브이월드를 활용한 Photogrammetry 3차원 공간모델 재구성과 도시 3D 콘텐츠로의 이용에 관한 연구

Ⅰ. 서 론

IT기술의 발전에 따른 소형 무인항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)의 저비용, 고성능화에 따라 개인도 도시나 지역단위의 항공사진의 취득이 용이하게 되었다. 또 이들 항공사진을 이용하여 정밀한 3차원 디지털 데이터의 생성을 가능하게 하는 Photogrammetry 기술도 대중화 되고 있다.

UAV 와 Photogrammetry 기술을 활용하여 제작된 건축물, 또는 도시환경 3차원 공간 데이터 화 하는 신속하고 경제적인 현황 조사하는 방법임과 동시에 기존의 2차원 데이터에 비해 건축 및 도시환경을 직관적으로 이해하는 것에 있어 도움을 준다.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 국내의 주요지점 특히 서울의 도심지역을 대상으로 광범위하게 적용된 비행금지 구역은 이러한 기술을 적용하는 것을 어렵게 하고 있다.

이에 본 연구에서는 공간정보 오픈플랫폼인 브이월드와 Photogrammetry 기술을 이용하여 편집 및 활용 가능한 3차원 공간모델 제작 방안과 증강현실 및 혼합현실 애플리케이션에서 제작된 3차원 공간 모델이 도시 3D (3 Dimension) 콘텐츠로의 활용 가능성에 관하여 고찰하였다.

본 논문의 구성은 먼저 2장에서 관련 연구에 대해서 설명한다. 3장에서는 브이월드에서 제공하는 항공지도 데이터를 이용한 Photogrammetry 처리를 통해 3D캐드에서 활용 가능한 데이터 취득하는 방법에 대해 고찰한다. 4장에서는 취득한 데이터를 활용한 3D 모델을 이용한 3D 프린팅, 가상현실, 혼합현실 콘텐츠 활용에 관하여 고찰한다. 5장에서는 결론 및 향후 연구 방향에 대하여 약술한다.

Ⅱ. 브이월드 와 Photogrammetry

2-1 브이월드

브이월드는 2012년도부터 서비스 하고 있는 한국형 공간정보 오픈플랫폼이다. 공간정보 오픈플랫폼 서비스는 국가가 보유하고 있는 공개 가능한 공간정보를 웹페이지 및 전용 소프트웨어를 이용하여 사용자 제한 없이 자유롭게 활용할 수 있도록 만든 서비스이다. 현재 브이월드는 국내의 모든 2차원 지도 서비스, 항공사진 기반의 고해상도 3차원 지도서비스, 건축물 3D 모델, 전국 단위 공간정보(지적도, 공시지가, 용도지역지구도, 토지이용현황, 통합지도 등) 서비스, 포털 서비스 등을 제공하고 있다. 또, 국가가 구축한 공간정보를 활용하여 다양한 애플리케이션 개발이 가능하도록 오픈 API(Application Programming Interface)서비스를 제공하고 있다. (Fig.1) 서비스 시작 이후 고해상도 항공사진 지원 등 수 번의 성능 개선이 지속해서 이루어지고 있다. (Ministry of Land,Infrastructure and Transport, 2012) [11]

Fig. 1.

V-world Spatial Information Open Platform (Vworld 3D Desktop V3.0)

그러나 현재 브이월드에서 제공하고 있는 항공사진 및 건축물 3차원 모델은 수년이 경과하여 변화가 심한 도심지역 건축 환경의 기초자료로서의 활용에는 어려움이 있다. 저고도 항공사진 이용에 따라 Fig. 2 에 나타나는 사진지도와 같이 건축물 정상에서 촬영한 사진이 아닌 건축물의 옆면이 나타나는 듯 정확한 건축물 경계를 확인하기 어렵다.

Fig. 2.

V-world Image distortion on roof view

또한 브이월드 서비스는 웹서비스 및 전용 소프트웨어를 통한 지리정보 뷰어로서의 기능이 주를 이루며, 사용자 데이터의 오버레이 편집기능만을 제공하고 있어 타 3차원 설계 소프트웨어 및 3차원 콘텐츠로의 직접적 활용은 불가능하다. 공개 API를 이용하여 목적에 맞는 소프트웨어의 직접 제작이 가능할 것으로 예상하나, 본 연구에서는 브이월드의 공식 소프트웨어인 브이월드 3D 데스크톱을 이용하였다. (Fig. 1)

2-2 Photogrammetry 활용 3차원 지리정보

스마트폰의 급격한 보급과 고성능화에 따라 UAV와 공유되는 고성능 이미지 센서, 관성 측정장치(IMU, Inertial Measurement Unit), GNSS(Global navigation satellite system), 고 효율 배터리 등의 기술 또한 고성능, 저 비용화 되어 다양한 상용 드론들이 급속히 보급되고 있다. 또한 UAV를 이용하여 얻어진 고해상도 영상데이터는 높은 전문지식 없이도 접근 가능한 사진지도기법 기반 온라인 3D 스캐닝 서비스 및 무료 소프트웨어가 공개되어 기존의 고가 전문가 소프트웨어를 이용하지 않더라도 저비용으로 3차원 스캐닝 서비스를 이용할 수 있다. 이들을 이용하면 브이월드 등의 공개 지도서비스와 비교하여 우수한 3차원 지리정보의 취득이 가능하고 현시점의 데이터를 이용함으로써 도심 건축 환경의 변화를 추적하는 것에 있어 효과적이다.

아래 사례는 상용 UAV를 이용하여 Fig. 1, Fig. 2 에 나타나는 동일 건축물 및 주변 환경을 대상으로 하여 정밀 3차원 지리정보 취득 사례이다. (Table 1)

Table 1.

Sample Project (Gangnam-gu, Seoul)

공개 서비스 대비 현시점의 지리정보를 얻을 수 있으며, 기존공개 항공사진과 비교하여 왜곡이 없는 항공사진의 취득이 가능하다. 또한, 브이월드의 해상도(25cm/Pixel) 대비 우수한 2.53cm/pixel의 고해상도 항공지도의 취득 및 출력된 3차원 스캐닝 데이터 및 3D, 2D 지리정보를 직접 활용하여 출력 데이터의 자율적인 활용이 가능하다.

이런 장점에 의해 건설, 토목, 측량 등의 건축 관련 분야에서는 UAV를 이용한 항공촬영, 감리 등의 실무적용이 진행되고 있다.

그러나 이러한 장점들에도 불구하고 서울 지역 및 전국에 걸쳐서 설정된 비행금지 구역에서는 유관기관의 허가 후 비행이 가능하여 기술 접근성이 떨어지며, 일부 상용 UAV의 경우 유관기관의 비행 허가 취득에 상관없이 기체 자체의 제한에 의해 비행이 불가능하기도 하다.

특히 서울지역은 전 국민의 약 1/5이 거주하는 지역임에도 대부분의 지역이 비행제한 구역으로 지정되어 있으며, 강북 특히 주요 정부기관이 밀집한 지역의 경우 가장 강한 제한을 받고 있다. (Fig. 3)

Fig. 3.

UAV No-fly zone (Middle part of Korean peninsula)

이러한 여건들로 인해 한국의 대표적인 도시환경을 구성하는 서울 도심지역에서의 UAV 및 Photogrammetry 활용한 3차원 공간모델 작성은 제한받고 있다.

Ⅲ. 브이월드를 활용한 Photogrammetry 기반 3차원 공간모델 재구성

본 장에서는 브이월드를 활용한 사진측량기술 기반 3차원 공간모델의 재구성 방법을 제안한다.

전 장에서 서술한 도시 공간정보를 관찰하는 2가지 방법은 서로 장단점을 가진다. 본 장에서는 항공영상 취득이 힘들고 대지의 등고와 일반 주택에서부터 고층 건물에 이르는 다양한 건축물이 혼재하는 서울 종로구 신문로 2가 지역 약 17ha(Fig. 4)를 케이스 스터디 대상으로 하여 3차원 공간모델을 재구성한다. 제안한 방법의 수행순서는 Fig. 5와 같다.

Fig. 4.

Area of Case study

Fig. 5.

Data Acquisition Process

3-1 시스템 구성

본 논문에서는 브이월드 및 Photogrammetry 소프트웨어를 이용한 3차원 데이터 재구성을 통한 자율성 높은 도시 공간 3D 데이터를 얻기 위하여 아래와 같은 시스템을 이용하였다. (Table. 2)

Table 2.

System Summery

브이월드는 최신 데스크톱 애플리케이션 버전인 3.0을 사용하였다. 또한 브이월드 소프트웨어에서 공개되지 않는 카메라값을 보정하기 위하여 카메라 및 렌즈 정보값을 보정해주는 Photogrammetry 소프트웨어인 Pix4d 및 CapturingReality를 이용하였다.

3-2 브이월드를 이용한 이미지 데이터 취득

Photogrammetry 소프트웨어는 이미지 상의 특이점을 추출하고 이를 연속된 이미지와 비교함으로써 3차원 점구름 데이터를 만든다. 이러한 연속된 이미지를 취득 및 대상지역에 존재하는 건축물의 모든 입면을 취득하기 위해 연속된 이미지 간 75% 이상 겹쳐지며, 또한 약 대지면에 대해 45° 기울기로 바라보며 Fig. 5 와 같이 4 방향으로 소프트웨어 상의 가상고도에서 평행이동하며 70개의 이미지를 취득하였다.

Fig. 6.

Image Data Acquisition plan (□ Target Area)

3-3 Photogrammetry 처리를 통한 3D 데이터 재구성

3-2에서 얻어진 이미지 데이터를 좌표계 설정이 없는 Photogrammetry 처리하여 저해상도의 3차원 점구름 데이터를 얻는다. 그 후 브이월드와 점구름 데이터상에 동시에 나타나는 측정 가능한 두 지점 간의 거리의 값을 비교하여 점구름 데이터의 스케일을 보정하였다. (Fig. 7)

Fig. 7.

Scaling using measurable distance between two points using v-world

이때 소프트웨어에 의해 보정된 이미지 데이터의 카메라 값은 Table 4와 같았다. 보정된 가상의 이미지 센서의 크기는 25.400 [mm] x 9.773 [mm]로 나타났다.

Table 4.

Fixed Camera Parameters

저해상도 점구름 데이터의 고밀도화와 Mesh 처리를 수행한 결과 만들어진 3차원 Mesh 데이터와 브이월드 데스크톱 상에 표시되는 이미지는 Fig. 8과 같다.

Fig. 8.

Compare Vworld image and Exported Data

3-4 재구성 3D 모델 검증

재구성된 3D 공간 모델의 정밀도를 측정하기 위하여 브이월드와 재구성된 3D 모델에 함께 나타나는 임의의 지점 간 거리 10개를 측정하여 비교하였다. (Table 4)

Table 5.

Comparison of distance between measuring points

오차는 최소 0.16 최대 1.35m 로서 재구성된 3D 모델의 외곽으로 갈수록 큰 오차 값이 나타났으며 10개의 거리 비교 값의 표준편차는 0.714m 로 나타났다. 또한, 모든 측정지점에서 대지 거리 관련 건축기준의 허용오차인 3%이내를 만족함을 확인하였다.

Ⅳ. 도시관련 콘텐츠로서 재구성 3D 모델의 활용

이 장에서는 브이월드로부터 얻어진 이미지 데이터를 이용하여 재구성한 도시 3차원 모델의 다양한 포맷을 이용하여 건축 설계프로그램에 적용 가능함을 확인하고 이를 활용한 증강, 혼합현실 애플리케이션 시작품 제작을 통해 도시 3차원 디지털 콘텐츠로서의 활용 가능함을 제시하고자 한다.

4-1 항공사진

재구성한 3차원 모델을 이용해 대지 거리 관련 건축기준의 허용오차인 3%이내를 만족하는 오소모자이크도와 디지털 서피스 모델(DSM, Digital Surface Model)을 작성을 수행하였다. 이를 통해 브이월드 등에서 제공하는 항공지도에 나타나는 건축물 입면 왜곡이 없는 항공사진 제작이 가능함을 확인하였다.

Fig. 9.

Orthomosaic and DSM

4-2 3차원 모델

재구성한 3차원 모델의 활용은 UAV를 이용한 3차원 스캐닝이 어려운 지역을 대상으로 한 3차원 도시환경 시뮬레이션을 가능하게 한다. 3D 프린터를 활용한 축소 모형처럼 정밀도가 오차가 어느 정도 허용되는 작업에서는 현시점의 모습이라는 3차원 스캐닝의 장점을 제외한 편이성과 시간적 측면에서 유용할 것으로 예상된다. (Fig. 10)

Fig. 10.

3D printed modell using reconstructed 3d Model

재구성한 3차원 모델을 이용하여 설계프로젝트의 수행을 위한 기초로 활용가능한 점구름 데이터의 작성과 등고선 데이터의 작성을 수행하였다. 작성된 데이터가 설계 도구인 Auto CAD에서 정상적으로 사용 가능함을 확인하였다. (Fig. 11)

Fig. 11.

5m interval Contour line (above) and Pointcloud using (bottom)

드론을 이용한 직접적인 3D 스캔이 아니더라도 3차원 데이터 취득이 어려운 지역에 대해서도 3차원 점구름 등 활용한 3차원 건축 설계 작업이 가능할 것으로 예상한다.

4-3 증강현실 및 혼합현실 콘텐츠로서의 활용

재구성한 3D 모델을 Unity 등의 게임개발도구를 이용하여 혼합현실, 가상현실 등의 콘텐츠로써 활용 가능하다. Fig. 11은 Apple 사의 ARkit SDK(Software Development Kit)[12]를 이용하여 도시 증강현실 콘텐츠로 활용하는 테스트를 수행하였다.

Fig.12.

Augmented Reality Sample work using ARkit and Rebuild 3D model

또, 혼합현실 단말기에서의 원활한 작동을 위하여 재구성한 3D모델을 10만 폴리곤 이하로 편집하여 Unity 게임엔진과 마이크로소프트사의 혼합현실 헤드셋인 Hololens SDK [13]를 이용하여 혼한현실 애플리케이션 시작품을 작성하고 3D 스캔 데이터를 활용한 샘플케이스를 수행하여 혼합현실 콘텐츠로써도 활용 가능함을 확인하였다. Fig. 13는 홀로렌즈 혼합현실 애플리케이션 시작품을 이용하여 혼합현실 환경에서 재구성한 3D 모델상에 3차원 설계 도구를 이용해 작성한 3D 건축모델을 함께 표시하고 대상 대지 위에 배치하는 활용 사례이다.

Fig. 13.

Mixed Reality Sample work using Hololens and Rebuild 3D model

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 UAV활용이 어려운 서울 도심 지역을 대상으로 하여 브이월드를 활용한 3차원 공간모델 재구성과 그 활용방안에 대해 제안하였다.

본 연구에서는 2장에서 브이월드 및 Photogrammetry 기술에 관하여 고찰하였으며, 3장에서 서울 전 지역에 대한 3D 지형모델과 3D 건축모델을 구축하여 3D 투시도 시각화하는 브이월드를 활용하여 대상지역의 3차원 모델을 작성하는 방법을 제안하였다. 그 결과 대상지역에 대한 효과적인 3차원 데이터 작성이 가능함을 확인하였다. 또한, 브이월드 상의 임의의 지점 간의 거리와 재구성 3D 모델의 거리 비교를 통해 대지 거리 관련 건축기준의 허용오차인 3% 이내를 만족함을 검증하였다.

4장에서는 작성된 재구성 3D 도시 모델데이터와 오소모자이크, DSM 및 등고선이 일반적인 건축 설계 도구에서 원활히 작동함을 일반적으로 이용되는 CAD 도구 등를 통해 확인하였다. 또한, 증강현실 및 혼합현실 기기를 이용한 케이스 스터디를 수행하여 각 환경에서 작성된 데이터가 원활히 작동함을 검증함으로써 본 연구에서 제안하는 방법이 효과적임을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 2018년도 중소벤처기업부가 후원하는 한국기술진흥원의 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다. (2017R0006121)

References

• T.H. Kim, H.S. Jang, S.H. Yoo, J.H Go, Jun Hee, “3D Tile Application Method for Improvement of Performance of V-world 3D Map Service”, Journal of the Korean Society for Geo-spatial Information Science, 25, p55-61, March), (2017. [https://doi.org/10.7319/kogsis.2017.25.1.055]
• Helmut, P., The Global Lab “Towards a Virtual Mobility Platform for an Eco-Friendly Society”, The virtual Reality Society of Japan, 14(2), p163-170, (2009).
• S. Hjelseth, A. Morrison, K. Nordby, “Design and computer simulated user scenarios:Exploring real-time 3D game engines and simulation in the maritime sector”, Int. J.Design, 9(3), p63-75, (2015).
• T. Doswell Jayfus, “Augmented Learning: Context-Aware Mobile Augmented Reality Architecturefor Learning”, in Proceedings of the Sixth International Conference on Advanced Learning Technologies, (2006).
• Nakano, J., Osawa, S., Narumi, T, Tanikawa, T, Hirose, M., “Designing a walking tour utilizingon-site virtual time machine”, The Virtual Reality Society OF Japan, 22(2), p241-250, Technologies. (2017).
• Takahashi, H., Yoshioka, Y., “Influences of sized and positions of hanging wall on perceptionof spatial center in virtual reality space”, J. Archit. plan, AIJ, 81(727), p1905-1915, (2016). [https://doi.org/10.3130/aija.81.1905]
• K.J Ahn, Y.S. Kim, “Basic Study of Architectural Design Using low-cost, low-altitute photogrammertric system”, AJMAHS, 5(4), p789-796, (2015). [https://doi.org/10.14257/ajmahs.2015.08.54]
• K.J Ahn, D.S Ko, S.H Kim, “A Study on the Architecture of Mixed Reality Application for Architectural Design Collaboration”, ACIT 2018, Applied Computing and Information Technology, p48-61, (2018).
• C.S. Park, S.H Kim, H,H Choi, H,S Lee, “Improving the performance of high-precision 3D indoor spatial information services VWorld”, in Proceedings of The Korean Society for Geospatial Information Science, p82-85, Sep.), (2015.
• K.J. AHN, S.H. KIM, D.S. Ko, “Case Study of Mixed Reality Technology in Architecture”, The jounal of Korean Institute of Information Technology, p110-112, (2017).
• Vworld Spatial Information Open Platform documentation [internet] Available : http://www.vworld.kr/v4po_main.do
• ARkit Hardware and Software Integration [internet] Available : https://developer.apple.com/arkit/
• Windows Mixed Reality documentation [internet] Available:https://docs.microsoft.com/windows/mixed-reality/