1. 서 론

LED는 점광원으로 발광효율이 높으며 빠른 응답 속도를 가지며, 다양한 스펙트럼의 조합을 재현하는 등의 이점으로 조명 분야에 큰 영향을 미치고 있다. 하지만 이러한 기술의 발전은 전통적인 조명에는 없었거나 잘 인지할 수 없는 부작용을 나타나게 할 수도 있다^[1]. 전기로 구동되는 광원의 대부분은 시간에 따라 구동 전류가 변화함에 따라 광출력도 변하며, 이를 시계열 조명 변조(TLM, Temporal Light Modulation)라고 한다^[2]. 시계열 조명 변조는 관찰자의 시각적 인식에 변화를 일으킬 수 있으며, 관찰자가 이를 인지하지 못하더라도 시각적 성능에 부정적인 영향을 미친다^{[3, 4]}. 관찰자가 환경을 인식하는 데 있어 원하지 않는 변화를 시계열 조명 부작용(TLA, Temporal Light Artefacts)이라고 한다^[5]. 이러한 시계열 조명 부작용에 노출되면 피로, 두통과 같이 건강에 부정적인 영향이 발생할 수 있다^[6]. CIE에서는 관찰자와 환경에 따라 시계열 조명 부작용의 종류를 플리커, 스트로보 효과, 팬텀어레이로 나누고 있다. 그 중 팬텀어레이는 아래 Table 1과 같이 정적 환경에서 비정적 관찰자(non-static observer)에 의하여, 휘도나 스펙트럼 분포가 시간에 따라 변하는 조명 자극으로 인하여 유발된 지각된 모양(shape)이나 대상들의 공간상 위치(spatial positions of objects) 변화를 말한다^[5].

유럽의 에코디자인에서는 조명 광원이 보이는 플리커 뿐 아니라 보이지 않는 플리커가 발생하지 않는 조명에 대한 요구사항이 제정되었으며, 이를 위하여 플리커 측정 지표로 PstLM, 스트롤보스코프 효과를 위하여 SVM 방법의 측정 방법과 만족해야 할 지표를 제시하고 있다^[7]. 하지만, TLA 중 팬텀어레이 효과에 대해서는 아직 정량화를 위한 모델이 제시되지 못하고 있으며, 정량적인 모델을 개발하기 위한 다양한 시도가 진행 중에 있다^[1]. 정량적인 모델을 개발하는데 있어서 팬텀어레이 효과의 경우에는 개인적인 차이가 크게 발생하기 때문에 개인적인 차이의 발생원인이나 개인적인 차이를 설명할 수 있는 지표를 알아내는 것도 중요한 문제이다.

팬텀어레이에 대한 시인성 모델을 만들기 위해서는 팬텀어레이에 미치는 여러 가지 요소를 파악해야 하는데, 그중에 하나로 고려할 수 있는 부분은 눈동자 움직임 속도이다. 따라서 팬텀어레이 모델에서 눈동자 움직임 속도를 고려하기 위해서는 눈동자 움직임 속도가 팬텀어레이 시인성의 변동을 얼마나 잘 추정할 수 있는지가 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 눈동자 움직임 속도의 개인간 변이 및 개인내 변이를 분석하고, 이러한 눈동자 움직임 속도의 변이가 팬텀어레이 시인성에 미치는 영향을 분석한다.

본 연구에서는 대학생 남녀 각 1명을 대상으로 10일 동안 하루에 10회씩 같은 조건에서 팬텀어레이 시인성과 눈동자 움직임 속도를 총 100회 반복 측정하는 실험을 시행하였다. 실험 수행 횟수, 날짜에 따른 팬텀어레이 시인성의 차이를 파악하고 눈동자 움직임 속도가 이에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 측정한 데이터를 기반으로 개인간, 개인내 변이를 계산하여 팬텀어레이 시인성과 눈동자 움직임 속도와의 신뢰도를 평가하였다.

2. 실험 방법

2.1 실험 구성

실험을 위한 시스템 구성은 색온도에 따른 팬텀어레이의 관찰 주파수에 관한 연구^[8]와 거의 같은 구성을 하였다. 아래 Fig. 1과 같이 전원 공급을 위한 DC 파워 서플라이, 아두이노 제어 보드, 실험용 전구색(warm white) LED 조명, PC 프로그램, 실험 참가자의 눈동자 움직임을 기록하기 위한 아이트래커(Arrington Research, View Point Eye Tracker®), 그리고 실험 참가자의 응답을 수신하고 실험을 진행하는 버튼으로 이루어져 있다. 실험이 종료되면 모든 데이터는 PC에 모여 저장된다.

Fig. 1. Experimental system configuration

2.2 실험 자극

점휘도계(Konica Minolta, CS-2000)를 이용하여 측정한 실험용 LED의 중심부 휘도는 24,700cd/㎡이고 색온도는 2,880K이다. 팬텀어레이 시인성은 광원의 크기와 모양에 영향을 받기에^[9] 실험용 LED 앞에 슬릿을 부착하여 발광 면의 크기를 0.05mm(W) x 2mm(H)로 고정하였다. 팬텀어레이 시인성은 눈동자 움직임 속도에도 영향을 받으므로^[10], 아래 Fig. 2와 같이 자극의 양옆에 녹색 가이드 램프를 부착하여 실험 참가자의 단속 안구 운동 범위를 30°로 제한하였다.

PWM 제어에는 변조 깊이 100%, 듀티비 50%의 사각파를 사용하였다. 실험 자극은 실험 참가자의 버튼 입력을 기반으로 Kaernch의 weighted up-down method^[11]에 따라 자동으로 계산된 주파수로 점멸한다. 시작 주파수는 1kHz이며 주파수의 변화폭이 20Hz 미만이면 실험이 종료된다.

Fig. 2. Experimental stimulus and eye movement range

2.3 실험 절차

본 연구에는 팬텀어레이를 관측할 수 있으며 정상 시각을 가진 24세 남성 1명과 22세 여성 1명이 참여하였다. 실험은 개인간의 차이 뿐 아니라 개인내에서 시인성에 반복횟수나 날짜에 따른 차이를 분석하기 위한 것으로 각 피험자에 대하여 1일 10회 x 10일 x 2명 = 200회 실험을 수행하였다. 실험 전 암실(1lx 미만) 내 실험 자극으로부터 1m 떨어진 위치에 앉아 10분간의 암순응 후 실험을 시작하며 실험 절차는 아래와 같다.

1) 실험자로부터 실험 설명을 듣고 동의서를 작성한다.

2) 아래 Fig. 3 (a)와 같이 왼쪽 녹색 LED에 불이 켜지면 왼쪽 녹색 LED에 눈을 고정한다.

3) Fig. 3 (b)와 같이 왼쪽 녹색 LED가 꺼짐과 동시에 오른쪽 녹색 LED가 켜지면 오른쪽으로 눈동자를 이동한다.

4) 100ms 후, 눈동자를 이동하는 중, Fig. 3 (c)와 같이 중앙에 실험용 LED가 켜진다.

5) 2)-4)를 2회 반복 후 Fig. 3 (d)와 같이 모든 LED가 꺼지면 버튼을 이용하여 팬텀어레이가 둘 중 어디에서 관찰되었는지 표시하며 필요할 경우 추측하여 답변한다. 각 사이클은 무작위 순서이며 두 개의 주파수(실험 주파수 및 60kHz)로 구성되어 있다.

6) Weighted up-down method 방식으로 계산된 한 step의 크기가 20Hz 미만이면 종료한다.

실험 참가자는 하루에 10회씩 같은 실험을 10일간 반복한다. 하루 중 실험에 소요된 시간은 암순응 시간을 포함하여 50분이다.

Fig. 3. One cycle of experimental stimulation. The gray dotted line represents the eye movement direction

3. 실험 결과

본 실험에서 팬텀어레이 시인성은 실험 참가자가 팬텀어레이 현상을 관찰할 수 있는 최대 점멸 주파수인 임계주파수를 기준으로 하였으며, 눈동자 움직임 속도는 각 시행에서 실험 참가자의 임계주파수가 도출될 때의 값을 사용하였다. 실험 데이터는 IBM SPSS Statistics (ver. 25)를 이용하여 분석하였다.

Fig. 4는 눈동자 움직임 속도에 따른 실험 참가자의 펜텀어레이 임계주파수를 보여준다.

Fig. 4. Threshold frequency of phantom array effect according to the eye-movement speed

실험 결과 실험 참가자 1과 2의 평균 팬텀어레이 관측 임계주파수는 각각 22.8 ± 1.9 kHz와 5.4 ± 1.8 kHz로 나타났으며, 눈동자 움직임 속도는 411 ± 62°/sec와 373 ± 141°/sec로 나타났다. 실험 참가자 2의 데이터는 참가자 1에 비해 넓게 분포하며 상관분석 결과 눈동자 움직임 속도와 팬텀어레이 임계주파수가 양의 상관관계를 보였다[r=.811, p<.01].

실험 참가자 1과 2의 팬텀어레이 관측 임계주파수와 눈동자 움직임 속도의 분포가 다르므로 개인별로 측정값들의 변동계수 (Individual coefficient of variation, $CV_{i}$)를 계산하여 차이를 비교하였다.

$CV_{i}=100\dfrac{\sigma_{g}}{\mu_{g}}$

$CV_{i}$: 개인별 변동계수 (%)

$\sigma_{g}$: 모집단의 표준편차

$\mu_{g}$: 모집단의 평균

실험 참가자 1과 2의 평균 팬텀어레이 관측 임계주파수에 대한 $CV_{i}$는 각각 15.09%와 37.84%로 나타났으며 눈동자 움직임 속도에 따른 $CV_{i}$는 각각 8.23%와 33.37%로 팬텀어레이 관측 임계주파수와 눈동자 움직임 속도 모두 실험 참가자 1에 비해 실험 참가자 2의 변동이 큰 것으로 나타났다.

또한 실험 참가자 1과 2의 개인간 차이를 알아보기 위하여 팬텀어레이 관측 임계주파수와 눈동자 움직임 속도의 개인간 변동계수(Between-individual coefficient of variation, $CV_{b}$)를 계산하였다. 계산식은 $CV_{i}$와 유사하다. 그 결과 팬텀어레이 관측 임계주파수에 대한 $CV_{b}$는 63.06%로, 눈동자 움직임 속도에 대한 $CV_{b}$는 28.09%로 나타났다.

실험 참가자의 날짜 내 시행 횟수 및 날짜 간에 따른 개인내 팬텀어레이 임계주파수 변화와 눈동자 움직임 속도의 차이는 Friedman test를 이용하여 비교하였다.

Fig. 5는 날짜와 시행 횟수에 따른 (a)팬텀어레이 임계주파수 변화와 (b)눈동자 움직임 속도를 보여준다.

날짜 내 시행 횟수에 따른 차이를 살펴보면, 실험 참가자 1은 팬텀어레이 임계주파수와 눈동자 움직임 속도 모두 시행 횟수에 따른 차이가 유의하지 않았다. 반면 실험 참가자 2는 매일 시행 횟수가 증가할수록 팬텀어레이 임계주파수가 지속적으로 감소하였으며[$\chi^{2}$=77.15, p=.000] 눈동자 움직임 속도 또한 감소 추세를 보였다 [$\chi^{2}$=77.30, p=.000].

날짜 간에 따른 차이는 실험 참가자 1, 2 모두에게서 나타났다. 실험 날짜와 실험 참가자 1의 팬텀어레이 관측 임계주파수 및 눈동자 움직임 속도의 차이는 통계적으로 유의하였으며 [$\chi^{2}$=45.80, p=.000; $\chi^{2}$=27.57, p=.001] 실험 참가자 2에서도 유의한 차이를 보였다 [$\chi^{2}$=77.15, p=.000; $\chi^{2}$=77.30, p=.00].

개인내 변이를 알아보기 위하여 개인내 변동계수(Within-individual coefficient of variation, $CV_{w}$)를 계산하여 값을 비교하였다.

$CV_{w}=\dfrac{1}{n}\sum_{s=1}^{n}100\dfrac{\sigma_{g}}{\mu_{g}}$

$CV_{w}$: 개인내 변동계수 (%)

$\sigma_{g}$: 모집단의 표준편차

$\mu_{g}$: 모집단의 평균

실험 날짜 간 팬텀어레이 관측 임계주파수에 대한 $CV_{w}$는 18.80%이고, 눈동자 움직임 속도에 따른 $CV_{w}$는 25.27%이다. 날짜 내 실험 시행 횟수에 따른 팬텀어레이 관측 임계주파수에 대한 $CV_{w}$는 12.75%이고, 눈동자 움직임 속도에 따른 $CV_{w}$는 14.18%이다.

Table 2는 실험 참가자 1과 2의 팬텀어레이 임계주파수와 눈동자 움직임 속도에 대한 개인별 변동계수를 보여주며 Table 3은 개인간, 개인내 변동계수를 보여준다.

Fig. 5. Variation by day and number of trials.

4. 결 론

본 연구는 대학생 남녀 각 1명을 대상으로 10일간, 하루에 10회씩 팬텀어레이 관측 실험을 반복하여 실시하여 날짜 및 실험 횟수에 따른 팬텀어레이 관측 임계주파수와 눈동자 움직임 속도에 따른 차이를 파악하였다. 또한 실험에서 개인간, 개인내 변이가 팬텀어레이 관측 임계주파수에 미치는 영향을 알아보았다.

실험 참가자 1은 실험 기간 내 팬텀어레이 임계주파수와 눈동자 움직임 속도 모두에서 실험 참가자 2에 비해 낮은 변동을 보였다.

실험 참가자 2는 실험 참가자 1에 비해 팬텀어레이 임계주파수와 눈동자 움직임 속도 모두에서 높은 변동을 보였으나 날짜 내 실험 시행 횟수에 따라 팬텀어레이 임계주파수와 눈동자 움직임 속도가 지속해서 감소하는 경향을 보였다. 또한 팬텀어레이 임계주파수와 눈동자 움직임 속도의 상관계수가 0.811로 가 높은 양의 상관관계를 가지기에 팬텀어레이 시인성의 개인내 변이를 눈동자 움직임 속도로 설명할 수 있다.

또한, 실험에 참여한 두 참가자의 경우, 참여자 개인간에는 평균 눈동자 속도의 큰 차이가 없었으나, 팬텀어레이 시인성에는 큰 차이를 보인다. 따라서 눈동자 움직임 속도 외에도 팬텀어레이 시인성의 개인차에 영향을 미치는 추가적인 요소가 있을 것으로 보이며, 패턴 글레어 테스트^[12]에서 두 참가자의 점수에 차이가 있어서 그 연관성과 관련하여 추가적인 연구가 필요하다.