구글 카드보드 타입의 VR(Virtual Reality) 기기를 이용한 눈의 편위와 융합력 측정

서 론

스마트폰과 저렴한 가격의 구글 카드보드 타입(Google cardboard type)의 VR(virtual reality) 기기의 보급으로 가상현실 체험을 대중도 쉽게 할 수 있게 되었다.^[1] 이는 약 +17~20 D 렌즈가 장착되어있는 VR 기기와 스마트폰의 자이로 센서(gyro sensor)와 가속도 센서(acceleration sensor)를 이용한 머리 추적(head tracking) 기술, 고화질 360도 영상 촬영 등의 기술을 통해 가능해졌으며, VR 기기의 보급을 통해 가상현실을 활용한 통한 교육, 심리치료, 의료기술 등의 분야에 대한 연구 및 상용화도 활발히 진행되고 있다.^[2-5]

VR 기기의 기본 구조 및 원리를 Fig. 1에 나타내었다. VR 기기는 스마트폰의 영상을 좌우로 분리하여 양안에 영상을 보여주며, 두 눈의 망막에 맺히는 각각의 이미지는 뇌의 시각 처리 과정을 통해 융합된다. 이때 두 이미지 간에 시차(disparity)가 존재하면 입체영상 시청이 가능해지며, 볼록렌즈를 통해 스마트폰 화면이 확대되어 70~80도 이상의 시야 크기로 시청 가능하다. 또한 스마트폰은 사용자 머리 위치를 감지하며 머리 움직임이 있을 경우 화면의 다른 부분을 보여줄 수 있다.

Fig. 1.

Schematic configuration of a virtual-reality device.

그리고 렌즈결상식을 이용하여 렌즈의 초점거리(f = 1/D), 렌즈와 스크린 사이의 거리(s)를 통해 가상현실 영상이 형성되는 위치(s')를 예상할 수 있으며 수식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.

기존 연구에서는 VR 기기를 사용한 후에 시기능 및 피로도에 미치는 영향이나 사이버멀미(cybersickness) 등에 관한 연구는 보고되었으나 VR 기기를 이용해 시기능을 측정한 연구는 부족하다.^[6-8] 본 연구에서는 VR 기기가 양안에 맺히는 상을 비교적 쉽게 분리할 수 있다는 점에서 사위 등의 시기능 검사 방법과 유사하며, 이를 활용하여 스마트폰과 저렴한 VR 기기를 이용한다면 간단히 사위 및 융합력 검사가 가능할 것으로 보고 연구를 실시하였다. 또한 VR 기기의 특성상 약 70~100도까지의 넓은 가상 시야 범위를 가지므로 중심시야와 주변시야 영역의 융합력을 측정한 결과를 통해 중심과 주변부 시야의 융합력 차이와 두 검사법 중 어느 검사가 포롭터를 이용한 융합 범위 검사와 유사한지 알아보았다.

대상 및 방법

3. 자체 제작된 검사시표

본 실험은 시기능 검사에서 사용되는 수정된 토링톤 시표를 응용하여 VR 기기를 사용하여 눈의 편위를 검사할 수 있도록 시표를 고안하였으며, 중심부와 주변부의 수평 융합력을 측정하기 위해 각각 중심부와 주변부에 화살표 모양의 시표를 좌우 중앙 사이 거리를 변화시켜가며 측정할 수 있도록 제작하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Test optotypes in a virtual-reality device. A. Test charts for fusional vergence in the foveal region, B. Test charts for fusional vergence in the peripheral region, C. Test charts for ocular deviation.

먼저 A시표는 사위검사 등에 주로 사용되는 수정된 토링톤 시표를 참고하여 고안되었다. 이때 좌안은 좌측의 십자모양의 시표를, 우안은 우측의 숫자와 알파벳으로 이루어진 대각선 시표를 보게 된다. VR 기기를 착용하고 시표를 보았을 때 양안에 맺힌 상이 동시시 및 융합되면서 피실험자가 수직과 수평으로 편위된 정도를 알 수 있도록 제작되었다. 만일 피실험자가 수직선이 알파벳과 숫자의 어느 부분에 위치해있는지를 보고하면 검사자는 피실험자 눈의 수평 편위량을 알 수 있으며, 수평선의 위치를 통해 수직 편위량 또는 VR 기기의 수평 상태를 확인할 수 있다.

다음으로 B시표는 VR 기기를 착용했을 때 우리 눈의 중심시야 영역에서 수평방향 융합 범위를 알아보기 위해 제작되었다. 이때 개인마다 융합할 수 있는 범위가 다르기 때문에 화살표간 거리를 4.4 cm에서 6.4 cm까지 0.4 cm 간격으로 제작하여 실험하였다. 그리고 본 실험에서 사용된 VR 기기의 경우 다양한 크기의 스마트폰을 지원하기 때문에 시표의 화살표간 거리를 11단계로 제작하였고, 이때 실험에 사용된 스마트폰인 LG G7에서 시표를 구현할 수 있는 범위의 한계에 의해 최대·최소 범위가 정해졌다.

마지막으로 C시표는 VR 기기를 착용했을 때 주변시야에서 수평방향 융합 범위를 알아보기 위해 제작되었다. 본 실험에 사용된 VR 기기의 경우 약 90도의 시야각을 가지므로 주변시야 융합력을 측정하기 위해 제작된 C시표의 경우 가상현실 영상이 주변부 약 40~60도 범위에 시표가 위치하도록 제작되었다.

4. 실험방법

VR 기기로 측정된 편위량 및 융합력과 시기능의 상관관계를 보기 위해 원·근거리 수평/수직 사위, 원·근거리 수평 융합력을 측정하였다. 먼저 사위 검사는 양안 완전 교정 후 자동포롭터(HRT-7000, Huvitz, Korea)를 이용하여 원·근거리 PD를 맞추고 원거리는 3 m에서, 근거리는 0.4 m에서 수정된 토링톤법으로 수평/수직 사위를 검사하였다.^[11] 수평 융합버전스 검사는 원·근거리에서 0.7 시표를 주시한 상태에서 자동포롭터의 로터리 프리즘을 이용하여 흐림/분리/회복점을 측정하였다.^[11] 이때 양성 융합버전스와 음성 융합버전스의 흐림점과 분리점을 통해 총 융합력을 구하였다.

피실험자는 문진과 시기능 검사를 마친 후 10분 이상 휴식을 취하고, VR 기기와 제작된 시표를 통해 눈의 편위량과 총 융합력을 측정하였다(Fig. 3). 눈의 편위도를 알아보기 위해서 실험 참가자의 PD와 VR 기기의 두 렌즈 사이 거리를 일치시키고, VR 기기를 눈에 갖다 댄 순간 세로선의 위치를 통해 편위량을 자각적으로 측정하였다. 예를 들어, 융합된 상에서 세로선의 위치가 D에 위치하면 동측성으로 내편위를 보인다고 할 수 있다. 또한 이때 가로선의 위치가 화면 중앙에 위치하지 않을 때는 수직 사위가 있거나 VR 기기 착용 시 수평이 맞지 않았다는 의미이며, 이 경우에는 VR 기기를 좌우로 기울여 수평을 맞추고 실험을 진행하였다.

Fig. 3.

Experimental procedure.

총 융합력의 경우 피실험자가 융합할 수 있는 범위를 구하기 위해 폭주 방향과 개산 방향을 각각 측정하였으며, VR 기기의 렌즈 사이 거리를 최대 71 mm와 최소 57 mm로 조정하면서 복시로 보이다가 처음으로 융합되는 지점을 측정하여 총 융합력을 알아보았다.

결과 및 고찰

VR 기기에서 측정된 눈의 편위도와 원·근거리 수평 사위 검사 결과를 Table 1에 나타내었다. 피실험자들의 눈의 수평 편위도는 VR 기기에서 평균 약 7.64 mm의 동측성 편위를 보였다. 그리고 시기능 검사의 수정된 토링톤법을 통해 측정된 수평 사위도의 경우, 각각 원거리에서 1.58±2.09 △ 외사위, 근거리에서 5.10±4.89 △ 외사위를 나타냈다.

Table 1.

Correlation between the ocular deviation obtained using a virtual-reality device and horizontal phoria

VR 기기로 측정한 피실험자들의 눈의 수평 편위와 시기능 검사로 측정된 결과를 비교한 결과 VR 기기로 측정한 값과 상관관계 면에서 비교적 유의한 결과를 보이는 것은 근거리 사위였다. 이때 p=0.068, 피어슨의 상관계수 r=0.416을 보여 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났다.

그러나 VR 기기에서의 눈의 수평 편위도와 시기능 검사의 원거리 검사 결과는 상관관계를 보이지 않는 것으로 나타났다.

그리고 VR 기기에서 측정된 눈의 수평 편위도와 원·근거리 시기능 검사의 수정된 토링톤법으로 측정된 수평 사위도의 상관관계를 Fig. 4에 나타내었다. VR 기기에서의 수평 편위도와 시기능 검사의 원거리 수평 사위도는 통계적으로 유의한 상관관계를 보이지 않았고(Fig. 4A), VR 기기에서의 수평 편위도와 시기능 검사의 근거리 수평 사위도는 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 4B).

Fig. 4.

Correlation coefficient analysis between ocular deviation obtained using a virtual-reality (VR) device and phoria obtained using a visual function test. A. Correlation between ocular deviation obtained using a VR device and phoria at distance obtained using a visual function test, B. Correlation between ocular deviation obtained using a VR device and phoria at near obtained using a visual function test.

VR 기기에서 측정된 총 융합력과 시기능 검사로 측정된 원·근거리 총 융합력을 Table 2에 나타내었다.

Table 2.

Correlation between the total fusional vergence reserves obtained using a virtual-reality device and the result of the visual function test

VR 기기에서의 중심시야와 주변시야의 총 융합 범위는 시기능 검사에서의 근거리 검사 결과와 유의한 상관관계를 보였으며, 특히 중심시야에서 측정한 값과 시기능의 근거리 융합 범위가 p=0.030, 피어슨의 상관계수 r=−0.487로 통계적으로 유의한 상관관계를 보였다. 그리고 VR 기기에서의 주변시야 영역과 시기능 검사에서의 근거리 융합 영역에서도 p=0.063, 피어슨의 상관계수 r=−0.424로 비교적 유의한 음의 상관관계를 보였다.

그러나 VR 기기에서의 중심시야 영역과 주변시야 영역의 총 융합 범위와 시기능 검사에서의 원거리 총 융합 범위는 상관관계를 보이지 않는 것으로 나타났다.

VR 기기에서의 중심시야와 주변시야의 총 융합 범위와 시기능 검사에서의 원·근거리 총 융합 범위의 상관관계를 나타낸 Table 2의 결과를 좀 더 비교하기 용이하도록 Fig. 5에 그래프로 나타내었다.

Fig. 5.

Correlation coefficient analysis between the fusional vergences obtained using a virtual-reality (VR) device and visual function test. A. Correlation of the fusional vergence at distance in the foveal region between that measured by the VR device and visual function test, B. Correlation of the fusional vergence at distance in the foveal region between that measured by the VR device and visual function test, C. Correlation of the fusional vergence at distance in the peripheral region between that measured by the VR device and visual function test, D. Correlation of the fusional vergence at near in the peripheral region between that measured by the VR device and visual function test.

먼저 A의 경우 VR 기기에서의 중심시야 총 융합 범위와 시기능 검사에서의 원거리 총 융합력의 상관관계를 나타낸 그래프로서 이들 간에 통계적으로 유의한 결과를 보이지 않았다(Fig. 5A). 반면 B의 경우 VR 기기의 중심시야 총 융합 범위와 시기능 검사에서의 근거리 총 융합력의 상관관계를 나타낸 그래프로서 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 나타내었다(Fig. 5B). 그리고 C의 경우 VR 기기의 주변시야 총 융합 범위와 시기능 검사에서의 원거리 총 융합력의 상관관계를 나타낸 그래프로서 통계적으로 유의한 결과를 보이지 않았다(Fig. 5C). 그러나 D의 경우 VR 기기의 주변시야 총 융합범위와 시기능 검사에서의 근거리 총 융합력의 상관관계를 나타낸 그래프로서 비교적 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 나타내었다(Fig. 5D).

이상 본 연구의 실험 결과에서 VR 기기를 사용한 경우 눈의 수평 편위도는 시기능 검사에서 측정된 근거리 수평 사위도와 비교적 유의한 결과를 보였으며, VR 기기 사용 시의 총 융합 버전스 검사에서도 중심·주변시야 모두 시기능 검사에서의 근거리 총 융합력과 비교적 유의한 상관관계를 보였다. 이는 실험에 사용된 구글 카드보드 타입의 VR 기기를 통한 가상현실 영상이 생기는 위치가 비교적 근거리이기 때문으로 보인다. 예를 들어 눈의 절점과 렌즈 사이의 거리가 0.0025 m이고, 렌즈와 스마트폰 스크린 사이의 거리(s)가 0.0464 m, +20 D의 렌즈를 이용할 때 우리 눈에 인지되는 상의 거리(s')는 0.67 m이다. 이와 같이 구글 카드보드 VR 기기의 권장 조건을 사용할 경우, 1 m 이내의 비교적 근거리에 상이 형성되는 것을 알 수 있다.^[12] 이로 인해 VR 기기로 측정한 결과 값들이 시기능 검사의 근거리 검사와 상관관계를 보인 것으로 생각된다. 또한 총 융합 범위의 경우, VR 기기의 중심시야와 주변시야에서 측정된 결과 중에서 중심시야의 측정 결과가 시기능 검사의 융합버전스 검사 결과와 더 밀접한 관계가 있는 것은 포롭터를 이용한 융합력 검사의 숫자시표가 중심부에 위치하기 때문으로 보인다.

피실험자들은 대부분 근거리에서 외사위 경향이었던 반면에 VR 기기를 통해 측정된 눈의 편위도는 동측성으로 내편위 경향을 보였다. 이는 VR 기기를 착용하고 가상현실을 경험할 때 조절성 폭주와 근접성(기계성) 폭주가 개입하기 때문으로 생각된다. 본 연구에서 피실험자들의 평균 경사 AC/A(조절성 폭주)비는 2.75±1.74 △/D, 계산 AC/A비는 4.83±1.45 △/D였으며, 이를 통해 근접성 폭주량을 구하면 2.08±1.27 △이 된다.^[13] 근접성 폭주량은 경사 AC/A비와 계산 AC/A비를 구하는 방법의 차이에 의해 나타난다. 경사 AC/A비의 경우 근거리에서 수평 사위도를 측정한 후에 +1 D의 구면렌즈를 추가하여 변화된 사위도로 그 값을 구하므로 근접성 폭주의 영향이 상쇄되나, 계산 AC/A비의 경우 원거리와 근거리에서 측정한 수평 사위도를 이용하여 구해지므로 그 값에 근접성 폭주의 영향이 남아있기 때문이다. 이로 인해 계산 AC/A비가 경사 AC/A비 보다 크게 측정되는 경향을 보인다.^[10] 실험참가자들의 근접성 폭주량의 평균값을 고려했을 때 1 D의 조절 반응으로도 약 4~5 △ 정도의 폭주가 발생한 것으로 보이며, 비교적 근거리에 상이 형성되는 구글 카드보드 타입 VR 기기의 특성 때문에 VR 기기를 통해 측정된 눈의 편위는 내편위 경향을 보인 것으로 사료된다.

VR 기기의 경우와 시기능 검사의 경우에서 측정된 결과를 비교해 볼 때 일반적인 근거리 수평 사위 및 근거리 총 융합력에서 비교적 유의한 상관관계를 보였지만 VR 기기를 활용하여 시시력표 등을 이용한 다른 시기능 검사를 시행하기에는 어려움이 있다. 그 이유는 가상현실 영상을 시청할 때는 시청자의 굴절이상 및 조절능력에 따라, 또는 VR 기기의 세팅에 따라 가상현실 영상이 맺히는 지점이 달라질 수 있기 때문이다. 따라서 정확한 상의 확대 배율을 알 수 없으므로 우리 눈의 해상력 및 분해능 등의 시력검사를 정확히 측정하기는 어려울 것으로 보인다. 또한 사위 및 융합력의 측정에서 수평 방향만 측정한 이유는 VR기기의 특성상 렌즈사이의 거리를 좌우로만 조작할 수 있기 때문이다.

결 론

본 연구는 VR 기기를 통해 시기능 검사 중 사위 및 총 융합력 검사를 간단히 시행해 볼 수 있는지 알아보았다. VR 기기의 세팅과 피실험자의 굴절이상 및 양안시 이상 등의 개인별 특성 등 검사에 영향을 줄 수 있는 여러 가지 요소들이 있지만 본 실험에 사용된 VR 기기인 ‘VR7Voyager’와 자체 제작된 시표로 가상현실 영상을 이용하여 간단히 눈의 수평 편위도와 총 융합력 검사를 실시한 결과는 포롭터를 이용한 양안시 기능 검사에서의 근거리 검사 결과와 비교적 유의한 상관관계를 보였다. 이로부터 VR 기기를 이용하여 시기능을 측정하는 방법은 기존의 전통적인 시기능 검사법을 대체하기는 어렵겠지만 스마트폰과 저렴한 VR 기기의 사용을 통해 시기능의 경향을 대략적으로 간편하게 측정할 수 있을 것으로 생각된다.

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