MAIN

  • 서 론

  • 증강현실 및 가상현실 기술 개요

  • 증강현실 기술의 활용사례

  •   지질분야 적용 사례

  •   광업분야 적용 사례

  • 가상현실 기술의 활용사례

  •   지질분야 적용 사례

  •   광업분야 적용 사례

  • 결 론

서 론

최근 스마트폰이 널리 보급되면서 증강현실(augmented reality, AR)과 가상현실(virtual reality, VR) 기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 스마트폰은 위치를 인식할 수 있는 위성항법시스템(global positioning system, GPS), 카메라, 디스플레이가 장착되어 있으며, 일부 실내·지하공간을 제외한 대부분의 지역에서 실시간으로 정보를 송·수신할 수 있는 특성으로 인하여 증강현실 기술의 대중화를 유도하였다. 또한, 스마트 글래스(smart glass)와 같은 헤드 마운트 디스플레이(head mounted display, HMD) 기술의 발전으로 가상현실 기술은 다양한 플랫폼에서 개발되기 시작하였다. 오늘날 4차 산업혁명의 핵심 요소 기술 중의 하나로 인정받고 있는 증강현실 및 가상현실 기술은 정보통신기술(Information and Communication Technology, ICT) 발전에 힘입어 게임, 광고, 의료, 제조, 여행, 교육 등 적용분야가 점점 확대되고 있다.

지질분야 또는 광업분야가 현장의 지반 및 지하 정보를 다룬다는 점에서 전술한 두 기술은 유용하게 활용될 수 있다. 증강현실 기술은 실내뿐 아니라 야외 현장에서 보이지 않는 가상의 정보를 보여줄 수 있기 때문에 현장에서의 지질조사 또는 광산개발 및 관리에 적용 가능하다. 또한, 가상현실 기술은 어떤 제한된 영역에 대하여 목적을 가지고 가상환경을 만들어 시뮬레이션 할 수 있기 때문에 지질현장이나 광산과 같은 특정 현장 맞춤형 서비스를 개발하기에 유용하다. 다만 이러한 분야에서 증강 및 가상현실 기술을 효과적으로 활용하기 위해서는 두 기술에 대한 특징을 이해하고, 기 적용된 사례들을 유형별로 구분하여 살펴볼 필요가 있다.

본 연구에서는 증강현실과 가상현실 기술의 원리와 특징을 제시하고, 지질 및 광업분야에 활용된 사례를 조사, 분석한 결과를 제시한다. 국내·외 논문과 보고서, 인터넷 검색 등 50여건의 문헌 조사를 통해 분야별 적용사례를 그 목적에 따라 분류하고 검토하였다. 또한, 지질 및 광업분야에서의 두 기술에 대한 향후 활용 전망에 대하여 고찰하였다.

증강현실 및 가상현실 기술 개요

지질분야 적용 사례

증강현실(增強現實)은 사용자가 눈으로 보는 현실세계에 3차원의 가상 정보를 겹쳐 보여주는 기술이다. 이 기술은 비행기 제조사인 보잉社의 톰 코델(Tom Caudell)이 1990년경 비행기 조립 과정에 가상의 이미지를 겹쳐 보여주면서 처음으로 세상에 소개되었고, 1990년대부터 미국을 중심으로 연구개발이 진행되어 왔다. 현재는 로널드 아즈마(Ronald Azuma)가 제안한 정의가 학계에서 가장 널리 인정받고 있으며, 그 특징을 가장 잘 설명해주고 있다(Azuma, 1997). 그에 따르면 증강현실 기술은 ‘현실의 이미지와 가상의 이미지를 결합한 것, 실시간으로 상호작용이 가능한 것, 3차원 공간상에 놓인 것’으로 정의된다. 2000년대부터 스마트폰의 보급으로 다양한 학문 및 산업 분야에서 적용되었으며(Fig. 1a), 최근에는 스마트 글래스와 같은 HMD를 이용한 다양한 컨텐츠나 솔루션이 제안되고 있다. 증강현실 기술이 현실(배경)에는 보이지 않는 가상의 정보를 현실에 겹쳐 보다 효과적으로 표현하기 때문에 사람의 눈에 보이지 않는 지하 정보에 해당하는 지질 및 광업 분야에도 활용이 가능하다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F1.jpg
Fig. 1.

Example of screenshot of (a) AR and (b) VR technoloies based system (image source from http://www.google,com/).

가상현실(假想現實)은 컴퓨터 등을 사용한 인공적인 기술로 만들어낸 것으로 실제와 유사하지만 실제는 아닌 어떤 특정한 환경이나 그 기술 자체를 의미한다. 다만 가상현실의 개념은 최근 들어 정립되었으나 바탕이 되는 기술들(컴퓨터 그래픽, 통신, 제어, 인지과학, 로보틱스 등)은 이전부터 존재하였다. 용어 자체는 프랑스의 앙토냉 아르도(Antonin Artaud)가 책에서 극장을 묘사하는 단어로 ‘가상현실’을 사용한 것이 기원이 되었고, 1968년에 미국 유타 대학교의 이반 서덜랜드(Ivan Edward Sutherland)가 고안한 HMD가 최초의 가상현실 시스템으로 알려져 있다. 가상현실 기술을 설명하는 데에는 ‘몰입 환경, 실시간으로 상호작용이 가능한 것, 3차원 공간상에 높인 것’의 3요소가 필요하다. 이와 같이 가상현실 기술은 실제와 같은 3차원 환경에서 몰입감 있는 체험과 상호작용이 가능하다는 장점이 있어 역시 게임, 여행, 교육 분야 등에서 주로 시뮬레이션으로 사용된다(Fig. 1b). 가상현실은 제시 방식(가상세계, 현실세계 등)이나 시스템 환경에 따라(몰입형 가상현실, 원거리 로보틱스, 데스크톱 가상현실, 3인칭 가상현실 등) 분류할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 세부적인 분류법에 대한 자세한 설명은 생략하였다.

증강현실과 가상현실 기술의 차이점을 비교한 내용을 Table 1에 정리하였다. 두 기술 모두 사용자로 하여금 몰입감 있는 경험(enhanced or enriched experience)을 하도록 하는 점에서는 공통점이 있다. 그러나 증강현실은 카메라를 통해 사용자가 현재 보고 있는 배경(환경)에 가상의 정보를 부가하는 것으로써 현실을 증강시키는 기술이다. 즉, 현실과 가상현실이 접목되면서 변형된 형태 중 하나라고 볼 수 있다. 몇 년 전 유행했던 포켓몬고 스마트폰 앱 게임이 한 예라고 볼 수 있다. 반면에 가상현실은 현실에 존재하거나 존재하지 않는 환경에 대한 정보를 어떤 장비로 하여금 가시화해주는 기술이다. 일반적으로 이미 제작된 3차원 환경을 배경으로 하므로 사용자가 현실감각을 느낄 수는 있지만 현실과 다른 공간 안에 몰입하게 된다. 스마트폰 3D 게임 등이 대표적인 예라고 할 수 있다.

Table 1. Comparison of AR and VR technologies

Item AR VR
Concept Add digital element images to a live view
(Real world + Virtual information)
Implies a complete immersion experience that
shuts out the physical world (100% virtual world)
3 elements ·Combines real and virtual
·Is registered in 3D
·Is interactive in real time
·Imagination
·Immersion
·Interaction
Immersion Partially immerses Fully immerses
Required hardware Smartphone, tablet or headset with camera VR headsets, noise-cancelling headphones,
motion capture equipment, HMD, etc.

증강현실 기술의 활용사례

지질분야 적용 사례

증강현실 기술이 지질분야에 적용된 사례들은 크게 지질조사, 지질과학교육, 지하시설물 관리, 지오투어리즘(관광) 등 4가지로 분류되었다. 여기서 지질조사와 지질과학교육의 경우 문헌의 개발내용 범위가 일부 겹치는 부분이 있어 연구자에 따라서는 분류가 달라질 수도 있다. 본 연구에서는 문헌 제목이나 키워드에 ‘geoscience education’ 또는 ‘science learning’ 등과 같은 표현이 있는 경우에는 지질현상의 이해와 교육을 목적으로 한 것으로 판단하여 지질조사가 아닌 지질과학교육 분야로 분류하였다. 또한, 시설물 관리의 경우 일반적으로 토목/건축 분야로 분류되기도 하지만 시설물의 규모와 위치에 따라 관련 분야가 달라질 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 지표 하부공간에 설치된 지하 시설물 관리 사례만을 지질분야에 포함시켰다.

증강현실 기술 기반의 지질조사 기법들은 대부분 야외 현장 조사 및 계측 등을 위한 것으로 데스크톱 보다는 주로 모바일 디바이스 기반의 증강현실 시스템의 형태로 개발되었다. 또한, 모바일 증강현실 기반의 지질조사 기법은 전통적인 현장조사 기법과 비교할 때 Table 2와 같이 필요한 지질도나 장비, 현장 위치 인식, 데이터 검색 및 해석(직관성) 등 다양한 관점에서 장점이 있다.

Table 2. Comparison between the conventional survey and mobile AR-based geological/mining site investigation (modified from Lee, 2016)

Investigation steps Conventional geological survey Mobile AR-based geological survey
Geologic maps Have to be prepared separately Integrated
GPS device
Acquisition of
current location
Manually performed Automated
Data searching and
retrieving
Data interpretation Various types of data have to
be interpreted without visual aid
Integrated data is displayed on
a single screen

영국 지질조사소(British Geological Survey. BGS)에서는 스마트폰이나 태블릿 컴퓨터(tablet computer)에서 미리 저장된 수치지질도와 사용자의 위치를 이용하여 해당 위치 또는 관심지역의 지질을 직관적으로 확인할 수 있는 프로토타입(prototype) 어플리케이션(앱) BGS iGeology를 개발하였다(Westhead et al., 2012, Westhead et al., 2013). 또한, 이와 유사하게 아르헨티나에서도 3차원 지형자료를 함께 보여주는 ARGeo 시스템(Gazcón et al., 2018), 광산지역의 지하 지질구조를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 도와주는 프로토타입 시스템(Mathiesen et al., 2012)과 사용자가 원하는 단면에 따라 지질 모델을 확인할 수 있는 시스템(Ababsa et al., 2012)도 발표되었다. 이러한 앱들은 지표지질뿐만 아니라 지형 자료를 3차원으로 가시화할 수 있어 지질학자나 자원공학자가 현장조사를 수행하기 전에 지표 및 지하에 대한 직관적인 이해를 할 수 있도록 돕고 있다. 지하구조와 암반 및 지질 특성을 잘 보여줄 수 있는 시추공 정보를 태블릿 컴퓨터에서 증강현실 화면으로 보여주는 모바일 앱(BoreholeAR)도 개발되었다(Lee et al., 2015). BoreholeAR은 다양한 검색 옵션을 통해 주변 지역의 시추공 정보를 가시화할 수 있다. Fig. 2와 같이 화면 하단에는 시추공 위치를 2차원 지도에 표시하고, 화면 중간 부분에 태블릿 카메라 영상 화면과 함께 시추공 정보를 가시화한다. 해당 화면에서 특정 시추공을 클릭하면 시추주상도에 기록되는 다양한 정보들을 확인할 수 있다. 중국에서는 무인항공기 사진측량 기법을 이용하여 절리군 등의 암반 내 불연속면을 탐지하고, 불연속면 자료와 운동학적(kinematic) 기법에 근거한 암반사면의 평면, 쐐기, 전도파괴 또는 취약 영역을 현장 암반사면에 함께 가시화하는 시스템을 구현하였다(Zhang et al., 2019). 또한, Veas et al.(2013)은 환경 모니터링을 목적으로 지표에 설치된 다양한 센서 자료를 이용하여 지표 또는 산지 토양의 습윤도와 온도 정보를 함께 가시화하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F2.jpg
Fig. 2.

Screen shot of the Borehole AR iPad application showing a camera view with superimposed borehole data (above) and a 2D map of borehole locations (below) (Lee et al., 2015).

전술한바와 같이 증강현실 기술이 현실에 있는 정보를 보다 직관적으로 가시화함으로써 이해력이 향상되는 장점 때문에 지질과학 교육 분야에서도 다양한 사례가 발표되었다. Carbonell Carrera et al.(2017)은 디지털 교육 환경에서 공간적 사고력을 키우고 향상시키는 수단으로써 증강현실 기술의 특성과 교육 효과에 대해 보고하였다. 특히, 공학분야뿐만 아니라 지질과학 분야에서 3차원적 해석이 필요한 등고선 해석, 지형기복, 지질구조 등의 사례를 제시하며, 증강현실 기반의 툴(tool)로 함께 공부했을 때 이해력이 향상되었음을 실제 조사를 통해 밝혀냈다. Kundu et al.(2018)은 증강현실 샌드박스(sandbox)를 이용하여 등고선 자료로부터 2차원 등고선지 위에 3차원 지형을 증강현실로 가시화하고, 지형기복에 의한 지표수 이동 방향과 확산 패턴을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하였다. Cheng and Tsai (2013)은 과학교육에서 적용되었던 증강현실 기술 기반의 다양한 교육 사례를 소개하고 미래 과학교육과 연구를 위한 최신 기술 활용의 중요성에 대해 언급하였다.

지하시설물의 경우 1990년대 중후반부터 활발히 보급되었던 개인 휴대 정보 단말기(personal digital assistant)를 이용한 관리가 이루어져왔다. 그러나 관리 초기에는 지표 하부에 매설되어 있는 수도관이나 가스관의 대략적인 위치를 기반으로 작업이 수행되었고, 최근에는 증강현실 기술을 이용하여 보다 정확한 위치에서 직관적인 가시화와 구체적인 정보를 가지고 지하 파이프라인이나 전력선의 관리 및 모니터링을 수행할 수 있게 되었다.

중국에서는 지하 파이프라인 지리정보시스템(geographic information systems, GIS) 데이터베이스를 이용하여 지상에 있는 사람이 모바일 기기를 통해 실제로는 보이지 않는 지하 파이프라인의 위치와 분포를 직관적으로 파악할 수 있게 도와주는 시스템을 개발하였다(Zhang et al., 2016). 유사한 목적으로 실행된 프로젝트 Smart Vidente 에서는 오스트리아 지역의 파이프라인과 전력선 등 지하시설물 네트워크를 가시화하고 그 방법과 절차를 자세하게 기술하였다(Schall et al., 2013). 또한, Eren et al.(2013)은 지하 파이프 정보를 다양한 시점(view)에서 볼 수 있도록 하는 다중 뷰 가시화 기법(standard method, edge overlay, dig box, multi-view technique)을 소개하였다. 한편, 한국에서는 웹기반으로 제공되는 지하수 정보를 3차원 증강현실 기술에 접목하여 수변지역 지하수 시설물 모니터링 솔루션을 개발하였다(Shin et al., 2016). 이를 통해 하천변의 방사형 집수정내에 설치된 다양한 계측 장치를 표출하고 지하수 관측정의 수위 및 수질 자료를 관리하도록 하였다.

지오투어리즘 분야에서도 증강현실 기술 적용 사례를 찾을 수 있다. Martínez-Graña et al.(2018)은 스페인 부르고스(Burgos) 지역의 중생대 지질유산 관광지역을 배경으로 구글 지도(google maps). 3차원 지질도와 단면도를 증강현실로 가시화하고, 화석 등 주요 지질지역(geosites)의 위치와 경로를 표시해주어 보다 흥미로운 관광을 할 수 있는 앱(Burgos fossil route)을 개발하였다.

광업분야 적용 사례

증강현실 기술은 광업 분야에서 가행광산의 개발 및 생산이나 휴·폐광산의 광해방지 작업을 지원하는데도 널리 활용되어 왔다.

호주의 광업 소프트웨어 및 하드웨어 개발 회사인 Maptek에서는 노천광산 생산 단계에서의 채광설계, 작업자 안전 확보, 생산성 증가 등 광산 운영을 지원할 수 있는 증강현실 기술 기반의 프로그램(PerfectDig)을 개발하였다(Maptek, 2019). 이 프로그램은 Fig. 3과 같이 채광작업을 진행할 관심영역 또는 계획된 일일 채광량 대비 실제 채광량(비교) 정보를 실시간으로 현장 암반 위에 겹쳐 가시화함으로써 채굴작업이 더 필요한 영역을 확인하고, 광산에서의 생산계획을 효과적으로 수정 및 보완할 수 있도록 도와준다. 폴란드의 한 연구자는 숙련되지 않은 광산 작업자(또는 훈련생)의 안전을 확보하기 위하여 광산 장비의 운영과 유지에 증강현실과 RFID(radio frequency identification) 기술을 활용하였다(Michalak, 2012). 광산에서 사용되는 장비들은 그 종류와 기능이 매우 다양하기 때문에 현장 밖에서 이를 모두 이해하기는 쉽지 않다. 그래서 광산 작업자가 스마트 글래스 또는 태블릿 컴퓨터를 주변의 장비 방향으로 향하면 광산 장비의 스펙, 기능, 사용 방법(매뉴얼) 등이 그 화면에 함께 가시화되도록 구성하여 미숙으로 인한 사고를 줄이고자 한 것이다. Kebo et al.(2015)는 트럭 등을 이용한 자원 수송이나 스마트 채광에 있어 장기적으로 이를 자동화하고 제어하는데 있어 자동인식(automatic identification) 기술이 필수적이며, 이를 위해 필요한 요소 기술인 RFID 기반 탐지와 증강현실 기술의 중요성을 강조하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F3.jpg
Fig. 3.

AR based intuitive software for evaluating and supporting mine design conformance (Maptek, 2019).

폐광산 광해 발생지역의 현장조사를 지원하기 위한 증강현실 기반의 태블릿 컴퓨터 앱(UMineAR)이 최근 개발되었다(Suh et al., 2017). UMineAR 앱은 기구축된 폐광산 지역의 광산GIS 데이터베이스를 이용하여 지하광산 채굴로 인해 발생한 갱도, 갱구, 지반침하, 지표침하 영향범위, 지하수위 측정을 위한 시추공 정보를 광산 배경 이미지와 함께 3차원으로 가시화할 수 있다(Fig. 4). 이 앱은 자료를 검색하기 위한 검색 옵션 창, 동영상의 형태로 실제 광산 이미지와 증강된 정보를 함께 보여주는 증강현실 창, 광산 내 시추공의 위치를 2차원 지도로 보여주는 지도 창으로 구성되어 있다. 특히, 유사 실시간으로 측정한 시추공 별 지하수위 정보를 특정 날짜/시간 별로 화면에 가시화함으로써 시계열 지하수위 변화와 주변 갱도의 침수 원인 등을 파악할 수 있도록 하였다(Fig. 5). 이러한 기능들은 비록 현장에 대한 이해와 공간적 사고력이 충분하지 않더라도 광해 발생 위치와 주변 갱도 및 지하수위와의 영향 정도 등을 보다 효과적으로 해석하는데 기여할 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F4.jpg
Fig. 4.

Conceptual diagram of mobile AR system for underground mine and mining-induced hazards (Suh et al., 2017).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F5.jpg
Fig. 5.

Results of groundwater level fluctuations of borehole No. 2 in UMineAR (Suh et al., 2017).

가상현실 기술의 활용사례

지질분야 적용 사례

가상현실 기술이 지질분야에 적용된 사례들은 지질자료 가시화, 지질과학교육, 그리고 지오투어리즘 등 3가지로 분류할 수 있다. 이 분류 모두 지질현장의 정보를 가상으로 제작하고 가시화하여 사용자가 지질현장을 간접적으로 체험하고 효과적으로 이해할 수 있도록 기여한다는 점에서는 그 성격이 유사하다. 다만 개발된 시스템의 주 용도가 지질과학교육(또는 답사교육)을 위한 것인지 관광을 위한 것인지에 따라 사례들을 위와 같이 분류하였다. 한편 가상현실은 증강현실 기술과 다르게 실제 지질현장에서 사용되기 보다는 실내 환경에서 활용되는 빈도가 훨씬 높은 편이다. 그러한 이유로 현장에서 이루어지는 지질조사보다는(답사하기 어렵거나 답사가기 전에) 지질현장을 간접적으로 체험하고 이해하는 지질과학교육의 관점에서 활발하게 이용된 것으로 분석된다.

지질현상의 원리와 특징을 효과적으로 이해시키기 위하여 가상현실 기술은 1990년대부터 지질자료의 3차원 가시화에 적용되어 왔다. 미국에서는 석유 및 광물자원 개발을 위한 3차원 탄성파 자료를 가상현실 기술로 가시화함으로써 지하지질구조 영상 해석을 시도하였으며(Lin and Loftin, 1998), 화성 산타마리아 크레이터(Santa Maria Crater on Mars)의 지형, 구성성분, 광물정보 등을 가시화함으로써 마치 화성탐사로봇의 시야에서 탐사를 체험하는 듯한 시스템(Fig. 6)을 개발하기도 하였다(Wang et al., 2012). 또한, 노르웨이의 연구자들은 원시지리학 재현 분야의 범용 소프트웨어인 GMAP을 이용하여 판구조론의 다양한 개념(팡게아로부터 대륙의 이동 및 분리 등)들을 모델링하였다(Torsvik and Smethurst, 1999). 또한, 가상현실 기반 모델링 언어인 VRML(virtual reality modeling language)과 GIS 데이터를 이용한 인터넷 웹 기반의 지표 지질 노두(Thurmond et al., 2005), 지형 및 시추공 자료(Huang and Lin, 1999)의 가시화 사례 등도 발표되었다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F6.jpg
Fig. 6.

Prototype virtual reality image for the exploration of Santa Maria Crater on Mars (Wang et al., 2012).

특히 지질분야에 대한 이해는 실제세계를 기반으로 한 문헌이나 영상 자료 등을 공부하는 것 이외에도 다양한 경험을 필요로 한다. 대표적인 예로, 지질조사 또는 야외답사를 꼽을 수 있다. 이러한 지질과학교육분야에 가상현실 기술이 적용된 사례들은 그 연구 대상이 다양했는데 그 예로는 화산 지형, 강 또는 하천, 토양침식, 일반 야외지질 등이 있다.

Kim and Lee(2011)은 제주도 화산 지형을 중심으로 플래시 파노라마를 이용하여 웹 기반의 가상야외지질답사 프로그램을 개발하고, 교과 및 비교과 활동에서의 활용 방안을 탐색하였다. 해당 프로그램은 화산지형 및 지물의 근접 촬영 이미지, 탐구활동, 해당지역의 실제 암석 표본 및 박편 이미지 등 다양한 웹 콘텐츠를 제공한다. 이는 현재 야외답사가 학습장의 부족과 접근의 어려움, 학급 당 학생 수의 과밀화, 거리와 시간, 비용 및 안전 문제 등으로 인하여 제한된 범위에서만 행해지는 문제를 해결하고자 한 것이었다. 유사한 목적을 위해 Kim(2014)는 국내 채석강 지역의 3D 파노라마 가상현실 지질답사 투어용 학습자료를 개발하고, 프로그램의 교육적 효과를 알아본 결과 높은 비율의 학생들이 긍정적인 반응을 보여준 것으로 확인되었다. 한편 대만은 하천침식률이 가장 높은 나라 중에 하나이다. 이러한 이유로 대만의 연구자들은 3개 강 주변의 지형자료를 이용하여 실제 지형을 모사하고, 이로부터 하천침식(stream erosion)의 개념과 특징을 보다 직관적으로 이해할 수 있는 웹 기반의 가상현실 시스템을 개발하였다(Li et al., 2002).

지오투어리즘 분야에 가상현실 기술이 적용된 사례들은 전술한 지질 관광 증강현실 기술 적용 사례와 목적은 거의 유사하였다. 다만 증강현실 적용 사례가 주로 지질 현장에서 사용 가능한 목적으로 개발되었다면, 가상현실 적용 사례는 현장에 방문하지 않고도 집이나 타 지역에서 간접적으로 지질 유산을 체험할 수 있도록 개발된 것이라고 할 수 있다.

Park and Lee(2018)은 무인항공기 드론과 가상현실을 이용하여 한국의 지질공원 모니터링을 위한 3D 공간데이터를 구축하고 그 활용방안에 대하여 연구하였다. 국가 지질공원은 환경적 측면이나 유산적 측면에서 보존가치가 높지만 그에 비해 상대적으로 관심이 부족했던 것이 사실이다. 이러한 지질공원의 인지도를 향상시키고 홍보하기 위하여 한탄-임진강권역 국가 지질공원 중 하나인 화적연을 대상으로 무인항공기 드론 기반의 정밀 측량을 수행하고, 이를 3D 프린터에 적용한 후 가상현실 기술과 결합하였다. 이를 통해 사람들이 가상현실 고글(VR goggle) 등을 이용하여 거의 실제와 가까운 지질공원의 주요 포인트와 경관을 감상하고 다양한 지질학적 유산을 체험할 수 있도록 하였다. Martínez-Graña et al.(2019)은 스페인 다양한 조건과 항목을 고려하여 Salamanca-Ávila-Cáceres 지역의 대표적인 지질유산 13개 지역을 선정하고, 구글 어스(Google Earth) 위성영상을 배경으로 지질도와 함께 100개 이상의 주요 지질현장 지역 정보를 3차원으로 가시화하였다.

광업분야 적용 사례

광업분야에 가상현실 기술이 적용된 사례들은 광산개발과정 시뮬레이션, 광산 작업자들을 위한 교육 및 훈련, 가상현실 환경에서의 광업 소프트웨어 활용 등으로 분류되었다. 지질분야에 비하여 광산 환경은 상대적으로 유한하고, 광업 활동은 대부분 작업 단위가 구분되어 있으면서 반복되는 특성으로 인하여 가상현실 기술은 1980년대부터 이미 광업 분야에 활발하게 적용되어 왔다.

광업에서는 어떠한 현상이나 사건을 컴퓨터로 모형화하여 가상으로 수행해봄으로써 실제 상황에서의 결과를 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 활발하게 활용되어 왔다. Kizil(2003)은 가상현실 기반 시뮬레이션이 광업 분야에서 특정 환경에 대한 가시화, 안전사고 재현을 통한 교육 및 훈련, 위험성 분석 등에 효과적으로 활용될 수 있다고 언급하였다. 또한, 광업 교육에 있어 가상현실 기술 적용의 주요한 장점으로서 시간 및 비용 절감, 고가의 사용이 쉽지 않은 장비에 대한 무한한 사용, 위험 환경에의 노출 방지, 학습 공간의 자율성 등을 제시하였다. Toraño et al.(2008)은 유한요소법(finite element method)과 퍼지로직(fuzzy logic)을 결합한 채탄막장의 장벽식(longwall) 채탄 시뮬레이션을 수행하고 이를 VRML 툴을 이용하여 가시화하였다. Foster and Burton(2006)은 지하광산에서 이동 및 차량 운송시 발생하는 안전사고를 저감하기 위한 목적으로 사전에 작업자의 시선에서 갱내 가시권을 확인하고 시야를 확보할 수 있도록 도와주는 가상현실 기반의 모델링을 수행하였다.

야외 현장에서 이루어지는 광산개발 작업은 여러 단계로 구성되며, 광업 활동은 장비 또는 작업자의 안전사고를 유발하기도 한다. 따라서 광산 작업자(특히 훈련생)는 광산개발 과정(세부 단계)에 대한 이해가 요구되며, 광산에서 발생하는 안전사고를 사전에 예방할 필요가 있다. 이와 같이 광업의 교육 및 훈련을 위해 가상현실 기술이 광업분야에 적용되어 왔다.

Tichon and Burgess-Limerick(2011)은 광업활동에서의 안전 사고를 저감하고 방지하기 위한 작업자의 교육·훈련을 위한 수단으로서의 가상현실 기술의 가능성과 효과에 대하여 연구하였다. 이러한 방식의 교육·훈련이 광업 활동의 몇몇 작업에서 높은 효과가 있음을 제시하였다. 동시에 해당 프로그램이 아직 높은 수준에 이르지는 못했음을 강조하며, 보다 체계적이고 다양한 스케일에서 적용 가능한 시스템을 개발할 것을 제안하였다. 남아프리카 공화국에서는 1990-1999년 동안 금광산 개발 과정에서 3,000여명의 부상자가 발생하는 문제의 심각성을 인지하고, 광산 작업자의 안전사고 저감을 위한 데스크톱 가상현실 기반의 프로토타입 광산안전 훈련시스템을 제안하였다(Squelch, 2001). 개발된 멀티미디어 시스템은 지하광산의 채굴적까지의 이동 경로와 막장 개발 단계 등 지하 주변 환경을 모사하고, 채굴로 인한 연약 천정부의 붕괴 과정과 이를 방지하기 위한 지지(support) 방법 등을 가상현실 환경으로 시뮬레이션 한다. 또한, 개발된 시스템과 전통적인 광산 안전 교육·훈련 기법의 장단점을 시간 및 비용, 이해도 측면에서 비교 분석하여 그 유용성을 검증하였다. 2010년대에 들어서는 구글 글래스 또는 고글과 같은 HMD 기술의 발전으로 인하여 데스크톱이 아닌 HMD를 이용한 가상현실 기반의 광산작업자 교육·훈련 시스템이 다수 제안되었다(Grabowski and Jankowski, 2015; Hui, 2017). 1980-2010년에는 주로 데스크톱 환경에서 키보드, 마우스 등을 이용하여 자료를 입력하거나 소프트웨어를 제어했다면, 2010년대부터는 다양한 카메라와 센서가 부착되어 자동 추적(automatic tracking)과 다양한 제어가 가능해지면서 보다 직관적이고 사용성이 높은 장비들(Table 3)을 이용한 가상현실 기반의 시스템들이 개발된 것이다.

Table 3. Summary of VR input devices (Hui, 2017)

Category Type Device Degree of
intuition
Degree of
difficulty
Degree of
accuracy
Manual operation General Keyboard, mouse, joysticks, etc. Low Medium/High High
Customized Customized instruments, operational platforms, etc. Medium Low/medium High
Automatic tracking Head Accelerometer, gyroscope, etc. High Low Medium/High
Hands Data gloves, gyroscope, etc. High Low Medium
Eyes Camera, Infrared sensor, etc. High Low Medium
Body Infrared sensor, depth camera, etc. High Low Medium
Voice Microphone, etc. High Low Low/medium
Position Magnetic/optical/mechanics sensors, etc. High Low Medium/High

최근 들어 데스크톱 컴퓨터의 키보드나 마우스를 이용한 입력·조작 외에도 가상현실 환경에서 다양한 기기를 이용하여 광업 분야의 소프트웨어를 활용하고 제어하는 사례가 증가하는 추세이다. Kim and Choi(2019)는 광업 소프트웨어를 조정하는 수단으로써 2D 마우스, 3D 마우스, 가상현실 컨트롤러(VR controller), 키넥트 센서를 이용한 글러브(glove with kinect sensor) 등 4가지의 사용자 인터페이스 기기의 특성을 면밀하게 분석하고, 특정 작업을 수행하는 실험을 통해 기기별 입력(사용) 시간, 정확성, 편의성, 피로도 등을 측정하고 비교하였다(Fig. 7). Nickel et al.(2019)은 가상현실 기반의 광업 시뮬레이터를 활용함에 있어 사용자간 능력 차이를 좁히거나 따라가기 위해 필요한 연습량과 시간에 대하여 연구하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksmer/2019-056-05/N0330560507/images/ksmer_56_05_07_F7.jpg
Fig. 7.

Images of experimenters controlling the KmodStudio software in a VR environment using different user interface devices. (a) Two-dimensional (2D) mouse; (b) 2D and three-dimensional (3D) mice; (c) VR controller; and (d) bend-sensing data glove with a Kinect sensor (Kim and Choi, 2019).

결 론

본 연구에서는 증강현실과 가상현실 기술의 개념과 특징을 정리하고, 지질분야와 광업분야의 적용사례들을 분석하였다. 증강현실은 현실에 가상의 정보를 더해줌으로써 보다 직관적인 가시화를 제공하고 사용자의 이해를 향상시키는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 특성으로 인해 지질분야에서는 지질조사, 지질과학교육, 지하시설물 관리, 지오투어리즘 분야에 적용되었고, 광업분야에서는 광산개발의 효율성 증가와 광해방지조사에 활용되었다. 다만 증강현실 기술이 사용자의 위치를 기반으로 서비스를 제공하는 특징 때문에 야외현장(지질분야 또는 노천광산)에는 다수 적용된 반면, 위치 인식이 어려운 지하광산에는 상대적으로 덜 적용된 것으로 조사되었다. 가상현실의 경우 두 분야에서 다양한 목적으로 활용되었다. 지질분야에서는 주로 지질과학교육과 지오투어리즘에, 광업분야에서는 광산작업 시뮬레이션, 광산작업자의 안정성 확보를 위한 교육 및 훈련, 광업 소프트웨어 제어를 위한 장비 활용에 적용되었다.

증강현실과 가상현실 콘텐츠를 제공하는 플랫폼은 ICT의 발달과 함께 변화하였다. 1990년대에는 주로 데스크톱 기반의 프로그램 형태로 개발을 시작하였고, 2000년대 중후반부터는 휴대폰이나 모바일 태블릿 앱의 형태로 서비스 환경이 변화되었으며, 2010년대에 들어서는 스마트 글래스나 가상현실 트레드밀(VR treadmil)과 같은 HMD의 형태로 플랫폼을 변화하며 발전을 거듭해왔다. 만약 디지털 트윈(digital twin)의 적용 영역이 확대된다면 가상현실 기술의 적용 범위 또한 확장될 수 있을 것이다.

최근 5G 네트워크 통신, 센서, GIS 등 다양한 ICT의 발전에 따라 증강현실과 가상현실 기술은 산업 전 분야로 확산될 것으로 예측된다. 특히, 전술한 지질과학교육이나 지오투어리즘의 경우 두 기술이 대중들의 생활 속에도 스며들 수 있는 분야이기 때문에 그 확장성은 더욱 클 것이다. 따라서 다양한 컨텐츠 개발과 더불어 개인정보를 포함한 데이터 보안이나 기술의 안정성을 확보해 나가야 할 필요가 있다. 반면 광업분야의 경우 주로 전문가나 업무 관련자를 대상으로 기술이 적용되고 있으므로 사용 목적에 따른 컨텐츠의 완성도와 활용 효과를 높이는데 주력할 필요가 있을 것이다. 또한, 광산지역의 데이터 네트워크 구축도 이루어지고 있는 만큼 지하광산에서도 활용될 수 있는 다양한 기술과 컨텐츠에 대한 연구개발이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구 결과가 지질 및 광업 분야에서 개발될 프로그램 또는 앱 개발을 위한 참고자료로써 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

Acknowledgements

이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF- 2019R1I1A3A01062541).

References

1 

Ababsa, F., Zendjebil, I., Didier, J.Y., Pouderoux, J., and Vairon, J., 2012. Outdoor augmented reality system for geological applications. In IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM pp. 416-421.

10.1109/AIM.2012.6265927
2 

Azuma, T., 1997. Survey of augmented reality. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 6(4), 355-385.

10.1162/pres.1997.6.4.355
3 

Carbonell Carrera, C. and Bermejo Asensio, L.A., 2017. Augmented reality as a digital teaching environment to develop spatial thinking. Cartogr Geogr Inf Sci. 44(3), 259-270.

10.1080/15230406.2016.1145556
4 

Cheng, K.H. and Tsai, C.C., 2013. Affordances of augmented reality in science learning: suggestions for future research. J Sci Educ Technol. 22(4), 449-462.

10.1007/ s10956-012-9405-9
5 

Eren, M.T., Cansoy, M., and Balcisoy, S., 2013. Multi-view augmented reality for underground exploration. In Proceedings - IEEE Virtual Reality, pp. 117-118. Orlando, FL, USA.

10.1109/VR.2013.6549390
6 

Foster, P.J. and Burton, A., 2006. Modelling potential sightline improvements to underground mining vehicles using virtual reality. Institution of Mining and Metallurgy. Transactions. Section A: Mining Technology, 115(3), 85-90.

10.1179/174328606X128714
7 

Gazcón, N.F., Trippel Nagel, J.M., Bjerg, E.A., and Castro, S.M., 2018. Fieldwork in geosciences assisted by ARGeo: a mobile augmented reality system. Comput Geosci. 121, 30-38.

10.1016/j.cageo.2018.09.004
8 

Grabowski, A. and Jankowski, J., 2015. Virtual reality-based pilot training for underground coal miners. Saf Sci. 72, 310-314.

10.1016/j.ssci.2014.09.017
9 

Huang, B. and Lin, H., 1999. GeoVR: a web-based tool for virtual reality presentation from 2D GIS data. Comput. Geosci. 25(10), 1167-1175.

10.1016/S0098- 3004(99)00073-4
10 

Hui, Z., 2017. Head-mounted display-based intuitive virtual reality training system for the mining industry. International Journal of Mining Science and Technology, 27(4), 717-722.

10.1016/j.ijmst.2017.05.005
11 

Kebo, V., Staša, P., Beneš, F., and Švub, J., 2015. Auto- Identification in mining industry. Journal of the Polish Mineral Engineering Society, 16(1), 7-12.

12 

Kim, G.-W. and Lee, K.-Y., 2011. Developing web-based virtual geological field trip by using flash panorama and exploring the ways of utilization: a case of jeju island in korea. J. Korean Earth Sci. Soc. 32(2), 212-224. https:// doi.org/10.5467/jkess.2011.32.2.212

10.5467/JKESS.2011.32.2.212
13 

Kim, H. and Choi, Y., 2019. Performance comparison of user interface devices for controlling mining software in virtual reality environments. Appl. Sci. 9(13), 2584-2595. https:// doi.org/10.3390/app9132584

10.3390/app9132584
14 

Kim, H.-S., 2014. Development and application of virtual geological field trip program using 3D panorama virtual reality technique. J. Korean Earth Sci. Soc. 35(3), 180-191.

10.5467/JKESS.2014.35.3.180
15 

Kizil, M., 2003. Virtual reality applications in the Australian minerals industry. Application of Computers and Operations Research in the Minerals Industries, 569-574.

16 

Kundu, S.N., Muhammad, N., and Sattar, F., 2018. Using the augmented reality sandbox for advanced learning in geoscience education. In Proceedings of 2017 IEEE International Conference on Teaching, Assessment and Learning for Engineering, TALE 2017, Vol. 2018, pp. 13-17. https://doi. org/10.1109/TALE.2017.8252296

10.1109/TALE.2017.8252296
17 

Lee, S., 2016. Development of mobile software for field survey of geological structures. PhD Thesis, Seoul National University, Republic of Korea, 103p.

18 

Lee, S., Suh, J., and Park, H., 2015. BoreholeAR: A mobile tablet application for effective borehole data- base visualization using an augmented reality technology. Comput Geosci. 76, 41-49.

10.1016/j.cageo.2014.12.005
19 

Li, F.C., J, Deffontaines, B., Jyr-Ching, H., Shih-Hao, H., Lee, C.H., Chia-Hui, H., and Cheng-Hung, C., 2002. A virtual reality application for distance learning of Taiwan stream erosion in geosciences. In Proceedings - International Conference on Computers in Education, ICCE 2002, pp. 1156-1160. IEEE.

10.1109/CIE.2002.1186178
20 

Lin, C.R. and Loftin, R.B., 1998. Application of virtual reality in the interpretation of geoscience data. In Proceedings of the ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology, VRST, pp. 187-194. Taipei, Taiwan: ACM.

10.1145/293701.293725
21 

Maptek, 2019. 10. 6, https://www.maptek.com/products/perfectdig/perfectdig_faq.html

22 

Martínez-Graña, A., González-Delgado, J.Á., Ramos, C., and Gonzalo, J.C., 2018. Augmented reality and valorizing the mesozoic geological heritage (Burgos, Spain). Sustainability, 10(12), 4616-4631.

10.3390/su10124616
23 

Martínez-Graña, A.M., Goy, J.L., González-Delgado, J.Á., Cruz, R., Sanz, J., Cimarra, C., and de Bustamante, I., 2019. 3D virtual itinerary in the geological heritage from natural areas in Salamanca-Ávila-Cáceres, Spain. Sustainability, 11(1), 144-160.

10.3390/su11010144
24 

Mathiesen, D., Myers, T., Atkinson, I., and Trevathan, J., 2012. Geological visualisation with augmented reality. In Proceedings of the 2012 15th International Conference on Network-Based Information Systems, NBIS 2012, pp. 172-179.

10.1109/NBiS.2012.199
25 

Michalak, D., 2012. Applying the augmented reality and RFID technologies in the maintenance of mining machines. In Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science, Vol. I, San Francisco.

26 

Nickel, C., Knight, C., Langille, A., and Godwin, A., 2019. How much practice is required to reduce performance variability in a virtual reality mining simulator? Safety, 5(2), 18.

10.3390/safety5020018
27 

Park, H. and Lee, D., 2018. 3D spatial data generation and data cross-utilization for monitoring geoparks: using unmanned aerial vehicle and virtual reality. J. Geol. Soc. Korea., 54(5), 501-511.

10.14770/jgsk.2018.54.5.501
28 

Schall, G., Zollmann, S., and Reitmayr, G., 2013. Smart vidente: advances in mobile augmented reality for interactive visualization of underground infrastructure. Pers. Ubiquitous Comput., 17(7), 1533-1549.

10.1007/s00779- 012-0599-x
29 

Shin, J., Sung, M., and Lee, M., 2016. Development of monitoring solution for riverside groundwater facilities using an augmented reality. J. Geol. Soc. Korea., 52(4), 501-510.

10.14770/jgsk.2016.52.4.501
30 

Squelch, A.P., 2001. Virtual reality or mine safety training in South Africa. J. S. Afr. Inst. Min. Metall., 101(4), 209-216.

31 

Suh, J., Lee, S., and Choi, Y., 2017. UMineAR: Mobile- tablet-based abandoned mine hazard site investigation support system using augmented reality. Minerals, 7(10), 198-215.

10.3390/min7100198
32 

Thurmond, J.B., Drzewiecki, P.A., and Xu, X., 2005. Building simple multiscale visualizations of outcrop geology using virtual reality modeling language (VRML). Comput. Geosci., 31(7), 913-919.

10.1016/j.cageo.2005. 03.007
33 

Tichon, J. and Burgess-Limerick, R., 2011. A review of virtual reality as a medium for safety related training in mining. Journal of Health and Safety Research and Practice, 3(1), 33-40.

34 

Toraño, J., Diego, I., Menéndez, M., and Gent, M., 2008. A finite element method (FEM) - Fuzzy logic (Soft Computing) - virtual reality model approach in a coalface longwall mining simulation. Autom. Constr.

10.1016/ j.autcon.2007.07.001
35 

Torsvik, T.H. and Smethurst, M.A., 1999. Plate tectonic modelling: Virtual reality with GMAP. Comput. Geosci. 25(4), 395-402.

10.1016/S0098-3004(98)00143-5
36 

Veas, E., Grasset, R., Ferencik, I., Grünewald, T., and Schmalstieg, D., 2013. Mobile augmented reality for environmental monitoring. Pers. Ubiquitous Comput., 17(7), 1515- 1531.

10.1007/s00779-012-0597-z
37 

Wang, J., Bennett, K., and Guinness, E., 2012. Virtual astronaut for scientific visualization-a prototype for santa maria crater on mars. Future Internet, 4(4), 1049-1068.

10.3390/fi4041049
38 

Westhead, R., Smith, M., Shelley, W. Pedley, R., Ford, J., and Napier, B., 2013. Mobile spatial mapping and augmented reality applications for environmental geoscience. Journal of Internet Technology and Secured Transactions, 2, 185-190.

10.20533/jitst.2046.3723.2013.0024
39 

Westhead, R.K., Smith, M., Shelley, W.A., Pedley, R.C., and Napier, B., 2012. Mapping the geological space beneath your feet. In International Conference on Information Society, pp. 3-6.

40 

Zhang, X., Han, Y., Hao, D.S., and Lv, Z., 2016. ARGIS-based outdoor underground pipeline information system. J. Vis. Commun. Image Represent., 40, 779-790.

10.1016/j.jvcir.2016.07.011
41 

Zhang, Y., Yue, P., Zhang, G., Guan, T., Lv, M., and Zhong, D., 2019. Augmented reality mapping of rock mass discontinuities and rockfall susceptibility based on unmanned aerial vehicle photogrammetry. Remote Sens., 11(11), 1311- 1344.

10.3390/rs11111311
페이지 상단으로 이동하기