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사실 가상현실의 역사는 오래되어 그동안 여러 분야에 적용하려는 노력이 있었으나 그 빛을 발하지 못했다. 그동안 IT기술과 관련 장비가 발전하고 2016년 CES(Consumer Electronics Show)에서 2016년을 가상현실의 원년의 해로 발표한 후 페이스북이 오큘러스 VR을 20억 달러로 인수 하는 등 국내외 대기업이 가상현실에 대거 투자를 시작하면서 급속도로 가상현실이 주목 받기 시작했다.

특히, 4차 산업혁명 시대를 맞아 가상현실 기술은 사용자의 체험영역을 확대하고 물리적인 에너지와 각종 비용을 절감하는 기술로 많은 주목을 받고 있다.

가상훈련(Virtual Training)은 특정한 훈련을 목적으로 훈련에 필요한 환경과 상황을 가상으로 구현하여 실제와 같은 디지털 환경에서 진행하는 교육 훈련이다. 가상현실 기술의 급격한 발전으로 훈련 뿐 만 아니라 현실세계에서 직접 경험하지 못하는 여러 가지 상황을 실감적으로 체험하는 것에 대한 요구가 더욱 증대하고 있다.

왜냐하면 기술이 발전 변화함에 따라 첨단기술 장비의 교체수명이 짧아져서 지속적으로 재원을 투입해야하는 한계에 부딪치게 되어 이를 대체할 수 있는 방안으로 가상훈련시스템이 효과적이기 때문이다.

특히 고위험, 고비용의 산업훈련을 대체하는 장비실습에 대한 가상훈련(Virtual Training) 콘텐츠에 대한 요구가 증대하고 있다. 가상훈련 시스템은 가상현실 기술을 활용하여 몰입감과 상호작용 제공으로 학습 효과가 매우 높고 프로그램에 게임 요소를 적용하면 지루하지 않게 훈련할 수 있어 교육효과를 높일 수 있다. 주로 이론적이며 단지 시각적 정보를 습득하는 기존의 교육 방식을 벗어나 멀티미디어의 특성인 움직이는 영상과 소리 등 3차원 공간 속에서 펼쳐지는 다양한 상황과 자극을 통해 보다 적극적이고 능동적인 학습 동기와 흥미를 유발한다.

교육 분야에서 직접 관찰을 실제 하기 어렵거나 텍스트와 2D 자료로 설명하기 힘든 학습내용, 시각화하기 어려운 내용, 또는 추상적인 학습개념, 위험하고 경비가 많이 드는 시험 등의 분야에 가상현실 기술을 활용할 수 있다. 이것은 실물 인터페이스로 3D 콘텐츠를 회전, 확대, 축소, 분해시키는 조작을 통해 학습자로 하여금 학습 대상물의 실제적 이해를 도울 수 있기 때문이다.

특히, 국내외 적으로 초 고층형, 용도 및 설계구조 복합형의 다양한 형태의 건축물이 증가하기 때문에 조기 화재진압의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 이에 인적재난과 자연재난에 대비하기 위한 훈련 시뮬레이터 시장이 증가하고 있음으로 가상훈련 시스템에 대한 수요가 점차 증가하고 있는 추세이다[2].

가상훈련 산업의 생태계는 표1과 같이 구성되어 있다.

본 연구에서 제안하고자 하는 가상훈련시스템은 다음사항을 목표로 개발한다.

1.훈련하는 수요자가 현실감을 느낄 수 있도록 가상현실 기술에 4D 기술을 융합한다.

2. 재난 및 안전사고에 따른 재난에서 탈출 체험을 하는 시뮬레이터 개발한다.

3. 현재 공공기관에서 개발한 재난 대응 행동 매뉴얼을 기본으로 하는 체험교육을 실시한다.

4. 필요시 상시적으로 체험적인 훈련교육을 한다.

그림1과 같이 재난에는 화재사고, 육상사고, 해상사고, 안전사고 등 4가지 유형으로 구분된다.

Fig. 1. 
Four types of disaster

현재까지 재난의 상황으로 보면 제천 스포츠 센터에서와 같은 화재사고가 가장 많이 발생하고 있다. 세월 호 참사와 같은 해상사고도 많이 일어나며, 씽크 홀로 인한 교통버스 사고와 같은 육상사고와 기타 백화점 에스컬레이터 등에서 일어나는 사고와 같은 안전사고도 심심치 않게 일어나고 있다.

따라서 이러한 재난에 대해 예방할 수 있도록 평상시 재난대응 훈련을 해야 한다. 물론 이러한 4가지 유형에 따라 재난 상황이 매우 다르기 때문에 대처법도 다르다. 기존 오프라인에서의 훈련방법은 비용과 시간이 많이 소요될 뿐 아니라 자주 시행하지 못하고 있어 훈련 효과면 에서도 긍정적이라 볼 수 없다.

본 연구에서는 몰입적인 가상환경을 구현하고 가상현실 디바이스와 콘텐츠 컨트롤 디바이스 등을 적용하여 시간과 공간을 절약하고 고비용 문제를 해결하고 할 수 있으며 교육에도 효과적인 재난 대응 가상훈련 시스템을 제안하고자 한다.

제안하고자 하는 전체 시스템 구성은 3차원 디스플레이 시스템인 HMD(Head Mounted Display)를 이용한 1인칭 시점의 재난 대응 3D 화면을 설계 하고 트레이드밀이나 시뮬레이터 등으로 되어 있어 4D 체험형 가상현실 훈련시스템이라고 할 수 있다. 여기서는 재난 유형중 가장 많이 발생하는 건물화재재난에 대응하는 화재재난대응 가상훈련 시스템을 제안한다[3][4].

본 연구에서는 몰입적인 가상의 환경을 구현하고 가상현실 디바이스와 콘텐츠 컨트롤 디바이스 등을 적용하여 상호작용이 가능하도록 하여 실제와 같은 재난 상황을 체험할 수 있도록 하여 기존 훈련의 고비용 문제를 해결하고 훈련에 효과적인 화재 대응 가상훈련 시스템을 제안한다.

가상훈련을 하는 모습은 그림2와 같다.

Fig. 2. 
4D Virtual training system using HMD and Treadmill

3차원 디스플레이 시스템인 HMD(Head Mounted Display)을 머리에 착용하여 화면에 1인칭 시점으로 재난 대응 3D 화면을 설계 하고 실제로 이동할 수 있는 실감나는 훈련을 위해 트레드밀을 활용하여 걷도록 한다. 즉, 3D 화면으로 상황 속에 들어가고 움직임을 위해 4D로 가상현실 훈련시스템을 구현한다[5][6].

제안하는 화재재난 대응 가상훈련시스템 모듈은 그림3과 같이 구성한다. 가상현실 디바이스인 HMD모듈, 트레드밀 모듈, 훈련 후 평가하는 평가모듈, 화재 대피 시나리오 모듈 4개의 모듈로 구성한다.

Fig. 3. 
System Module Diagram

실제 가상 훈련시스템으로 훈련할 때는 1인칭 시점에서 캐릭터가 주어진 환경에서 이동한다고 가정하고 화재 대응 가상 훈련시나리오 모듈은 그림 4와 같다.

Fig. 4. 
Scenario Module Diagram

먼저 트레드밀 위에서 HMD를 착용하면 화면에 캐릭터가 로드 되고 화재가 발생하는 화면이 나타난다. 시나리오에 따라 재난 훈련 시간을 측정하면서 재난대응훈련을 하고 훈련이 끝나면 훈련결과가 마스터 시스템에 저장된다.

그림3에서 제시한 시스템 모듈 중에 시나리오 모듈의 구성은 그림 4와 같다. 그림4에 제시한 시나리오 모듈에서 기본적인 구체적인 시나리오 내용은 다음의 4단계를 거친다.

1. 화재발생과 상황전파

먼저 훈련하는 수요자는 1인칭 시점에 맞도록 제어할 캐릭터에 시선을 고정한다. 캐릭터 주변에서 화재가 발생하고 화재를 발견하면 주변 사람들에게 화재 발생을 속히 알린다.

주변 캐릭터들은 불을 피해 다른 곳으로 이동한다. 학교나 회사 건물일 경우는 많은 사람들이 함께 대피하므로, 군집 시뮬레이션 적용한다. 우왕좌왕하거나 안전요원의 규칙을 따르지 않는 캐릭터도 군집 시뮬레이션에 포함시킨다.

2. 화재 신고

다음은 HMD 화면 중앙에 다이얼 창이 나타난다. 화재를 소방서에 알리기 위해 119 버튼을 차례로 클릭하여 통화가 연결되면 현재 위치와 상황을 문자를 클릭하여 메시지로 전달한다. 메시지 전달 후 다이얼 창이 닫히면 트레드밀을 이용하여 소화전이 있는 곳으로 이동을 시작한다.

3. 이동

HMD를 착용한 상태에서 트레드밀을 이용하여 빌딩 내 지금 있는 층의 소화전으로 이동하고, 이동 중에 다른 캐릭터를 만나면 불이 났다고 화재상황을 전한다.

소화전에 도착 한 후에는 소화전의 비상벨을 누르고 빌딩에 화재를 알린다. 그 다음 소화전에 비치되어 있는 소화기를 클릭하여 획득하고, 다시 트레드밀을 이용하여 발화한 지점으로 이동한다.

4. 화재 진압 또는 대피

발화지점에 도착하게 되면 HMD 화면에 나타난 소화기 사용법을 알려주는 2D 화면이 나타난다. 화면에 나타난 설명에 따라 소화기를 사용하여 화재를 진압한다.

화재를 모두 진압하면 1인칭 시점 화재대피 시나리오가 종료된다.

훈련에 몰입하는 효과를 주고 실제상황의 재현을 위해 시스템에 골든타임 기능을 넣어서 정해진 시간 안에 화재진압을 못하게 되면 더 이상 진행하지 않고 불속을 사라져 버리도록 한다.

기본적인 화재 대응 가상훈련 시스템 시나리오 모듈 구성은 위해서 설명한 바와 같이 그림4와 같고 화재가 발생하고 상황을 전파하고 화재신고를 하고 이동하여 화재를 진압하는 4단계로 시나리오를 기획한다.

여기서는 훈련의 교육적 효과를 위해서 훈련받는 수요자 행동패턴을 수집하고 분석하여 얻은 행동사례를 시나리오에 적용하는 시스템을 제안한다.

제안하는 시스템은 기본적인 가상훈련시스템에 그림5와 같이 수요자 행동패턴을 수집하고 분석하여 시나리오에 적용하여 설계하도록 하는 시스템이다. 이것은 훈련을 받는 수요자의 행동 패턴을 가상훈련시스템 시나리오에 적용 하는 것으로서 수요자 행동패턴을 수집하여 새로운 시나리오를 적용하여 개발하는 것이므로 사용할수록 진화하는 시스템이라 할 수 있다.

Fig. 5. 
Virtual training system flowchart reflecting trainee behavior patterns

본 연구에서는 연령대별 피난행동과 특성에 대한 실증적인 데이터를 확보하고 이를 분석하고 분석 결과를 시나리오에 반영하여 신체적 약소 계층에 대한 훈련의 효과를 높이기 위한 방안을 제시하고자 한다.

보통 일반적인 인간의 생리적 기능은 20세에서 25세 사이에 최고치를 달한 후 나이가 증가함에 따라 점진적으로 감소하며 60대 이후부터 그 변화가 더욱 빨라져서 20대 성인에 비해 인체기능이 20-30% 이상 감소한다.

특히 근력은 20-30대에 최고치에 달하여 연령이 증가함에 따라 감소되고 50세 이후부터는 현저히 감소한다. 이러한 신체적 변화는 운동능력의 변화를 의미하며 비상시 긴급히 탈출하여야 하는 피난상황에 위험 요인으로 작용하게 된다.

본 연구를 위해 기존 연구를 조사한 결과 연령대 별로 비상시 피난상황에 대처하는 특성을 분석하기 위해 화재상황을 연출하고 탈출에 성공하는 시간에 대한 데이터를 확보하여 제안하고자 하는 시스템에 다음과 같이 적용하였다.

먼저 구체적으로 훈련 그룹을 20세 미만 그룹과 20세에서 50세 미만 그룹 그리고 50세 이상 그룹 등 3개 그룹으로 나누어 화재대응 훈련을 통해 연령대 별 행동특성을 수집하고 분석 한다 . 피험자는 남자 64명 여자60명 총 124명을 대상으로 10대 49명, 20-40대 41명, 50대 이상 34명 3개의 그룹으로 나누어 실험하였다. 실험 환경은 화재 발생 시 일반 경우(A)와 유도장치를 설치 한 경우(B)로 나누어 3개의 그룹별로 피난행동 실험을 하였다. 실제 오프라인에서 화재상황을 재연하고 피난에 성공하는 시간을 측정하였다 [7].

분석한 결과에 따르면 화재발생 A의 환경에서 평균 피난 시간은 약12분으로 NFPA 130 기준인 6분을 훨씬 초과하였다. 그러나 유도장치를 설치한 B의 경우는 평균 약 5분으로 기준을 만족하였다. 화재발생 A의 환경에서는 20세 이상에서 50세 미만의 그룹에서 피난시간이 가장 빨랐다.

표2에 연령별 피난시간을 정리한 바와 같이 피난시간의 차이를 보면 10대는 1분40초, 50대 이상은 2분20초의 차이를 보였다. 또한 유도장치를 설치한 B 환경에서 50대 이상은 약 8분30초로 50대 미만의 피험자들과 2배 이상의 차이를 보였다.

유도등을 설치한 경우 50대 미만은 6분 이내로 모두 NFPA 130기준을 통과하였으나 50대 이상은 한명도 기준을 만족하지 못하였다[8].

또한 설문조사에서 20세 미만의 그룹과 20세 이상 50세 미만 그룹에서는 훈련할 때 유도등이 가장 도움이 되었다고 대답했으며 50대 이상에서는 시각장애인 유도 블록, 계단 손잡이 라고 답하여 50대 이상에서는 시각적인 유도장치의 효과가 상대적으로 매우 적다는 것을 알 수 있었다.

20대 미만 연령층에서의 특징은 실험조건의 변화에 따라 피난 시간의 폭이 크다는 것과 유도등의 도움을 가장 많이 받아 시각유도 장치의 의존도가 가장 높았다는 결과를 얻었다.

결론적으로 재난대피 상황에 있어 실험 결과 50대 미만은 시각적인 것에 효과가 있었고 50대 이상은 시각적인 것은 효과가가 현저히 낮고 손잡이, 시각장애인용 유도 블록 등 감각적인 것에 대피에 효과가 있다는 것을 알 수 있었다.

이것은 훈련의 효과를 높이기 위해서는 연령대별 특성을 고려하여 시나리오의 구성을 다르게 해야 한다는 것을 의미한다.

따라서 화재 재난 대응 훈련 시나리오를 기획할 때 훈련을 하는 50대 미만의 수요자를 위해서는 시각적인 요소를 중심으로 하고 신체적으로 약소한 50대 이상의 훈련 자를 위해서는 시각적인 요소보다 감각적인 요소인 인터랙션 (상호작용) 기능을 중심으로 기획하는 것이 훈련에 효과적이다 라는 것을 알게 되었다. 지금까지는 수요자의 특성을 고려하지 않고 시나리오를 기획하였으나 향후 화재 재난대응 가상훈련시스템 시나리오를 기획할 때 50대 이상의 신체적으로 약소한 수요자를 위해서 인터랙션 기능을 더 많이 추가 하도록 시나리오를 기획해야 한다는 결론을 얻었다.