R&E FOR YOU(vol.06) - 시각장애인을 위한 광학 실험의 시각 정보 전환에 관한 연구

주제 선정의 과정

현재의 시각장애인에 대한 사회적 배려는 기존보다 늘어난 것이 사실입니다. 우리가 생활하는 곳곳에 오돌토돌한 점자로 된 표식이 있는 것을 종종 보셨을 것입니다. 엘리베이터에서 층수를 나타내던지, 공중화장실에서 지금 들어가려고 하는 곳이 남자 화장실인지 여자 화장실인지 알려주는 것과 소수지만 점자로만 된 책도 있습니다. 또한, 걷다 보면 보이는 노란색인 튀어나온 보도블록은 시각장애인들이 안전하게 길을 걸을 수 있게 도와주는 길잡이 역할을 한다고 합니다. 우리가 흔히 볼 수 있는 시각장애인을 위한 시설들은 이 외에도 곳곳에 존재하며, 어떤 분들은 충분하다고 생각할 수 있고, 또 어떤 다른 분들은 아직 부족하다고 생각할 수 있습니다.

저희는 적어도 시각장애인들이 과학적 실험들을 진행할 때 도움을 줄 수 있는 물건들은 부족하다고 생각했습니다. 시각장애인의 경우, 물리 실험은 실험 과정을 눈으로 보고, 결과를 정리해서 해석해야 하므로 실험을 수월히 진행하기 어렵다고 생각하였습니다. 물리와 관련된 다양한 실험 중에서 직접 빛을 사용하는 실험인 광학 실험은 실험의 주된 재료가 빛이며 결과도 빛으로 나타납니다. 시각장애인들의 고충이 더욱 크게 드러나는 부분이라고 생각하여 저희는 앞이 보이지 않는 분들도 광학 실험을 진행할 수 있도록 돕는 기구를 제작하면 좋겠다고 생각하여 위의 주제를 선정하였습니다.

시각장애인을 위한 광학 실험을 하려면?

시각장애인들은 빛으로 주어지는 정보인 시각정보를 온전히 받아들이기 힘듭니다. 앞서 말씀드렸듯이 광학 실험은 빛을 이용한 실험이므로 궁극적인 실험의 결과가 빛으로 나타납니다. 그것을 직접 보지 않는 이상 받아들이기 쉽지 않죠. 이러한 결과를 실제와 비슷하게 시각장애인분들이 인지할 수 있도록 돕기 위해서는 시각정보를 다른 감각 기관의 정보로 바꾸는 것이 최적의 방법이라고 생각했습니다. 그 감각으로 촉각과 청각을 후보로 두었습니다. 촉각을 이용한 실험 기구의 제작을 진행하는 것에 대해 여러 가지 방안이 나왔으나, 결국 직접 만질 때의 압력에 의하여 빛 정보를 토대로 생성된 촉각 정보가 흐트러지는 것과, 작은 면적에 생성된 밝기 변화가 큰 빛에 대해 사람의 손가락 끝으로 정확하게 그 지점을 어떻게 만질 수 있는지에 대한 의문점이 남았습니다. 반면, 청각 정보의 경우 처음 소리가 발생한 지점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 소리의 크기가 약간 작아지는 것 이외에는 항상 일정하게, 실험의 결과로 나타난 빛 무늬의 모든 부분을 표현할 수 있기 때문에 청각 정보로의 전환을 채택하였습니다.

연구를 진행하며

교과 과정에서 실행하는 광학 실험의 대부분은 빛의 색깔별로 파장이 다르다는 특성을 이용한 실험과 단색 빛에서 특정 조건을 주었을 때 나타나는 무늬의 관찰로 나뉩니다. 이 중 더 많은 부분을 차지하는 것은 후자라고 판단하였습니다. 따라서 저희 팀이 진행해야 했던 것은 빛의 세기를 소리로 전환하는 방법을 선정하고, 이를 적용한 기구를 제작하는 것이었습니다. 빛의 세기를 소리로 전환하는 방법을 고르기 위해서 실제 광학 실험을 진행하고, 그것의 결과를 통해 어떻게 하면 빛의 정보를 소리의 정보로 변환할지를 고민해야 했습니다. 작은 범위 내에서 빛의 세기가 큰 폭으로 변화하는 결과가 나타나는 광학 실험으로 단일 슬릿 회절 실험을 진행했습니다. 매우 작은 틈에다가 위상이 같은 빛, 즉 레이저를 쏘면 결과가 나타납니다.

소리가 가지는 정보는 다양하게 있으나, 위의 실험에서 채택 가능한 소리의 정보로는 소리의 세기와 높낮이(진동수)라고 생각했습니다. 그중 빛의 세기를 소리의 세기로 대응시켜 출력하는 것은 스피커의 성능의 한계에 의해 조정할 수 있는 세기의 범위가 적고, 큰 소리를 계속하여 듣는 것은 청각에 좋지 않을 것으로 생각해서 소리의 진동수로 전환하는 방법을 선택하였습니다. 또한, 여러 가지의 정보를 입력받을 수도 있고, 그것을 토대로 프로그래밍이 가능하며, 마찬가지로 출력도 가능한 아두이노를 기기의 핵심 부품으로 선택하였습니다.

위의 사진처럼 아두이노의 부품들을 연결합니다. 이 시스템은 머리와 같은 역할을 하는 아두이노 우노 보드(UNO)를 중심으로 합니다. 여기서 프로그래밍한 코드가 작동되어 원하는 결과물을 만들어냅니다. 아두이노 우노 보드에 스피커와 연결된 선을 직접 꽂습니다. 더욱 복잡하고 다양한 회로의 구성과 작동을 위해서 브레드보드와의 연결은 필수적입니다. 브레드보드 내부에는 서로 연결된 금속이 있어 특정한 규칙을 통해 원하는 회로를 만들 수 있게 해줍니다. 브레드보드에는 다양한 부품들이 선을 통해 연결되어 있으나, 가장 중요한 저항기와 CDS 조도 센서를 표현했습니다. CDS 조도 센서와 저항기가 같이 만들어낸 전기적 신호는 아두이노 우노 보드로 전달되며, 여기서 프로그래밍 된 것을 토대로 하여 스피커에 적절한 전기신호를 보내 적절한 진동수의 소리를 만들어내는 방식입니다.

저희가 제작할 기기의 입력 신호는 특정 지점에서의 빛의 세기입니다. 아두이노 상에서 빛의 세기를 입력받는 센서로 CDS 조도 센서를 사용하였습니다. 이 센서는 입력된 빛의 세기를 변환 과정을 통해 0~1023의 숫자로 나타냅니다. 이 센서를 처음 사용하던 날, 레이저를 정확히 센서에 갖다 대어도 아두이노 상에서 빛의 세기를 나타내는 숫자가 불규칙하게 커졌다 작아졌다 하는 것을 목격했습니다. 처음에는 단순히 기계의 고장인 줄 알고 다른 센서로 바꿔서 끼워 보기도 했지만, 마찬가지로 동일한 현상이 나타났습니다. 무엇이 문제인지 몰라 손으로 센서를 가려봐도 숫자가 계속하여 변했습니다. 이대로 실험 진행이 잘 안될까 걱정하던 순간에 혹시 형광등이 영향을 미친 것은 아닐까? 하는 의문을 가졌습니다. 언뜻 보기에는 형광등이 항상 같은 밝기로 방을 밝히고 있는 것 같지만, 사실은 형광등에 시간에 따라 주기적으로 변하는 교류전압이 걸리므로, 형광등의 밝기 역시 계속 변합니다. 따라서 실험실의 불을 다 끄고 최대한 어둡게 만든 다음 레이저를 쏘였더니 거의 1~2 정도의 작은 변화만 있을 뿐, 거의 일정한 값을 나타냈습니다. 이것으로부터 실험을 진행하며 놓치기 쉬운 사소한 조건마저도 실험의 결과에 지대한 영향을 끼칠 수 있다는 것을 깨달았고, 각별하게 주의해야겠다는 생각을 가지게 되었습니다.

단일 슬릿 회절 실험의 경우 좁은 면적에 세기 변화가 큰 빛이 결과로 나타납니다. 각각의 지점에서 빛의 세기를 정밀하게 구하기 위해 PASCO에서 제작한 광도 측정 장치를 사용했습니다. 빛의 회절 무늬를 직선 형태로 만든 다음, 만들어진 직선을 따라 왼쪽에서부터 오른쪽으로 이동하며 각각의 지점마다 측정되는 빛의 상대적 세기를 퍼센트(%) 단위로 나타냅니다. 1초당 얻는 데이터 수를 수십 개로 설정하고 기기를 천천히 이동시키면 거의 연속적인 모양으로 거리에 따른 빛의 세기 그래프를 도출할 수 있습니다. 아두이노의 CDS 조도 센서보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있으니, 회절 무늬에서 각각의 지점에서 실제 빛의 세기로 생각하고 실험을 진행하였습니다.

실제 회절 실험의 결과로 나타나는 무늬는 밝은 부분과 어두운 부분이 명확하게 드러납니다. 육안으로만 보면 이웃한 밝은 곳간의 밝기 차이가 크게 나 보이지는 않습니다. 그러나 위의 기기를 통해 받아들인 위치별 빛의 세기 그래프에서는 이웃한 밝은 곳간의 밝기 차이가 5~20배 가까이 나는 구간이 존재합니다. 단순하게 CdS 조도 센서를 통해 받아들인 빛의 세기에 10배를 하여 그 수치를 소리의 진동수로 출력하게 되면, 실제로는 거의 같아 보이는 이웃한 밝은 무늬 간의 밝기임에도 수배에서 수십 배 차이나는 진동수가 출력됨에 따라 시각장애인들은 비시각장애인과 다르게 실험의 결과를 인지하게 됩니다. 따라서 CdS 조도 센서에 입력된 모든 빛의 세기를 한 가지의 방법으로 통일하여 소리의 진동수로 변환하게 되면 비시각장애인이 얻는 실험의 결과와 차이를 보이게 되고, 이는 결국, 본 연구의 목적인 광학 실험에서 시각장애인도 비시각장애인과 유사한 실험의 결과를 도출할 수 있도록 하자는 것에 부합하지 못한 것으로 생각했습니다.

위에서 나타난 문제점을 해결하기 위해 저희가 해야 했던 것은 실제로 보이는 실험의 결과와 유사하도록 빛의 세기를 소리의 진동수로 변환하는 방식을 찾는 것이었습니다. 현재 직면한 문제점은 특정 위치에서는 실제로 보이는 빛의 세기보다 현저히 낮은 수준의 진동수를 출력한다는 것과 또 다른 위치에서는 월등히 높은 수준의 진동수를 출력한다는 것이었습니다. 이렇게 밝은 무늬를 나타내는 구간 간의 출력되는 진동수의 차이를 줄이기 위해서는 구간을 적절히 설정하여 어떤 구간에서는 소리의 진동수를 증폭시키고, 또 다른 어떤 구간에서는 소리의 진동수를 낮추는 작업이 필요하다고 생각했습니다.

아두이노의 CDS 조도 센서를 통해 실시간으로 받아들인 빛의 세기를 기기의 작동 종료 후에도 위치에 따른 빛의 세기 그래프가 남아 있어야 각각의 구간을 설정해 증폭과 축소를 적절히 진행할 수 있습니다. 아두이노의 CDS 조도 센서를 통해 입력되는 빛의 세기는 1초당 받는 데이터의 개수에 따라 데이터가 빠르게 누적되므로, 화면상에 잠깐 나타났다가 사라지게 됩니다. 아두이노의 CDS 조도 센서에서 받아들이는 빛의 세기는 시간에 따른 값이고, 빛의 세기를 더 엄밀히 측정할 수 있는 PASCO 조도 센서의 경우 처음 시작점을 기준으로 변화한 위치에 따라서 빛의 세기를 측정합니다. 그러므로 그래프로 그렸을 때 위치에 따른 빛의 세기를 제공하는 것은 PASCO 조도 센서이고, 구간을 나누기에 좋은 환경이라고 할 수 있습니다. 그러나 아두이노의 경우 기존 시작 위치로부터 얼만큼의 위치 변화가 있었는지 알 수 없습니다. 따라서 저희는 PASCO 조도 센서를 통해 얻은 빛의 세기를 아두이노가 빛의 세기를 표현하는 방법인 0~1023 사이의 숫자로 변환시켜주는 관계식을 찾아내, 아두이노로 위치에 따른 빛의 세기 그래프를 그리지 못하는 것을 PASCO 조도 센서를 이용하여 얻은 그래프로 대체하여 구간 분할에 대한 설정이 가능하다고 생각했습니다.

두 조도 센서가 나타내는 빛의 세기 간의 관계식을 찾는 것은 같은 회절 무늬에 대해서 PASCO 조도 센서를 이용하여 데이터를 받아들이고, 아두이노의 CDS 조도 센서를 이용해 데이터를 받아들여 이 중 임의로 수십 개를 골라 데이터를 추출하면 됩니다. 똑같은 위치에서 아두이노와 PASCO의 조도 센서로 측정한 빛의 세기를 비교해야 하므로 위치 정보를 알아야 합니다. 하지만 아두이노의 조도 센서는 위치에 대한 정보를 제공하지 않으므로 PASCO의 조도 센서와 높이만 다를 뿐 직선상에서 위치를 정확히 일치시켜 부착한 후 PASCO의 조도 센서에서 제공하는 위치를 통해 아두이노의 조도 센서 위치를 알아내는 방법을 생각해 냈습니다. PASCO의 조도 센서의 위치를 옮겨가며 그 위치에서 아두이노의 조도 센서로 입력되는 빛의 세기를 컴퓨터를 통해 실시간으로 변화하는 숫자를 보며 데이터를 추출해야 했습니다.

두 조도 센서의 높이가 다르므로 단 하나의 회절 무늬에 대해 각각 측정하려면 한 번은 아두이노의 조도 센서 높이에 회절 무늬를 맞추고, 이후 회절 무늬는 고정한 채로 PASCO의 조도 센서 높이를 아래에 받침대들을 두어 높이를 높여줘야 했습니다. 41개의 데이터에 대하여 PASCO의 조도 센서 위치를 밝기 변화가 큰 쪽에서는 1mm보다 더 작은 범위로 움직여가며 아두이노의 조도 센서에 입력된 빛의 세기 값(0~1023 사이의 숫자)과 PASCO의 조도 센서가 알려주는 그 위치를 각각 기록하는 작업을 진행했습니다. PASCO의 조도 센서로도 데이터를 얻어낸 다음, 추출한 41개의 데이터에 표시된 각각의 위치에 대해서 PASCO의 조도 센서가 그린 그래프를 통해 빛의 세기를 읽습니다. 이제 x축을 PASCO의 조도 센서가 나타내는 값을 두고, y축에는 아두이노의 조도 센서를 통해 받아들인 빛의 세기를 두어 그 둘 간의 관계식을 알아내기만 하면 됩니다. 이렇게 관계식을 알아낼 때는 그 관계식이 얼마나 각각의 데이터들을 잘 표현하는가 하는 경향성을 검증하는 수치로 결정계수(R^2)를 사용하는데, 이것이 1에 가까울수록 관계식이 실제 데이터를 잘 표현하고 있다고 얘기할 수 있습니다.

데이터를 추출할 때, 아두이노의 연결선 길이가 짧아 PASCO의 조도 센서를 움직임에 따라 아두이노의 CDS 조도 센서의 각도가 틀어져 제대로 측정되지 않거나, 실험 기구들이 놓인 각도가 틀어져 회절 무늬가 바뀌어 처음부터 재측정을 해야 하는 등의 어려움이 있었습니다. 이들을 이겨 내고 어렵사리 데이터들을 추출하여 관계식을 찾아낸 후, 결정계수(R^2)의 값을 계산했더니 0.6에 가까운 값을 얻었습니다. 이는 1에는 한참 미치지 못하는 수치이며, 경향성을 거의 반영하지 못했다고 할 수 있습니다.

데이터의 해석 문제를 두고 팀원 간의 의견이 나뉘었습니다. 아두이노의 CDS 조도 센서와 PASCO 조도 센서는 빛의 세기를 측정하는 방법 자체가 달라 둘 간의 관계식을 찾는 것은 불가능하다는 의견, 관계식을 찾는 것은 가능하지만 측정 과정에서 오차가 발생했다는 의견, 데이터를 추출할 때 잘못 옮겨 적었다는 의견 등이 있었습니다. 혼란이 계속되던 가운데, 한 팀원이 가장 밝은 부분의 위치 차이를 이용해 평행이동하여 그래프를 겹친 뒤 결정계수를 구했더니, 0.99에 가까운 수치로 나타나 좋은 수준의 정확도를 보여주었습니다. 이후 이 관계식을 토대로 몇 가지 회절 무늬에서 구간을 적절히 나누고 증폭과 축소를 통해 프로그래밍한 결과, 실제 실험의 결과와 유사한 형태의 소리를 들을 수 있었습니다.

저희의 연구는 거리의 변화를 인지하는 센서와 머신러닝을 이용했을 때 비로소 사용 범위를 대폭 확장 시킬 수 있습니다. 빛의 세기를 소리의 진동수로 변환하고자 하는 구역을 처음부터 끝까지 기기를 한 번 움직여 조도 센서에 입력한 다음, 이를 통해 위치에 따른 빛의 세기 그래프를 프로그램 내부적으로 그립니다. 어떤 구간에 밝은 무늬가 보이는지(빛의 세기 그래프에서 극댓값인지), 어두운 무늬가 보이는지 머신러닝의 경사강하법을 통해 판별하여 진동수를 각 구간에 따라 증폭, 축소할 수 있도록 프로그래밍해준다면 현실에 가까운 형태로 시각장애인들도 청각을 통해 실험의 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각합니다.

저희가 만든 기기(Diffraction Scan & Changer)의 사진을 직접 첨부하기에는 현 여건상 쉽지 않은 부분이 있어 그림으로 대체하였습니다. 큰 상자 안에 아두이노의 회로들과 부품 및 쇠로 된 긴 된 봉이 내장되어 있습니다. 아두이노는 프로그래밍이 된 상태이며, 쇠로 된 긴 봉은 센서가 움직일 때 철로 역할을 해주는 부품입니다. 검은색으로 된 사각형 모양의 구조물은 센서가 부착될 판입니다. 검은색 판 안에 그려진 흰색 사각형이 CDS 조도 센서가 들어갈 틈입니다. 이 판 전체는 큰 상자 윗면에 길게 난 조그만 길을 통해 직선적으로 움직일 수 있습니다. 왼쪽에 보이는 동그랗고 튀어나온 물체는 회전 손잡이로, 이것을 시계방향으로 돌리면 위의 검은색 판이 회전 손잡이와 멀어지는 방향으로 이동하고, 반시계방향으로 돌리면 가까워지는 방향으로 이동합니다. 손잡이를 돌리며 편리하게 센서의 위치를 옮길 수 있고, 스피커를 통해 출력되는 소리의 진동수로 빛의 세기를 파악할 수 있습니다. 기기의 전반적인 색상은 검은색입니다. 외부의 빛이 반사되어 센서에 줄 영향을 조금이나마 줄여줄 수 있을 것으로 생각했습니다.

크고 작은 발표회를 준비하며

오랜 기간 연구하여 성과를 내는 만큼, 중간 점검도 분명히 필요합니다. 창의재단 R&E 에서는 이러한 점을 고려하여 중간 성과 발표회를 통해 각 팀의 연구 진행 방향과 수정 사항을 제시해주십니다. 이는 당시 코로나바이러스의 유행을 비롯한 일정 문제로 Zoom을 통한 온라인으로 진행되었습니다. 물리 부문에 참가한 팀 중 전국에서 무작위로 5팀과 같은 Zoom 회의실에서 진행하여 소규모로 발표하는 느낌도 들었고, 저희의 연구 중간 성과를 발표할 마음에 떨리기도 하였습니다. 당시 저희 팀의 피드백을 진행해주셨던 교수님께서 연구의 목적과 그것의 달성을 위한 실험들이 잘 진행되고 있는 것 같다는 좋은 말씀과 함께 수정 사안을 제시해주셔서 남은 기간 꾸준히 연구를 진행하기에 좋은 동기가 되었습니다.

연구를 모두 마친 후 최종적인 성과를 공유하는 발표회도 큰 건물에서 진행되었습니다. 부스 형태로 각 팀의 자리가 배치되어 있었고, 큰 포스터를 달아 발표하는 형식이었습니다. 저희가 연구한 과정들을 어떻게 하면 잘 설명할 수 있을까에 대해 고민하며 두근거리는 시간을 가졌던 기억이 납니다. 무엇보다 긴장되었던 것은, 저희 팀을 대상으로 한 인터뷰였습니다. 걱정과 달리 실제 인터뷰는 별 탈 없이 잘 진행되어서 기뻤습니다.

마음가짐의 변화

1년에 가까운 긴 시간 동안 한 주제를 연구했던 것은 저희 팀원 세 명 모두가 처음이었습니다. 처음에는 정말 어디서부터 시작해야 할지 몰라서 고민을 오래 하고, 어떤 것이 될지 안 될지에 대해 생각했습니다. 돌아보면 지도교사 선생님께서 말씀하신 대로, 연구의 원활한 진행과 질의 향상을 위해서는 작은 것이라도, 결과가 어떻게 나올지 모르는 것이어도 직접 실행하다 보면 나타나는 현상을 연구의 그다음 스텝으로 삼아 하나씩 연구 방향을 결정하는 것이 좋은 방법임을 깨닫게 되었습니다. 이렇게 하나씩 연구를 진행하다가 막히는 부분이 있을 때 불가능하다는 생각을 떨쳐버리고 현재 가지고 있는 것을 활용하거나 필요한 것은 무엇인지 알아내어 해결하는 등의 방법을 통해 원하는 결과를 얻을 수 있도록 사고하는 것 역시 중요하다고 생각하게 되었습니다.

감사 인사

가장 먼저 1년이라는 긴 시간 동안 저희 팀을 꾸준히 이끌어주시고 지켜봐 주신 지도교사 권진영 선생님께 감사드립니다. 중간 성과 발표 및 연구비 지원 등의 도움과 지난 일들을 돌아보며 생각하는 시간을 갖게 해주신 과학영재 창의연구 R&E 지원센터에도 감사의 말씀 드립니다.