공간 시각과 심도 단서

눈으로 들어오는 시각적 자극의 심도를 두뇌에서 인지하게 해주는 특정 유발 기제나 신호들의 종류

-전 시각적 프로세스를 기반으로 대뇌 피질에는 매초 말 그대로 수십억개의 정보가 분석을 위해 전송되며 이 정보의 흐름은 반복적 상세화를 거치며, 계층 구조의 각 단계마다 조직적 복잡도가 증가한다.각 단계마다 뉴런은 매우 특정한 자극의 설정에 따라 조직되며,자극의 내용과 단서에 따라 도착할 피질이 달라진다.이론적으로 재현(신경 자극의 패턴)은 유사하게 표현하는 것에서 상징으로 변하는 특성이 있다.

1.망막 외 신호
= 망막 외의 심도 신호는 눈으로 들어와서 망막을 적시는 빛의 패턴에서가 아니라 다른 생리적 과정에서 초래되는 유발 기제나 정보
2가지 종류가 있음

ㄱ.초점 조절
눈의 렌즈의 광학적 힘이 변해,망막에 맺히는 빛이 눈에 들어 와 또렷한 이미지를 얻거나 다른 초점면의 물체에 초점을 맞추 는 비자발적 생리 과정임

• 앞에 말했던 근거리 원거리에 따른 수정채 변화

  망막이 흐려지는 것은 흔히 초점 조절을 위한 자극이라고 생각 하지만, 이 과정은 이접 운동과도 긴밀히 연결되어있음.
  또한 모양체근의 움직임 자체가 이 신호에 기여한다는 소리도 있음

  ㄴ.이접 운동
  = 양안시를 얻거나 유지하기 위해 두 눈이 동시에 서로 반대 방향으로 움직이는 것(모든 안구 운동은 쌍으로 이뤄지는게 디폴트값)

  과정
  근거리
  한 물체에 양쪽 눈의 와를 맞춘 다음 수직축을 중심으로 동시 에 반대 방향으로 필요한 만큼 회전해서, 가까운 물체의 투사 된 이미지가 양쪽 눈의 망막 중앙에 정렬됨 그리고 양쪽 눈은 서로를 향해 회전해서 모임

  원거리
  원거리에 있는 물체를 보면,양쪽 눈은 서로에게서 먼 곳으로
  회전하며 멀어지는걸 포함한 반대 과정

  안구 운동 제어하는 여섯가지 근육
  상부 사근, 상부 직근, 중앙 직근, 측면 직근, 하부 직근,
  하부 사근

  리뷰
  두가지 현상은 생리적으로 긴밀히 결합되어있다.
  우리가 먼거리의 물체에서 가까운 물체로 초점을 잡을때,두 눈이 근거리에 있는 해당 물체로 모이기 시작한다.그러면 물체의 이 미지는 망막에서 더 커지며 초점이 흐려진다.이렇게 흐려지면 초점 조절 반사를 촉발해,수정체의 초점력이 변화하면서 망막에 서 이미지의 초점이 또렷하게 맺히게 된다.

  XR개발자면 사용자의 두통과 눈의 피로 때문에 이런 이접 운동 과 초점 조절 프로세스를 이해하는 것은 극히 중요함

  부작용의 이유:눈에서 몇 센티미터 앞에 있는 평면(디스플레이 표면)에 초점을 유지해야 하기 때문에 발생함
  가상 공간 내에서 다른 초점면에 있는 것으로 보이는 물체에 주 의를 기울이고 초점을 조절하면, 피사계 심도가 시뮬레이션됨
  양쪽 눈에 제시된 이미지는 2D 디스플레이 표면에 그려지고, 눈 은 그곳에 초점을 유지한다.궁극적으로 디스플레이 요소 표면의 가까이에 계속 초점을 맞춰야 한다는 제약 때문에 수정체 가 장자리를 둘러싼 모양체근이 계속 수축해 있어야 하므로 이런 불편한 느낌을 주게 된다.게다가 이접 운동과 초점 조절 과정에 의해 두뇌에 제공되는 감각적 단서의 불일치 혹은 비동 조화도 문제가 된다.
  

2.양안 단서
= 두 눈으로 장면을 볼 때 감지되는 정보
양쪽 눈이 각기 조금 다른 시점을 제공하기 때문에 발생한다
이 두 장면을 뇌에서 통합해 실제나 가상 환경의 3D 해석구성

입체 영상
=두 눈의 시각적 정보를 근거로 얻는 심도 인지와 3D 구조
양안시의 주된 심도 신호는 입체 영상으로, 망막 시차 혹은 수 평 시차 때문에 생김

• 입체 영상은 두 망막 이미지의 차이를 기준으로 뇌가 구성한 두 장면의 작은 차이로부터 심도를 인지하게됨
• 양안시에서는 각 망막에서 다른 쪽 망막과 상응하는 지점이 있으며 이 망막 대응점은 '호롭터'의 영역과 관련됨
• 호롭터 : 어떤 고정 거리에서 상응하는 망막 조직에 영상화된
  모든 물점의 위치를 정의
• 따라서 해당 물체를 통과해서 두 눈의 망막에 있는 같은 지점 에 상응하는 모든 지점을 연결하는 선이 그려질 수 있음.그래 서 눈은 물체를 하나의 지점에 있는 것으로 보게 된다.
• 이론적으로 호롭터는 각 지점이 주어진 양안 주시 지점에 상 응하는 지점에 맺히는 이미지를 만들어내는 중심 공간
  (호롭터의 일러스트 참고)
• 상응하는 점들의 수평 거리가 망막에서 일정할 경우 호롭터는 두 눈이 회전하는 중심과 고정점을 통과하는 원이 된다.따라 서 고정점이 더 가까워지면 이 원은 더 작아진다.
• 뇌의 시각 피질에 있는 뉴런이 양안 시차에 의한 입체감 생성 에 도움을 주는 것으로 밝혀짐

3.단안 단서
= 망막에 맺힌 빛 패턴에 의한 유발 기제 혹은 정보인데 두 눈 에 의존하지 않는 것
단안 단서는 망막에서 빛 패턴의 움직임이 필요한 것(운동)과 고정된 보는 위치에서 파악할 수 있는 것으로 나뉨

ㄱ.운동 시차
= 움직이는 관찰자에게 더 가까운 물체가 멀리 떨어져 있는 물 체보다 더 빠르게 움직이는 것처럼 보이는 상대적 운동 단서 이유 : 이미지가 눈의 망막을 가로질러 움직이는 속도 때문에
관찰자에게 더 가까운 물체는 멀리 떨어진 물체보다 상당히 빠 르게 시계에 진입한 후 통과해 이탈함
운동 시차는 상대적 심도 차이에 관해 중요한 정보를 제공 하 며,안정적으로 3D 장면 레이아웃을 제공하고 환경 내에서의 내 비게이션을 도울 수 있음.

ㄴ.가림
=간섭이라고도 하며,한 물체가 관찰자가 보는 다른 물체에 대한 시야를 차단할 때 발생하며,가리는 물체는 관찰자에게 더 가깝 게 인지됨
가림은 (절대 거리에 반해) 상대적 거리를 나타냄

ㄷ.삭제와 추가

• 가림 현상의 두 가지 구성요소는 삭제(숨김)와 추가(드러냄) 가 있다.

• 관찰자의 시점이 전활할 때 근거리에 있는 물체나 표면이 원 거리에 있는 물체나 표면을 드러내거나 가리는 정도를 뜻함 - 현실과 가상 환경 모두 다 근거리에 있는 물체나 표면이 원 거리에 있는 물체나 표면보다 관찰자에게 굉장히 가까울 때 는 먼 물체의 삭제와 추가가 이동속도보다 빨라진다.
  그런데 두 물체가 원거리에 있지만 서로 가까이 있을 때는 삭제와 추가의 발생 속도가 훨씬 느려짐

• 삭제와 추가 현상은 관찰자의 운동 방향에 상관없이 적용됨

• 인간의 시각 체계는 유용한 시각적 구조 정보가 운동뿐일 때 도 심도 인지가 가능

• 이 신호는 가상 환경 시뮬레이션을 설계에서 흥미로운 여러 가지 효과를 만드는 데 매우 많이 활용할 수 있음

  ㄹ.직선 원근법
  = 먼 거리의 단일 지점으로 선이 모일 때 제공되는 단안 심도 단서임.평행선이 멀리로 후퇴하며 점점 더 가까이 모이는 것 처럼 보이는 심도 단서며, 두 선이 더 가까이 모일수록 더 먼 것으로 보인다.

  ㅁ.운동 심도 효과(동작으로 인한 구조)
  = 물체의 동작에서 비롯되는 복잡한 3D 구조를 인지하는 것
  = 움직이는 2D 뷰와 실루엣으로부터 3D 구조를 인지하는 능력

• 3D 형태 인지 방식
  a.물체가 움직이는 동안 망막이 받는 자극 패턴의 변화가 낳 는 결과
  b.이전 경험과 관련이 있는 것

  ㅂ.친숙한 크기
  = 먼 위치에 있는 물체가 얼마나 큰지 알 때 뇌는 그 이해를 바 탕으로 절대적 거리를 추정할 수 있음
  실제로 사람의 몸만이 상대적인 크기를 비교할 수 있는 유일 한 사물이기 때문에 이 단서를 사람의 몸 크기와 물체의 크기 를 상대적으로 인지하는 것으로 다시 규정할 수 있다고주장함

• 친숙한 크기 단서는 관찰자의 물체에 대한 기존 지식을 근거 로 절대적 거리 추정을 돕는다.

  ㅅ.상대적 크기

• 두 물체가 크기는 비슷하지만, 관찰자 위치로부터 거리 차이 가 있을때 망막에 더 작은 이미지가 맺히는 물체는 더 먼 것 으로 인지하며 더 큰 물체는 가까운 것으로 인지함

• 이 단서는 개인적 경험에서 상당히 큰 영향을 받음
  두 물체의 크기가 같은데 하나가 더 멀리 있으면 망막에 더 작게 맺힌다.망막 이미지가 커지면 대상이 더 가까워 보임

  ㅇ.대기 원근법(=색채 원근법)
  =관찰자와 멀리 떨어진 물체 혹은 장면 사이에 있는 수증기와 연기 같은 대기의 입자에 빛이 부딪혀 산란하는 효과를 말함

• 거리가 늘어나면 물체나 장면의 특징과 그 배경과의 대비가 줄어듬(Ex 마장호수 아침 물안개)

• 물체의 무늬나 세부 사항도 마찬가지임

• 멀리 있는 산일수록 점점 채도가 떨어지면서 배경색과 비슷함

• 이 대기 효과는 푸른 가시광선이 475nm 범위 내의 짧은 파장 일 때 나타남

• 대기의 분자들에 더 효과적으로 빛이 산란되는 하늘은 보통 파랗게 보임

• 일출과 석양의 경우 파장이 길어서 대기 중에서 산란이 덜 효
  과적인 주황(590nm)과 빨강(650nm)이 지배적으로 눈에 들어 옴

ㅈ.텍스처 경사
= 질감의 모습과 물체의 패턴이 거칠어 보이다가 점점 섬세해(혹 은 덜 뚜렷이) 보이는 강한 심도 단서

• 유럽 돌바닥이 있는 길거리를 상상했을때 관찰자로부터 멀어질 수록 하나하나 뚜렷이 보이던 바닥 돌이 점차 구분하기 어려워
  져서 끝에서는 연속되는 표면으로 보이게됨

• 3가지 특성
  원근 경사 : 표면 기울기나 보는 각도에 수직인 질감 요소는
  거리가 멀어질수록 분리된 느낌이 줄어듬
  압축 경사 : 질감 요소의 명백한 높이는 거리가 멀어질수록
  줄어듬
  밀도 경사 : 단위 영역당 요소의 밀도와 수는 거리가 멀어
  질수록 늘어남
  

• 거리가 멀어질수록 거칠다가 섬세하게 물체의 질감과 패턴의
  모습이 점진적으로 변화함

  ㅊ.조명/셰이딩/그림자
  장면 심도와 물체의 지오메트리 인지를 위한 강력한 단서

  • 그림자의 각도와 또렷함은 심도 인지에 영향을 줌
  • 한 물체가 다른 물체에 드리우는 그림자와 반사는 거리와
    위치에 대한 정보를 제공
  • 더 작고 더 뚜렷한 그림자는 전형적으로 그림자가 드리워
    지는 표면이나 물체에 얼마나 가까이 있는지 알려줌
  • 그림자가 커지고 가장자리가 흐릿해지면 심도가 크다고
    인지할 수 있음
  • 빛이 일정하지 않은 표면과 상호작용하는 방식은 지오
    메트리와 질감의 정보를 상당히 드러냄

  ㅌ.광학적 확대
  관찰자에게 물체의 이동뿐 아니라 물체까지의 거리도 인지
  하게 해줌.

  • 손바닥을 멀리서 부터 내쪽으로 가까이 오면 이미지 크기가
    사방으로 커지며, 점차 배경을 가린다.
  • 관찰자에게 물체의 이동뿐 아니라 물체까지의 거리도 인지
    하게 해줌

  ㅋ.상대적 높이
  = 먼 물체를 가까운 물체보다 더 작고 더 높이 보이게 하거나
  묘사하는 개념
  가까운 시계의 공통 평면에 있는 물체는 멀리 떨어진 물체보다
  망막에서 더 낮은 부분에 맺힘

  핵심은 시계 내에 들어오는 물체들의 상대적 높이

  반대로 천장에 줄지어 매달려 있는 전등처럼,보고 있는 물체가
  자신의 관점보다 위의 공통 평면에 있다면 가장 가까운 물체가
  멀리 떨어진 물체보다 망막 시계의 더 높은 부분에 맺힘

  결론
  사람의 시각 체계는 고도로 동적인 처리가 가능한 놀라운 성능의
  감각 및 해석 장치다.

  시각 체계가 심도를 인지하기 위해 사용하는 다양한 단서를 이해
  하면 가상 환경의 실제 설계에 상당히 도움이 됨

  출처
  실적 증강 현실(AR과 VR 기술, 애플리케이션 그리고 인적 요인) 스티븐 옥스타칼니스 지음