5가지 성능 지표로 살펴보는 VR HMD

2013년 오큘러스 리프트 DK1 출시 이후, 현세대 XR 하드웨어 시장은 놀라운 속도로 성장하며 IT 산업의 중심 축으로 자리매김했습니다.

다양한 VR HMD들이 출시되면서 시장은 끊임없이 진화하고 있으며, 각 HMD는 고유한 개성과 특징, 장단점을 가지고 있습니다.

하지만 일반 IT 기기와 달리 HMD는 단순한 사양만으로 평가하기 어려우며, 이는 현대 기술의 총집합이라 할 만큼 전자공학, 광학, 기하학, 재료공학, 의공학 등 다양한 분야의 기술이 융합되었기 때문입니다.

동일한 HMD 카테고리 내에서도 제품을 정확하게 비교하고 평가하기 위해서는 객관적인 성능 지표를 활용해야 합니다.이번 아티클에서는 VR HMD의 몰입감과 사용 편의성을 결정하는 핵심 요소인 5가지 주요 성능 지표에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. Display

디스플레이 : 가상 세계의 선명함과 해상도를 결정하는 요소

VR HMD의 해상도는 즉 디스플레이의 해상도라고 해석할 수 있으며, 가상 세계의 선명도를 결정하는 중요한 요소입니다.

해상도가 높을수록 화면이 선명하고 디테일한 표현이 가능해지고, 몰입감이 높아질 수 있는 이점을 가집니다.

출처 : mkeblx.net, 삼성 뉴스룸

각 세대별 대표적인 HMD들의 해상도는 다음과 같습니다.

출시 연도	HMD	제조사	해상도 (per eye)
1995	Virtual Boy	Nintendo	384*224
2013	Oculus Rift DK1	Oculus	640*800
2016	VIVE CE	HTC	1080*1200
2018	Odyssey+ MR	Samsung	1440*1600
2020	Quest 2	Meta	1832*1920
2023	Quest 3	Meta	2064*2208
2024	Vision Pro	Apple	3600*3200

디스플레이를 평가할 수 있는 요소는 해상도 뿐만 아니라, 디스플레이의 종류와, 픽셀의 배치 방법에도 큰 영향을 미칩니다.

대표적으로 VR HMD에 쓰이는 디스플레이는 OLED와 LCD 두 가지 유형이 있습니다.

OLED 디스플레이는 자체 발광 특성으로 인해 높은 명암비와 진한 흑색을 제공하며, 빠른 응답 속도와 화면 잔상이 적어 더욱 몰입감 있는 경험이 가능합니다.

하지만 OLED는 LCD에 비해 일반적으로 수명이 짧고, 화면에 잔상이 남을 수 있는 번인(Burn-in) 현상이 발생할 가능성이 높으며, 밝은 환경에서 많은 전력을 소모한다는 단점을 가집니다.

반면, LCD 디스플레이는 번인 현상에 강하고, 제조 비용이 상대적으로 낮다는 장점이 있지만, LCD의 명암비는 OLED 만큼 높지 않으며, 특히 어두운 환경에서는 흑색이 회색으로 보일 수 있어 완전한 몰입감을 제공하기 어렵습니다.

최근에는 Apple Vision Pro와 같은 장비에서 마이크로미터 단위의 LED 소자를 사용하는 Micro LED를 사용한 장비도 낮은 수율과 높은 생산 비용에도 불구하고 적은 전력 소모와 소형화를 이유로 출시되며, 차세대 HMD의 디스플레이를 내다보고 있습니다.

출처 : OLED Info

디스플레이의 픽셀 배치 방식도 중요한 평가 요소입니다.

펜타일 방식은 각 픽셀이 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 색을 균일하게 분배하지 않고, 특정 색상의 픽셀을 더 많이 배치하거나, 추가하는 방식입니다.

디스플레이 카탈로그 해상도를 손쉽게 고해상도화 할 수 있는 방식이지만, 전체적인 선명도와 가독성을 감소시킬 수 있습니다.

반면, RGB 방식에서는 빨강, 초록, 파랑 픽셀이 각각 동일하게 배치되어, 더 선명하고 균일한 화면을 제공합니다. 이는 텍스트와 정밀한 디테일이 중요한 VR 환경에서 적합합니다.

이러한 각각의 디스플레이 해상도와, 종류, 픽셀 배치 방식은 VR 경험의 질을 결정하는 데 중요한 역할을 하며, 사용자의 요구와 애플리케이션의 특성에 따라 적합한 HMD 선택에 영향을 미칩니다.

2. FOV

시야각 : 가상 세계의 시야를 넓히는 기술

FOV(Field of View)는 사람이 볼 수 있는 시야의 범위를 의미하며, HMD에서의 시야각은 착용 시 사용자가 경험할 수 있는 가상 세계의 시야 넓이를 가리킵니다.

일반적으로 인간의 시야는 수평으로 최대 약 220도에 이르지만, HMD의 기술적 한계와 광학적 설계 때문에 이를 완벽히 재현하는 것은 어렵습니다.

대부분의 상용 HMD는 약 90도에서 110도의 FOV를 제공하며, 이 범위는 인간의 시야 중 가장 세부적으로 인식하는 중심부를 주로 포괄하고, 주변부의 시야가 덜 중요하다는 점을 고려할 때, 비록 약간의 제한적인 느낌은 있을 수 있지만, 충분히 몰입감 있는 경험을 제공합니다.

FOV와 디스플레이의 해상도는 서로 상호 계산하여, HMD의 시각적 선명도를 결정짓는 PPD라는 개념으로 이어지는데요.

출처 : Pimax

PPD(Pixels Per Degree)는 HMD에서 표현하는 픽셀의 수를 시야각 단위로 나눈 값입니다. 이 값은 사용자가 VR 환경에서 경험하는 시각적 선명도를 결정하는 중요한 척도로, FOV와 해상도가 서로 상호작용하여 결정됩니다.

즉, 해상도가 높으면 동일한 FOV에서 PPD 값이 증가하여 더 세밀하고 선명한 이미지를 제공합니다. 반대로, FOV가 넓어지면 같은 해상도에서 더 많은 시야를 커버해야 하므로 PPD는 감소하게 됩니다. 이는 화면이 더 넓게 퍼지는 효과가 있으며, 결과적으로 이미지가 덜 선명하게 보일 수 있습니다.

따라서, 고해상도 디스플레이와 넓은 FOV를 모두 갖춘 HMD는 높은 PPD 값을 유지하며 뛰어난 시각적 선명도를 제공하는 것이 중요하지만, 이는 더 많은 처리 능력을 요구하기에, HMD의 설계와 성능에 균형을 잘 맞추는 것이 필수적입니다.

3. Lens

렌즈 : 가상 세계의 시야를 열어주는 눈.

VR HMD의 렌즈는 사용자의 눈에 영상을 전달하는 역할을 하며, 시야각 (FOV)와 렌즈 왜곡 (Distortion)을 결정하는 중요한 요소입니다. 렌즈 왜곡이 적을수록 현실감 넘치는 환경을 경험할 수 있습니다.

이번 게시글은 가장 흔하게 쓰이는 두 가지 주요 렌즈 유형, 즉 프레넬 렌즈와 팬케이크 렌즈에 대해 간단히 살펴보겠습니다.

프레넬 렌즈는 전통적인 볼록 렌즈를 얇게 만든 것으로, 나이테 형태의 동심원이 새겨져 있어 렌즈의 두께를 줄이면서도 필요한 굴절률을 유지할 수 있지만, 프레넬 렌즈의 특성상 빛의 산란이나 나이테 같은 패턴으로 인한 이미지 왜곡이 발생할 수 있습니다.

출처 : VR Insight 쭘쭘

반면, 팬케이크 렌즈는 더 얇고 경량화된 구조로, 광학적 폴딩 기술을 이용해 이미지 경로를 단축함으로써 크기와 무게를 더더욱 줄이면서, 렌즈 간 간섭을 최소화하면서도 선명한 이미지를 제공할 수 있으나, 제작 비용이 높고, 광 투과 효율이 낮아 밝은 디스플레이가 필요하기도 합니다.

이 두 렌즈는 VR 경험에서 시야각과 이미지 품질을 결정하는 중요한 요소입니다.

4. Tracking

추적 : 사용자의 움직임을 정확하게 반영하는 기술.

VR HMD는 사용자의 머리와 컨트롤러 움직임을 추적하여, 가상 세계 내에서 자연스럽게 상호작용할 수 있도록 하며, 추적의 분류는 크게 “자유도”와 “추적방식”을 분류할 수 있습니다.

출처 : Virtual Speech

추적의 자유도는 3Dof와 6Dof로 구분할 수 있으며

3DoF(3 Degrees of Freedom)는 사용자의 머리 회전만을 추적해, X/Y/Z 세 축에 대한 회전 움직임을 감지하며, 이는 주로 보다 단순한 VR 경험에서 사용됩니다.

반면 6DoF(6 Degrees of Freedom)는 사용자의 머리 회전축 이동뿐만 아니라, 공간 내에서의 위치 이동을 포함한 전후, 상하, 좌우 이동을 모두 추적합니다. 이는 훨씬 더 몰입감 있는 VR 경험을 제공하여 사용자가 가상 환경 내에서 자연스럽게 움직이고 상호작용할 수 있게 해줍니다.

추적 방식에는 주로 '외부 추적'과 '내부 추적' 두 가지가 있습니다.

출처 : The Wild

외부 추적(Outside-in)은 외부 센서나 카메라를 사용하여 HMD와 컨트롤러의 위치와 움직임을 감지하며, 매우 정밀한 추적이 가능하지만 설치가 복잡하고 추가 하드웨어가 필요합니다.

내부 추적(Inside-out) 추적은 HMD 자체에 내장된 카메라와 센서를 사용하여 사용자의 움직임을 추적합니다. 이 방식은 외부 장치 없이도 작동하므로 설치가 간편하고, 사용자가 VR 기기를 쉽게 설치하고 다양한 환경에서 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

5. Processor

프로세서 : 가상현실 경험의 연산을 담당하는 과정.

VR HMD에서 가상현실 경험을 구동하는 데 있어서는, 이러한 환경을 연산해 주는 주체가 필요하며, 이는 HMD의 사용 목적에 따라 PC(외부장치), 스탠드얼론, 클라우드 등으로 분류할 수 있습니다.

출처 : Upload VR

PC(외부장치) 기반의 VR 시스템은 고성능의 컴퓨터를 필요로 하며, 가장 강력한 그래픽과 처리 능력을 제공합니다.

이러한 시스템은 복잡한 VR 애플리케이션과 게임을 구동하는 데 적합하며, 더욱 섬세하고 사실적인 가상 환경을 경험할 수 있지만 이는 VR 헤드셋을 PC에 직접 연결해야 하기 때문에 사용자의 이동성에 제약을 받고, 고성능, 고가의 컴퓨터(외부장치)가 반드시 필요한 한계가 존재합니다.

스탠드얼론 HMD는 내장된 프로세서와 저장 공간을 사용하여 독립적으로 작동합니다.

이 장치들은 외부 장치 없이도 모든 연산을 처리할 수 있어 설치가 간편하고, 어디서나 자유롭게 사용할 수 있는 이점이 있지만, 내장 하드웨어의 한계로 인해 PC 기반 시스템보다는 상대적으로 낮은 성능을 제공할 수 있습니다.

클라우드 기반 VR은 컴퓨팅 작업을 원격 서버에 의존하여 HMD에 스트리밍하는 방식입니다.

서버를 이용하여 고사양의 VR 경험을 가능하게 하며, 사용자는 경량의 HMD만 착용하면 되며, 높은 대역폭과 낮은 지연시간이 요구되어, 현재는 성장 단계의 기술이지만, 향후 VR 기술의 발전과 더불어 확장성과 접근성 측면에서 많은 잠재력을 가지고 있습니다.

맺음

지금까지 살펴본 바와 같이, VR HMD 기술은 디스플레이 해상도, 시야각, 렌즈 설계, 동작 추적 기술, 그리고 프로세싱 방법 등 다양한 요소들의 혁신적인 결합으로 사용자의 가상현실 경험을 혁신하고 있습니다.

이러한 기술적 특성들은 사용자가 가상 세계를 어떻게 인지하고, 얼마나 사실적이고 깊이 있는 몰입감을 경험할 수 있는지 결정하는 핵심 요소로 작용합니다.

VR 기술의 미래는 이러한 구성 요소들의 지속적인 개선과 함께 진화할 것입니다. 특히, 고해상도 디스플레이와 광범위한 FOV를 지원하는 렌즈 기술, 그리고 더욱 정교하고 신속한 동작 추적 기능은 사용자에게 현실과 구분하기 어려운 가상 경험을 제공할 잠재력을 가지고 있습니다.

또한, 클라우드 컴퓨팅과 같은 신기술이 VR 시장에 통합됨으로써, 더욱 강력하고 접근성 높은 VR 경험을 소비자에게 제공할 수 있는 기반을 마련하고 있습니다.

결론적으로, VR 기술은 지속적인 기술 혁신을 통해 우리의 삶과 사회 전반에 긍정적이고 광범위한 변화를 가져올 엄청난 잠재력을 지니고 있습니다.

놀라운 가상 현실 경험을 가능하게 하는 기술들이 계속해서 발전함에 따라, VR은 단순한 엔터테인먼트 수단을 넘어서 교육, 의료, 산업 등 다양한 분야에서 필수적인 도구로 자리 잡을 것이며, 이러한 기술적 진보가 우리의 현실을 어떻게 변형시킬지 그 결과를 지켜보는 것은 매우 흥미로운 일이 될 것입니다.

[작성자: XREAL 김정현]