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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 3차원 스캐닝자료의 획득과 활용에 있어 측정 정확도에 영향을 미치는 노이즈의 특성을 분석하기 위해 다양한 표면물질로 이루어진 시험체를 3차원 스캐닝하고 이들의 표면물질별 반사특성을 분석하였다. 그리고 표면 물질이 가지는 고유반사도와의 상관성을 도출함으로써 3차원 스캐닝 측정기법의 정확도 향상을 꾀하고자 하였다.
- 본 연구에서는 3차원 레이저 스캐닝 시스템에서 채용하고 있는 레이저파의 측정대상물 표면물질에 따른 반사 특성을 분석하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 3차원 레이저스캐닝 시스템에서 채용하고 있는 레이저파가 대상물의 표면물질에 따라 어떠한 반사특성을 나타내는지를 분석하고자 하였다. 분석을 위한 선행 작업을 통하여 각 시험체에 대하여 대략 16만점 이상의 측점군을 획득하였다.
- 따라서 정밀한 계측을 요하는 분야에서의 활용을 위해서는 대상물의 표면물질별 반사도에 따른 레이저파의반사특성을 규명하고 반사에 의한 오차발생량을 정확히 파악하는 것이 중요한 요소가 되고 있다. 이에 본 연구에서는 3차원 스캐닝자료의 획득과 활용에 있어 측정 정확도에 영향을 미치는 노이즈의 특성을 분석하기 위해 다양한 표면물질로 이루어진 시험체를 3차원 스캐닝하고 이들의 표면물질별 반사특성을 분석하였다. 그리고 표면 물질이 가지는 고유반사도와의 상관성을 도출함으로써 3차원 스캐닝 측정기법의 정확도 향상을 꾀하고자 하였다.
제안 방법
- 그리고 재질을 정확히 표현할 수 있도록 시험체를 각각 제작하여 비접촉식 3차원 스캐닝 측정방법을 이용하고 있는 VIVID910 System을 활용하여 시험체 표면에 대한 3차원 스캐닝을 실시하였다. 각 시험체에 대한 스캐닝 자료를 처리하여 자료에 발생한 노이즈의 양상을 파악하고 이에 따른 측정 정확도의 저하정도를 분석하였다. 그리고 분석 자료를 근거로 하여 대상물의 표면물질에 따른 스캐닝 자료의 노이즈발생량과 고유반사도와의 상관관계를 규명하였다.
- 본 연구에서는 시험체의 표면재료로서 콘크리트, 종이, 나무, 철판, 플라스틱(아크릴판), 유리, 대리석, 흙(점토) 등 8가지의 재료를 이용하였다. 그리고 각 재료에 대하여 30cm X 30cm 크기의 시험체를 판형으로 제작하였으며, 각 시험체의 표면은 최대한 평면을 유지할 수 있도록 하였다. 또한, 시험체 표면에 포함될 수 있는 수분은 레이저파를 흡수함으로써 스캔자료가 입력도]지 않아 반사도의 측정에 지대한 영향을 미치게 됨으로 이들 영향을 배제하기 위하여 시험체의 표면은 완전히 건조된 상태를 유지할 수 있도록 하였다.
- 그리고 관측값 중 과대오차를 제외한 최저값들의평균을 표면으로 설정하고 분산 분포된 측점들로부터 측정값들의 변동폭을 산출하여 표면물질의 따른 반사량으로 간주하였다. 이 때, 콘크리트(S1)와 점토(S8)의 경우, 시험체의 제작과정에서 표면을 고르게 처리하지 못함으로 인해 발생하게 되는 레이저파의 반사량을 제외하여 처리하였다.
- 각 시험체에 대한 스캐닝 자료를 처리하여 자료에 발생한 노이즈의 양상을 파악하고 이에 따른 측정 정확도의 저하정도를 분석하였다. 그리고 분석 자료를 근거로 하여 대상물의 표면물질에 따른 스캐닝 자료의 노이즈발생량과 고유반사도와의 상관관계를 규명하였다.
- 또한 삼각측량 광절단 방식을 채용하고 있는 레이저 스캐너의 경우에는 측정거리가 짧을수록 높은 정확도를 제시함으로 본 실험에서 스캐너와시험체간의 거리는 실질적으로 허용되는 최단측정 거리인 약 Im를 유지하여 자료를 취득하였다. 그리고 실험 시 기타 광원에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 최대한 기타 광원을 치단하였다. 이와 같은 설정에 의하여 각 시험체의 표면에 대하여 정밀 스캐닝을 실시하였으며, 각 시험체별로 약 16만점 정도의 측점간을 획득하였다.
- 분석작업은 각 시험체별 측점군으로부터 반사변동량을 산출하여 레이저파의 반사에 의한 오차량과 양상을 분석하였으며, 이들 결과를 대상 시험체가 가지는 고유 반사도와 상호 비교함으로써 시험체의 표면물질이 가지는 고유반사도와 레이저파의 반사정도와의 상관관계를 도출하였다. 그리고 이들 분석결과를 바탕으로 표면 물질에 따른 레이저파의 반사특성을 규명하고 이에 따라 발생할 수 있는 오차를 도출하였다.
- 분석을 위한 선행 작업을 통하여 각 시험체에 대하여 대략 16만점 이상의 측점군을 획득하였다. 그리고 이들 중 반사 특성의 분석을 위한 측점을 약 3mm의 간격을 유지할 수 있도록 하여 3mm X 3mm정방형상의 격자자료로 샘플링하여 일정간격의 측점군으로 재구성하였다. 분석작업은 각 시험체별 측점군으로부터 반사변동량을 산출하여 레이저파의 반사에 의한 오차량과 양상을 분석하였으며, 이들 결과를 대상 시험체가 가지는 고유 반사도와 상호 비교함으로써 시험체의 표면물질이 가지는 고유반사도와 레이저파의 반사정도와의 상관관계를 도출하였다.
- 비지형 대상물이 가지는 표면물질을 파악하고 이를 실험을 위한 대상물질(콘크리트, 종이, 목재, 철재, 플라스틱, 유리, 석재, 흙 등)로 선정하였다. 그리고 재질을 정확히 표현할 수 있도록 시험체를 각각 제작하여 비접촉식 3차원 스캐닝 측정방법을 이용하고 있는 VIVID910 System을 활용하여 시험체 표면에 대한 3차원 스캐닝을 실시하였다. 각 시험체에 대한 스캐닝 자료를 처리하여 자료에 발생한 노이즈의 양상을 파악하고 이에 따른 측정 정확도의 저하정도를 분석하였다.
- 두 자료 간 상관성을 비교하기 위하여 반시율 값을 일반정수로 가정하고 이 값을 일괄적으로 10으로 나누어 반사량의 측정값과 유사한 범위로 재조정하여 동일한 그래프상에 도시하였다(그림 17). 따라서 그림 17의 상관성그래프상의 두 자료간 편차는 의미를 가지지 않으며, 두 자료 간 패턴의 유사성을 분석하는데 의미를 두어야 할 것이다.
- 미소하게 나타나게 된다. 따라서 이를 고려한 정밀한 측정이 이루어지도록 유도하기 위하여 시험체와 스캐너와 직각이 되도록 조정하여 설치하였고, 측정 자료의 정밀도를 중시하는 측면에서 Fine Mode로 전환하여 작업을 수행하였다. 또한 삼각측량 광절단 방식을 채용하고 있는 레이저 스캐너의 경우에는 측정거리가 짧을수록 높은 정확도를 제시함으로 본 실험에서 스캐너와시험체간의 거리는 실질적으로 허용되는 최단측정 거리인 약 Im를 유지하여 자료를 취득하였다.
- 그리고 각 재료에 대하여 30cm X 30cm 크기의 시험체를 판형으로 제작하였으며, 각 시험체의 표면은 최대한 평면을 유지할 수 있도록 하였다. 또한, 시험체 표면에 포함될 수 있는 수분은 레이저파를 흡수함으로써 스캔자료가 입력도]지 않아 반사도의 측정에 지대한 영향을 미치게 됨으로 이들 영향을 배제하기 위하여 시험체의 표면은 완전히 건조된 상태를 유지할 수 있도록 하였다. 표 1은 본연구를 위해 제작한 시험체의 종류와 제원을 정리한 것이다.
- 입력된 점군 자료는 오차의 분포 및 형상을 측정하기 위하여 볼륨 트라이앵귤레이션(triangulation)방법에 의한 폴리곤(삼각)메시 (mesh)(그림 6)를 생성하였다. 메쉬의 생성과정에서 점간의 균일한 쉘을 생성하기 위한 filter redundancy처 리를 수행히였다. .
- 반사율계에 의해 측정된 각 시험체별 반사율과 레이저파의 반사량 분석결과와의 상관성을 분석하였다. 두 자료 간 상관성을 비교하기 위하여 반시율 값을 일반정수로 가정하고 이 값을 일괄적으로 10으로 나누어 반사량의 측정값과 유사한 범위로 재조정하여 동일한 그래프상에 도시하였다(그림 17).
- 그리고 이들 중 반사 특성의 분석을 위한 측점을 약 3mm의 간격을 유지할 수 있도록 하여 3mm X 3mm정방형상의 격자자료로 샘플링하여 일정간격의 측점군으로 재구성하였다. 분석작업은 각 시험체별 측점군으로부터 반사변동량을 산출하여 레이저파의 반사에 의한 오차량과 양상을 분석하였으며, 이들 결과를 대상 시험체가 가지는 고유 반사도와 상호 비교함으로써 시험체의 표면물질이 가지는 고유반사도와 레이저파의 반사정도와의 상관관계를 도출하였다. 그리고 이들 분석결과를 바탕으로 표면 물질에 따른 레이저파의 반사특성을 규명하고 이에 따라 발생할 수 있는 오차를 도출하였다.
- 스캐닝에 의해 취득한 원시자료는 스캐닝 자료의 처리 소프트웨어인 RapidFom 2004(:그림 5)에서 import히- 여 모델링 작업을 수행하였다. 입력된 점군 자료는 오차의 분포 및 형상을 측정하기 위하여 볼륨 트라이앵귤레이션(triangulation)방법에 의한 폴리곤(삼각)메시 (mesh)(그림 6)를 생성하였다.
- 빛을 포함한 여러 종류의 복사 파가 물체의 표면에서 반사하는 정도를 나타내는 것으로 주로 물질의 종류와 표면의 상태로 결정되며, 물질의 색체와 습도 그리고 입사파의 파장과도 괸-계가 있다. 여기서 반사율은 0.9μm 파장의 레이저에 대한 여러 물질의 반사 강도를 나타내는 것으로 본 연구에서 표면물질을 달리하는 각 시험체에 대하여 반사율 측정기기인 반사율계 (reflectometer)를 이용하여 표면의 반사율을 측정하였다 (표 4, 그림 16).
- 우선 각 시험체별 레이저파의 반사정도를 측정하고 분석하기 위하여 스캐닝에 의해 취득한 3차원 좌표값으로 Z값(스캔방향)을 취하여 측점군의 분포양상을 관찰하였다. 그리고 관측값 중 과대오차를 제외한 최저값들의평균을 표면으로 설정하고 분산 분포된 측점들로부터 측정값들의 변동폭을 산출하여 표면물질의 따른 반사량으로 간주하였다.
- 그리고 실험 시 기타 광원에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 최대한 기타 광원을 치단하였다. 이와 같은 설정에 의하여 각 시험체의 표면에 대하여 정밀 스캐닝을 실시하였으며, 각 시험체별로 약 16만점 정도의 측점간을 획득하였다. 취득된 자료는 Text와 ASCH파일 형태로 출력될 수 있도록 하였다.
- 이와 같은 설정에 의하여 각 시험체의 표면에 대하여 정밀 스캐닝을 실시하였으며, 각 시험체별로 약 16만점 정도의 측점간을 획득하였다. 취득된 자료는 Text와 ASCH파일 형태로 출력될 수 있도록 하였다.
- 표면물질별 평균반사량과 표면물질이 가지는 고유반사율과의 상관성을 규명하기 위하여 각 시험체에 대한반사율을 측정하였다. 반사율(reflectivity)은 반사능(反射 能)이라고도 하며.
대상 데이터
- 따라서 이를 고려한 정밀한 측정이 이루어지도록 유도하기 위하여 시험체와 스캐너와 직각이 되도록 조정하여 설치하였고, 측정 자료의 정밀도를 중시하는 측면에서 Fine Mode로 전환하여 작업을 수행하였다. 또한 삼각측량 광절단 방식을 채용하고 있는 레이저 스캐너의 경우에는 측정거리가 짧을수록 높은 정확도를 제시함으로 본 실험에서 스캐너와시험체간의 거리는 실질적으로 허용되는 최단측정 거리인 약 Im를 유지하여 자료를 취득하였다. 그리고 실험 시 기타 광원에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 최대한 기타 광원을 치단하였다.
- 한다. 본 연구에서는 시험체의 표면재료로서 콘크리트, 종이, 나무, 철판, 플라스틱(아크릴판), 유리, 대리석, 흙(점토) 등 8가지의 재료를 이용하였다. 그리고 각 재료에 대하여 30cm X 30cm 크기의 시험체를 판형으로 제작하였으며, 각 시험체의 표면은 최대한 평면을 유지할 수 있도록 하였다.
- 분석을 위한 선행 작업을 통하여 각 시험체에 대하여 대략 16만점 이상의 측점군을 획득하였다. 그리고 이들 중 반사 특성의 분석을 위한 측점을 약 3mm의 간격을 유지할 수 있도록 하여 3mm X 3mm정방형상의 격자자료로 샘플링하여 일정간격의 측점군으로 재구성하였다.
- 이러한 반사특성에 따른 측정정확도의 저하 및 측정 자료의 오류(노이즈)양상을 파악하기 위해 지형 . 비지형 대상물이 가지는 표면물질을 파악하고 이를 실험을 위한 대상물질(콘크리트, 종이, 목재, 철재, 플라스틱, 유리, 석재, 흙 등)로 선정하였다. 그리고 재질을 정확히 표현할 수 있도록 시험체를 각각 제작하여 비접촉식 3차원 스캐닝 측정방법을 이용하고 있는 VIVID910 System을 활용하여 시험체 표면에 대한 3차원 스캐닝을 실시하였다.
- 표면물질에 따라 준비된 시험체들에 대하여 Minolta 社의 VIVID910 시스템(그림 4)(표 2)을 이용하여 시험체 표면에 대한 스캐닝 자료를 각각 획득하였다.
이론/모형
- 모델링 작업을 수행하였다. 입력된 점군 자료는 오차의 분포 및 형상을 측정하기 위하여 볼륨 트라이앵귤레이션(triangulation)방법에 의한 폴리곤(삼각)메시 (mesh)(그림 6)를 생성하였다. 메쉬의 생성과정에서 점간의 균일한 쉘을 생성하기 위한 filter redundancy처 리를 수행히였다.
성능/효과
- 둘째, 동일 조건에 의해 스캐닝을 실시하였음에도 불구하고 시험체별로 반사량에 차이가 발생함을 확인할 수 있었으며, 종이, 철판, 대리석, 점토 시험체에서 7mm 가 넘는 반사량을 나타내었다.
- 본 실험에 사용된 시험체에 대한 반사율의 측정결과, 종이(S2)와 철판(S4)이 높은 반시율을 나타내었으며, 콘크리트(S1), 아크릴(S5), 나무(S3)가 비교적 낮은 반사율을 나타내었다. 측정결과는 일반적인 대상물질의 반사율과 유사한 결과를 나타내었으나, 종이의 경우 일반적으로 50~60%정도의 반사율을 나타내는 것으로 알려지고 있으나 본 실험에서 사용한 종이의 경우 표면이 광택 처리된 흰색 하드보드지를 이용함으로써 높은 반사율을 나타낸 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과는 3차원 GIS의 활용도가 증가하고 있는 상황에서 이를 실현하기 위한 기술인 3차원 스캐닝 기법에 의힌・VR(VirtualReality)의 구현과 지형 . 비지형 대상물의 3차원 구축 및 모델링의 정확도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 반사에 의해 발생하는 노이즈의 보정을 위한 자료로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 분석 결과, 본 실험의 대상인 전체 시험체에서 반사율과 반사량이 매우 유사한 패턴을 보임을 알 수 있었다. 이는 3차원 레이저 스캐닝 시스템에서 채용하고 있는 레이저파의 표면물질별 반사량은 그 물질이 가지는 고유한 반사율과 밀접한 관계를 가지고 있음을 의미한다.
- 셋짜L 반사율계를 이용하여 측정한 각 시험체별 반사율과 각각의 반사량 결과값과의 상관성을 분석한 결과, 전체 시험체에서 반사율과 반사량이 매우 유사한 패턴을 보임을 확인할 수 있었으며, 두 자료간에는 비례관계가 성립됨을 확인할 수 있었다.
- 스캐닝에 의해 획득된 각 시험체별 자료를 분석한 결과, 모든 시험체에서 레이저파의 반사에 의한 측정값의 불균일성을 발견할 수 있었으며, 동일 조건에 의해 스캐닝을 실시하였음에도 불구하고 시험체별로 반사량에 차이가 발생함을 확인할 수 있었다.
- 우선, 과대오차를 제외한 조건에서 종이(S2), 철판 (S4), 대리석(S7), 점토(S8)의 시험체에서 반사량의 변동 폭이 7mm이상으로 상대적으로 크게 나타났으며, 나무 (53) 와 아크릴(S5) 시험체는 5mm이하로 상대적으로 반사량의 변동폭이 작게 나타났다. 그리고 종이(S2), 철판 (54) , 대리석(S7) 시험체에서는 변동폭이 비교적 일정하게 나타난 반면 콘크리트(S1)와 점토(S8) 시험체는 변동 폭이 일정하지 않았다.
- 그리고 콘크리트(S1), 아크릴(S5), 점토(S8)에서 과대오차의 발생빈도가 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 각 시험체에 대하여 획득한스캔자료를 분석한 결과 시험체별로 다양한 반사량과 반사 패턴을 발견할 수 있었다. 이러한 결과는 동일한 조건하에서 스캐닝 작업이 이루어진 점을 고려할 때, 시험체별로 다른 반사특성을 나타내는 현상은 각 시험체의 표면물질의 차이에서 기인한 것으로 판단된다.
- 관측 방법에 따라 일정량의 굴절각 증분을 주기 위해 하나 또는 두 개의 거울(mirror)을 사용하거나 장비 전체가 회전하여 3차원 지형공간좌표를 얻는다. 이와 함께 디지털 카메라를 이용하여 스캐닝과 동시에 디지털 영상 또한 확보하여 3 차원 모형 의 구축시 텍스쳐 링 자료로 활용이 가능하여 3 차원 공간 정보 구축에 큰 편리성을 나타낸다.
- 나타내었다. 측정결과는 일반적인 대상물질의 반사율과 유사한 결과를 나타내었으나, 종이의 경우 일반적으로 50~60%정도의 반사율을 나타내는 것으로 알려지고 있으나 본 실험에서 사용한 종이의 경우 표면이 광택 처리된 흰색 하드보드지를 이용함으로써 높은 반사율을 나타낸 것으로 판단된다.
후속연구
- 이는 콘크리트 시험체의 제작과정에서 표면의 편평도가 떨어짐으로 인해 발생한 측정값들 중 과대오차에 해당하는 측정값만을 제외함으로써 실제 반사량으로 편입되어 있는 측정값들 중 편평도의 불량으로 인해 발생하였으나 제거되지 않은 측정값들이 상당수 존재함으로 인해 실제 반사량이 크게 분석된 것으로 판단된다. 1번 시험체의 표면을 완전한 평면 싱태로 제작할 경우 편평도 불량으로 인한 오차 요인을 배제할 수 있게 됨으로써 반사량은 상대적으로 적게 측정되어 반사율과 비례관계를 형성할 것으로 예측할 수 있을 것이다.
- 따라서 3차원 레이저스캐닝 시스템을 이용하여 대상물에 대한 측점군을 획득하는 경우, 표면물질의 반사율이 즉정정확도를 좌우하는 매우 중요한 요인임을 확인할 수 있었으며, 반사율에 따른 레이저파의 반사량을 측정하여 보정한다면 보다 정확한 측정값의 획득과 표면표현이 가능해 질 수 있을 것으로 사료된다.
- 의힌・VR(VirtualReality)의 구현과 지형 . 비지형 대상물의 3차원 구축 및 모델링의 정확도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 반사에 의해 발생하는 노이즈의 보정을 위한 자료로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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