오락, 미디어, 정보의 형상화, 통신, 상거래, 디자인, 시뮬레이션, 교육, 화학, 예술 등 여러 분야에서 널리 활용되는 가상환경(VE:Virtual Environments)기술은 새로운 응용기술 개발로 활용범위를 넓혀가고 있다.
가상현실(VR:Virtual Reality), 가상인식(VP:Virtual Perception) 또는 가상공간(VS:Virtual Space)이라고도 불리는 가상환경은 컴퓨터를 통해 환경적 데이터를 시뮬레이션해 사용자가 그 환경 안에서 목표물을 조정, 처리할 수 있게 해준다. 가상환경은 실제상황과 똑같은 건물내부, 항공기에서 내려다본 지형, 분자내부 또는 자동차 외형 등의 시뮬레이션을 보여준다. 또 가상환경은 로봇을 원격조종해 실제상황에서 작업할 수 있게 해준다. 이처럼 가상환경 기술은 컴퓨터를 통해 시뮬레이션 세계를 연출하는 동시에 원거리에 있는 실제환경을 검토하거나 현장작업을 수행하는 원격작용 기능을 갖는다.
가상환경시스템에는 손가락이나 머리의 동작 등을 컴퓨터 명령어로 번역해 주
는 네트워크 기반의 컴퓨터시스템이 포함되어 있다. 이 기술을 적용한 디스플레이를 머리에 쓰고 머리를 왼쪽으로 돌리면 그 방향에 있는 장면이 펼쳐진다. 입력장치에 내장된 센서가 사용자의 자세를 추적해 그 정보를 컴퓨터로 보내면 그에 따라 가상세계를 변화시키는 것이다. 또한 원격현장작업 응용 프로그램을 채택, 지렛대를 움직여 원거리에 있는 로봇의 팔, 외과수술기기 또는 다른 시스템을 조종할 수 있게 해준다.
사람과 컴퓨터 사이의 의사전달은 컴퓨터가 사용자에게 정보를 전달해 주는 반면 사용자가 정보를 입력하는 형식으로 이루어진다. 이들간 의사전달의 효율성은 양측의 정보처리 능력에 달려 있는데 이때 가상환경 기술이 사람의 정보입력 작업을 최소화해준다. 가상환경 기술은 다음과 같은 특성을 가져야 한다.
·가상환경 기술은 사용자와 컴퓨터 사이에 끊임없이 흐르는 복잡한 정보를 효율적으로 처리하기 위해 때로는 매우 높은 입출력 주파수 대역폭을 필요로 한다. 가상환경시스템은 초당 몇십배의 속도로 이미지, 음향신호, 위치데이터 등을 전달해야 하기 때문이다.
·원격 외과시술과 같이 3차원 공간에서 목표물을 조정하거나 상태를 확인하려고 할 경우는 사용자에게 다양한 응용시스템을 이용할 수 있는 재량권을 허용해야 한다.
·시스템은 사용자가 입력한 데이터를 실시간으로 처리해야 한다.
·가상환경은 응용시스템과 사용자 사이의 끊임없는 상호작용을 필요로 한다. 만일 사용자가 형상화를 위해 데이터를 입력하다가 그 범위를 변경하면 시스템은 즉시 그 형상화 모델을 재구성해 사용자에게 그 결과를 보여주어야 한다.
·일반 자판이나 윈도의 편리한 입력기능 환경에서는 입력하려는 데이터가 모호하지 않기 때문에 개연적 입력이 필요없지만 가상환경에서는 개별적 개념의 데이터 입력이 불가능하고 복잡한 컴퓨팅이 필요하다.
가상환경의 목적 중 하나는 가상환경 속에서 현장감이 들도록 하는 것이다. 이같은 기술과 조건은 응용분야에 따라 다르다. 가령 의약분야에서는 비디오게임 분야보다 더 높은 해상도를 가진 디스플레이를 사용해야 한다.
가상환경을 연출하는 데 가장 중요한 시스템은 입체 디스플레이와 자세추적장치다. 평면 스크린에 이미지를 나타내는 3차원 그래픽시스템과 달리 입체 디스플레이는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 따로따로 볼 수 있는 두 개의 이미지를 표시해 준다. 사람의 뇌가 이 두 이미지를 합성하면 실제와 같은 3차원 이미지로 보이는 것이다. 조사결과 2차원 또는 3차원의 비입체 디스플레이를 사용하는 것보다 입체 디스플레이를 사용하면 시각적 탐색이나 공간측정, 디자인 정보교환과 같은 여러 가지 작업을 더 잘 할 수 있는 것으로 나타났다. 기본적으로 대부분의 가상환경 디스플레이에는 액정표시장치(LCD)나 브라운관(CRT)을 사용하고 있다.
대부분의 가상환경시스템은 손의 놀림이나 전신의 움직임을 감지하는 자세추적 및 입력 기능을 갖고 있다. 자세추적 센서는 보통 머리에 쓰는 디스플레이나 입력장갑 등에 내장되어 있다. 가장 보편적인 자세추적센서는 자석형 기술을 채택한 것이고 이밖에 기계적 기술이나 음향 또는 광학기술을 적용한 것도 있다. 또한 가상환경기기에는 촉각, 반응, 음향인식시스템도 있으며 조이스틱, 3차원 마우스와 같은 입력장치와 출력, 눈 추적, 병렬 컴퓨팅 기술 등이 사용된다.
흔히 가상환경기기 하면 머리에 쓰는 디스플레이와 장갑을 연상하지만 다른 형태의 기기도 많이 있다. 가령 사용자를 현실세계에서 완전히 격리시키는 몰입시스템과 주위환경을 의식하면서 가상환경을 탐사하게 하는 비몰입시스템 등이 그것이다. 이처럼 가상환경은 사용자를 다른 세계로 인도하는 완전 몰입시스템에서 사용자로 하여금 데이터와 수치적 가치를 갖고 시각적 특성으로 연출하게 하는 제한적 형상화 프로그램에 이르기까지 다양하다.
디자인, 엔지니어링, 과학적 형상화와 같이 여러 사람이 공동작업을 하는 과제를 추진하기 위한 실시간, 협업을 가능케 하는 가상환경은 아직 널리 보급되지 않았다. 그러나 최근 일부 업체들이 3차원 가상세계에서 양방향 의사전달을 가능케 하는 동시공동사용자(MUD=Multiuser Dimension)기술을 개발했다. 앞으로 3차원 그래픽과 음향이 결합된 멀티미디어 머드기술이 가상환경산업에서 중요한 자리를 차지할 것으로 보인다. 머드기술은 참여자들이 지리적 또는 공간적 차원을 이용해 가상환경을 연출 또는 표현할 수 있게 되면 부상할 것이다. 이 기술의 중요한 특징은 사용자와 기계의 상호작용이 아니라 여러 사용자 간의 긴밀한 상호작용을 가능케 해주는 데 있다. 현재 대부분의 머드기술은 게임에 활용하고 있지만 관련업체들은 교육, 연구개발 및 업무처리에 사용할 수 있는 머드도 개발하고 있다.
가상환경과 관련된 중요한 기술은 데이터 형상화와 가상현실기술이다. 보이지 않는 데이터를 보이게 하는 데이터 형상화 기술은 자연현상이나 생산과정, 구조적 관계와 같이 복잡한 상황을 이미지로 표현하는 기술이다. 형상화기술은 분야에 따라 다르게 사용한다. 가령 DNA분자를 연구하는 과학자들은 과학적 형상화기술, 금융분석이나 기업 조직 프로그램을 개발하는 소프트웨어 엔지니어들은 이를 정보형상화기술이라 부른다. 가상현실기술은 원거리에 있는 상황에 대한 감각적 정보를 충분히 제공함으로써 그곳에 가 있는 느낌을 갖게 해준다. 가령 과학자들은 이 기술을 이용, 북극에서 운반기구와 로봇을 조종해 현장 데이터를 수집할 수 있다.
가상환경기술과 결합해 상승작용을 일으킬 수 있는 기술은 컴퓨터과학, 병렬컴퓨팅, 신호처리, 이미지 처리, 머신비전시스템, 센서, 신경망, CAD, CAM, 컴퓨터그래픽, 네트워킹기술, 애니메이션 등이다. 또 인지 심리학, 사용자 인터페이스 디자인, 음향기술 등도 상승작용을 일으킬 수 있다. 한편 가상환경기술과 경쟁관계에 있는 것은 2차원 스프레드시트 등과 같이 값이 저렴하고 수준이 낮은 기존의 기술과 제품들이다.
가상환경기술의 활용분야는 오락, 미디어, 시뮬레이션, 교육훈련, 통신, 디자인, 판매, 광고, 금융분석, 정보형상화, 정보검색, 의료, 의약 엔지니어링, 지리정보시스템, 교육, 군사 및 항공, 예술 등 광범위하다. 이를 더 세분하면 오락 및 미디어분야에서 응용되는 곳은 놀이공원, 특수영화, 장난감, 극장, 가상 스포츠 등이고 의료분야에서는 원격수술, 수술계획, 시뮬레이션 수술, 치료 등에 응용되며 교육분야에서는 개인지도 및 교실강의에 활용될 수 있다. 그러나 가상환경기술은 아직 만족할 만한 수준에 이르지 못하고 있다. 진정한 가상현실을 구현하려면 개발되어야 할 관련기술이 많이 남아 있다.
가상환경시스템의 세계시장은 150억달러로 추정되는데 이 가운데 형상화 및 시뮬레이션시스템이 주류를 이루고 있으나 앞으로는 오락 응용시스템이 점유율을 상당히 높일 것으로 보인다. 오락용 가상현실산업 발전에 걸림돌이 되는 요인은 시뮬레이션 멀미, 입체경 디스플레이의 시각에 대한 영향, 무거운 디스플레이 착용에서 오는 머리나 목의 부상 등과 같은 문제들이다. 또 입력장치의 반복 사용에서 오는 피로감, 가상공간 섭렵의 어려움 등도 문제점으로 지적되고 있다. 당분간은 엔지니어링, 과학탐사, 금융분석 등 오락 이외 분야에서는 가상환경기술에 대한 수요가 그리 크지 않을 것으로 예상된다. 또 산업용 가상환경기술 시장은 주로 높은 가격과 효과측정의 어려움 때문에 성장이 지연되고 있다. 가격이 계속 하락하는 추세에 있지만 도입하기에는 아직도 높은 수준이다. 그러나 단기적으로 마케팅, 판매, 의약분야에서는 수요가 늘어날 것으로 보인다.