[첨단 헬로티]

              
Ⅰ. 개요

무안경식 3D 디스플레이 기술의 급속한 발전과 함께 3D 입체영상 산업이 전 세계적으로 주목받고 있다. 이에 미디어 시장의 가치사슬에서 높은 부가가치와 많은 고용창출을 기대할 수 있는 신 성장 동력으로서 잠재성을 인정받고 있다. 특히 3D 입체영상 기술의 핵심인 홀로그램 디스플레이는 영화/방송/우주항공/군사/의료/게임 등 전 산업분야에 광범위하게 응용되면서 커다란 부가가치 효과를 파급시키고 있다. 3D 입체영상 기술은 1838년 영국의 Charles Wheatstone에 의해 고안된 입체경을 통한 최초의 입체영상으로부터 현재까지 그간 획기적인 발전을 거듭하여 왔다. 대화면/고화질/고해상도의 평판디스플레이(FPD) 기술이 3DTV의 제품화를 가속시키고 있는 가운데 각 가정에서도 3D 입체 콘텐츠를 고해상도 디스플레이를 통해 시청할 수 있는 3DTV 시대가 다가오고 있다.

디지털 홀로그램 기술이 적용된 real-3D 영상을 Full-HDTV 모니터를 통해 시청하기까지에는 아직 해결해야 할 많은 과제를 안고 있다. 3D 입체영상 산업의 핵심 이슈로 부각되고 있는 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술 분야에 대한 국내 기술력이 아직 미비하고 3D 콘텐츠를 개발하고 관리할 고급인력 역시 부족한 상황이다. 기술개발 비용 대비 수익 구조가 불투명하고, 비즈니스 모델도 많지 않은 취약점도 있다. 하지만 세계 최고 수준의 국내 ICT 인프라를 적극 활용하여 대응한다면 기술 선도국과의 기술격차를 빠르게 앞당길 수 있을 것이다. 국내 3D 입체영상 기술력(하드웨어 및 콘텐츠 등)은 아직 성숙단계는 아니지만 디지털 환경에 익숙한 두터운 소비자층이 형성되어 있어 글로벌 시장선점에 매우 유리한 상황이다[1].

3D 입체영상 산업의 대중화 목표는 무안경식 3D영화와 3DTV 방송이 될 것이다. 이를 위해 우선적으로 고부가가치를 지닌 3DTV 방송표준을 선점함으로써 글로벌 기술시장을 주할 수 있을 것이다. 특히 국내 기술력으로 개발한 북미식 디지털방송 전송규격(VSB2)) 기반의 2D 및 3D 영상 동시 전송기술이 3D 입체영상 기술 국제표준으로 채택되어 적용되고 있다. 3DTV 산업은 TV제조사에게는 포화상태인 TV시장에 새로운 시장창출의 기회가 될 수 있으며, TV방송사와 콘텐츠 제작업체에게는 차별화된 회기적인 서비스를 통해 부가수익을 창출할 수 있는 기회가 될 수 있을 것이다.

이 연구에서는  홀로그래피(Holography) 기술의 핵심인 홀로그램(hologram) 기술의 원리 및 특징, 홀로그램 적용산업 등에 대해 설명한다. 아울러 사람의 눈으로 느낄 수 있는 3D 입체영상의 인식 및 구현원리와 이를 기반으로 한 3D 입체 이미지 모션 생성방법에 대해 설명한다. 끝으로 SHD급 공간광변조기(SLM) 등을 이용한 디지털 홀로그램 디스플레이 광학소자 및 post-HDTV 초고화질 영상기술과 접목되어 real-3D 홀로그램 기술로 발전하고 있는 홀로그패피 해상도 등 홀로그램 기술개발 동향과 이를 기반으로 한 홀로그램 디스플레이 기술의 응용분야를 제시한다.

Ⅱ. 홀로그램의 원리와 특징 및 적용산업

1. 홀로그램의 원리
홀로그래피(Holography) 기술3)의 핵심인 홀로그램(hologram) 기술은 일반적인 2차원 사진(은염(silver halide)을 이용하여 진폭(물체의 밝고 어두운 모습)만을 기록하는 기술)과 달리, 물체의 위치 즉, 인간의 눈으로부터 물체까지의 거리(위상)을 모두 기록함으로써 3D 물체의 영상을 기록하고 재생하는 것이다. 홀로그램은 자연광이나 형광등과 같은 간섭성이 낮은 광을 이용하는 2차원 사진과 달리 레이저 빛처럼 간섭성이 높은 광을 이용하는 점에서 2차원 사진과 다르다고 할 수 있다. 홀로그램을 기록하는 원리는 레이저가 물체광과 기준광으로 분리되어 물체광은 피사체에 직접 비춰지고, 참조광은 반사경에 반사되어 물체에서 난반사된 빔과 참조광에 의한 간섭무늬가 홀로그램에 기록되는 것이다. 이러한 홀로그램에 참조광을 비추어 공간상에 3D 입체 영상을 재현하는 것이다[2][3].

2. 홀로그램의 특징
홀로그램 기술은 일부분에 전체 정보를 저장할 수 있어 정보 유실 시 복원이 용이하며, 깊이감이 있는 입체감과 독특한 컬러 변화를 표현할 수 있어 동일한 영상을 복제할 수 없어 저작권 침해가 사실상 불가능한 것이 특징이다. 아울러 한 홀로그램에 다른 영상을 중첩적으로 동시에 기록할 수 있으며, 동시에 기록된 물체정보를 다시 각각의 물체정보로 재생할 수 있는 특징이 있다. 3D 홀로그램 기술의 가장 큰 특징은 이용자들이 3D 전용의 특수 안경을 쓰지 않고서도 실제 공간에서 자연스러운 입체영상을 즐길 수 있다는 것이다4)[2]. 이는 엔터테인먼트 산업 전반에 걸친 패러다임의 변화를 예고하고 있다. 홀로그램의 다양한 특징을 표 1에 나타낸다.

표 1. 홀로그램의 방식별 특징 및 활용분야

3. 홀로그램 적용산업
디지털 홀로그램 기술을 이용한 홀로그래픽 콘텐츠는 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)를 포함한 광전자기기에 적극 적용되고 있다. 특히 파동광학의 수학적 모델에 의해 생성된 홀로그래픽 프린지 패턴은 디지털로 기록되어 있어 아날로그 홀로그램과 달리 편집이 용이하고 영상압축 및 전송이 용이한 특징이 있어 널리 활용되고 있다. 홀로그래피 기술의 아날로그 간섭패턴은 의료기기 및 정밀기기에 응용될 수 있으며, 디지털 간섭패턴은 수학적 모델 기반 3D 객체에 대한 간섭패턴을 계산하는 것으로 디스플레이와 보안 분야에 용용할 수 있다. 회절 및 굴절 기술을 활용하는 디스플레이 기술은 정적 디스플레이와 동적 디스플레이로 구분할 수 있다[4].

   - 정적 디스플레이 기술은 보안제품과 홀로그래피 프린터를 활용한 다양한 교육 및 문화 산업 분야의 HOE(Holographic Optical Element : 홀로그래피 광학소자)에 활용되고 있다.
   - 동적 디스플레이 기술은 홀로그래피의 디지털화가 진행되고 있는 단계이다. 향후 동영상 홀로그래피가 구현될 경우 이를 활용한 방송/통신 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

특히 홀로그래피 간섭패턴은 복제가 어려워 지폐, 신용카드, 신분증 등의 보안 및 인증수단으로 활용되고 있다. 또한 홀로그래피 프린트는 디자인이 화려하여 포장/의류/사진/출판 등에 장식용으로도 활용되고 있다. 홀로그래피 기술을 활용하면 레이저 빔(LASER beam) 또는 카메라를 이용하여 객체정보를 정밀하게 획득할 수 있어 스캐너, 산업용 테스팅 장비, 의료기기 등에 활용되고 있다. 아울러 빛의 회절 및 굴절을 이용하여 조명기구의 조사량 제어, 에너지 관리 등에도 활용되고 있다.

Ⅲ. 3D 입체영상 인식/구현 원리 및 3D 모션 생성방법

1. 3D 입체영상 인식/구현원리
사람의 눈으로 느낄 수 있는 입체감의 인식원리는 양안시차6)를 이용하는 것이다. 인간의 두 눈은 카메라의 렌즈와 같은 수정체를 통해 근육을 긴장, 이완시킴으로써 렌즈의 두께를 변화시켜 초점을 조절하게 된다. 이처럼 카메라 렌즈의 두께와 같은 모양체 근육 조절을 통해 입체감을 느끼는 것이다7). 이처럼 3D 입체영상은 사진이나 영화 등의 2D 평면영상에 환상적인 깊이감(illusional depth)을 부여하여 마치 영상이 화면 밖으로 튀어 나오는 것처럼 제작함으로써 인간이 3D 입체영상을 인식하게 되는 것이다. 3D 입체영상 디스플레이 기술은 구현방식에 따라 양안시차 디스플레이(Binocular display), 스테레오 카메라 시스템(Stereo camera system) 및 스테레오 스코픽 디스플레이(Stereoscopic display)로 구분할 수 있다. 각 방식에 따른 3DTV 방송 및 3D영화 구현사례를 그림 1에 나타낸다.

그림 1. 3DTV 방송 및 3D영화 구현사례

2. 3D 입체 이미지 모션 생성방법
(1) 모션 생성 원리
3D 입체영상을 구현하기 위해서는 해당 이미지의 움직임(motion)을 생성할 수 있어야 한다. 2D 평면 이미지에 대응하는 3D 입체공간상의 모션을 생성하고 이를 클로즈 업(close-up)시켜 3D 입체공간을 형성하는 것이다. 3D 입체 이미지의 모션 생성 원리는 건축 서비스업계에서 잘 알려진 소규모 기업인 MOK3, INC.에 의해 2008년에 PCT특허로 등록된 기술이다
. 관찰위치에서 2D 평면 이미지에 대응하는 3D 입체공간상의 모션을 생성한 후 프로젝션에 투영하여 3D 입체 이미지의 모션을 생성한다. 이를 클로즈업시켜 2D 평면 이미지를 사시도상의 다양한 방향성을 가진 관찰시점을 정하여 X-Y좌표를 갖는 평면도를 완성한다.

(2) 모션 생성 알고리즘
3D 입체 이미지의 모션 생성 알고리즘은 모션 생성 원리에서 서술한 다양한 방향성을 가진 관찰 시점 및 위치에 따라 카메라자세 결정, 과도적 이미지 생성, 과도적 이미지 편집 및 가상 이미지 편집 단계를 거쳐 완성된다[5]. 각 단계별 실행원리는 표 2와 같다.

표 2. 3D 이미지 모션 생성 알고리즘 단계별 실행원리

Ⅳ. 홀로그램 기술개발 동향

1. 개요
디지털 홀로그램 기술이 집약된 50인치 급의 홀로그래피 디스플레이를 구현하기 위해 수천 개의 SHD(Super-HD)급 공간광변조기(SLM : Spatial Lighter Modulator) 등을 이용하여 디지털 홀로그램을 디스플레이할 수 있는 광학소자 기술이 개발되고 있다. 평판 디스플레이(FED) 기술 수준으로는 상용화 수준의 홀로그램 디스플레이 실현이 어렵다고 판단되며, 현재의 산업 환경을 고려할 때 향후 1~2년 이내에 시분할 또는 공간분할 방식의 SLM을 적용한 50인치 급 홀로그래픽 디스플레이 실현이 가능할 것으로 전망된다. 이에 충분한 가시영역을 가진 실시간 홀로그램을 구현하기 위해서는 HDTV의 25만 배 해상도와 수백 Peta(1015) FLOPS의 처리성능이 요구된다[4]. 60。의 시야각 조건을 만족하는 40인치 기준으로 180만 배 정도의 고해상도가 필요하며, 이때 데이터는 약 5,000Tbps가 되는데 이러한 초대용량 데이터를 압축 ․ 전송할 수 있는 획기적인 기술적 도약이 필요하다.

2. 홀로그패피의 해상도
3D 입체영상 산업에서 추구하고 있는 매우 중요한 기술 분야 중 하나는 홀로그램 기술이 적용된 TV시스템의 해상도이다. 이는 디지털TV 및 post-HDTV 시대를 맞이하면서 초고화질 영상기술과 접목되어 real-3D 홀로그램 기술로 발전하여 차세대 영상기술로 각광받게 될 것이다. 홀로그램 신호는 일정한 해상도를 갖는 3원색(Red/Green/Blue) 신호를 하나의 휘도신호(Y)와 두 개의 색차신호(I,Q)로 행렬변환 한 다음 두 개의 색차신호로 영상대역 안에서  3.58MHz의 주파수를 갖는 부반송파로 변조된다. 변조된 색차신호와 휘도신호를 합하여 얻은 복합신호를 더 높은 주파수를 갖는 반송파로 변조하여 전송하게 된다. 이때 실제 전송회선에는 휘도신호(Y)가 전송되기 때문에 흑백 TV신호와도 호환될 수 있는 것이다. SD→HD→Full-HD→UHD 급으로 발전하고 있는 TV신호의 해상도에 대한 정의를 요약하면 표 3과 같다[6].

표 3. TV신호의 해상도 분류기준

3. 홀로그램 디스플레이 기술의 응용분야
디지털 홀로그램 기술이 적용된 3D 입체영상 기술은 1990년대 후반부터 급속히 확산되기 시작한 개인용 휴대단말기, 게임기기 및 산업용 계측기 등의 하드웨어와 가상현실 및 증강현실 기술발전과 함께 응용연구가 본격화되었다. 이후 정보통신 기술과 접목되면서 교육 및 의료산업, 우주/항공/군용전자산업, 3D산업용 기기, 엔터테인먼트, 통신 ․ 방송 융합기술 및 가정용 TV 모니터 등에 이르기까지 매우 다양한 산업분야에 확산되고 있다. 특히 컴퓨터 단층촬영(CT : Computed Tomography, ), 자기공명영상(MRI : Magnetic Resonance Imaging), 초음파(Ultrasonography)로 대표되는 의료용 영상진단기기 분야에서 매우 활발하게 응용되고 있다[7]. 디지털 홀로그램 기술의 다양한 응용분야와 특징을 표 4에 나타낸다.

표 4. 디지털 홀로그램 기술의 응용분야 및 특징

디지털 홀로그램 기술이 적용된 real-3D 입체영상 산업은 2015년을 기점으로 상용화를 시작하여 급성장을 지속하면서 3D 제품 및 서비스가 보편화되어가고 있다. 3D 장비 및 서비스 산업의 경제적 가치는 2020년까지 12조 원의 생산효과와 3조4,000억 원의 부가가치 창출, 75,000명의 일자리 창출을 전망하고 있다. 글로벌 기술시장을 주도할 수 있는 산업 및 기술경쟁력을 확보하게 되면 3D 콘텐츠→서비스→장비 산업으로 이어지는 가치사슬(Value chain)을 형성하면서 관련 전후방 산업의 동반성장도 기대된다[8].

360도에서 시청이 가능한 real-3D 홀로그램 기술이 상용화되기 전 기술개발 단계에서 홀로그램 기술은 공연장이나 전시장에서의 가상현실을 가미한 3D 공연 및 전시, 3D 가상현실 및 증강현실을 가미한 게임, 사무환경에서의 실감 화상회의, 판매장에서의 홀로그램 광고, 가정에서의 홈비디오 영상, 홀로그램 디스플레이 기술 기반의 전통산업(하드웨어/소프트웨어/콘텐츠 등 제품 생산), 문화/건설/공공복지/미디어/제조 등 다양한 융합산업 등 매우 다양한 분야에 활용되고 있다. 이로써 고비용과 장소의 제약 문제를 해결할 수 있으며, 현장감까지 갖춘 매우 효율적인 솔루션으로 평가받고 있다. 이에 기술성숙기에 들어설 수 있도록 홀로그램 기술의 완성도에 집중할 필요가 있다. 아울러 홀로그램을 이용하여 어떤 콘텐츠를 서비스할 것인지에 대한 구체적인 접근법이 필요하다.

Ⅴ. 맺음말

전 세계적으로 3D 입체영상 산업에 대한 관심이 집중되고 있는바 real-3D 입체영상을 시청할 수 있는 Full-HD급 3D 디스플레이 및 공익성이 있는 고품질의 3D 콘텐츠 및 3DTV 방송을 위한 전송표준 등이 확립되면서 산업발전이 가속되고 있다. 이에 궁극적인 목표인 지상파TV 방송사의 3D 입체방송 인프라를 통해 눈의 피로감이나 어지럼증 등을 해소할 수 있는 안전기준과 가이드라인을 준수할 필요가 있다. 국내 3DTV 산업 활성화를 위해서는 학제 간 융합연구를 통한 3D융합산업 저변 확대, 산/학/연 공동으로 체계화된 표준화 연구, 미국과 일본 등 기술선도국의 3D 융합산업 벤치마킹 및 3D 관련 단체와의 국제협력 네트워크 구축 등이 선행되어야 한다. 3D 입체영상 산업은 3DTV 방송이나 3D영화 등 영상을 매개체로 하여 인간의 후각과 촉각 나아가 진동이나 습기까지 체감하면서 초현실 감각을 느길 수 있는 4D 및 5D 영상시대로 끊임없이 발전하고 있다.

궁극적으로는 인간의 오감을 만족시키는 방송서비스와 홀로그래픽 영상 서비스를 제공할 수 있을 것이다. 차세대 영상산업은 이처럼 실감형과 감성형으로 이어지는 기술로 진화하고 있다. 다시점 3D 입체영상 방송, Full-UHDTV 방송에 이어 보다 더 감성적인 실감·감성 영상서비스 시대를 기대해 본다. 2015년경부터 상용(시범) 서비스되고 있는 디지털 홀로그램 기술 기반의 real-3D Full-UHDTV를 통한 본격적인 3DTV 방송시대를 정착시키기 위해서는 3대 인프라 요소(방송서비스 인프라 구축, 저비용의 3DTV용 모니터 보급, 고품질의 3D 콘텐츠 확보)를 충족하는 데 주력할 필요가 있다[1]. 아울러 홀로그램 기술 기반의 3D 입체영상을 효과적으로 구현하기 위해서는 3DTV 시험방송 및 시범사업에 대한 분석결과를 토대로 단중기 기술개발 로드맵(TRM)을 설정하고 이에 토대로 지속적인 Action plan이 필요하다.

박세환 한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램 전문위원
       (주)기술법인 엔펌(ENF : Engineering Firm)_전문위원
       한국CCTV연구소(KCI)_영상보안CCTV산업발전연구회장
       용인시정연구원_비상임연구위원