체험 공학 기술을 활용한 4D 체감형 시스템 

<그림 1. 4D 체험관>

영화를 보러 간다고 하면, 이제는 어디에서 볼 것인지, 어떻게 볼 것인지 선택을 해야 하는 과정이 생겼다. 무슨 말인가! 영화를 보는데 영화 제목만 보고 영화관을 찾지 않는다는 이야기다.

먼저 영화를 본다는 이야기는 일반 영화를 나타내는 2D (Two Dimension 2차원) 영화이다. 그런데 입체 안경을 사용해서 영화를 즐기는 3D(Three Dimension 3차원) 입체영화가 훨씬 실감나게 느껴진다. 그리고 이젠 4D라 불리우는 체험형 실감 영화가 우리 곁에서 선택을 기다리고 있다. 

우리가 체험할 수 있는 장소 중에서 영화관, 전시관, 기념관, 체험관 등등의 많은 곳에서 움직이는 의자를 타고, 물과 바람에 놀라면서 즐거워했던 기억이 있을 것이다. 이런 곳을 통틀어 체험형 실감 영화관이라 하고, 크게 라이더와 극장용 4D로 나누어지게 된다.

먼저 라이더(Rider)와 극장용 4D의 차이점을 알아보자. 라이더는 오래 전부터 항공기, 탱크, 지진,자동차등 등 가상 공간에서 교육용으로 많이 사용하고 있는 가상 시뮬레이터(Virtual Simulator)로 많이 사용하던 방식이다.

주로 유압(Oil Pressure)을 사용하고, 6축의 구조를 가지며, 상,하,전,후,좌,우, 평형 이동 등 많은 움직임을 만들어 낼 수 있다. 또한 조금은 딱딱한 의자를 사용해서, 관객들이 최대한 많은 느낌을 받도록 설계가 되며, 안전벨트를 사용할 정도로 움직임이 매우 강하다. 대부분 10분 이내의 라이더 전용 3D 입체 영상으로 체험하며, 놀이동산의 롤러코스터(Roller Coaster)를 연상하게 하는  장면이 주로 사용 되어진다. 보통 하나의 세트가 6석 이상의 좌석을 가지며, 의자만 움직이는 것이 아니라 의자를 지지하는 바닥 전체를 움직인다. 유압식은 보통 유압 실린더를 사용하여 움직임을 만들어낸다.

<그림 2. 유압실린더 작동 방법>  

극작용 4D는 협소한 공간에서 효과적인 움직임을 만들어 내기 위하여 3축을 사용한다. 3축은 6축에 비해 평형 이동을 제외한 상,하,전,후,좌,우의 움직임을 갖는다. 1시간 30분 이상을 앉아 있기 때문에 편안한 구조의 의자로 설계되며, 대체적으로 안전벨트를 사용하지 않는다.

극장용 4D는 한 세트당 1석, 2석, 4석 정도로 구성되어 있다. 3석은 중앙의 의자가 양 끝의 의자들과 느낌이 다르다는 이유로 많이 선택되지 않는다. 또한 의자의 아래 공간에 많은 장치를 설치하기 위하여, 작고 가볍게 만들어져야 한다.

 <그림 3. 2인석 4D 의자>

극장용 4D는 보통 공압식과 전동식( 모터식 )으로 설계 된다.

공압식은 에어 스프링(Air Spring)이라는 공기주머니를 이용하여, 각각의 위치(3축일 경우 에어 스프링 3개 사용)에서 팽창과 수축을 반복하게 된다. 공기의 압력에 따라 팽창하는 속도와 팽창하는 정도(위치), 수축하는 속도를 제어하기가 상당히 힘들지만 작은 공간에 3축 이상의 움직임을 가질 수 있고, 소형으로 가볍게 만들 수 있다. 높은 압력의 공기 압축기(Air Compressor)와 저장 탱크(Air Tank)가 추가로 필요하며, 에어 스프링이 수축할 때 공기가 빠져나가는 소음이 발생한다. 

전동식은 보통 모터식이라 하며, 모터의 종류는 보통 서보모터 (Servo Motor) 또는 BLDC모터 (Brushless Direct Current Motor)를 사용한다. 의자의 움직임을 만들어 주는 액츄에이터(Actuator)를 작고 가볍게 만드는 작업이 힘들지만, 움직임에 대한 속도와 위치 제어가 우수하다. 각각의 의자 움직임이 거의 동일하고, 다양한 모션을 만들어 낼 수 있으며, 전기만 있으면 동작할 수 있다.

그림 4 <전동식 3축>

여기에서 궁금한 것이 있다. 왜 의자의 움직임에 6축 또는 3축을 사용할까?

6축의 액추에이터(Actuator)와 3축의 액추에이터 모두 공통적으로 3개의 꼭지점을 갖는다.

여기서 액추에이터(Actuator)란 물체를 움직이거나 제어하는데 사용하는 기계장치를 말하며, 전기(Electricity), 유압(Oil Pressure), 공압(Air Pressure)등을 이용한다.

그럼 왜 3개의 꼭지점으로 사용할까요? 이유는 면의 개수 때문이다.

즉 3개의 점은 공간적으로 1개의 면만 만들 수 있다. 그럼 4개의 꼭지점일 땐 어떻게 될까?

공간상의 4개의 점은 1개 또는 4개의 면(사면체)을 갖게 됩니다. 즉 의자의 앉는 부분이 꺾일 수도 있다는 이야기다. 의자가 꺾이지 않게 튼튼하게 만들면 어떻게 될까? 대부분의 액추에이터는 망가지게 된다. 

체험형 실감장치의 뜻을 보자. 즉 내 자신이 느낀다는 것이다. 눈으로 공룡을 보면서(시각), 귀로 천둥 소리를 듣고(청각), 코로 꽃의 향기를 맡으며(후각), 누군가가 나의 종아리를 만진다(촉각). 혀로 맛을 보는 장치(미각)만 있으면, 인간이 느낄 수 있는 모든 감각을 통하여 느낄 수 있다고 해서 오감형 실감 체험기라고도 한다.

<그림 5. 체감장치 모형도> 

시각장치에 대하여 알아보자. 제일 중요한, 영상이 있다. 2D와 3D로 구분이 되며, 큰 화면일수록 실감이 있다. 번개효과를 낼 수 있는 스트로브 라이트 (Strobe Light)가 있다. 간단히 말하면 고급 카메라의 플래시(Flash)같은 장비로 관객들의 시야에 직접적으로 보이지 않도록 설치하며, 번개 또는 충격적인 사고 장면 등에서 주로 사용한다. 관람실의 분위기를 만들어 줄 LED조명이 있다.

보통 1천 6백만 개의 색상을 만들어 내는 장치로, 햇살의 눈부심이나, 공포스러운 분위기 연출 시 사용한다. 이 밖에도 비누 방울을 발생시키는 버블(Bubble)장치, 안개를 만드는 포그(Fog) 장치, 환상적인 모습의 레이져 빔(Laser Beam)장치, 온 세상을 하얗게 만드는 눈(Snow)장치 등이 있다. 

청각 장치로는 가장 중요한 스피커가 있다. 가슴을 울리는 웅장한 소리야 말로 극장에 가서 영화를 보는 중요한 요소임에 틀림없다. 그런데 누군가가 나에게만 속삭여주는 청각 장치가 있다.

의자의 제일 윗쪽에 조그만한 스피커를 설치하여, 나에게만 말하듯이 음성이 나오면, 공포영화 같은 무서운 장면에서 관객들은 소름이 끼칠 정도로 비명을 지르게 된다. 

후각장치로는 발향기가 있다. 전쟁터의 화약냄새, 달고나의 달콤한 설탕 냄새, 스컹크의 고약한 방구냄새 등 미리 설정된 냄새에로 관람객의 코를 자극한다. 다만 관람실의 환기 시설이 잘 되지 않은 곳에서는 사용하기가 어렵다. 미래에는 요리 프로그램에서 불고기를 만들면, 집의 TV에서 불고기 냄새를 발생한다고 한다. ‘방귀대장 뿡뿡이’를 볼 때면 추워도 창문을 열어 놓아야 할 것이다. 

촉각장치는 꽤 많다. 4D를 말할 때 보통 촉각이 대표적인 느낌이라 할 정도로 종류가 많다. 하늘을 날 때 바람을 발생해주는 팬(Fan) 장치, 폭탄이 터질 때 강한 바람을 일으키는 공기 발사기(Air Shooter), 공룡이 기침할 때 콧물이 튀는 물 발사기(Water Shooter), 들판에 쥐가 지날 때 나의 발목을 스치는 다리 간지럼(Leg Tickler) 장치, 놀이동산의 롤러코스터를 타면서 아래로 떨어질 때 아찔한 모션 의자의 낙하 운동, 공포영화 관람 중 갑자기 옆구리를 찌르는 솔레노이드(Solenoid) 장치, 고속으로 달리는 자동차처럼 몸을 떨어주는 진동 스피커(Vibration Speaker), 소방관이 화재 현장에서 인명을 구조하는 장면에서 뜨거운 열기를 느끼게 해주는 히터(Heater)장치 등 우리의 촉각체험을 위한 많은 장치들이 있다.

<그림 6. 4D Theater System 구조도>

이제까지 장치들의 종류와 역할에 대하여 알아 보았다.

그러면 이 장치들이 어떤 방식으로 동작하고, 어떤 작업을 통해서 이루어 지는지 알아 보자.

기준은 영상이 재생되는 시간이며, 영상을 재생하면 미디어서버(Media Server)라는 장치에서 외부 장치로 년도+월+일+시간+분+초+프레임 의 데이터를 출력해준다.

여기서 프레임이란 보통 1초에 몇 장의 사진이 보여지느냐에 따라 24프레임, 30프레임, 60프레임 등의 숫자로 나타낸다. 이 시간정보를 기준으로 미리 프로그래밍된 시간에 대하여 각각의 장치에 명령을 전송한다. 그리고 미리 프로그래밍 하는 사람을 코딩하는 사람, 즉 코더(Coder)라 한다. 코더는 조이스틱과 같은 모션 입력 장치를 이용하여 자유자재로 의자의 움직임을 만들어 낸다. 이때 모션 입력장치의 데이터를 컴퓨터에서 시간대별로 저장하면 된다.

<그림 7. 3축 조이스틱 입력기>

그 다음엔 번개, 바람, 간지럼, 찌르기 등의 효과를 추가로 삽입하여 완성된 코딩을 만들며, 이때 만들어진 데이터를 4D용 메타데이터(Metadata)라고 부른다. 여러 명이 동시에 작업해서 시간대 별로 정렬을 시켜서 완성하기도 한다.

<그림 8. 코딩 프로그램>

영화가 재생이 되면, 미디어서버에서 시간 정보를 받고, 시간에 따라 정해진 정보를 분석해서, 우리가 느낄 수 있는 체감 장치에 통신으로 명령을 내리면, 우리가 알고 있는 4D 효과가 구현된다. 

한 편의 체험형 영화가 완성되기 위해서는, 재미있는 이야기를 만드는 시나리오 작가와 연출자, 영상을 제작하는 그래픽 기술자와 소리를 담당하는 오디오 기술자, 사람이 느낄 수 있는 실감형 장치를 만들어 내는 하드웨어 기술자(hardware Engineer), 영화에 맞게 실감형 장치의 효과를 만들어 내는 코더 (Coder), 영화와 실감형 장치를 제어하는 소프트웨어 기술자(Software Engineer)등 다양한 각 분야의 전문가들의 협업과 기술의 융합이 필요하다.

각각의 기술들이 뭉쳐 하나의 제품과 콘텐츠를 만들어 내고, 나아가 그 이상의 상승효과와 시너지 효과(Synergy Effects)를 창출하는 융합의 시대가 바야흐로 도래한 것이다.

글 / 서영동 ㈜창진알앤디랩 대표이사 syd2010@sl4d.kr