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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 항공사진, 항공라이다 및 지상사진, 지상라이다 데이터와 같이 다양한 센서에서 취득된 자료를 이용하여 일반 지형에 관한 3D 영상 모형뿐만 아니라 인공지물, 특수지형을 보다 현실적으로 표현할 수 있는 사실적 3D 영상 모형을 구축하였다.
- 본 연구에서 상기서술한 내용에 충실한 사실적 3D 영상모형을 구축하고자 하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 3. 대상물의 정성적 정보를 표현하는 텍스쳐를 제작하기 위하여 카메라 캘리브레이션 데이터를 이용하여 영상 왜곡을 보정한 텍스쳐를 제작하고 영상 모자이 크 기법을 이용함으로써 보다 사실감 있는 3D 영상 모형을 제작하였다.
- 3D 영상 모형은 세부표현 정도와 텍스쳐의 유무에 따라 LoD(Level of Detail)# 5단계로 정의하여 구축하였으며, 동일한 형상의 건물 부재를 반복적으로 재사용이 가능한 컴포넌트로 제작하여 전체 파일 크기를 줄일 수 있도록 하였다. 또한, 카메라 캘리브레이션 데이터를 이용하여 영상에서 왜곡 성분을 보정한 텍스쳐를 제작하고 영상 모자이크 기법을 적용하였다.
- Tamarama 비치 좌우에 위치한 40m, 150m 구간의 해안침식절벽에 대한 스테레오 영상을 이용하여 Fig. 26, Fig. 28과 같이 3D 영상 모형을 구축하였다.
- 규모가 크고 형상이 복잡하며, 외관이 미려한Quadrangle building을 대상으로 실시흐}였다. 건물 전면부의 정밀한 포인트 클라우드 데이터를 취득하기 위하여 Trimble GX 3D scanner를 이용하였으며, 스캐닝 데이터를 정합하기 위하여 구형 타겟(sphere target) 4개를 대상물에 설치하고, 2지점에서 건물 전면에 대하여 각각 2회씩 스캐닝 작업을 실시하였다.스캐닝 데이터는 Trimble Realwork Survey를 이용하여 Fig.
- 또한, 카메라 캘리브레이션 데이터를 이용하여 영상에서 왜곡 성분을 보정한 텍스쳐를 제작하고 영상 모자이크 기법을 적용하였다. 구축된 영상모형은3D GIS 어플리케이션 및 인터넷 기반의 3D 영상지도 서비스를 통해 가시화하고, 활용될 수 있도록 하였다.
- Library buildinge 건물구조가 비교적 단순하고, 사진 촬영 조건이 양호하여 20매의 사진을 이용하였다. 대상물의 사진 촬영은 광각 렌즈를 주로 사용하여 근거리에서 촬영하였으며, 촬영거리 및 각도에 따른 사각지역은 표준 렌즈 와 망원렌즈를 조합하여 촬영하였다. 제작된 3D 영상 모 형은 Fig.
- 포인트클라우드 데이터는 X, Y, Z 좌표, 강도(intensity) 및 RGB 값을 포함하는 ascii 파일로 export하였으며, 데이터 파일의 용량은 285mb로 RGB 값을 제외한 X, Y, Z좌표와 강도값만 export할 경우에는 198mb이었다. 데이터 처리는 Geomagic Studio 와 Rapidform을 이용하였으며, 데이터에서 노이즈를 제거하고 샘플링 과정을 통해 과도하게 많은 포인트 수를 줄여 신속하게 처리될 수 있도록 하였다. 처리된 데이터로부터 TIN 모형을 생성하고, 수정 작업을 거쳐 3D 모형을 구축하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 Fig. 13과 같이 카메라 캘리브레이션 데이터를 이용하여 렌즈 왜곡을 제거하고, 리셈플링을 통해 촬영 방향에 따른 왜곡을 보정하였다. 또한, 한매의 촬영으로 벽면의 전체 텍스쳐를 취득하기 어려운 경우 Fig.
- 또한, 3D 영상 모형은 DXF, 3DS 및 3D 웹 표준인 X3D, VRML 및 KML형식으로 제작하였으며, 자바플랫폼 및 Google Earth 환경에서 시뮬레이션을 통해 인터넷 지도 서비스에서 활告 가능성을 분석하였다(Ewald and Coors, 2005; Wiist et al., 2004). Quadrangle building의 LoD 모
- 또한, 카메라 캘리브레이션 데이터를 이용하여 영상에서 왜곡 성분을 보정한 텍스쳐를 제작하고 영상 모자이크 기법을 적용하였다. 구축된 영상모형은3D GIS 어플리케이션 및 인터넷 기반의 3D 영상지도 서비스를 통해 가시화하고, 활용될 수 있도록 하였다.
- 13과 같이 카메라 캘리브레이션 데이터를 이용하여 렌즈 왜곡을 제거하고, 리셈플링을 통해 촬영 방향에 따른 왜곡을 보정하였다. 또한, 한매의 촬영으로 벽면의 전체 텍스쳐를 취득하기 어려운 경우 Fig. 14와 같이 여러 매로 중복 촬영하고, 왜곡을 보정한 뒤 모자이크 영상으로 제작하여 텍스쳐로 이용하였다.
- 모든 요소를 모델링하기 위해서 많은 시간이 소요된다. 본 연구에서는, Quadrangle buildingP] 3D 영상모형을 위해 크기가 동일한 기둥, 창호 및 출입문을 3D 컴포넌트로 제작하였다. 재사용이 가능한 3D 컴포넌트를 이용함으로써 3D 영상 모형의 제작시간을 절감할 수 있고, 수정 및 관리가 용이하며, 전체 3D 영상모형의 파일 크기를 감소시킬 수 있는 등의 장점을 가지고 있다.
- 비치의 3D 모형을 평가하기 위하여 GPS RTK 측량을 이용하여 약 5m 간격으로 측량하여 구축된 DSM과 지상사진측량을 이용하여 구축된 DSM을 비교하였다. 그 결과 Fig.
- 취득하였다. 선정된 GPCs 성과와 스테레오 영상을 이용하여 영상 매칭에 의한 사진측량 기법으로 0.2m 간격으로 포인트 클라우드 데이터를 취득하여 3D 모형을 제작하고, 항공영상 및 지상사진으로 텍스쳐를 적용하여 3D 영상 모형을 구축하였다.
- 실험 결과 항공사진과 항공라이다 데이터를 이용하여 인공지물의 LoDl, LoD2, LoD3 모형, DTM, 수치정사 영상 및 건물 지붕의 텍스쳐 패치를 제작하였고, 지상라이다 및 지상사진 측량을 이용하여 보다 정밀하고 사실적 표현이 가능한 LoD4, LoD5 모형을 제작하였다.
- 실험 대상인 Tamarama 비치와 해안침식 절벽의 3D 영상모형은 Fig. 29와 같이 하나의 모형으로 통합하였고, Google Earth에서 제공하는 50m급 저해상도 DTM과 항공 영상을 이용하여 Fig. 30과 같이 Tamarama 비치 전체의 3D 영상 모형을 구축하였다.
- 지형의 경우 싱글 포인트 측정 방식은 한정된 기준점(control point)으로 부터 다수의 기준점 또는 접합점(tie point)을 측정하기 위한 골조측량에 이용될 수 있으며, 영상 매칭 방식에 의해 불규칙 한지형을 보다 효율적으로 표현할 수 있었다. 이상과 같은 분석에 의해본 연구에서는 인공지물의 3D 영상 모형 제작을 위해 Photomodeler를 이용하였고, 특수지형의 3D 영상모형 제작에는 iWitness와 PI-3000을 이용하였다.
- 지리보정을 위해 대상지역에 3개의 GCPs를 선정하여 GPS측량을 실시하였고, 6매의 사진을 촬영하여 12개의 접합점을 취득하였다. 선정된 GPCs 성과와 스테레오 영상을 이용하여 영상 매칭에 의한 사진측량 기법으로 0.
- 실험에 사용한 카메라는 Canon 5D SLR 카메라와 대상물의 크기, 촬영거리 등을 고려하여 다양한 화각(angle of view)을 확보할 수 있도록 17-40mm 광각 줌렌즈, 50mm표준 단 렌즈, 70-200rmn 망원 줌렌즈를 이용하였다. 지상 사진에 의한 3D 모형 제작은 Photomodeler, iWitness 등과 같이 여러 매의 대상물 영상에서 특징점을 측정하고, 동일점으로 레퍼런스하여 3D 모형을 제작하는 싱글 포인트(single point) 측정기법과 PI-30002]- 같이 스테레오 영상에서 영상 매칭에 의해 포인트 클라우드를 취득하는 기법을 이용하였다.
- 데이터 처리는 Geomagic Studio 와 Rapidform을 이용하였으며, 데이터에서 노이즈를 제거하고 샘플링 과정을 통해 과도하게 많은 포인트 수를 줄여 신속하게 처리될 수 있도록 하였다. 처리된 데이터로부터 TIN 모형을 생성하고, 수정 작업을 거쳐 3D 모형을 구축하였다.
- 1 DPW(Digital Photogrammetry Workstation)를 이용하였으며, Im 간격으로 대상 지역의 DTM을 추출하고, 대상지역의 건물을 도화하였다. 취득된 DTM 및 건물 데이터베이스인 FDB(Feature DataBase)로부터 수치정사 영상을 제작하였다.
- 특수지형의 3D 영상모형을 구축하기 위하여 지상사진측량기법을 이용하였으며, 지상사진 촬영은 비치에 대한 수직 사진을 취득할 수 없기 때문에 남북 절벽 상 부 2개소의 위치에서 비치의 스테레오 영상을 촬영하였다. 해안침식절벽 2개소는 각각 절벽 전면에서 한 쌍의 스테레오 영상을 촬영하였다.
- 15m이다. 항공라이다 데이터는 Terrasolid 사의 TerraScan, TerraModeler 등을 이용하여 원시데이터를 지표, 초목, 건물 등으로 분류(classification)하고 DIM을 제작하였으며, 대상 지역의 건물을 모델링하였다.
- 대상지역내에 6개의 GCPs를 선정하고 GPS 측량을 실시하여 GCPs성과를 취득하였다. 항공영상 처리는 Leica SocetSet 5.1 DPW(Digital Photogrammetry Workstation)를 이용하였으며, Im 간격으로 대상 지역의 DTM을 추출하고, 대상지역의 건물을 도화하였다. 취득된 DTM 및 건물 데이터베이스인 FDB(Feature DataBase)로부터 수치정사 영상을 제작하였다.
대상 데이터
- Quadrangle buildinge 규모가 크고 복잡한 형상이며, 주변 건물 및 각종 시설물과 인접하고 있어 사진 촬영에 어려움이 있었으며, 건물 내부를 모델링하고 건물 벽면의 텍스쳐를 제작하기 위하여 약 200매의 사진을 촬영하였다. Library buildinge 건물구조가 비교적 단순하고, 사진 촬영 조건이 양호하여 20매의 사진을 이용하였다. 대상물의 사진 촬영은 광각 렌즈를 주로 사용하여 근거리에서 촬영하였으며, 촬영거리 및 각도에 따른 사각지역은 표준 렌즈 와 망원렌즈를 조합하여 촬영하였다.
- Quadrangle buildinge 규모가 크고 복잡한 형상이며, 주변 건물 및 각종 시설물과 인접하고 있어 사진 촬영에 어려움이 있었으며, 건물 내부를 모델링하고 건물 벽면의 텍스쳐를 제작하기 위하여 약 200매의 사진을 촬영하였다. Library buildinge 건물구조가 비교적 단순하고, 사진 촬영 조건이 양호하여 20매의 사진을 이용하였다.
- 대상지역의 항공사진은 2005년에 RC30 항공 카메라로 촬영된 스테레오 영상을 이용하였으며, 지리보정을 위하여 대상지역내에 6개의 GCPs를 선정하고 GPS 측량을 실시하여 GCPs성과를 취득하였다. 항공영상 처리는 Leica SocetSet 5.
- 본 연구에서 3D 영상 모형을 구축하기 위한 실험대상은 인공지물과 특수지형으로 구분하여 데이터 확보, GPS 현장 측량 및 결과 확인이 가능한 지역으로 선정하였다. 인공지물에 관한 실험 대상은 호주 시드니에 위치한 UNSW(University of New South Wales) 캠퍼스를 선정하였으며, 고해상도 3D 영상 모형을 제작하기 위한 실험 대상으로는 Quadrangle building, Library building을 선정하였다.
- 스캐닝 현장 작업시간은 약 6시간이 소요되었으며, 취득된 데이터는 8, 108, 038개의 포인트로 포인트 간격은 평균 약 10mm 간격이다. 포인트클라우드 데이터는 X, Y, Z 좌표, 강도(intensity) 및 RGB 값을 포함하는 ascii 파일로 export하였으며, 데이터 파일의 용량은 285mb로 RGB 값을 제외한 X, Y, Z좌표와 강도값만 export할 경우에는 198mb이었다.
- 실험에 사용한 카메라는 Canon 5D SLR 카메라와 대상물의 크기, 촬영거리 등을 고려하여 다양한 화각(angle of view)을 확보할 수 있도록 17-40mm 광각 줌렌즈, 50mm표준 단 렌즈, 70-200rmn 망원 줌렌즈를 이용하였다. 지상 사진에 의한 3D 모형 제작은 Photomodeler, iWitness 등과 같이 여러 매의 대상물 영상에서 특징점을 측정하고, 동일점으로 레퍼런스하여 3D 모형을 제작하는 싱글 포인트(single point) 측정기법과 PI-30002]- 같이 스테레오 영상에서 영상 매칭에 의해 포인트 클라우드를 취득하는 기법을 이용하였다.
- 지체되었다. 실험에 사용한 클라이언트 소프트웨어는 Cortona VRML Client, Bitmanagement Software Contact VRML/X3D, Xj3D Browser, Flux Studio를 이용하였다. 또한, 인터넷지도 서비스에서 구축된 3D 영상 모형의 이용 가능성을 평가하기 위하여 Gooole Earth에서 테스트하였으며, 그 결과 건물 및 특수지형의 경우 모두 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
- 해안침식 절벽 2개소를 선정하였다. 실험에 이용한 데이터는 항공영상, 항공라이다, 지상사진, 지상 라이다 데이터 및 GPS 측량으로 취득된 기준점성과 등을 이용하였다.
- 인공지물에 관한 실험 대상은 호주 시드니에 위치한 UNSW(University of New South Wales) 캠퍼스를 선정하였으며, 고해상도 3D 영상 모형을 제작하기 위한 실험 대상으로는 Quadrangle building, Library building을 선정하였다.
- 지상라이다 측량기법을 이용한 실험은 대상지역 내의 건물 중 규모가 크고 형상이 복잡하며, 외관이 미려한Quadrangle building을 대상으로 실시흐}였다. 건물 전면부의 정밀한 포인트 클라우드 데이터를 취득하기 위하여 Trimble GX 3D scanner를 이용하였으며, 스캐닝 데이터를 정합하기 위하여 구형 타겟(sphere target) 4개를 대상물에 설치하고, 2지점에서 건물 전면에 대하여 각각 2회씩 스캐닝 작업을 실시하였다.
- 지상사진 측량 기법을 이용한 실험은 UNSW 캠퍼스 내의 Quadrangle building, Libraiy building과 Tamarama비치 및 해안침식 절벽과 같은 특수지형을 대상으로 실시하였다. 실험에 사용한 카메라는 Canon 5D SLR 카메라와 대상물의 크기, 촬영거리 등을 고려하여 다양한 화각(angle of view)을 확보할 수 있도록 17-40mm 광각 줌렌즈, 50mm표준 단 렌즈, 70-200rmn 망원 줌렌즈를 이용하였다.
- 특수지형의 3D 영상모형 구축을 위한 실험 대상은 시드니 동남쪽에 위치한 Tamarama 비치와 비치의 좌우에 인접한 해안침식 절벽 2개소를 선정하였다. 실험에 이용한 데이터는 항공영상, 항공라이다, 지상사진, 지상 라이다 데이터 및 GPS 측량으로 취득된 기준점성과 등을 이용하였다.
- 데이터는 8, 108, 038개의 포인트로 포인트 간격은 평균 약 10mm 간격이다. 포인트클라우드 데이터는 X, Y, Z 좌표, 강도(intensity) 및 RGB 값을 포함하는 ascii 파일로 export하였으며, 데이터 파일의 용량은 285mb로 RGB 값을 제외한 X, Y, Z좌표와 강도값만 export할 경우에는 198mb이었다. 데이터 처리는 Geomagic Studio 와 Rapidform을 이용하였으며, 데이터에서 노이즈를 제거하고 샘플링 과정을 통해 과도하게 많은 포인트 수를 줄여 신속하게 처리될 수 있도록 하였다.
- 항공라이다 데이터는 2005년에 Optech ALTM 3025 레이져스캐너로 취득된 데이터를 이용하였으며, 포인트 간격은 평균 1.15m이다. 항공라이다 데이터는 Terrasolid 사의 TerraScan, TerraModeler 등을 이용하여 원시데이터를 지표, 초목, 건물 등으로 분류(classification)하고 DIM을 제작하였으며, 대상 지역의 건물을 모델링하였다.
- 해안침식절벽 2개소는 각각 절벽 전면에서 한 쌍의 스테레오 영상을 촬영하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 인공지물의 3D 영상 모형을 제작하기 위하여 LoD 개념을 도입하였다. LoD란 3D 영상모형의 응용 분야, 디스플레이 축척 등에 따른 일반 화 개념으로서 건물의 상세 표현 정도 및 텍스쳐 유무에 따라 Fig.
- 건물 전면부의 정밀한 포인트 클라우드 데이터를 취득하기 위하여 Trimble GX 3D scanner를 이용하였으며, 스캐닝 데이터를 정합하기 위하여 구형 타겟(sphere target) 4개를 대상물에 설치하고, 2지점에서 건물 전면에 대하여 각각 2회씩 스캐닝 작업을 실시하였다.스캐닝 데이터는 Trimble Realwork Survey를 이용하여 Fig. 8과 같이 하나의 모형으로 정합하였다(Trimble).
성능/효과
- 1.본 연구에서는 인공지물과 특수지형을 대상으로 항공사진, 항공라이다, 지상사진 및 지상라이다 데이터를 이용하여 실험한 결과 위치 정확도 및 사진과 같은 사실감을 확보한 3D 영상 모형을 제작할 수 있었다.
- 2. 3D 영상 모형은 이용 목적 및 디스플레이 축척에 따라 표현요소를 구분하여 구축할 필요가 있으며, LoD(Level of Detail) 개념을 도입하여 건물의 3D영상 모형을 5단계로 정의하였고 각 LoD모델을 제작하기 위한 적합한 측량기법을 제시하였다.
- 4. 기둥, 창호, 출입문 등과 같은 동일형상의 건물 부재를 반복적으로 재사용이 가능한 컴포넌트로 제작함으로써 3D 영상 모형의 제작시간 및 파일 용량을 줄일 수 있었으며, VRML, X3D, KML 형식으로 구축된 3D 영상모형은 전용 클라이언트 소프트웨어 및 Google Earth에서 시뮬레이션을 통해 인터넷 기반의 3D 영상지도 서비스 및 3D GIS 분야에서 활용할 수 있는 가능성을 평가하였다.
- 구축된 3D 모형은 형식별로 자바, VRML 및 X3D 클라이언트에서 테스트하였으며, 모두 좋은 결과를 얻을 수 있었으나, VRML의 경우 LoD4, LoD5 모형에서 데이터 로딩 및 모형의 회전, 이동시 다소 시간이 지체되었다. 실험에 사용한 클라이언트 소프트웨어는 Cortona VRML Client, Bitmanagement Software Contact VRML/X3D, Xj3D Browser, Flux Studio를 이용하였다.
- 이용하여 구축된 DSM을 비교하였다. 그 결과 Fig. 24와 같이 영상 매칭에 의한 지상사진 측량 기법이 적합함을 확인할 수 있었다.
- 실험에 사용한 클라이언트 소프트웨어는 Cortona VRML Client, Bitmanagement Software Contact VRML/X3D, Xj3D Browser, Flux Studio를 이용하였다. 또한, 인터넷지도 서비스에서 구축된 3D 영상 모형의 이용 가능성을 평가하기 위하여 Gooole Earth에서 테스트하였으며, 그 결과 건물 및 특수지형의 경우 모두 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서 구축한 3D 영상 모형의 정확도를 분석하기 위하여 Quadrangle building의 LoD5 모형을 대상으로 건물 주요 부재의 길이를 Trimble VX 토털 스테이션을 이용한 현장측량 결과와 비교한 결과 RMSE는 2.216cm이었다.
- 실험 대상으로 분류한 인공지물과 특수지형의 3D 영상모형 구축에 효율적인 지상 사진 측량 기법을 평가하기 위하여 Photomodeler, iWitness 및 PI-3000을 이용하여 실험한 결과, 건물과 같은 인공지물의 경우 싱글포인트 측정방식이 적합한 것으로 평가되었으며, 건물 중 특정 부분의 일부 세밀한 DSM(Digital Surface Model) 이 필요한 경우에는 영상 매칭에 의해 취득된 포인트 클라우드 데이터를 이용하여 보완할 수 있었다. 지형의 경우 싱글 포인트 측정 방식은 한정된 기준점(control point)으로 부터 다수의 기준점 또는 접합점(tie point)을 측정하기 위한 골조측량에 이용될 수 있으며, 영상 매칭 방식에 의해 불규칙 한지형을 보다 효율적으로 표현할 수 있었다.
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