서론

오늘날 국방, 의료 및 산업 등 다양한 분야에서 가상현실, 증강현실을 활용한 전자장비들이 활용되고 있다.

가상현실(Virtual Reality, VR)이란 무엇일까? 가상현실은 영화 매트릭스와 같이 실제와 유사하지만, 실제가 아닌 가상의 현실에서 사용자의 오감을 자극하여 사용자가 그 속에 실존하는 것처럼 느끼게 하는 기술을 말한다. 증강현실(Augmented Reality, AR)은 영화 아이언맨의 자비스처럼 실제 환경에 가상의 정보를 합성하여 원래의 환경에 존재하는 사물 및 정보처럼 보이도록 하는 기술이다. AR글래스, HMD¹⁾와 같이 사용자의 머리나 얼굴에 착용하여 실시간으로 정보를 수집하고 사용자와 상호작용이 가능한 웨어러블 형태의 기기들이 증강현실 기술을 활용한 전자장비로 대표적이다. 항공기의 HMD는 조종사의 눈앞에 실시간으로 항공기의 속도, 비행경로 등을 제공하여 조종사가 원활하게 임무를 수행하도록 지원하는 장비다. 군사용으로 개발된 spin-off 장비로 전투기 조종사 앞에 장착되어 고도, 속도 등의 정보를 알려주던 HUD(Head-Up Display) 형태가 시초이며 현재는 주로 조종사의 헬멧에 부착되어 렌즈 형태로 운용되고 있다.

본 고에서는 국방 분야에서 증강현실(AR) 기술을 활용한 HMD의 개념과 목적을 기술하고 HMD의 다양한 모델을 소개하고자 한다.

HMD란?

HMD 개념

HMD(Head Mounted Display)는 머리에 착용하여 이용자의 눈앞에 직접 영상을 제시할 수 있는 디스플레이 장치다.

최초의 HMD는 1968년, 하버드 대학의 Ivan Edward Sutherland가 개발하였다. 무거운 무게로 천장에 매달려있으며 ‘다모클레스의 검’이라는 명칭의 기기가 최초의 HMD다. 양안 렌즈를 통해 네모꼴 도형이 시현되고 도형이 머리의 움직임을 따라갈 수 있는 메커니즘을 가졌다.

HMD는 이반의 HMD 형태와 같이 사용자의 각 눈에 하나씩 두 개의 시각 이미지를 제공하는 양안식과 센서 이미지를 한 눈으로 보는 단안식으로 구분될 수 있다. 간단한 정보를 보여주기 위해서는 단안식을 채택할 수 있으나 현실 세계 영상과 어우러지는 가상의 3차원 개체를 표출하기 위해서는 양안식을 채택한다.

군수용 HMD

군수용 HMD의 도입

1970년대, HUD(Head Up Display)의 도입으로 조종사는 복잡한 계기판을 보지 않아도 조종사 전방 유리면을 통해 전투기의 비행 정보를 볼 수 있게 되었다. 그러나 HUD는 조종실 전방 계기판 상단에 고정되어 사방의 정보를 확인하기 위해서는 기수의 방향을 돌려야만 했다.

헬기에 HMD가 도입되면서 더 이상 기수의 방향을 조종하지 않게 되었다. 조종사의 헬멧의 방향에 따라 조종사의 눈앞에 비행 정보를 투영하므로 기수의 방향을 조종하지 않아도 언제든지 비행 정보를 확인할 수 있게 되었기 때문이다.

HMD는 고정익 항공기보다 회전익 항공기에 먼저 보급되었다. HMD의 무게로 인해 급기동을 요구하는 고정익 항공기에는 급기동 시, 고중력으로 조종사의 목에 부담이 되었기 때문이다. 이후 HMD 소형‧경량화 기술이 발전하면서 고정익 항공기에도 HMD가 보급되기 시작했다.

군수용 HMD의 목적

군수용 HMD는 조종사의 헬멧에 부착되어 조종사의 시야에 속도, 고도 등 비행 정보와 임무 정보를 실시간으로 시현하여 조종사에게 주요 상황을 제공한다. 이를 통해 조종사는 복잡한 전장에서 직관적으로 상황을 인식하여 임무 성공률과 생존성을 향상시키는 목적을 가진다.

최근 군수용 HMD는 조종사 피로를 줄이기 위해 계속해서 더 가볍고 부피가 작아지고 있으며, 조종사에게 상황 인식을 극대화하고 임무를 지원하기 위해 실시간으로 더 우수하고 사실적인 이미지를 제공하기 위한 연구를 수행하고 있다.

고정익 항공기용 HMD

본 절에서는 시대순으로 고정익 항공기용 HMD의 모델을 소개한다.

1) DASH(Display and Sight Helmet)

1970년대 후반, 이스라엘 3대 방산업체인 Elbit Systems社은 DASH(Display and Sight Helmet)로 알려진 HMD를 개발하여 이스라엘 공군 F-15와 F-16에 장착하였다. 현재 DASH Ⅳ까지 개발되었으며, DASH는 조종사가 목표물을 바라보기만 해도 무기를 조준할 수 있고 Night Vision Goggle로 야간비행 기능이 향상되었다. 또한, 조종사의 LOS(Line of Sight)를 측정하고 그 정보를 다른 항공기 시스템에 전송하는 기능이 있다.

2) Agile Eye

1980년대, 미국 방산업체 RTX의 자회사로 Collins Aerospace社(구. Kaiser Electronics)는 Agile Eye를 개발하였다. Agile Eye는 일련의 단안 HMD로 헬멧의 뒷면에 있는 작은 CRT를 사용하여 이미지(기호 및 표적 데이터 등)를 헬멧 바이저로 투사되어 조종사가 비행 정보를 볼 수 있도록 만들어졌다.

3) JHMCS(Joint Helmet Mounted Cueing System)

1990년대 중반, Elbit Systems社와 Collins Aerospace社의 합작회사인 VSI(Vision Systems International)社에 의해 JHMCS가 개발되었다. DASH 및 Agile Eye의 파생 제품으로 기존의 HMD에 목표조준시스템이 결합되어 조종사가 바라보는 방향으로 즉각 목표를 조준할 수 있다. 또한, 기존의 HMD는 헬멧 자체에 통합된 형태였으나 JHMCS는 HGU-55/P와 같은 헬멧에 구성품으로 부착된다. 단안식으로 주/야간 모듈과 20° 시야각을 제공하며 현재 F-15, F-18, F-22 등에서 운용되고 있다.

4) HMDS(Helmet Mounted Display System)

HMDS는 F-35 JSF(Joint Strike Fighter)를 위해 VSI社가 개발하였다. HMDS는 JHMCS와 동일한 심볼을 사용하며 JHMCS의 CRT 디스플레이는 2개의 0.7인치 대각선 SXGA 해상도 AMLCD로 대체되었다. 양안식으로 100% 오버랩 이미지 구현과 40°(H) x 30°(V)의 FOV를 제공하며 야간 임무 시, 야간 투시 장면을 바이저에 직접 투사하므로 별도의 야간 투시 고글이 필요하지 않다. 또한, F-35에 장착된 센서와 외부카메라를 통해 조종사에게 X-ray와 같은 시야를 제공한다. 즉, 조종사의 몸과 F-35 바닥을 통해 동체 아래의 지형을 확인할 수 있다. 더불어, F-35는 HMDS의 도입으로 50년 만에 HUD가 없는 최초의 전술 전투기가 되었다.

5) Striker II

영국의 BAE Systems社는 F-35 HMDS에 필적하는 성능의 HMD를 개발하였다. Striker II는 양안식으로 40°의 시야각과 100% 오버랩 이미지를 구현하며 야간 투시 기능이 통합된 형태이다. 조종사의 머리 위치와 각도를 실시간으로 계산하여 조종사에게 표적물에 대한 정보를 제공함으로써 신속한 의사 결정을 내릴 수 있도록 지원한다. 색상 기호를 사용하여 적의 경우 붉은색 기호로 아군의 경우 푸른색 기호로 식별할 수 있으며 기존 디스플레이와 별도의 작은 창에 이미지를 표시하는 PIP(Picture-in-Picture) 기술을 제공한다.

회전익 항공기용 HMD

본 절에서는 시대순으로 회전익 항공기용 HMD의 모델을 소개한다. 회전익 항공기용 HMD는 고정익 항공기용 HMD와 형태가 조금 다르다. 고정익 항공기용 HMD의 경우, 조종사 헬멧이 조종사 얼굴을 완전히 덮는 형태이므로 바이저 전체에 정보를 시현하는 양안식 형태이다. 반면, 회전익 항공기용 HMD는 낮은 고도로 비행하여 지형지물에 대한 상황 인식이 중요하므로 한쪽 눈으로만 정보를 확인할 수 있는 드래곤볼의 ‘스카우터’와 같은 형태의 단안식 디스플레이다.

1) IHADSS(Integrated Helmet and Display Sighting System)

1970년대, Honeywell社는 AH-64 아파치용 IHADSS를 개발하였다. IHADSS는 단안식이며 적외선(IR) 헤드 트랙커 감지기가 헬멧에 장착되어있다. 조종사의 머리 움직임에 따라 M230 30mm 기관포가 움직이며 조종사에게 제공된 표적 정보로 정확하게 표적을 타격할 수 있다.

2) Aviator’s Night Vision Imaging System (ANVIS)

ANVIS를 통해 조종사는 매우 낮은 조도 조건에서도 안전하게 비행 임무를 수행할 수 있게 되었다. 빛의 강도를 증가시키는 이미지 증폭기를 사용하여 야간에도 주변 환경을 식별할 수 있다. 미 육군에서 ANVIS는 AN/AVS-6 모델을, 미 해군과 공군에서는 AVS-9 모델을 사용한다. 일반적인 AVS-6는 3세대 이미지 증폭기를 사용하며 40° 시야각의 광학 특성을 가진다. IPD(Inter-pupillary distance, 동공 간 거리)는 52-72mm로 조정할 수 있으며 헬멧 후면에 벨크로 타입으로 배터리를 장착할 수 있고 단일 리튬 또는 AA 알칼리 배터리를 사용한다. 우리나라 한국형기동헬기(KUH-1)는 유사계열인 Elbit社의 ANVIS/HUD®24T 제품을 사용하고 있다.

3) TopOwl

TopOwl은 프랑스 Thales社에서 개발한 HMD다. 주/야간 비행이 가능하며 주/야간 , IR/FLIR 모드 전환 시, 시야가 매끄럽게 전환된다. IR 모드에서는 40° 원형 FOV를 제공하며 FLIR 모드인 경우 FOV는 40°(H) x 30°(V)다. 현재 유로콥터 Tiger 및 Denel AH-2, NH90 등에서 운용되고 있다.

4) Scorpion

Thales社는 광학/관성 센서(HObIT, Hybrid Optical-based Inertial Tracker)를 활용하여 조종사 위치 및 자세를 인지하는 HMD를 개발하였다. Full-color 디스플레이로 주/야간 모드를 원활하게 전활할 수 있으며 모든 표준 NVG(Night Vision Google)와 호환 가능하다. H-135M, H225M, MD-530G 등 각국의 다양한 플랫폼에서 운용되고 있으며 우리나라는 양산 진행 중인 소형무장헬기(LAH-1)에서 운용될 예정이다.

5) X-Sight

2022년 7월, 이스라엘 Elbit Systems社는 회전익 항공기용 AR 헬멧인 X-Sight를 공개하였다. X-sight는 항공기 기수에 장착된 통합 센서(열, 레이더, 레이저 등)로 날씨나 주변 장애물에 상관없이 선명하고 넓은 시야를 제공한다. 마치 조종사가 항공기 동체를 투시하는 듯한 360도 시야를 볼 수 있다. 이는 저하된 시각 환경과 낮은 고도에서 비행이 제한되었던 회전익 항공기의 비행 운용조건이 개선되었음을 시사한다. X-sight는 임무, 비행 등 실제 정보와 항공기 센서를 통해 만들어진 3D 이미지 등의 합성 정보를 헬멧의 바이저에 오버랩하여 조종사에게 제공한다. 또한, 딥러닝 알고리즘을 통해 실시간으로 장애물을 감지, 분류하여 조종사에게 경고한다.

맺음말

본 고에서는 국방 분야에서 활용되고 있는 HMD의 개념과 목적을 기술하였으며 고정익/회전익 항공기별 HMD의 모델을 소개하였다. 최근 HMD는 조종사에게 더 넓고 선명한 시야와 실시간 더 정확하고 세밀한 정보를 제공하는 물리적 기술과 더불어 조종사의 작업량과 피로감을 줄이기 위해 헬멧의 착용감, 경량화를 위한 인체 공학적인 연구도 진행되고 있다. 또한, HMD의 기반인 AR 기술이 정교해지면서 비행 시뮬레이터 등 HMD 관련 연구 분야도 더욱 발전할 것으로 예상된다. 본 고를 통해 HMD를 이해하고 관심을 증대한 계기가 되었기를 기대한다.