깊이 감각

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1. 개요

깊이 감각은 시각 시스템이 세상을 3차원적으로 인식하는 능력으로, 다양한 단서들을 통해 이루어진다. 단안 단서는 한쪽 눈으로도 깊이 정보를 제공하며, 운동 시차, 시각적 팽창, 원근법, 상대적 크기, 대기 원근, 조절, 엄폐, 질감 경사, 조명과 음영, 초점 흐림, 높이, 안구 시차 등이 포함된다. 양안 단서는 두 눈의 시차를 이용한 입체시와 융합, 그림자 입체시 등이 있다. 진화 이론에서는 뉴턴-뮐러-구덴 법칙과 눈-앞다리 가설을 통해 깊이 감각의 발달을 설명하며, 예술에서는 원근법, 색상, 조명 등을 활용하여 깊이를 표현한다. 로봇 공학 및 컴퓨터 비전 분야에서는 RGBD 카메라와 같은 센서를 사용하여 깊이 감각을 구현한다.

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깊이 감각
개요
정의	3차원으로 세상을 인지하는 시각 능력
깊이 지각의 중요성
역할	물체 간의 거리 추정 공간에서의 위치 파악 효율적인 운동 계획 및 실행 시각, 청각, 촉각 정보 통합
깊이 단서 (Depth Cues)
양안 단서 (Binocular Cues)	양쪽 눈의 시각 정보 차이를 이용
양안 시차 (Binocular Disparity)	정의: 양쪽 눈에 맺히는 상의 위치 차이 원리: 가까운 물체일수록 시차가 큼
조절 (Accommodation)	정의: 수정체의 두께 조절을 통한 초점 맞춤 원리: 가까운 물체를 볼 때 수정체 두꺼워짐
단안 단서 (Monocular Cues)	한쪽 눈으로도 깊이를 인지할 수 있는 단서
운동 시차 (Motion Parallax)	정의: 관찰자의 움직임에 따라 물체의 상대적 위치 변화 원리: 가까운 물체일수록 빠르게 움직이는 것처럼 보임
상대적 크기 (Relative Size)	정의: 물체의 예상 크기를 기준으로 거리 추정 원리: 같은 크기의 물체가 멀리 있을수록 작게 보임
선형 원근 (Linear Perspective)	정의: 평행선이 멀어질수록 한 점에서 만나는 것처럼 보이는 현상 원리: 소실점을 통해 거리감 형성
겹침 (Interposition)	정의: 물체가 다른 물체를 가리는 현상 원리: 가려진 물체가 더 멀리 있다고 인지
음영 (Shading)	정의: 빛과 그림자를 통해 물체의 3차원 형태 인지 원리: 빛의 방향에 따라 입체감 형성
질감 기울기 (Texture Gradient)	정의: 표면 질감의 밀도 변화를 통한 거리감 형성 원리: 멀리 있는 질감일수록 더 조밀하게 보임
깊이 지각의 메커니즘
시각 피질 (Visual Cortex)	역할: 눈으로부터 전달된 시각 정보 처리 깊이 지각 관련 영역: V1, V2, V3, V4, V5 등
신경 경로 (Neural Pathways)	등쪽 경로 (Dorsal Stream): "어디에 (where)" 경로, 공간 정보 처리 배쪽 경로 (Ventral Stream): "무엇을 (what)" 경로, 물체 인식
깊이 지각의 이상
사시 (Strabismus)	정의: 양쪽 눈의 시선이 정렬되지 않는 상태 영향: 양안 시차 정보 획득 어려움, 깊이 지각 능력 저하
약시 (Amblyopia)	정의: 한쪽 눈의 시력 발달 저하 영향: 깊이 지각 능력 저하
입체시 결핍 (Stereoblindness)	정의: 양안 시차를 이용한 깊이 지각 불가능 원인: 시각 피질의 이상, 유전적 요인 등
깊이 지각의 응용
3D 디스플레이 기술 (3D Display Technology)	원리: 양쪽 눈에 서로 다른 이미지를 제공하여 입체감 제공 예시: 3D 영화, 가상 현실 (VR), 증강 현실 (AR)
로봇 공학 (Robotics)	응용: 로봇의 환경 인식 및 자율 주행 센서: 스테레오 카메라, ToF 카메라, 라이다 (LiDAR)
의료 분야 (Medical Field)	응용: 수술 시 깊이 지각 정보 제공, 원격 수술
디자인 (Design)	응용: 사용자 인터페이스 (UI) 디자인, 공간 디자인

2. 단안 단서

단안 단서는 한쪽 눈으로만 장면을 볼 때도 깊이 정보를 제공한다.

2. 1. 운동 시차

관찰자가 움직일 때, 배경에 대한 여러 정지 객체의 겉보기 상대적 움직임은 그들의 상대적 거리에 대한 단서를 제공한다. 만약 움직임의 방향과 속도에 대한 정보가 알려져 있다면, 운동 시차는 절대적인 깊이 정보를 제공할 수 있다.^[5] 이 효과는 자동차를 운전할 때 명확하게 볼 수 있다. 가까운 물체는 빠르게 지나가는 반면, 멀리 있는 물체는 정지해 있는 것처럼 보인다. 시야가 좁아 양안 시가 부족한 일부 동물들은 깊이 단서를 얻기 위해 인간보다 더 명시적으로 운동 시차를 사용한다(예: 운동 시차를 얻기 위해 머리를 끄덕이는 일부 새들과, 동일한 목적으로 관심 대상의 직교 방향으로 움직이는 다람쥐^[6]).^[6]

2. 2. 시각적 팽창에 의한 깊이

관찰자를 향해 물체가 움직일 때, 물체가 망막에 맺히는 크기는 시간이 지남에 따라 커지며, 이를 통해 관찰자는 물체가 자신에게 다가오는 움직임을 지각하게 된다. 이 현상을 시각적 팽창에 의한 깊이라고 부른다.^[7] 이렇게 물체의 크기가 동적으로 변하는 것은 관찰자가 물체의 움직임을 볼 수 있게 할 뿐만 아니라, 움직이는 물체와의 거리를 지각하는 단서로 작용한다.^[8]

이와 관련된 현상으로, 시각 시스템은 다가오는 물체가 언제 접촉할지 예측하는 시간(시간-접촉, TTC)을 물체의 크기가 커지는 속도(광학적 팽창 속도)를 통해 계산하는 능력을 가지고 있다. 이는 자동차 운전이나 구기 종목과 같은 다양한 상황에서 유용하게 활용되는 능력이다. 그러나 시간-접촉(TTC)의 계산은 엄밀히 말해 깊이(거리)에 대한 지각이라기보다는 속도에 대한 지각에 해당한다.

2. 3. 운동 깊이 효과

고정된 강체 도형(예: 철사로 만든 정육면체)이 광원 앞에 놓여 투명 스크린에 그림자가 드리워지면, 스크린 반대편의 관찰자는 2차원 선 패턴을 보게 된다. 그러나 정육면체가 회전하면 시각 시스템은 선의 움직임으로부터 3차원 인식을 위한 필요한 정보를 추출하여 정육면체를 보게 된다. 이것이 운동 깊이 효과의 예이다.^[9] 이 효과는 회전하는 물체가 윤곽선이 아닌 입체일 때도 발생하는데, 투사된 그림자가 명확한 모서리나 끝점을 가진 선으로 구성되고, 이 선들이 회전하는 동안 길이와 방향 모두에서 변화가 있어야 한다.^[10]

2. 4. 원근법

원근법은 멀리 있는 평행선이 마치 한 점에서 만나는 것처럼 보이는 현상을 이용하여, 물체나 풍경 사이의 상대적 거리를 파악할 수 있게 하는 중요한 시각 단서이다.^[11] 예를 들어, 곧게 뻗은 길 위에 서서 멀리 바라보면 길이 점점 좁아 보이는 것이 원근법의 대표적인 예시이다. 이러한 시각적 지각은 우리가 보는 대상의 겉보기 크기와 시야각, 그리고 이를 해석하는 시각 시스템 등 여러 요인이 복합적으로 작용한 결과이다. 가까이 있는 물체는 망막에 더 크게, 멀리 있는 물체는 더 작게 상이 맺히는 원리를 이용한다.^[11]

원근감은 한쪽 눈으로도 느낄 수 있지만, 양쪽 눈을 사용하는 입체 시각은 공간에 대한 인식을 더욱 강화한다. 흥미롭게도 우리 눈의 망막에 맺히는 정보는 실제 3차원 공간에서 오든, 평평한 2차원 그림에서 오든 동일한 2차원 정보다. 우리의 뇌, 즉 시각 시스템은 이 2차원 정보를 바탕으로 3차원 공간을 재구성하며, 일반적으로 3차원적 해석이 우선되어 우리가 세상을 입체적으로 인식하게 된다.^[12]

공간을 인식하는 데에는 수평 시선의 위치 또한 영향을 미친다. 예를 들어 높은 곳에서 아래를 내려다볼 때와 낮은 곳에서 위를 올려다볼 때 동일한 대상이라도 다르게 인식될 수 있다. 그래픽 원근법에서는 이러한 공간감을 효과적으로 표현하기 위해 소실점이라는 개념을 활용한다.^[13] 또한 아주 먼 거리를 조망할 때에는 지구의 곡률 역시 시각적 인식에 영향을 미쳐 원근감에 변화를 주기도 한다.^[11]

2. 4. 1. 선형 원근법

원근법은 멀리 있는 평행선이 무한대의 한 점에서 만나는 것처럼 보이는 현상을 통해 물체나 풍경의 상대적 거리를 인식하게 한다. 예를 들어, 곧게 뻗은 길 위에 서서 멀리 바라보면 길이 점점 좁아 보이는 것이 대표적인 선형 원근법의 예시다.

이러한 원근감의 지각은 눈에 들어오는 여러 시각 정보와 이를 해석하는 시각 시스템의 복합적인 결과다. 물체가 눈과 가까울수록 망막에 더 큰 상을 맺고, 멀리 있을수록 더 작은 상을 맺는다. 이 겉보기 크기의 차이는 시야각과 밀접한 관련이 있다.^[11] 원근감은 한쪽 눈으로도 느낄 수 있지만, 양쪽 눈을 모두 사용하는 입체 시각은 공간에 대한 인식을 더욱 강화한다. 우리 눈의 망막에 맺히는 상은 실제 3차원 공간에서 온 빛이든, 2차원 그림에서 온 빛이든 동일한 2차원 평면 정보다. 우리의 시각 시스템은 이 2차원 정보를 바탕으로 3차원 공간을 재구성하며, 일반적으로 3차원적 해석이 우선시되어 우리가 세상을 입체적으로 인식하게 된다.^[12]

공간을 인식할 때 수평 시선 또한 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 집 2층 창문에서 밖을 내다볼 때 수평 시선은 대략 2층 높이에 위치하게 된다(이미지의 노란색 선 참고). 이 수평선 아래에 있는 물체들은 멀리 있을수록 시야에서 더 높은 곳에 있는 것처럼 보이고, 반대로 수평선 위에 있는 물체들은 멀리 있을수록 더 낮은 곳에 있는 것처럼 보인다. 그래픽 원근법에서는 이러한 공간감을 표현하기 위해 소실점이라는 개념을 사용한다.^[13]

2. 4. 2. 곡선 원근법

먼 거리를 볼 때 나타나는 원근감은 단순히 시야각에 의해서만 발생하는 것이 아니다. 예를 들어, 아주 멀리 있는 높은 산인 몽블랑이 실제보다 더 낮게 보이는 경우가 있는데, 이는 지구의 곡률이 시각적 인식에 영향을 주기 때문이다. 이러한 현상을 관찰하고 측정하면, 주관적으로 인식되는 대상의 비율과 실제 비율의 차이를 통해 지구 곡률의 영향을 파악할 수 있다.^[11]

2. 5. 상대적 크기

두 물체의 크기가 같다고 알려져 있을 때 (예를 들어 두 그루의 나무처럼), 실제 크기를 모르더라도 상대적인 크기 차이를 통해 두 물체 간의 상대적인 거리를 알 수 있다. 만약 한 물체가 다른 물체보다 더 큰 시각적 각도로 망막에 비친다면, 더 크게 보이는 물체가 더 가깝다고 인식하게 된다.

2. 6. 친숙한 크기

물체의 시각적 각도는 망막에 투사될 때 거리가 멀어질수록 작아진다. 따라서 어떤 물체의 실제 크기를 이미 알고 있다면, 그 물체가 보이는 크기 정보를 이용하여 물체까지의 절대적 깊이를 판단할 수 있다. 예를 들어, 사람들은 보통 일반적인 자동차의 크기를 알고 있다. 이 사전 지식과 눈에 보이는 자동차의 크기(망막에 맺히는 각도) 정보를 결합하면, 그 자동차까지의 거리를 추정할 수 있다.

2. 7. 절대적 크기

실제 물체의 크기를 알 수 없고 하나의 물체만 보이는 경우에도, 작은 물체는 같은 위치에 있는 큰 물체보다 더 멀리 있는 것처럼 보인다.^[14]

2. 8. 대기 원근 (공기 원근법)

대기 중의 빛의 산란으로 인해 멀리 떨어진 물체는 낮은 대비와 낮은 채도를 갖게 된다. 이로 인해 이미지는 관찰자의 시점에서 멀어질수록 흐릿하게 보인다. 컴퓨터 그래픽스에서는 이를 종종 "거리 안개"라고 부른다. 전경은 높은 대비를 가지고, 배경은 낮은 대비를 갖는다. 배경과의 대비만 다른 물체는 서로 다른 깊이에 있는 것처럼 보인다.^[15] 또한, 멀리 있는 물체의 색상은 스펙트럼의 파란색 쪽으로 이동한다(예: 멀리 있는 산). 일부 화가, 특히 세잔은 관람자 쪽으로 특징을 가져오기 위해 "따뜻한" 색상(빨강, 노랑, 주황)을 사용하고, 그림 평면에서 멀어지는 부분을 나타내기 위해 "차가운" 색상(파랑, 보라, 청록)을 사용한다.

2. 9. 조절 (눈)

조절은 깊이 지각을 위한 눈 운동 단서 중 하나이다. 사람이 멀리 있는 물체에 초점을 맞추려고 할 때, 모양체근이 이완되어 눈의 수정체가 얇아지고 초점 거리가 증가한다. 반대로 가까운 물체에 초점을 맞출 때는 모양체근이 수축하여 수정체가 두꺼워진다. 이처럼 모양체근이 수축하고 이완하는 과정에서 발생하는 고유수용감각 (운동 감각) 정보는 시각 피질로 전달되어, 뇌가 물체까지의 거리와 깊이를 해석하는 데 사용된다. 하지만 조절은 약 2m 미만의 가까운 거리에 있는 물체의 깊이를 인식하는 데에만 효과적이며, 그보다 먼 거리의 물체에 대한 깊이 지각은 조절 외에 다른 단서들을 함께 활용하여 이루어진다.

2. 10. 엄폐

엄폐(interposition이라고도 함)는 가까운 표면이 먼 표면과 겹칠 때 발생한다.^[16] 한 물체가 다른 물체의 시야를 부분적으로 가리면, 사람은 그것을 더 가깝게 인식한다. 그러나 이 정보는 관찰자가 상대적인 근접성을 순서대로 매길 수 있게 해준다. 단안 주변 폐색의 존재는 물체의 질감과 기하학으로 구성된다. 이러한 현상은 자연적 자극과 인공적 자극 모두에서 깊이 인식 지연 시간을 줄일 수 있다.^[17]^[18]

2. 11. 질감 경사

질감 경사는 물체 표면의 질감 패턴과 관련이 있다. 가까이 있는 물체의 표면은 세부적인 질감이 선명하게 보이지만, 거리가 멀어질수록 이러한 세부 사항은 점차 흐릿해지고 구별하기 어려워진다. 멀리 있는 표면일수록 질감이 더 조밀하게 보이기도 한다.

예를 들어, 긴 자갈길을 볼 때, 가까운 곳의 자갈은 각각의 모양, 크기, 색깔이 뚜렷하게 구분된다. 하지만 멀리 떨어진 곳의 자갈들은 세세한 형태를 알아보기 어렵고 전체적으로 균일한 질감처럼 보이게 된다.

2. 12. 조명과 음영

빛이 물체에 닿아 표면에서 반사되는 방식, 그리고 물체에 의해 생기는 그림자는 뇌가 물체의 모양과 공간상 위치를 파악하는 데 효과적인 단서를 제공한다.^[19]

2. 13. 초점 흐림 (피사계 심도)

선택적으로 이미지의 특정 부분만 초점을 맞추고 나머지를 흐리게 만드는 것은 사진이나 비디오에서 깊이감을 표현하는 데 흔히 사용되는 기법이다. 이는 다른 모든 단서가 없을 때에도 단안 단서로 작용할 수 있다. 사람의 눈 역시 피사계 심도가 제한적이기 때문에, 자연스러운 망막 이미지에서도 초점 흐림이 깊이 인식에 기여할 수 있다. 또한, 이미지의 초점 흐림 정도를 분석하여 깊이를 추정하는 여러 알고리즘이 개발되었다.^[20] 일부 점프 거미는 이미지의 초점 흐림을 이용해 거리를 판단하는 것으로 알려져 있다.^[21]

2. 14. 높이 (Elevation)

수평선을 기준으로 물체의 높낮이를 보고 거리를 짐작할 수 있다. 일반적으로 사람들은 수평선에 가까이 있는 물체를 자신에게서 더 멀리 떨어진 것으로 인식하고, 수평선에서 더 멀리 있는 물체를 더 가까이 있는 것으로 인식하는 경향이 있다.^[22] 예를 들어, 어떤 물체가 수평선 근처에 있다가 수평선보다 위쪽이나 아래쪽으로 움직이면, 관찰자는 그 물체가 자신에게 더 가까워지고 있다고 느끼게 된다.

2. 15. 안구 시차

안구 시차는 눈을 회전시킬 때 원근감에 따라 물체의 이미지가 움직이는 것처럼 보이는 지각 효과이다.^[23] 이는 눈의 광학 중심과 회전 중심이 정확히 일치하지 않기 때문에 발생한다.^[23] 안구 시차는 머리를 움직이지 않고 눈만 움직여도 나타나며, 이런 점에서 머리 움직임이 필요한 운동 시차와는 다른 현상이다.

3. 양안 단서

양안 단서는 두 눈으로 장면을 볼 때 깊이 정보를 제공한다.

3. 1. 입체시 (망막 부등)

눈이 정면에 위치한 동물은 물체를 서로 다른 각도에서 본 정보를 활용하여 깊이를 판단할 수 있다. 두 눈은 약간 다른 각도에서 동일한 장면의 이미지를 얻는데, 이를 통해 물체까지의 거리를 삼각 측량 방식으로 비교적 정확하게 파악할 수 있다. 각 눈은 왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 보이는 물체의 약간 다른 각도를 보게 되는데, 이는 눈이 수평으로 떨어져 있어 발생하는 시차 때문이다. 물체가 멀리 떨어져 있으면 두 망막에 맺히는 해당 이미지의 차이(양안 시차)는 작아진다. 반대로 물체가 가까이 있으면 이 차이는 커진다. 사람들이 매직 아이, 자동 입체 사진, 3D 영화, 입체 사진 등을 볼 때 깊이감을 느끼는 것은 바로 이러한 입체시 원리 때문이다.

3. 2. 융합 (눈)

융합은 거리 및 깊이 지각을 위한 양안 시 운동 단서이다. 입체시 때문에, 두 눈은 같은 물체에 초점을 맞추면서 모이게 되는데, 이를 수렴이라고 한다. 이 과정에서 눈 바깥 근육인 외안근이 늘어나며, 근방추라는 수용체가 이를 감지한다. 외안근에서 오는 운동 감각은 단안 조절 단서와 마찬가지로 거리 및 깊이를 지각하는 데 도움을 준다. 눈이 멀리 있는 물체를 볼 때는 융합 각도가 작아진다. 융합은 10m 미만의 거리에서 효과적으로 작용한다.^[24]

3. 3. 그림자 입체시

안토니오 메디나 푸에르타는 시차 부등이 없는 상태에서도, 그림자의 차이만으로 두 망막 이미지가 입체시적으로 융합되어 장면에 대한 깊이 지각을 유발할 수 있음을 증명했다. 그는 이러한 현상을 그림자 입체시(shadow stereopsis^eng)라고 명명하였다. 이는 그림자가 깊이를 인식하는 데 중요한 입체시 단서로 작용할 수 있음을 보여준다.^[25]

다양한 깊이 지각 단서들 중에서 수렴, 조절, 그리고 친숙한 크기만이 대상까지의 절대적인 거리 정보를 제공할 수 있다. 그림자 입체시를 포함한 다른 모든 단서들은 상대적인 정보만을 제공한다. 즉, 물체들 간의 상대적인 거리(어떤 물체가 다른 물체보다 더 가깝거나 먼지)만을 알려줄 수 있다. 입체시 역시 상대적인 깊이 정보만을 제공하는데, 이는 망막에 맺히는 이미지의 차이(부등)가 물체의 상대적인 깊이 차이 때문일 수도 있고, 단순히 관찰 대상과의 거리가 가깝거나 멀기 때문일 수도 있기 때문이다. 일반적으로 장면이 멀리 있을수록 동일한 깊이 차이를 나타내는 망막 부등은 더 작아진다.

4. 진화 이론

깊이 지각 능력은 동물이 주변 환경을 입체적으로 인식하고 거리를 판단하여 생존하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 능력이 어떻게 진화했는지 설명하기 위해 여러 가지 이론이 제시되었다.

초기 이론 중 하나는 시신경이 뇌로 연결되는 방식과 관련이 있다. 특히 영장류와 같이 눈이 얼굴 앞쪽에 위치한 동물들은 양쪽 눈으로 보는 시야가 많이 겹치는 양안 시야를 가지며, 이를 통해 정밀한 입체시 능력을 발달시켰다고 본다. 이는 시신경 교차 지점에서 신경 섬유의 일부가 교차하지 않고 같은 쪽 뇌로 연결되는 구조와 관련이 있다고 설명된다. (자세한 내용은 뉴턴-뮐러-구덴 법칙 참조)

보다 포괄적인 설명으로는 '눈-앞다리 가설'이 있다. 이 가설은 깊이 지각 능력, 특히 입체시의 발달이 단순히 사물을 보는 것을 넘어, 손이나 발과 같은 앞다리를 정교하게 사용하는 능력(눈-손 협응)과 밀접하게 연관되어 진화했다고 주장한다. 즉, 눈으로 본 정보를 바탕으로 손이나 발을 정확하게 움직여야 하는 필요성이 시각 시스템의 진화를 이끌었다는 것이다. 이 가설은 영장류뿐만 아니라 고양이, 새, 심지어 악어나 뱀과 같은 다양한 척추동물의 시각 시스템 구조를 설명하려는 시도이다. (자세한 내용은 눈-앞다리 가설 (EF 가설) 참조)

이 외에도 동물의 생활 방식에 따라 시각 시스템이 다르게 진화했다는 설명도 있다. 예를 들어, 포식자는 먹이와의 거리를 정확하게 측정하기 위해 눈이 앞쪽을 향하는 경향이 있고, 피식자는 넓은 시야를 확보하여 포식자를 빨리 감지하기 위해 눈이 머리 옆쪽에 위치하는 경향이 있다는 것이다. 또한 초기 영장류가 나무 위에서 곤충을 사냥하기 위해 앞을 보는 시각 능력과 손을 사용하는 능력을 함께 발달시켰다는 '시각 포식 가설'도 제기되었다.

이처럼 다양한 이론들은 깊이 지각이라는 복잡한 능력이 각 동물의 생태적 환경과 필요에 따라 여러 경로를 통해 진화해왔음을 보여준다.

4. 1. 뉴턴-뮐러-구덴 법칙

아이작 뉴턴은 인간과 다른 영장류의 시신경이 눈에서 뇌로 전달될 때 특별한 구조를 가진다고 주장했다. 인간의 경우, 망막에서 나온 신경 섬유의 약 절반은 해당 눈과 같은 쪽 뇌 반구로 연결된다. 이를 반교차 또는 동측 시각 투사(IVP)라고 부른다. 대부분의 다른 동물에서는 이 신경 섬유들이 뇌의 반대쪽으로 교차한다.

이후 베른하르트 폰 구덴은 시신경이 교차하는 지점인 시신경교차(OC)에 교차하는 섬유와 교차하지 않는 섬유가 모두 포함되어 있음을 증명했다. 산티아고 라몬 이 카할^[26]은 이러한 반교차의 정도가 동물 종에 따라 다르다는 사실을 발견했다.^[27]^[26]

고든 린 월스는 이러한 연구들을 종합하여 뉴턴-뮐러-구덴(NGM) 법칙이라는 개념을 만들었다. 이 법칙에 따르면, 시신경교차에서 신경 섬유가 교차하는 정도는 눈이 정면을 향하는 정도와 반비례한다.^[28] 즉, 뇌의 반대편으로 넘어가지 않고 같은 쪽에 남는 신경 섬유의 수는 두 눈으로 동시에 볼 수 있는 시야 범위(양안 시야)의 크기와 비례한다는 것이다. 그러나 이 법칙은 포유류가 아닌 동물들에게서는 잘 들어맞지 않는다는 문제점이 지적된다. 이들 동물에게서 나타나는 동측 시각 투사(IVP)의 다양한 정도는 동물의 생활 방식, 분류학적 위치, 시야 중첩 정도와 뚜렷한 관련성을 보이지 않기 때문이다.^[29]

따라서 오랫동안 받아들여진 일반적인 가설은, 영장류와 인간의 시신경 배열 방식이 정확한 깊이 감각, 즉 입체시를 가능하게 하기 위해 주로 발달했다는 것이다. 다시 말해, 양쪽 눈이 약간 다른 각도에서 사물을 보고, 이 각도의 차이를 뇌가 분석하여 거리를 판단하는 데 도움을 주도록 진화했다는 설명이다.

4. 2. 눈-앞다리 가설 (EF 가설)

눈-앞다리(EF) 가설은 정확한 눈-손 제어가 입체 시력 발달의 핵심이었다고 주장한다. 이 가설에 따르면, 입체 시력은 동물이 사지(손, 발톱, 날개 또는 지느러미)를 시각적으로 정밀하게 조정하는 능력을 돕기 위해 진화적으로 형성된 더 근본적인 과정, 즉 시신경 교차(optic chiasm, OC)의 구성과 눈의 위치(가로 또는 앞 방향)의 진화적 파생물이다.^[30]

EF 가설은 손에 대한 시각 정보를 받는 뇌 영역과 손의 움직임을 제어하는 운동 핵 사이에 짧은 신경 경로를 갖는 것이 생존에 유리하다고 가정한다. 이 가설의 핵심은 시신경 교차(OC)의 진화적 변화가 이러한 신경 경로의 길이와 속도에 영향을 미친다는 점이다.^[31] 영장류형 OC를 가지면, 오른쪽 손 움직임을 제어하고 실행하는 운동 뉴런, 오른쪽 손의 촉각 정보를 받는 뉴런, 오른쪽 손에 대한 시각 정보를 얻는 뉴런이 모두 동일한 왼쪽 뇌 반구에 위치하게 된다. 왼쪽 손의 경우도 마찬가지로, 시각, 촉각 정보 처리, 운동 명령은 모두 오른쪽 반구에서 이루어진다. 고양이와 나무를 타는 유대류도 유사한 배열(동측 시신경 섬유(IVP) 30~45% 및 전방향 눈)을 가지며, 이를 통해 앞다리에 대한 시각 정보가 적절한 뇌 반구에 도달하게 된다. 진화 과정에서 OC 내 신경 경로 방향에 작은 점진적인 변이가 발생했으며, 이러한 변이는 어느 방향으로든 일어날 수 있었다.^[30]^[32]

반면, 뱀, 원구류 및 사지가 없는 다른 동물들은 상대적으로 많은 동측 시신경 섬유(IVP)를 가진다. 특히 이 동물들은 조종할 사지가 없다. 또한 뱀과 같은 동물의 왼쪽과 오른쪽 신체 부위는 독립적으로 움직일 수 없다. 예를 들어 뱀이 시계 방향으로 몸을 감으면 왼쪽 눈은 왼쪽 신체 부위만 보고, 반대 방향에서는 오른쪽 신체 부위만 보게 된다. 따라서 뱀이 OC에 약간의 IVP를 갖는 것이 기능적으로 유리하다. 진화 과정에서 몸을 꼬는 대신 앞다리를 발달시킨 원구류의 후손(대부분의 척추동물)은 앞다리가 주로 가로 방향으로 사용되는 한, 완전히 교차된 신경 경로를 통해 이점을 얻었을 것이다. 사지를 잃은 뱀과 같은 파충류는 진화 과정에서 교차되지 않은 섬유 다발을 다시 늘림으로써 이점을 얻었을 것으로 보이며, 실제로 그러한 현상이 관찰되어 EF 가설을 뒷받침한다.^[30]^[32]

생쥐의 발은 주로 가로 시야에서만 움직인다. 따라서 생쥐가 옆쪽에 위치한 눈과 OC에 교차가 거의 없다는 점은 EF 가설과 일치한다. EF 가설을 지지하는 동물 사례는 다양하다. EF 가설은 거의 모든 척추동물에 적용될 수 있는 반면, 다른 가설들은 주로 포유류에 국한되는 경우가 많다. 돌고래와 같이 일부 포유류는 포식자임에도 불구하고 교차되지 않은 경로만 가지고 있다는 점은 중요한 예외 사례이자 EF 가설의 설명력을 보여주는 부분이다.^[32]

일반적으로 포식자는 먹이와의 거리를 측정하기 위해 눈이 앞쪽을 향하고, 피식자는 포식자를 빨리 감지하기 위해 눈이 옆쪽을 향한다는 주장이 있다. 그러나 많은 포식 동물도 다른 동물의 먹이가 될 수 있으며, 악어와 같은 일부 포식자는 옆쪽에 눈이 있고 IVP가 전혀 없다. 이러한 OC 구조는 악어의 앞발에 대한 최적의 눈 제어와 짧은 신경 연결을 제공하는 것으로 EF 가설은 설명한다.^[32] 새는 일반적으로 옆쪽에 눈이 있지만, 조밀한 숲을 통과하여 비행할 수 있다.

결론적으로 EF 가설은 입체 시력의 중요성을 부정하는 것이 아니다. 오히려 영장류의 뛰어난 깊이 인식(입체 시력) 능력은 주로 손을 정교하게 사용하기 위해 발달했으며, 영장류 시각 시스템의 특정 구조는 손 조절과 관련된 뉴런 간의 빠른 신경 경로를 구축하여 나무 위 생활에서 정확하게 가지를 잡는 등의 행동을 돕기 위해 진화했다고 제안한다.^[31]

대부분의 개활지 초식동물, 특히 발굽이 있는 동물들은 머리 옆에 눈이 있어 수평선 거의 360°에 가까운 파노라마 시야를 확보하여 거의 모든 방향에서 접근하는 포식자를 감지할 수 있다. 이 때문에 양안 시력이 부족한 경우가 많다. 반면, 대부분의 포식자는 두 눈이 앞을 향하고 있어 양안 깊이 인식이 가능하며, 이는 먹이를 향해 달려들거나 덮칠 때 거리를 판단하는 데 도움을 준다. 나무에서 많은 시간을 보내는 동물들은 가지 사이를 빠르게 이동할 때 거리를 정확하게 판단하기 위해 양안 시력을 활용한다.

보스턴 대학교의 신체 인류학자이자 해부학자인 맷 카트밀은 이 이론을 비판하며, 다람쥐나 특정 새와 같이 양안 시력이 부족하지만 나무 위 생활에 능숙한 다른 종들을 근거로 들었다. 대신 그는 초기 영장류가 안경원숭이와 유사한 곤충 포식자였으며, 다른 포식성 종들처럼 전방 시력에 대한 선택 압력을 받았다고 주장하는 "시각 포식 가설"을 제안했다. 그는 또한 이 가설을 영장류 손의 전문화에도 적용하여, 맹금류가 발톱을 사용하는 방식과 유사하게 먹이를 잡기 위해 손이 적응했다고 설명한다.

5. 예술에서의 깊이 지각

예술가들은 회화나 사진과 같은 2차원 평면 위에 3차원의 공간감, 즉 깊이감을 표현하기 위해 다양한 시각적 단서와 기법을 활용한다. 이러한 기법에는 대상의 상대적 크기 변화를 이용하는 원근법, 색상의 명암과 채도를 조절하는 기법, 멀리 있는 대상을 흐릿하게 표현하는 거리 안개 등이 포함된다.^[33] 숙련된 예술가들은 이러한 방법들을 통해 작품에 현실감을 부여하여, 감상자가 마치 그림이나 사진 속 공간에 실제로 들어갈 수 있을 것처럼 느끼게 만든다.

사진은 원근법, 피사체의 크기, 조명, 질감 등을 활용하여 깊이의 환영을 효과적으로 담아내는 대표적인 매체이다.^[33] 또한 3D 영화 등에서는 양안시 원리를 이용하여 입체감을 구현하기도 한다.^[34]^[35]

회화의 역사에서도 깊이 표현은 중요한 과제였다. 전통적인 서양 회화는 선형 원근법 등을 통해 사실적인 공간감을 추구했지만, 후기 인상주의와 일본 미술의 영향 속에서 세잔과 같은 화가들은 평면성을 강조하며 새로운 시도를 하기도 했다. 특히 20세기 초의 입체주의는 여러 시점을 한 화면에 통합하는 혁신적인 방식으로 전통적인 3차원 공간의 환영에 도전하며 현대 미술의 새로운 지평을 열었다.^[36]^[37]^[38]^[39]^[40] 이처럼 예술에서의 깊이 표현은 단순히 현실을 재현하는 것을 넘어, 작가의 시각과 시대정신을 반영하며 끊임없이 변화하고 발전해왔다.

5. 1. 회화

숙련된 화가들은 2차원 평면 위에 3차원의 공간감을 표현하기 위해 다양한 기법을 사용한다. 대표적으로 색상의 명암과 채도를 조절하는 색상 음영, 멀리 있는 대상일수록 흐릿하게 표현하는 거리 안개, 물체의 상대적 크기 변화를 이용한 원근법 등이 있다. 이러한 기법들을 활용하여 화가들은 작품에 현실감을 부여한다. 예를 들어, 감상자는 렘브란트의 초상화 속 인물의 코나 세잔의 정물화 속 사과를 마치 손으로 만질 수 있을 것처럼 느끼거나, 풍경화 속으로 직접 걸어 들어가 나무와 바위 사이를 거닐 수 있을 것 같은 인상을 받게 된다.

20세기 초 등장한 입체주의는 전통적인 원근법에서 벗어나 새로운 방식으로 깊이감을 탐구했다. 입체주의 화가들은 마치 대상을 여러 각도에서 동시에 관찰한 경험을 하나의 화면에 담아내려는 듯, 다양한 시점을 그림에 통합했다. 조르주 브라크, 파블로 피카소, 장 메칭거의 ''누드, 난로가 있는 풍경'',^[36] 알베르 글레즈의 ''수레국화가 있는 여인'',^[37]^[38] 로베르 들로네의 에펠탑 연작^[39]^[40] 등은 여러 시점에서 본 대상의 모습을 기하학적으로 재구성하여 전통적인 3차원 공간의 환영을 의도적으로 왜곡하거나 과장했다.

이러한 다중 시점의 실험은 후기 인상주의 화가인 세잔의 후기 작품에서 이미 나타나기 시작했으며, 이는 입체주의자들에게 큰 영감을 주었다. 세잔의 풍경화와 정물화는 대상에 대한 깊이 있는 관찰을 보여주는 동시에, 일본 미술의 영향을 받아 그림 자체가 평평한 2차원의 사각형임을 강조하는 경향을 보였다. 가쓰시카 호쿠사이나 우타가와 히로시게와 같은 일본 화가들은 서양의 선형 원근법을 따르지 않거나 오히려 역전시킴으로써, 그림이 그려진 평면 자체의 물질성을 인정할 때 비로소 진실될 수 있음을 보여주었다. 이는 캔버스 표면을 마치 실제 장면이 펼쳐지는 창문처럼 보이게 하여 그림의 평면성을 감추려 했던 유럽의 전통적인 아카데미 회화 방식과는 대조적이다. 입체주의를 포함한 대부분의 현대 미술은 평평한 화면 위에 공간적 깊이를 표현하는 것의 내재적 모순에 주목하고, 혁신적인 시각 표현과 새로운 회화 기법을 통해 이를 탐구하고 해결하려는 시도를 보여준다.

5. 2. 사진

사진은 원근법을 담아 깊이의 환영을 보여주는 2차원 이미지이다. 사진은 피사체의 크기, 주변 환경과의 관계, 조명, 질감의 변화 등 다양한 요소를 활용하여 깊이감을 만들어낸다.^[33]

입체경이나 뷰마스터, 3D 영화 등은 관찰자의 양쪽 눈에 약간 다른 각도에서 촬영된 두 개의 이미지를 각각 보여줌으로써 양안시를 활용하여 입체감을 느끼게 한다. 영국의 과학자 찰스 휘트스톤은 이러한 양안 시차가 깊이를 인식하는 중요한 단서가 된다는 사실을 처음으로 밝혔다.^[34] 그는 같은 장면을 서로 다른 각도에서 찍은 두 장의 사진을 보여주는 입체경을 발명했는데, 각 눈으로 이 사진들을 따로 보면 뚜렷한 깊이감을 경험할 수 있었다.^[35]

반대로, 망원 렌즈는 주로 스포츠 중계 등에서 멀리 있는 장면을 확대하여 보여줄 때 사용되는데, 이는 깊이감에 있어 정반대의 효과를 낸다. 시청자는 마치 선수나 관중이 손에 닿을 듯 가까이 있는 것처럼 느끼지만, 카메라는 여전히 먼 거리에서 촬영하고 있기 때문에 배경의 인물이나 사물이 전경의 대상과 거의 같은 크기로 보이게 되어 실제 거리감이 왜곡되는 현상이 나타난다.

5. 3. 입체주의

입체주의는 대상을 여러 각도에서 본 시각적 경험을 하나의 화면에 통합하려는 아이디어에 기반을 두었다. 이는 마치 대상의 물리적인 존재 자체를 탐구하려는 시도와 같았다. 조르주 브라크, 파블로 피카소, 장 메칭거의 ''누드, 난로가 있는 풍경'',^[36] 알베르 글레즈의 ''수레국화가 있는 여인'',^[37]^[38] 또는 로베르 들로네의 에펠탑 그림^[39]^[40] 등에서 나타난 급진적인 실험들은 입체주의 특유의 다각적인 시점을 활용하여 전통적인 3차원 공간의 환영을 과장하거나 새롭게 해석했다.

여러 관점을 미묘하게 사용하는 기법은 세잔의 선구적인 후기 작품에서도 찾아볼 수 있는데, 이는 초기 입체주의 화가들에게 영향을 주었다. 세잔의 풍경화와 정물화는 그가 가진 뛰어난 깊이 지각 능력을 강하게 시사한다. 동시에, 세잔을 비롯한 다른 후기 인상주의 화가들은 일본 미술로부터 그림 자체의 평평한 2차원적 특성을 존중하는 것의 중요성을 배웠다. 가쓰시카 호쿠사이와 우타가와 히로시게 같은 화가들은 선형 원근법을 무시하거나 심지어 뒤집어서 표현함으로써, 그림이 그려진 평면 자체의 진실성을 인정할 때 비로소 "진실"해질 수 있음을 보여주었다.

이는 유럽의 전통적인 "아카데믹" 회화와는 대조적인 태도였다. 아카데믹 회화는 캔버스 표면이 마치 그 너머에 펼쳐지는 "진짜" 장면에 대한 마법의 창문인 것처럼 보이게 하려는 일종의 거짓말에 헌신했다. 이러한 관점에서 화가의 주요 임무는 관람객이 그림이 그려진 캔버스의 존재를 의식하지 못하게 하는 것이었다. 입체주의, 그리고 나아가 대부분의 현대 미술은 평평한 표면 위에 공간적 깊이를 표현하려는 내재된 모순에 직면하고 이를 해결하려 시도했으며, 혁신적인 시각 방식과 새로운 드로잉 및 회화 기법을 통해 이러한 모순을 탐구했다.

6. 로봇 공학 및 컴퓨터 비전에서의 깊이 지각

로봇 공학 및 컴퓨터 비전 분야에서 깊이 감각은 종종 RGBD 카메라와 같은 센서를 사용하여 구현된다.^[41]

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