인간의 지각 요소: 시각

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1. 시각적 지각 (눈)

인간의 시각은 가시광선 스펙트럼에서 시작한다.

인간이 받아들일 수 있는 빛을 가시광선이라고 부르면, 이 영역을 벗어나면 눈으로 볼 수 없는 빛이 된다.

눈의 광수용기 영역에 존재하는 망막은 네 가지 유형의 광수용기로 구성되어 있다.

이 중 세 가지는 독특한 색상 시그니처 반응(추상체)을 가지고 있으며, 나머지 하나의 유형(간상체)은 전체 강도에 반응한다.

 

1.1. 광수용기

세 가지 유형의 고유한 추상체의 스펙트럼 반응은 한 가지 특정 색에만 반응하는 것이 아니라 가시광선 스펙트럼 일부에 걸쳐있다.

컴퓨터 그래픽에서 흔히 말하는 RGB(적색, 녹색, 청색)을 빛의 삼원색이라고 말하는데, 이는 세 개의 추상체 수용기의 색감과도 유사하다.

앞에서 언급한 간상체와 추상체에 대하여 좀 더 알아보자.

- 간상체: 추상체보다 빛에 훨씬 민감하며, 추상체보다 느리기 때문에 광자를 장기간에 걸쳐 축적해 빛에 더 민감하다. 또한 추상체의 출력보다 더 큰 집단으로 뭉쳐져 있기 때문에 망막의 더 넓은 영역을 포괄한다. 즉, 저조도 감도보다 시각적 정확도(해상도)에 집중한다.

- 추상체: 간상체보다 더 빠르며, 덜 무리 지어 있어서 시간적, 공간적 해상도가 좋다. 하지만 적절한 신호를 생성하기 위해 더 많은 광자를 요구한다.

삼색 배치는 가장 보편적인 인간의 지각을 위한 환경 설정이지만 색약이나 색맹처럼 이러한 환경에 취약한 사람들도 존재한다는 점을 기억하자.

매우 드물게 네 번째 추상체를 가진 사람들도 있다고는 하지만 지금은 의학을 다루는 것이 아니므로, 자세한 사항은 생략한다.

 

1.2. 망막

망막은 인간 눈의 구조에서 차지하고 있는 전체적인 수용 영역이 매우 큰 부위이다.

무려 안구 내부 표면의 약 75%를 덮고 있다고 하는데, 이 덕분에 각 눈의 FOV(Field Of View)가 큰 값을 가질 수 있다.

 

1.3. 휘도

인간은 색상만 인지할 수 있는 것이 아니라 밝기도 인지할 수 있다.

일반적으로 인간은 16개 정도의 강도로 빛을 감지할 수 있다고 말하는데, 이것이 동시에 모두를 감지할 수 있다는 것을 의미하지는 않는다.

카메라는 인간의 눈을 이해하는데 큰 도움이 되는 도구이다.

카메라가 가지고 있는 센서는 다양한 강도로 빛을 받아들일 수 있지만, 조리개와 센서에서 수용되는 빛의 양은 제한될 수 있다.

또한 센서가 빛을 받아들이는 시간을 조절하면 어두운 곳에서 사물을 포착하도록 만드는 것도 가능하다.

인간의 동공은 카메라의 조리개로 비유할 수 있다.

동공이 수축하거나 이완되면 수용되는 빛의 양이 변화한다.

이는 눈에 닿은 빛이 통과하는 '관문'의 면적이 늘어나거나 줄어들기 때문이다.

동공이 좁아지면 빛의 양도 조절되지만, 초점이 맞는 오브젝트의 범위도 달라진다.

가까이에 있는 사물에 초점을 잡을 때는 동공이 수축되고, 멀리 있는 사물에 초점을 잡을 때는 동공이 이완된다.

이는 카메라의 조리개도 마찬가지이다.
(이를 사진 분야에서는 'DOF'라고 부른다)

 

1.4. 일시적 민감도

인간은 시간의 흐름에 따라 빛을 지각한다.

즉, 움직임을 볼 수 있다는 것이다.

이미지가 순차적으로 보이고, 인지하지 못할 정도로 빠르게 깜빡이고 있다면 우리에게 익숙한 '영상'이 탄생한다.

그 영상이 필름이라는 매체에 빛을 기록하는 기술을 바탕으로 만들어진 콘텐츠라면 '영화'가 된다.

또한 그 영상이 그림을 통해서 만들어진 콘텐츠라면 '애니메이션'이 된다.

여기서 영상을 정의할 때 이미지가 '깜빡'인다고 설명했다.

이 '깜빡'인다는 것은 '이미지'와 '어둠'이 교차한다는 것을 의미한다.

이 교차하는 속도가 인간이 안정적으로 영상을 지각할 수 있을 정도로 충분히 빠르다면, 그 속도를 '임계플리커융합 빈도'라고 부른다.

이 복잡한 용어의 개념을 가장 쉽게 이해할 수 있는 사물이 바로 모니터이다.

모니터의 성능을 논할 때 흔히 '120Hz' 또는 '75Hz'와 같이 주파수 단위를 사용하는 것을 알 수 있다.

이는 해당 모니터가 1초에 이미지를 '깜빡'일 수 있는 속도를 의미하는데, 게임이나 영상물을 다룰 때 사용하는 프레임 레이트(FPS)와 거의 동일한 의미를 지닌다.

이 프레임 레이트는 콘텐츠 분야마다 서로 다른 의미를 지니며 선호하는 정도도 모두 다르다.

이 때문에 어느 정도의 프레임 레이트가 적합한지 구체적이고 신뢰할 수 있는 고정된 값을 찾는다는 건 불가능하다.

또한 이미지가 밝아질수록 더 높은 프레임 레이트를 요구한다는 변수도 존재하기 때문에 더더욱 적합한 값을 찾기가 어렵다.

VR 분야에서는 일반적으로 게임과 마찬가지로 60Hz를 넘기면 안전하다고 여기는데, 망막의 추상체 영역(명소시)과 간상체 영역(암소시)에서도 차이가 난다는 점을 활용하여 60Hz 이상을 기본으로 하되, 암소시에서는 좀 더 낮은 값을 적용하는 기법도 고려해 볼 수 있다.

- 명소시: 밝은 조명 조건에서 일어나는 시각적 인식. 색을 인식할 수 있는 원추 세포가 주도하기 때문에 색상 구분과 세부적인 시각 정보 처리에 유리하다.

- 암소시: 어두운 조명 조건에서 일어나는 시각적 인식. 간상세포가 주도하기 때문에 낮은 조도에서 빛에 민감하게 반응할 수 있지만, 색을 구분하는 능력이 거의 없다.

 

1.5. 고수준 처리

인간의 광수용기와 뇌를 연결하는 뉴런은 단순히 원시 데이터를 전송하는 것만 수행하는 게 아니다.

그 대신 디지털 논리 게이트처럼 특정한 연산을 수행하는 방식으로 배열되는데, 이것이 선방향성, 즉 고대비점이나 특정 방향으로 움직임이 있는 영역의 정보를 제공해 준다.

이는 우리가 '안티엘리어싱'과 같은 효과에 집착하는 이유가 된다.

 

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2. 착시

인간의 지각 시스템은 효율을 위해 고안된 것이다.

이 고효율을 달성하기 위해서 속임수도 쓸 수 있는데, 가능한 한 복잡하고 효율을 방해하는 절차들을 무시하는 방식이 주로 작동한다.

즉, 착시는 뇌의 단축키와 마찬가지인 것이며, 이 절차 무시 과정에서 벌어지는 일종의 착각인 것이다.

가상 현실은 실존하는 것으로 잘못 지각하기를 바라는 가상 세계를 만드는 것이기 때문에 착각/착시와 큰 관련이 있다.

이 착각/착시에는 맥락이 큰 몫을 차지하는데, 간단한 방향성부터 주위의 형태, 색상의 변화까지 다양한 요소들을 포함할 수 있다.

가장 간단하고 쉽게 접할 수 있는 맥락에 의한 착시는 '소묘'에서 찾아볼 수 있다.

소묘에서 명암을 표현하는 방법을 배울 때, '밝으면 가깝고, 어두우면 멀다'라는 표현을 자주 사용한다.

이는 기본 도형 중에서 구를 그릴 때 입체감을 살리기 위해서 필수적으로 활용해야 하는 개념이다.

이는 사람들이 위에서 비추는 빛의 개념에 익숙하며, 이 익숙한 개념을 바탕으로 '단축키'를 적용해 본다면, 오목한 구멍은 상단에 그림자가 지는 반면, 볼록하게 튀어나온 부분은 상대적으로 밝아서 그 하단에 그림자가 생기기 때문이다.

맥락과 함께 문맥도 큰 영향을 미치는 요소가 되는데, 문맥은 맥락과 달리 색을 지각할 때 영향을 미친다는 차이점이 있다.

이러한 요소들은 인간의 지각이 여러 자극 사이의 관계에 영향을 받는다는 것을 알려준다.

색을 바라보는 환경을 이루는 조명의 조건, 사람의 피로도, 배경 잡음에 따른 집중력 등이 대표적인 예시이며, 이는 색상에 대한 영역을 넘어서 소리나 무게감 등에도 영향을 미칠 수 있다.

 

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2. 시각적 뎁스 단서: 거리

오브젝트의 상대적인 거리에 대한 정보를 인지하기 위해 인간은 다양한 방법을 활용한다.

시력을 위해서 이러한 거리 지표를 흔히 '뎁스 단서'라고 부른다.

이러한 단서들의 누적 효과는 우리가 보고 있는 형상이 얼마나 멀리 있는지, 즉 눈앞에 펼쳐진 세계가 얼마나 깊이 있는지를 알려준다.

시각적으로 상대적 거리를 지각할 수 있는 방법은 12개 이상인데, 여기서는 아래와 같은 네 가지 종류의 시각적 뎁스 단서를 언급한다.

- 모노스코픽 이미지 뎁스 단서

- 스테레오스코픽 이미지 뎁스 단서

- 모션 뎁스 단서

- 생리적 뎁스 단서

 

2.1. 모노스코픽 이미지 뎁스 단서

모노스코픽 이미지 뎁스 단서는 그림이나 사진처럼 하나의 씬에서 나타나는 뎁스 단서이다.

우리는 경험을 통해 어떤 오브젝트가 다른 오브젝트를 가리고 있다면, 그 오브젝트가 더 가까이 있음을 알고 있다.

그림자는 오브젝트의 형태에 대한 정보를 제공하며, 두 오브젝트 사이의 위치 관계를 알려준다.

우리는 이러한 다양한 단서들을 활용해서 오브젝트 간의 크기, 상대적인 거리 등을 가늠해 깊이감을 이해한다.

인간의 망막은 멀리 있는 세세한 텍스처를 식별할 수 없기 때문에 표면 텍스처 그라데이션이 명확하게 드러나는 걸 느낀다.

가까이에 잇는 풀의 질감은 세세한 텍스처까지 전부 볼 수 있지만, 들판에 멀리 있는 풀들의 모습은 그저 푸르스름한 녹색으로만 보이는 것이 이 때문이다.

그 외에도 아지랑이, 안개와 같은 다양한 대기의 영향도 멀리 있는 오브젝트들을 구분하기 어렵게 만드는 요소가 되며, 밝기도 영향을 미칠 수 있다.

 

2.2. 스테레오스코픽 이미지 뎁스 단서

스테레오스코픽 이미지 뎁스 단서는 두 눈으로 보는 이미지 사이의 차이, 즉 양안 시차를 활용하여 깊이를 인식하는 과정에서 중요한 역할을 하는 뎁스 단서이다.

인간의 두 눈은 좌/우에 배치되어 같은 사물을 바라본다고 해도 서로 받아들이는 장면에서 미세한 차이가 발생한다.

이 차이를 '이중 시차'라고 부르는데, 이를 활용해 우리는 거리감을 이해할 수 있다.

이처럼 양안 시차를 이용한 깊이를 인식하는 능력을 우리는 스테레오시스라고 부른다.

약간의 오차가 존재하는 두 개의 이미지를 뇌가 통합하면서 3차원 깊이를 이해하고, 이를 통해 정확한 사물의 구조, 거리를 인지하게 해주는 것이다.

이 스테레오시스는 약 5m 이내에 있는 오브젝트에 효과적이며, 팔의 손이 닿는 곳에 있는 오브젝트를 조작할 때 유용하다.

 

2.3. 모션 뎁스 단서

모션 뎁스 단서는 오브젝트가 움직이거나, 관찰자가 움직일 때 발생하는 시각 정보를 바탕으로 하여 깊이와 거리를 인식하는 방법이다.

이 단서는 움직임을 통해서 공간적 정보를 얻는 것에 집중한다.

여기서 움직이는 대상은 관찰자 또는 오브젝트가 될 수 있는데, 오브젝트의 움직임은 관찰자의 의지와 상관이 없기 때문에 상대적으로 판단 부정확하다는 특징이 있다.

관찰자가 움직일 때는 자신과 대상 사이의 상대적인 이동 속도, 관찰하는 대상 사이의 거리, 바라보는 각도 등을 자의적으로 조절할 수 있으며, 앞으로 어떠한 방향으로 얼마나 많이 움직일 것인지 판단하기도 쉽기 때문에 좀 더 정확한 결과를 기대할 수 있다.

 

2.4. 생리적 뎁스 단서

생리적 뎁스 단서는 눈의 근육 움직임에 의해 생성되어 오브젝트를 선명한 시야로 가져오는 것을 말한다.

즉, 눈의 움직임에 따라서 오브젝트 간의 거리에 대한 정보를 알아내는 것이다.

쉽게 말해서 '초점'을 맞추는 것이라 생각하면 된다.

가까이 있는 사물에 초점을 맞출 때는 눈의 근육이 수축하고, 멀리 있는 사물에 초점을 맞출 때는 눈의 근육이 이완한다고 앞서 언급한 적이 있다.

 

2.5. 거리 오지각

현재 우리가 접하고 있는 거의 모든 VR 디스플레이는 초점 거리(원근 조절)를 제어할 수 없다.

이 때문에 가상 오브젝트가 시각 디스플레이의 초점 거리에 정확하게 위치한 것이 아니라면 거의 대부분 거리 지각 단서 사이에 충돌이 발생한다.

이 때문에 많은 사용자들이 거리를 잘못 추정하는 '거리 오지각'을 겪게 되는데, 대부분의 사람들이 오브젝트와 자신 사이의 거리를 실제 거리보다 과소평가(단축)한다.

이는 VR 기기의 스타일하고는 무관하게 발생하며, 이러한 문제는 특정 공간에서 모든 방향으로 이동하는 빛의 정보를 캡처하고 표현하는 기술인 라이트필드, 사용자의 환경, 요구 사항에 맞게 디스플레이의 특성을 유연하게 조절할 수 있는 다양한 가변형 디스플레이 기술의 적용으로 해결될 수 있을 것이다.

 

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수고하셨습니다!

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