스타워즈 레아 공주 홀로그램이 현실로 VIDEO: A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping

소리로 만든 홀로그램 시대 개막

3D 초음파 사용해 영상 전송 가능해져

   1977년 상영된 SF 영화 ‘스타워즈 에피소드4’에서 여자 주인공 레아 공주가 홀로그램을 통해 자신의 위험을 알리는 장면이 나온다.

2008년 개봉한 ‘아이언 맨’에서는 주인공 스타크가 홀로그램을 움직이면서 대화를 나누고 있는 장면이 등장한다. 이들 영화가 상영될 당시만 해도 가상의 기술처럼 여겼을 것이다. 그러나 SF가 현실이 되고 있다.

14일 ‘가디언’ 지는 영국 서식스 대학 연구진이 초음파를 사용해 원거리에서 움직이는 물체를 3D 홀로그램 영상으로 시현하면서 소리를 주고받을 수 있는 기술 ‘어쿠스틱 트랩 디스플레이(Acoustic trap display)’를 개발했다고 전했다.

Globe created by the Multimodal Acoustic Trap Display developed at the University of Sussex. Credit: Eimont

(초음파를 사용해 홀로그램 영상과 소리를 원거리에서 전송할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다. 사진은 우주에서 본 지구의 모습을 홀로그램으로 전송한 영상.)/phys.org

A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping Ryuji Hirayama, Diego Martinez Plasencia, Nobuyuki Masuda & Sriram  Abstract Science-fiction movies portray volumetric systems that provide not only visual but also tactile and audible three-dimensional (3D) content. Displays based on swept-volume surfaces1,2, holography3, optophoretics4, plasmonics5 or lenticular lenslets6 can create 3D visual content without the need for glasses or additional instrumentation. However, they are slow, have limited persistence-of-vision capabilities and, most importantly, rely on operating principles that cannot produce tactile and auditive content as well. Here we present the multimodal acoustic trap display (MATD): a levitating volumetric display that can simultaneously deliver visual, auditory and tactile content, using acoustophoresis as the single operating principle. Our system traps a particle acoustically and illuminates it with red, green and blue light to control its colour as it quickly scans the display volume. Using time multiplexing with a secondary trap, amplitude modulation and phase minimization, the MATD delivers simultaneous auditive and tactile content. The system demonstrates particle speeds of up to 8.75 metres per second and 3.75 metres per second in the vertical and horizontal directions, respectively, offering particle manipulation capabilities superior to those of other optical or acoustic approaches demonstrated until now. In addition, our technique offers opportunities for non-contact, high-speed manipulation of matter, with applications in computational fabrication7 and biomedicine8. View full text https://www.nature.com/articles/s41586-019-1739-5

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초음파로 입체 영상 제작 가능해져  

연구팀이 공개한 동영상에 따르면 이 장치는 거리상으로 다양한 곳에 위치해 있는 물체들을 시현하고 있다.

날개를 펄럭이면서 날아가고 있는 나비에서부터, 공중에서 숫자가 나타나 카운터 다운을 하는 모습, 다양한 색상의 지구 등을 3D 홀로그램으로 영상화하고 있는데 숫자의 모습은 물체가 아니라 데이터다.

Princess Leia's hologram message in the Star Wars films//via youtube

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서식스 대 연구진은 “눈에 보이는 물체뿐만 아니라 숫자를 비롯한 각종 데이터를 영상화해 사람들이 데이터의 의미를 느낄 수 있는 방법을 찾고 있다.”고 말했다.

이 기술이 특히 주목을 받고 있는 것은 과거에 볼 수 없었던 새로운 기술을 적용하고 있기 때문이다.

‘스타워즈 에피소드4’를 보면 빔 프로젝터를 통해 나타난 레아 공주가 가볍게 흔들리는 장면이 나온다. 그러나 ‘어쿠스틱 트랩 디스플레이’는 홀로그램 개발자들이 그동안 사용해왔던 홀로그래피 프로젝터(holographic projector)를 사용하지 않는다.

프로젝터 대신에 초음파를 사용하고 있다. 초음파의 주파수는 소리로 들을 수 있는 가청 주파수(20kHz)보다 높아 사람의 귀로 들을 수 없는 음파를 말한다.

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그동안 서식스대 연구진은 다수의 초소형의 고성능 스피커를 적용해 소리 트랙터 빔(sonic tractor beams)을 제작한 후 이 장치를 통해 3차원의 소리(음파) 장(three-dimensional acoustic fields)을 만들었다.

그리고 그 안에서 소리를 증폭해 초음파를 생성하고 이 3차원의 초음파를 통해 작은 물체들을 공중 부양한 후 빠른 속도로 대상을 닮은 형상을 생성함으로써 세계 최초로 소리(음파) 홀로그램(acoustic hologram)을 만들어내는데 성공했다.

원거리에서 입체 영상 체험 가능해져 

연구진은 논문을 통해 3D 초음파를 통해 움직이고 있는 물체는 지름 2mm 크기의 고분자 화합물 폴리스티렌 비드(polystyrene bead)라고 밝혔다.

via youtube

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초음파를 통해 시속 32km의 빠른 속도로 이 작은 구슬을 움직여 0.1초 내에 어떤 대상을 홀로그램으로 구현할 수 있다. 폴리스티렌 구슬을 움직여 생성된 형상에는 특수 LED를 통한 색상이 입혀진다.

또한 작은 구슬 속에는 사람이나 물체에서 생성되는 말이나 소리, 음악 등의 음파도 첨가돼 바이브레이션(vibrations)으로 재현된다. 연구진은 사람들 간의 속삭임, 과자가 부서지는 소리처럼 예민한 부분까지 재현이 가능하다고 밝혔다.

3차원 공간에서 홀로그램이 생성되기 때문에 SF 영화에서처럼 어떤 각도에서도 홀로그램을 바라볼 수 있다. 또한 초음파를 사용해 소리를 전달하기 때문에 이 홀로그램 영상으로 하여금 소리를 낼 수 있게 할 수도 있다.

interestingengineering.com

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연구진은 이 초음파 음장(sound field)을 더 확대해 기능을 확대시켜나갈 경우 사용자들이 눈과 귀로 서로 소통하는 것은 물론 가까이에 있는 것처럼 서로 느낌을 주고받을 수 있다고 말했다.

논문은 국제 학술지 ‘네이처’ 지 13일 자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping’이다.

논문에 참여한 서식스대 스리람 수브라마니안(Sriram Subramanian) 교수는 “‘어쿠스틱 트랩 디스플레이’가 영상산업에 있어 새로운 표현 방식을 창출하는 데 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다.

이를테면 ‘해리 포터’와 같은 영화를 제작할 경우 손바닥 위에 ‘커지는 볼(growing ball)’을 올려놓는다든지, 빗자루를 타고 비상한다든지 하는 장면에서 관객들이 실제 상황과 유사한 영상과 소리를 체험할 수 있다는 것.

영상 전문가인 류지 히라야마(Ryuji Hirayama) 교수는 “오랜 기간 체험할 수 있는 영상 재현을 위해 노력해 왔다.”며, “다중 영상을 전송할 경우 그런 느낌이 가능하다.”고 설명했다.

연구자들은 “가까운 시일 내에 멀리 떨어져 있는 가족들이 실제 눈앞에서 대화를 나누고 있는 것처럼 손과 얼굴을 서로 만져보면서 홀로그램 대화를 할 수 있는 날이 멀지 않았다.”고 말했다.

이강봉 객원기자 aacc409@naver.com 사이언스타임즈

A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping

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