가상훈련 콘텐츠는 크게 학습모드와 실습모드로 구분되어 구성되어 있다. 학습모드에서는 선반에 대한 기본적인 개념을 숙지할 수 있도록 하였으며, 범용선반 외관, 선반 이송핸들을 조작하는 방법, 선반 시동 및 속도를 변환하는 방법, 그리고 공작물 등을 바이트에 고정하는 방법 등도 학습할 수 있도록 하였다. 그리고 실습모드에서는 단면가공방법 및 원통가공방법, 평행축 가공방법 및 다단축 가공방법을 실습할 수 있도록 하였다.

특히 학습콘텐츠의 특성상 실습이 매우 중요한데, 실습모드에서는 다양한 가공 작업을 체험할 수 있도록 <그림 5>와 같이 도면선택 (a)→ 자료선택 (b)→ 전원인가(c)→ 스핀들 돌림(d)→ 주축속도 변환레버 조작(e) →속도 변환레버 조작(f) → RPM설정(g) → 시동레버 작동(h) → 실습종료 및 결과 확인 후 리셋(i)의 순으로 학습단계를 구성하여 실습을 진행할 수 있도록 하였다.

범용선반 시뮬레이터를 이용한 장비실습에 대한 전반적인 만족도는 5점 만점에 평균 4.23으로 비교적 높게 나타났다. 90% 이상의 사용자들이 범용선반 시뮬레이터에 대해 만족하고 있는 것으로 나타났다. 학습 만족은 학습자가 학습 내용에 대해 가졌던 기대 수준에 비해 그 이상의 만족감을 느끼게 되어 동일한 학습환경 및 시스템에서 다시 학습하고자 하는 욕구로 이어진다. 학습에 대한 전반적인 만족도는 학습성취와도 긴밀한 연관이 있다. 학습성취는 학습 후 학습 자체의 목표를 달성했는가의 학습결과를 의미하고 학습 만족은 학습결과에 대한 정서적, 인지적 평가, 감정적 반응이라고 할 때[14], 학습성취와 와 학습만족은 별개의 결과가 아니라 상호 영향 관계를 가지고 있다.

앞서 언급한 바대로 본 연구의 가상현실 선반콘텐츠는 기본적으로 자기주도적인 작업 프로세스 수행을 촉진하는 구조로 설계되어 있다. 학습자들은 직접 조작을 통해 작동되는 시뮬레이터를 통해 자신의 스스로 학습을 촉진하는 체험을 통해 학습성취감과 만족을 느끼고 있는 것으로 볼 수 있다.

가상현실을 구성하는 기본 요소는 콘텐츠, 하드웨어, 사용자 특성으로 구분할 수 있으며 이 세 가지 요소는 구현한 가상현실(콘텐츠)을 디바이스(하드웨어)를 통해 특정 개인(사용자)의 체험을 완성하는 요소이기도 하다[15]. 따라서 사용자의 불편감은 콘텐츠와 디바이스의 영향이 매우 크다고 볼 수 있다. 일반적으로 가상현실에서의 불편감은 사이버 멀미 및 영상 피로도가 대표적이다. 본 콘텐츠 사용에서의 불편감은 이를 포함하여 실습교육에서의 기술 및 지식 내용 습득을 중심으로 한 사용자의 불편감 정도를 측정하였다. 불편감의 구체적 영역을 제시하지 않고 전반적인 학습자의 불편감을 측정한 결과 사용시 불편감이 매우 컸다는 의견은 9%에 비해 전혀 불편감이 없었다는 의견은 72.7%로 매우 높게 나타났다. 전체적으로 ‘불편감이 있다’고 응답한 비율은 13.5%, ‘보통이다’는 의견은 4.5%이며 ‘불편감이 없다’는 79.9%로 전반적으로 불편감이 크지 않은 것으로 나타났다. 참고로 오픈 문항의 불편감의 원인으로는 콘텐츠 상에서 ‘왕복대 이동이 힘들었다’는 의견이 제시되었다. 참고로 향후 사용자 불편감 개선을 위한 VR 콘텐츠에 대한 사용자 평가 조사에서는 콘텐츠 구성, 디바이스 사용 영역을 구분하여 측정할 필요가 있는 것으로 나타났다.

마지막으로 본 콘텐츠의 효용성을 검증하고자 밸브(Valve) 사에서 개발한 가상현실 기술 데모 시스템인 Aperture Robot Repair과 사용 만족도를 비교하였다. 밸브는 2015년 가상현실/게임 개발자 학술대회의 Advanced VR Rendering session에서 공개되어 최근 여러 콘텐츠 개발 시 비교 콘텐츠로 많이 사용되고 있다. 만족도 비교 조사결과, 본 콘텐츠의 만족도는 매우 불만족 4.5%, 불만족 4.5%, 보통 13.6%, 만족 36.4%, 매우 만복 40.9%로, ‘전반적으로 만족한다’는 응답이 77.3%로 타사 장비와 비교한 사용 만족도 비교적 높게 나타났다.

이 외에 실험에 참가한 피험자들은 가상현실 기반의 콘텐츠가 “실제 실습환경과 비슷하여 좋았다” 다는 긍정적 의견을 제시하였으며, 촉각적 실재감에 대해서도 왕복대 이동은 가상현실 컨트롤러에 진동을 조어 마치 핸들을 조작하고 있는 것과 같은 느낌이 들어 훨씬 효과적이라는 의견도 제시하였다.