시뮬레이션이 혼합 현실을 만드는 방법

물리적 세계와 가상 세계를 결합할 때 얻을 수 있는 많은 이점을 제공하는 표준적인 역할을 하는 시뮬레이션은 확장 현실(XR)의 최신 발전의 핵심입니다. 이는 가상, 증강 및 혼합 현실 같은 기술과, 빠르게 진화하는 기술을 포괄하는 모든 웨어러블, 센서, 인공 지능(AI) 및 소프트웨어에 대한 포괄적인 용어입니다. 엔터테인먼트, 의료, 직원 교육, 산업 제조, 원격 작업, 그리고 더 많은 것이 이미 사용되고 있으며, 더 많은 것들이 수평선에 있습니다.

XR은 아직 정의되고 있기 때문에 얼마나 커질지 파악하기가 어렵습니다. 일부 분석가들은 2021년 XR 시장을 310억 달러로 평가했으며 2024년까지 3,000억 달러에 이를 것으로 예상합니다. 1 이러한 예측이 현실에 근접한 경우, 현재 크고 작은 기업에서 개발하는 새로운 XR 제품, 응용 분야 및 경험은 매우 많습니다. 그러나 XR이 이러한 잠재력을 달성하기 위해 필요한 것은 무엇입니까?

아마도 용어 XR을 개별 부분으로 나누는 것이 도움이 될 것입니다; 좋은 리뷰가 여기에 제공됩니다. 해당 기사에서 설명한 바와 같이 증강 현실(AR)을 사용하면 실제 시야에 가상 이미지를 추가할 수 있으며, 가상 현실(VR)을 사용하면 실제 세계에서 완전히 벗어나 다양한 수준으로 가상 세계에 몰입할 수 있습니다. 혼합 현실(MR)은 이름에서 알 수 있듯이 AR과 VR의 혼합입니다.

혼합 현실이란 무엇입니까?

혼합 현실은 가상 개체가 실시간으로 실제 세계와 상호 작용할 수 있도록 물리적 세계와 디지털 자산을 혼합합니다.

구조 엔지니어와 전자 공학자가 같은 방에 서서 서로 현실 세계에 떠있는 모터의 가상 모델을 본다고 상상해 보십시오. 컴퓨터 화면에서와 같이 모델을 회전하거나 확대하거나 모델 내부를 살펴볼 수 있습니다. 또한 자동차를 둘러보거나 실제 자동차의 엔진실에 배치하여 실제 공간에 어떻게 맞는지 확인하고, 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 방식을 더 잘 이해하고, 중요한 언어적 및 비언어적 통신 단서를 잃지 않고 협업할 수 있습니다. 물론 모든 사람이 같은 방에 있을 필요는 없다. 엔진의 대화형 3D 모델을 실제 방에서 투영할 수 있다면 1,000마일 떨어진 다른 엔지니어의 3D 홀로그램을 사용하는 것이 어떨까요?

교실, 수술실, 공장 현장 등에서 유사한 시나리오를 쉽게 상상할 수 있습니다. MR의 이점을 극대화하려면 마이크, 카메라 및 가속도계, 적외선 검출기, 아이 트래커 등의 센서가 필요하며 Cloud의 데이터에 대한 빠른 연결이 필요합니다. 이러한 기술이 제공하는 이점을 활용하려면 헤드셋을 착용하여 모든 효과를 경험해야 합니다.

광학 기술이 올바른지 확인

원하는 MR을 생성하려면 광학 설계 구성 요소 및 과제를 먼저 해결해야 합니다. 헤드셋은 컴팩트하고 가벼워야 편안하고 스타일리시하게 착용할 수 있으므로 매일 여러 시간 동안 사용할 수 있습니다. 디지털 이미지는 화창한 날을 포함한 모든 조명 조건에서 볼 수 있을 만큼 충분히 밝아야 합니다. 고해상도와 피사계 심도(DOF 또는 초점이 맞춰진 이미지에서 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점 사이의 거리)를 달성하는 것도 어려운 과제입니다.

가장 정확하고 시각적으로 정확한 MR 환경을 만들기 위해 기업은 Ansys Zemax OpticStudio 및 Ansys Lumerical 제품과 같은 광학 시뮬레이션 툴을 사용하여 광학 시스템을 설계하고 있습니다. OpticStudio 및 Lumerical는 매크로 및 하위 파장 스케일의 완벽한 통합 솔루션을 제공하여 MR 애플리케이션의 광학 설계 목표를 달성하고 최적화할 수 있도록 지원합니다. OpticStudio는 전체 시스템을 거시적 규모로 시뮬레이션할 수 있는 반면, Lumerical는 성능을 개선하고 이러한 시스템의 크기를 줄이기 위해 점점 더 많이 사용되는 회절 구성 요소를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 경우 하위 파장 물리학이 필요합니다.

OpticStudio와 Lumerical를 함께 사용하면 광원부터 사람의 눈까지 장치의 모든 광학 부품을 설계할 수 있습니다. 최적화 및 공차 기능은 설계가 성공적이고 제품의 제조 가능성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 이 모든 작업은 강력한 솔버가 뒷받침하는 광선 추적, 유한 차이 시간 영역(FDTD) 및 엄격한 결합파 분석(RCWA)을 위한 모델과 툴을 사용하여 수행됩니다.

Lumerical 및 OpticStudio를 함께 사용하는 예는 XR 응용 분야에서 흔히 사용되는 도파관 설계와 "팬케이크 렌즈" 설계에 나와 있습니다. 광학에서 도파관은 빛의 파동을 유도한다는 점에서 이름에 충실합니다. 접이식 광학이라고도 하는 팬케이크 디자인은 렌즈와 디스플레이를 더 가깝게 결합하여 원치 않는 움직임을 최소화하는 보다 컴팩트한 디자인을 제공합니다.

도파관 설계를 최적화하기 위해 회절 격자를 사용하는 광학 시스템의 해당 부분을 통해 빛의 거동을 시뮬레이션할 수 있으며, 고효율로 회절하거나 빛을 다른 방향으로 분산하도록 부품을 설계할 수 있습니다. 거시적 규모에서 OpticStudio를 사용하여 전체 광학 시스템에서 빛의 동작을 시뮬레이션할 수 있습니다.

VR 팬케이크 설계를 개선하기 위해 Lumerical를 사용하여 곡선형 편광판과 사분파 플레이트를 포함한 렌즈의 광학 필터를 시뮬레이션한 다음 OpticStudio에서 전체 시스템을 시뮬레이션하여 고스트 이미지를 감지하고 예측할 수 있습니다.

또한 Lumerical 및 OpticStudio를 동적으로 연결하여 원활하고 심층적인 통합을 제공할 수 있습니다. 이 연결된 워크플로를 통해 신속한 설계 반복이 가능하며 시스템의 전반적인 최적화 및 공차에 중요합니다. 공차 분석은 예상 제조 및 어셈블리 오류의 영향을 검사하여 원하는 광학 설계를 달성하기 위해 모든 모델 사양이 적절하게 균형을 이루는지 확인합니다.

차세대 혁신 기술 시뮬레이션

Ansys의 시뮬레이션이 광학 설계를 개선하여 MR 목표를 달성하는 데 어떻게 도움이 되는지 알아보려면 OpticStudio 무료 평가판에 등록하거나 Lumerical FDTD 에 대해 자세히 알아보십시오.