디지털 트윈 및 메타버스 융합형 스마트 캠퍼스 설계 및 구현

Ⅰ. 서 론

최근 급변하는 4차 산업혁명과 디지털 전환의 흐름에서, 교육 현장 역시 물리적 공간의 한계를 넘어 디지털 기술을 활용한 새로운 학습 환경이 요구되고 있다. 특히, COVID-19 팬데믹을 계기로 대면 및 비대면 수업을 모두 지원할 수 있는 하이브리드 교육 방식이 확산되며, 시간과 공간의 제약을 뛰어넘는 스마트 캠퍼스(Smart Campus)에 대한 관심이 급증하였다[1]-[3].

디지털 트윈(Digital Twin)은 물리적 환경에 존재하는 대상이나 시스템을 가상 모델로 구현하고, 해당 객체에서 발생하는 데이터를 실시간으로 수집하고 분석하여, 가상 모델과 물리 시스템 간의 상호작용을 통해 가상 환경에서의 조작이나 상태 변화를 현실에 반영할 수 있는 기술이다[4]. 디지털 트윈은 일반적으로 물리적 실체, 가상 모델 및 두 세계를 연결하는 데이터로 이루어지며, 물리적 객체와 가상 모델 간의 양방향 동적 매핑을 반영한다. 이러한 디지털 트윈 기술은 실제 환경에서 운용되는 물리적 시스템의 작동 방식 및 상태를 디지털 모델로 구현함으로써, 가상 공간에서 다양한 상황을 실험하고 분석할 수 있도록 한다. 이를 통해 현실에서 발생할 수 있는 자원 낭비나 반복적인 시행착오를 줄이는 동시에, 시스템 운영의 효율성과 안정성을 높이는 데 기여한다. 또한 사용자는 하나의 통합된 플랫폼을 통해 디지털 트윈에 연결된 대상의 정보를 확인하고 해당 객체를 원격으로 제어하거나 상태를 관리할 수 있는 인터페이스를 활용할 수 있다[5]-[7].

한편, 메타버스(Metaverse)는 초월을 의미하는 메타(Meta)와 현실 세계를 의미하는 유니버스(Universe)의 합성어로, 가상 세계와 현실 세계가 융합 및 상호 작용하는 3차원 초현실 세상을 구현한 것이다. 1992년 메타버스 용어를 처음 만든 닐 스티븐슨의 정의와, 미국의 학술 연구제단 ASF가 2007년 발표한 메타버스 로드맵에서 정의한 내용을 합친 개념으로 가상세계와 현실 세계의 융합과 상호 작용을 핵심 개념으로 하고 있다[8],[9].

이러한 맥락에서 디지털 트윈과 메타버스는 상호보완적인 관계에 있다. 디지털 트윈은 현실 데이터를 실시간으로 가상세계에 반영하고 이를 제어하는 기술적 기반을 제공한다. 이는 주로 현실의 객체, 시스템, 인프라에 대응하는 모델을 통해 문제를 진단하고 해결하기 위한 도구로 활용되며, 현실의 개선과 최적화를 목적으로 한다[10]. 반면, 메타버스는 단순히 현실을 반영하는 것을 넘어, 사용자 간의 몰입형 상호작용이 가능한 3차원 초현실 공간을 제공함으로써, 새로운 사회적·경제적 경험을 창출할 수 있는 플랫폼으로 기능한다. 즉, 디지털 트윈이 데이터를 중심으로 현실과 가상을 연결하는 기술적 토대를 형성한다면, 메타버스는 그 위에 사용자 중심의 체험과 커뮤니케이션이 가능한 몰입형 공간을 구현함으로써 디지털 트윈의 기능적 확장을 가능하게 한다.

이처럼 두 기술의 융합은 단순한 시뮬레이션을 넘어서, 현실과 가상이 실시간으로 연동되는 메타버스 기반의 실질적인 응용 시스템을 구현하는 데 핵심적인 역할을 한다.

이에 본 연구는 디지털 트윈과 메타버스를 기반으로 현실 공간과 가상 공간 간 실시간 연동 구조, 사용자 중심의 몰입형 학습 환경, 그리고 교육 행정 기능을 통합하는 새로운 스마트 캠퍼스 구현 모델을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 관련 연구

지금까지 진행된 스마트 캠퍼스 구현 사례들을 살펴보면, 먼저 메타버스 분야에서는 주로 샌드박스 게임인 마인크래프트(Minecraft)를 활용한 캠퍼스 모델링이 활발히 이루어졌다. 예를 들어, 마인크래프트를 이용해 가상 캠퍼스를 구축하고, 이를 통해 COVID-19 팬데믹으로 인해 교류가 제한된 학생들이 가상 공간에서 자유롭게 캠퍼스를 투어하며 다른 사용자들과 상호 소통할 수 있는 환경이 구현된 바 있다[11]. 이외에도, 유니티(Unity) 엔진의 3D 개발 툴을 활용해 VR 기반 가상 캠퍼스를 구현한 사례도 있다. 해당 연구에서는 사용자가 가상 캐릭터를 통해 캠퍼스를 자유롭게 탐험하고, VR 기기를 통해 몰입형 캠퍼스 투어를 경험할 수 있도록 설계하였다[12].

한편, 디지털 트윈 분야의 기존 연구들은 IoT 데이터의 시각화 및 모니터링에 집중하였다. 예를 들어 마인크래프트 기반으로 디지털 트윈 환경을 구현하여, 공기청정기 수치, 문 열림 감지 등의 현실 IoT 데이터를 가상 공간에 실시간으로 시각화한 연구가 있었으며[13], 또 다른 사례에서는 IoT 온·습도 센서와 조도 센서의 데이터를 가상 공간 내에 시각화하여 현실 데이터를 가상 공간에 반영하는 시스템을 구축하였다[14]. 그러나, 디지털 트윈과 메타버스를 동시에 구현한 연구는 상대적으로 드물다.

최근 연구 중 하나에서는 마인크래프트 기반의 가상 캠퍼스를 구축하고, IoT 적외선 센서, 모션 센서, 진동 센서 데이터를 실시간으로 가상 공간에 반영하는 시스템을 개발하였다. 특히, 수업에 참여한 학생이 현실 공간의 자리에 앉으면, 적외선 센서가 이를 감지하고 마인크래프트 내 콘크리트 블록이 조명 블록으로 변경되는 등 현실·가상 공간 간의 상호작용이 구현되었으며, 교수자가 진동 센서를 작동시키면 마인크래프트 내 조명 블록이 켜지고 채팅창에 수업 시작 메시지가 출력되는 등의 메타버스적 요소도 포함되었다[15]. 그러나 이상의 연구들에서는 교수자와 학생들의 상호 작용이 주로 가상 공간에서만 일어나거나 현실 공간의 학생들을 가상 공간에 제한적으로 표현하는 데 그치고 있다. 기존 연구들은 주로 특정 이벤트에 따른 상태 시각화에 머물며, 현실 공간의 사용자를 가상 환경에 실시간으로 반영하거나 몰입형 사용자 경험 및 교육 행정 기능까지 포괄하는 통합적 가상 캠퍼스 구현은 이루어지지 않았다.

본 연구에서는 이러한 기존 연구들의 한계를 보완하고, 디지털 트윈과 메타버스의 통합적 구현을 통해 현실과 가상 공간이 유기적으로 연결되는 스마트 캠퍼스 시스템을 제안한다. 본 시스템은 현실 공간의 학생이 출결 시스템을 통해 인식되면, 가상 공간에도 해당 학생의 아바타가 자동으로 생성되어 등록되는 구조를 가지고 있다. 이를 통해 현실에 존재하는 사용자 또한 가상 공간에서 시각적으로 표현되며, 결과적으로 학생들의 물리적 위치에 상관없이 교수자는 전체 학생과 가상 공간에서 실시간으로 상호작용할 수 있다.

또한, 가상 환경에 접속한 학생은 커스터마이징된 아바타를 활용해 캠퍼스를 자유롭게 탐색하고, 현실 공간의 사용자들과 동일한 학습 환경을 경험할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 구조는 사용자의 몰입도를 높이는 동시에, 메타버스 기반 학습 환경의 상호작용성과 유연성을 극대화한다. 나아가, 출결 관리 및 강의 일정 관리 기능을 통합하여, 실제 교육 운영에 실질적으로 활용 가능한 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다.

Ⅲ. 디지털 트윈 메타버스 캠퍼스 시스템 구조 설계

본 연구에서는 현실 캠퍼스를 가상 공간과 연동하여 실시간 상호작용이 가능한 디지털 트윈 및 메타버스 기반의 가상 캠퍼스를 설계하였다. 이 시스템은 현실 공간의 센서 데이터와 사용자의 출입 정보를 실시간으로 수집하여 가상 공간에 반영하고, 가상 공간의 사용자 입력이 현실 장치를 제어할 수 있도록 양방향 연동 구조로 구현되어 있다.

전체 시스템은 현실 공간(Real World), 서버(Server), 가상 공간(Virtual World)의 세 영역으로 나뉘며, 각 영역은 독립적인 기능을 수행하고 서로 유기적으로 연결되어 있다. 이들 간의 통신은 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 프로토콜과 RESTful API를 기반으로 하여 구성 요소 간 데이터 전달 및 명령 처리를 효율적으로 수행한다. 시스템 전체의 구조는 그림 1과 같다.

Fig. 1.

Entire system configuration diagram

현실 공간에는 사용자를 인식하는 장치와 가상 세계와 연동되는 물리적 액추에이터가 있다. 사용자가 출입 인식 장치를 통해 인증되면, 해당 정보는 서버로 전송되어 데이터베이스에 기록되며, 가상 공간에서는 이에 따라 사용자 아바타가 생성되거나 제거된다. 또한 가상 공간에서 사용자가 디지털트윈 오브젝트를 제어하기 위해 수행한 상호작용은 현실 공간의 액추에이터 제어 동작으로 이어진다. 예를 들어 가상 버튼을 누르면 실제 강의실의 조명이 켜지는 방식으로 동작한다.

서버(Server)는 전체 시스템의 중추로서, 데이터 처리와 저장, 통신 중개 역할을 수행한다. 서버는 RESTful API, MySQL Database, MQTT 브로커(Broker)로 이루어진다.

RESTful API는 클라이언트와 서버 간의 통신을 HTTP 기반으로 수행할 수 있도록 설계된 인터페이스로, 사용자 출결 등록, 강의실 시간표 조회, 아바타 생성 여부 확인, 물리 장치 상태 요청 등 다양한 기능을 제공한다. 이는 웹 프론트엔드와 언리얼 엔진기반 가상 공간이 데이터를 요청하거나 전송하기 위해 사용된다[16].

MySQL 데이터베이스는 사용자 정보, 출입 기록, 강의실 정보, 시간표 등 시스템 운용에 필요한 모든 데이터를 저장하며, RESTful API 및 웹 시스템과 연동된다.

MQTT 브로커는 ESP32 디바이스와 가상 공간 사이에서 실시간 메시지 송수신을 중개하는 역할을 한다. MQTT는 경량 메시지 프로토콜이다[17]. 발행자(Publisher)가 메시지를 특정 토픽(Topic)에 발행하면, 브로커가 해당 토픽을 구독하고 있는 구독자(Subscriber)에게 메시지를 전송하는 방식으로 작동한다. 예를 들어, ‘light/topic’, ‘fan/topic’과 같이 주제를 분리하여 메시지 흐름을 관리함으로써 명확한 제어가 가능하다.

가상 공간은 언리얼 엔진을 기반으로 구현된 3D 캠퍼스 환경이다. 사용자는 이 공간에서 자유롭게 움직이며, 실제 출입 상태에 따라 자동으로 생성된 아바타로 표현된다. RESTful API를 통해 사용자의 출결 여부가 주기적으로 확인되며, 특정 강의실에 출석이 감지되면 해당 사용자의 아바타가 자동 생성되고 퇴장 시에는 자동 삭제된다. 또한 가상 공간 내에는 디지털 트윈 오브젝트가 구성되어 있어 조명, 환풍기 등 현실 공간의 장치 상태를 시각적으로 표현한다. 사용자가 가상 환경의 버튼을 클릭하면, 언리얼 엔진에서 MQTT 메시지를 발행하고, 서버를 통해 ESP32 장치로 전달되어 해당 물리 장치가 제어된다.

이와 같이 전체 시스템은 각 영역의 고유한 역할을 바탕으로, RESTful API와 MQTT를 통해 상호 연결되어 현실 공간과 가상 공간 간의 데이터 연동과 명령 실행이 원활히 이루어진다. 이러한 아키텍처는 스마트 캠퍼스 내에서 출결 확인, 공간 상태 모니터링, 원격 제어 등 다양한 기능을 통합적으로 제공할 수 있는 기반을 형성한다.

Ⅳ. 디지털 트윈 메타버스 캠퍼스 시스템 구현

본 시스템은 디지털 트윈과 메타버스 기술을 융합하여, 현실 세계의 사용자 활동 및 환경 상태를 가상 공간에 실시간으로 반영하고, 동시에 가상 공간의 사용자 인터랙션을 통해 현실의 IoT 장치를 제어할 수 있는 양방향 시스템으로 구현되었다. 이를 위해 현실 공간, 서버, 가상 공간의 세 영역이 각기 구성되었으며, 그림1에서와 같이 각 하드웨어와 소프트웨어 요소들을 연동하였다. 서버는 Docker 기반 가상 컨테이너 환경에서 운영되어 유지보수의 효율성을 높였다.

4-1 현실 공간 구현

현실 공간은 ESP32 마이크로컨트롤러 기반의 IoT 장치를 중심으로 구현되었으며, 주된 기능은 사용자 인식 및 물리적 장치의 제어이다. 출입 인식은 강의실 입구에 설치된 키패드와 LCD 패널을 통해 이루어진다. 사용자가 본인의 학번을 입력하면, 해당 정보는 MQTT 메시지를 통해 서버로 전송되고, 이로 인해 가상 공간 내에 대응되는 아바타가 자동으로 생성되어 출결 상태가 시각적으로 표현된다.

물리적 액추에이터는 릴레이 모듈을 이용하여 조명이나 환풍기와 같은 전기 장치를 제어하는 역할을 한다. 언리얼 엔진 기반의 가상 캠퍼스 내에서 사용자가 특정 버튼을 클릭하면, 이 상호작용은 MQTT 메시지로 변환되어 ESP32 장치에 전달되고, 장치는 이를 수행하여 실제로 동작한다. 반대로, 현실 공간에서 장치를 수동으로 조작할 경우에도 동일한 방식으로 MQTT 메시지가 발행되어 가상 공간 내 디지털 트윈 오브젝트에 실시간으로 반영된다.

이러한 구성은 현실 공간과 가상 공간이 상호 실시간 연동되는 구조를 실현한다. 그림 2 및 3은 메타버스에 구현될 실제 캠퍼스 건물의 외부 및 강의실 내부를 각각 촬영한 사진이다.

Fig. 2.

A real campus building

Fig. 3.

A real campus classroom*Korean is included in the original content.

4-3 가상 공간 구현

가상 공간은 언리얼 엔진을 기반으로 구축되었으며, 사용자가 경험하는 실제 환경의 변화를 반영하여 가상 공간에서도 동일한 시각적 경험을 할 수 있도록 설계되었다. 사용자의 출결 여부는 RESTful API를 통해 주기적으로 확인되며, 출석이 감지되면 해당 사용자에 대응하는 아바타가 가상 공간에 자동으로 생성된다. 퇴장 시에는 아바타가 자동으로 제거되어 현실과 가상 간 사용자 존재 상태의 동기화를 실현한다.

가상 환경에는 현실 장치를 모델링한 디지털 트윈 오브젝트가 구성되어 있다. 예를 들어 가상 공간에서 버튼을 클릭하면 MQTT 메시지가 발행되어 서버를 통해 ESP32 장치로 전달되고, 해당 장치의 작동 여부가 가상 공간에 시각적으로 반영된다. 조명, 환풍기, 잠금 장치 등 현실 장치를 반영한 오브젝트들은 각 상태(ON/OFF)를 직관적으로 표현하며, 가상 공간 내 관리자 전용 UI(User Interface)를 통해 실시간 제어가 가능하다.

또한, 사용자의 마지막 출입 상태에 따라 학번 기반으로 생성된 아바타가 자동으로 반영되며, 사용자는 머리 스타일, 의상, 액세서리 등을 커스터마이징할 수 있어 메타버스 환경에서의 몰입감을 높이는 역할을 한다. 이러한 연동 구조는 현실 사용자의 상태와 가상 공간 내 상호작용이 실시간으로 연결되는 디지털 트윈과 메타버스 융합 시스템의 핵심 기능을 제공한다.

그림 4는 언리얼 엔진으로 구현된 메타버스 캠퍼스의 외부 3D 모델을, 그림 5는 가상 강의실의 3D 모델을 각각 나타낸다. 이를 통해 현실 구조를 충실히 반영한 가상 환경의 구현 상태를 시각적으로 확인할 수 있다. 그림 6은 현실 공간에서 사용자의 출결 여부에 따라 메타버스 캠퍼스 내에서 아바타가 생성되거나 삭제되는 과정을 보여준다.

Fig. 4.

Metaverse campus 3D model

Fig. 5.

Metaverse classroom 3D model

Fig. 6.

Marking attendance of real-world users on the metaverse campus

4-4 웹 UI 구현

웹 UI는 React.js를 기반으로 개발되었으며, 사용자 및 관리자가 시스템 상태를 실시간으로 확인하고 제어할 수 있는 기능을 제공한다. 사용자는 브라우저를 통해 출결 정보, 시간표, 센서 상태 등을 확인할 수 있으며, 관리자 권한을 통해 강의 등록 및 시간표 수정 등의 기능도 수행 가능하다. 출결 확인 기능은 현재 강의실에 출석한 인원 정보를 RESTful API를 통해 받아, 각 사용자 아바타의 상태와 연동하여 시각화한다. 시간표 조회 기능은 MySQL 데이터베이스에 저장된 강의실별 시간표 정보를, API를 통해 조회하고, 현재 수업의 진행 상태(예: 수업 중, 종료 등)를 직관적으로 표현한다.

이를 통해 수업 운영 및 참여 상태에 대한 실시간 파악이 가능하다. 그림 7은 출결 확인 기능이 작동하는 웹 UI를, 그림 8은 강의실별 시간표를 조회할 수 있는 UI를 각각 나타낸다. 두 이미지는 사용자가 시스템에 접근했을 때의 시각적 인터페이스를 보여주며, 관리자 중심의 운영 환경과 일반 사용자 중심의 접근 환경을 모두 포함한다.

Fig. 7.

User attendance check web page*Korean is included in the original content.

Fig. 8.

Schedule check web page for each classroom*Korean is included in the original content.

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 디지털 트윈 기술과 메타버스 기술을 융합하여, 현실 캠퍼스와 가상 공간이 실시간으로 연결되는 스마트 캠퍼스 시스템을 설계하고 구현하였다. 언리얼 엔진 기반의 가상 환경과 IoT 기반 센서 및 제어 장치를 연결함으로써, 물리적 공간에서의 출결 정보와 디바이스 상태를 가상 공간에 반영하고, 반대로 가상 환경에서의 상호작용이 현실 장치 제어로 이어지는 실시간 양방향 통신 구조를 구축하였다.

특히, 본 시스템은 기존 메타버스 교육 플랫폼이 단지 온라인 사용자에 한정하여 아바타를 표현하는 방식과 달리, 현실 강의실에 입장한 사용자의 정보를 자동 인식하고 이에 대응되는 아바타를 가상 공간에 자동으로 생성하거나 소멸시킴으로써, 오프라인과 온라인 사용자를 통합적으로 관리할 수 있도록 설계되었다. 또한, 사용자에게는 아바타 커스터마이징 기능을 제공하여 몰입감을 향상시키고, 관리자에게는 출결 확인, 강의 일정 관리 등의 기능을 포함한 웹 기반 강의 운영 통합 관리 시스템을 구성함으로써, 스마트 캠퍼스 시스템으로서의 확장성과 활용 가능성을 제시하였다.

이러한 시스템은 대면 및 비대면 수업을 모두 지원할 수 있는 하이브리드 수업 환경을 구현하며, 현실 공간과 가상 공간의 연계를 통한 참여 유도, 집중도 향상, 자동화된 출결 시스템, 몰입 기반 상호작용 등을 실현할 수 있는 기반을 마련하였다.

향후 다양한 종류의 센서를 추가하여 현실 공간 인식의 정밀도를 높이고, 사용자의 좌표를 실시간으로 동기화하여 더 섬세한 상호작용이 가능한 교육 플랫폼으로의 확장이 가능하다, 또한 메타버스 공간 내에서 실시간 강의 시스템까지 통합시킨다면 더욱 완성도 높은 하이브리드 교육 환경으로의 확장도 기대할 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구성과물은 2025년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2017R1D1A3B06035024). 본 연구는 2025년도 나사렛대학교 교내연구비 지원으로 이루어졌음.

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