시뮬레이션은 물리적 세계와 가상 세계를 결합하여 얻을 수 있는 많은 이점을 제공하는 표준으로, 당연히 확장 현실(XR)의 최신 발전의 핵심입니다. XR은 AR, VR, MR과 같은 기술을 비롯해 빠르게 진화하는 모든 웨어러블, 센서, 인공 지능(AI), 소프트웨어를 아우르는 포괄적인 용어입니다. 엔터테인먼트, 의료, 직원 교육, 산업 제조, 원격 근무 등 다양한 분야에서 이미 사용되고 있으며, 앞으로 더 많은 분야에서 활용될 것으로 예상되는 매우 포괄적인 개념입니다.
XR은 아직 정의 중이기 때문에 그 규모가 얼마나 커질지 가늠하기는 어렵습니다. 일부 분석가들은 2021년 XR 시장의 규모를 310억 달러로 평가했으며 2024년에는 3,000억 달러에 이를 것으로 예상합니다.1 이러한 예측이 현실에 가깝다면 현재 크고 작은 기업에서 수많은 새로운 XR 제품, 애플리케이션, 경험을 개발 중인 것이 분명합니다. 그렇다면 XR이 이러한 잠재력을 실현하려면 무엇이 필요할까요?
광학은 XR에 초점을 맞추지만, 기존 카메라 렌즈와 달리 XR은 더 컴팩트한 도파관 및 "팬케이크 렌즈" 디자인을 사용합니다.
XR이라는 용어를 개별적인 부분으로 나누면 도움이 될 수 있습니다. 해당 글에서 설명한 것처럼 증강 현실(AR)은 현실 세계의 시야 위에 가상 이미지를 추가할 수 있는 반면, 가상 현실(VR)은 현실 세계로부터 완전히 벗어나 가상 세계에 정도의 차이는 있지만 몰입할 수 있게 해줍니다. 혼합 현실(MR)은 이름에서 알 수 있듯이 AR과 VR을 혼합한 것입니다.
혼합 현실이란 무엇인가요?
혼합 현실은 가상 객체가 현실 세계와 실시간으로 상호 작용할 수 있는 방식으로 물리적 세계와 디지털 자산을 혼합합니다.
구조 엔지니어와 전자 엔지니어가 같은 방에 서서 서로를 바라보며 현실 세계에 떠 있는 모터의 가상 모형을 본다고 상상해 보세요. 두 사람은 컴퓨터 화면에서처럼 모델을 돌리거나 확대하거나 내부를 들여다보며 구성 요소를 확인할 수 있습니다. 또한 실제 자동차의 엔진룸을 돌아다니거나 엔진룸에 배치하여 실제 공간에 어떻게 맞는지 확인하고, 다른 시스템 구성 요소와 어떻게 상호작용하는지 더 잘 이해하며, 중요한 언어적 및 비언어적 커뮤니케이션 단서를 놓치지 않고 협업할 수 있습니다. 물론 모든 사람이 같은 공간에 있을 필요는 없습니다. 엔진의 인터랙티브 3D 모델을 실제 공간에 투사할 수 있다면 1,000마일 떨어진 다른 엔지니어의 3D 홀로그램을 투사할 수도 있지 않을까요?
강의실, 수술실, 공장 현장 등에서도 비슷한 시나리오를 쉽게 상상할 수 있습니다. MR의 이점을 극대화하려면 마이크, 카메라, 가속도계, 적외선 감지기, 시선추적기와 같은 센서와 클라우드의 데이터에 대한 빠른 연결이 필요합니다. 이러한 기술을 최대한 활용하려면 사용자가 헤드셋을 착용해야만 그 효과를 제대로 경험할 수 있습니다.
수술실은 혼합 현실의 한 가지 사용 사례일 뿐이며, 보다 효과적인 교육 도구로 사용하거나 외과의를 안내하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
광학 장치가 올바른지 확인
원하는 MR을 제작하려면 먼저 광학 설계 구성 요소와 과제를 해결해야 합니다. 헤드셋은 편안하고 스타일리시하게 착용할 수 있도록 작고 가벼워야 하며, 매일 여러 시간 동안 사용할 수 있어야 합니다. 디지털 이미지는 화창한 날을 포함한 모든 조명 조건에서 볼 수 있을 만큼 밝아야 합니다. 고해상도와 피사계 심도(DOF, 이미지에서 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점 사이의 거리)를 달성하는 것도 어려운 과제입니다.
가장 사실적이고 시각적으로 정확한 MR 환경을 만들기 위해 기업들은 광학 시스템을 설계하기 위해 Ansys Zemax OpticStudio 및 Ansys Lumerical 제품과 같은 광학 시뮬레이션 툴을 사용하고 있습니다. 옵틱스튜디오와 루미컬은 매크로 및 서브파장 스케일 모두에서 완전한 통합 솔루션을 제공함으로써 MR 애플리케이션의 광학 설계 목표를 달성하고 최적화할 수 있도록 지원합니다. OpticStudio는 매크로 스케일로 전체 시스템을 시뮬레이션할 수 있으며, Lumerical은 성능 향상과 시스템 크기 감소를 위해 점점 더 많이 사용되고 있는 회절 구성 요소를 시뮬레이션할 수 있어 서브파장 물리학이 필요합니다.
OpticStudio와 Lumerical을 함께 사용하는 예는 XR 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 도파관 설계와 "팬케이크 렌즈" 설계로 설명할 수 있습니다. 광학에서 웨이브가이드는 이름 그대로 빛의 파동을 유도한다는 의미입니다. 접힌 광학이라고도 하는 팬케이크 디자인은 렌즈와 디스플레이를 더 가깝게 배치하여 원치 않는 움직임을 최소화하고 더욱 컴팩트한 디자인을 구현합니다.
팬케이크 렌즈 디자인(왼쪽)과 웨이브가이드 디자인(위)의 예시
도파관 설계를 최적화하기 위해 회절 격자를 사용하는 광학 시스템의 해당 부분을 통과하는 빛의 거동을 시뮬레이션할 수 있으며, 고효율로 빛을 여러 방향으로 회절 또는 분산하도록 구성 요소를 설계할 수 있습니다. 매크로 스케일에서는 OpticStudio를 사용하여 전체 광학 시스템에서 빛의 동작을 시뮬레이션할 수 있습니다.
VR 팬케이크 디자인을 개선하기 위해 Lumerical을 사용하여 곡면 편광판과 1/4파장 판을 포함한 렌즈의 광학 필터를 시뮬레이션한 다음 OpticStudio에서 전체 시스템을 시뮬레이션하여 고스트 이미지를 감지하고 예측할 수 있습니다.
또한 Lumerical과 OpticStudio를 동적으로 연결하여 원활하고 긴밀한 통합을 제공할 수 있습니다. 이 연결된 워크플로는 빠른 설계 반복을 가능하게 하며 시스템의 전반적인 최적화와 공차 분석에 중요합니다. 공차 분석은 예상되는 제조 및 조립 오류의 영향을 조사하여 모든 모델 사양이 원하는 광학 설계를 달성할 수 있도록 적절하게 균형을 맞출 수 있도록 합니다.
혼합 현실 환경에서 전기 자동차 에너지 저장 시스템의 아티스트 렌더링.
미래의 현실 시뮬레이션
광학 설계를 개선하여 MR 목표를 달성하는 데 Ansys의 시뮬레이션이 어떻게 도움이 되는지 알아보려면 OpticStudio 무료 평가판을 등록하거나 Lumerical FDTD에 대해 자세히 알아보세요.
How Simulation is Creating a Mixed Reality
ANSYS BLOG / SEPTEMBER 29, 2022
Author: Kerry Herbert / Product Marketing Manager, Ansys
https://www.ansys.com/blog/how-simulation-is-creating-a-mixed-reality
시뮬레이션이 혼합 현실을 만드는 방법
시뮬레이션은 물리적 세계와 가상 세계를 결합하여 얻을 수 있는 많은 이점을 제공하는 표준으로, 당연히 확장 현실(XR)의 최신 발전의 핵심입니다. XR은 AR, VR, MR과 같은 기술을 비롯해 빠르게 진화하는 모든 웨어러블, 센서, 인공 지능(AI), 소프트웨어를 아우르는 포괄적인 용어입니다. 엔터테인먼트, 의료, 직원 교육, 산업 제조, 원격 근무 등 다양한 분야에서 이미 사용되고 있으며, 앞으로 더 많은 분야에서 활용될 것으로 예상되는 매우 포괄적인 개념입니다.
XR은 아직 정의 중이기 때문에 그 규모가 얼마나 커질지 가늠하기는 어렵습니다. 일부 분석가들은 2021년 XR 시장의 규모를 310억 달러로 평가했으며 2024년에는 3,000억 달러에 이를 것으로 예상합니다.1 이러한 예측이 현실에 가깝다면 현재 크고 작은 기업에서 수많은 새로운 XR 제품, 애플리케이션, 경험을 개발 중인 것이 분명합니다. 그렇다면 XR이 이러한 잠재력을 실현하려면 무엇이 필요할까요?
광학은 XR에 초점을 맞추지만, 기존 카메라 렌즈와 달리 XR은 더 컴팩트한 도파관 및 "팬케이크 렌즈" 디자인을 사용합니다.
XR이라는 용어를 개별적인 부분으로 나누면 도움이 될 수 있습니다. 해당 글에서 설명한 것처럼 증강 현실(AR)은 현실 세계의 시야 위에 가상 이미지를 추가할 수 있는 반면, 가상 현실(VR)은 현실 세계로부터 완전히 벗어나 가상 세계에 정도의 차이는 있지만 몰입할 수 있게 해줍니다. 혼합 현실(MR)은 이름에서 알 수 있듯이 AR과 VR을 혼합한 것입니다.
혼합 현실이란 무엇인가요?
혼합 현실은 가상 객체가 현실 세계와 실시간으로 상호 작용할 수 있는 방식으로 물리적 세계와 디지털 자산을 혼합합니다.
구조 엔지니어와 전자 엔지니어가 같은 방에 서서 서로를 바라보며 현실 세계에 떠 있는 모터의 가상 모형을 본다고 상상해 보세요. 두 사람은 컴퓨터 화면에서처럼 모델을 돌리거나 확대하거나 내부를 들여다보며 구성 요소를 확인할 수 있습니다. 또한 실제 자동차의 엔진룸을 돌아다니거나 엔진룸에 배치하여 실제 공간에 어떻게 맞는지 확인하고, 다른 시스템 구성 요소와 어떻게 상호작용하는지 더 잘 이해하며, 중요한 언어적 및 비언어적 커뮤니케이션 단서를 놓치지 않고 협업할 수 있습니다. 물론 모든 사람이 같은 공간에 있을 필요는 없습니다. 엔진의 인터랙티브 3D 모델을 실제 공간에 투사할 수 있다면 1,000마일 떨어진 다른 엔지니어의 3D 홀로그램을 투사할 수도 있지 않을까요?
강의실, 수술실, 공장 현장 등에서도 비슷한 시나리오를 쉽게 상상할 수 있습니다. MR의 이점을 극대화하려면 마이크, 카메라, 가속도계, 적외선 감지기, 시선추적기와 같은 센서와 클라우드의 데이터에 대한 빠른 연결이 필요합니다. 이러한 기술을 최대한 활용하려면 사용자가 헤드셋을 착용해야만 그 효과를 제대로 경험할 수 있습니다.
수술실은 혼합 현실의 한 가지 사용 사례일 뿐이며, 보다 효과적인 교육 도구로 사용하거나 외과의를 안내하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
광학 장치가 올바른지 확인
원하는 MR을 제작하려면 먼저 광학 설계 구성 요소와 과제를 해결해야 합니다. 헤드셋은 편안하고 스타일리시하게 착용할 수 있도록 작고 가벼워야 하며, 매일 여러 시간 동안 사용할 수 있어야 합니다. 디지털 이미지는 화창한 날을 포함한 모든 조명 조건에서 볼 수 있을 만큼 밝아야 합니다. 고해상도와 피사계 심도(DOF, 이미지에서 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점 사이의 거리)를 달성하는 것도 어려운 과제입니다.
가장 사실적이고 시각적으로 정확한 MR 환경을 만들기 위해 기업들은 광학 시스템을 설계하기 위해 Ansys Zemax OpticStudio 및 Ansys Lumerical 제품과 같은 광학 시뮬레이션 툴을 사용하고 있습니다. 옵틱스튜디오와 루미컬은 매크로 및 서브파장 스케일 모두에서 완전한 통합 솔루션을 제공함으로써 MR 애플리케이션의 광학 설계 목표를 달성하고 최적화할 수 있도록 지원합니다. OpticStudio는 매크로 스케일로 전체 시스템을 시뮬레이션할 수 있으며, Lumerical은 성능 향상과 시스템 크기 감소를 위해 점점 더 많이 사용되고 있는 회절 구성 요소를 시뮬레이션할 수 있어 서브파장 물리학이 필요합니다.
OpticStudio와 Lumerical을 함께 사용하는 예는 XR 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 도파관 설계와 "팬케이크 렌즈" 설계로 설명할 수 있습니다. 광학에서 웨이브가이드는 이름 그대로 빛의 파동을 유도한다는 의미입니다. 접힌 광학이라고도 하는 팬케이크 디자인은 렌즈와 디스플레이를 더 가깝게 배치하여 원치 않는 움직임을 최소화하고 더욱 컴팩트한 디자인을 구현합니다.
팬케이크 렌즈 디자인(왼쪽)과 웨이브가이드 디자인(위)의 예시
도파관 설계를 최적화하기 위해 회절 격자를 사용하는 광학 시스템의 해당 부분을 통과하는 빛의 거동을 시뮬레이션할 수 있으며, 고효율로 빛을 여러 방향으로 회절 또는 분산하도록 구성 요소를 설계할 수 있습니다. 매크로 스케일에서는 OpticStudio를 사용하여 전체 광학 시스템에서 빛의 동작을 시뮬레이션할 수 있습니다.
VR 팬케이크 디자인을 개선하기 위해 Lumerical을 사용하여 곡면 편광판과 1/4파장 판을 포함한 렌즈의 광학 필터를 시뮬레이션한 다음 OpticStudio에서 전체 시스템을 시뮬레이션하여 고스트 이미지를 감지하고 예측할 수 있습니다.
또한 Lumerical과 OpticStudio를 동적으로 연결하여 원활하고 긴밀한 통합을 제공할 수 있습니다. 이 연결된 워크플로는 빠른 설계 반복을 가능하게 하며 시스템의 전반적인 최적화와 공차 분석에 중요합니다. 공차 분석은 예상되는 제조 및 조립 오류의 영향을 조사하여 모든 모델 사양이 원하는 광학 설계를 달성할 수 있도록 적절하게 균형을 맞출 수 있도록 합니다.
혼합 현실 환경에서 전기 자동차 에너지 저장 시스템의 아티스트 렌더링.
미래의 현실 시뮬레이션
광학 설계를 개선하여 MR 목표를 달성하는 데 Ansys의 시뮬레이션이 어떻게 도움이 되는지 알아보려면 OpticStudio 무료 평가판을 등록하거나 Lumerical FDTD에 대해 자세히 알아보세요.
Ansys Optics Products Sales
담당자 (Direct) : 02-6096-5705
대표전화 : 02-2065-0726
E-mail: optical@radiantsolution.co.kr