[논문]건물 시설물 관리 관점에서 GIS기반 대용량 BIM 형상 객체 표현을 위한 경량 BIM 형상 포맷 구조 개발에 관한 연구

강태욱; 홍창희

doi:10.12672/ksis.2013.21.3.079

건물 시설물 관리 관점에서 GIS기반 대용량 BIM 형상 객체 표현을 위한 경량 BIM 형상 포맷 구조 개발에 관한 연구
A Study on the Lightweight BIM Shape Format(LBSF) Structure Development to Represent the Large Volume BIM Geometry Objects based on GIS as the Viewpoint of the Building Facility Management 원문보기

한국공간정보학회지 = Journal of Korea Spatial Information Society, v.21 no.3, 2013년, pp.79 - 87

강태욱 (ICT Lab, Korea Institute of Construction Technology) , 홍창희 (ICT Lab, Korea Institute of Construction Technology)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 GIS기반에서 대용량 BIM 형상 객체를 효과적으로 표현하기 위한 경량 형상 포맷 구조 개발에 초점을 맞춘다. 최근 건물관리 유스케이스 관점에서 GIS기반에서 수많은 BIM 객체를 관리하고 필요한 정보를 표현하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이를 효과적으로 구현하기 위해서는 IFC와 같은 BIM정보표준모델을 도시차원에서 GIS상에 효과적으로 표현해야 한다. 이를 위해서는 BIM 정보를 포함한 경량화 된 BIM형상 가시화 방법과 포맷 구조를 제안하고 파일럿 테스트를 위해 프로토 타입을 구현해 본다. 파일럿 프로세스에서는 연구를 통해 도출된 설계 내용에 따라 3개 지역의 모델 데이터에 대해 일반적인 IFC파일과 경량BIM형상 포맷을 각각 구성한 후, 데이터 용량, 화면 로딩 시간 등의 성능을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study focuses on the development of the lightweight BIM shape format(LBSF) structure to present the large volume BIM geometry object based on GIS as the viewpoint of the building facility management. Recently, the BIM-based facility management with GIS is researching with the purpose of the urban facility management etc. To implement these use-cases, the BIM geometry objects can be visualized based on urban level with GIS effectively. To do this, the lightweight BIM shape format is designed with the considerations and the prototype for the pilot test is implemented. In the pilot test phase, after developing the IFC file and LBSF file about the model data of the three areas, the performance with the data volume, the screen loading time etc was compared.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구 범위는 이러한 차원에서 경량화 된 BIM 형상 객체 표현을 위한 방법과 포맷 구조를 제안하고 프로토타입을 구현해 봄으로써 유용성을 확인한다. 이를 위해 형상정보 경량화에 관한 관련 연구를 조사하고 IFC를 처리하기 위해 필요한 단계들을 미리 처리해 놓음으로써 가시화 성능을 개선하고자 한다.
본 연구는 건물 시설물 관리 차원에서 필요한 GIS기반에서 수많은 BIM 객체 형상 가시화 시 데이터가 가지는 성능상의 문제점을 해결하기 위해 경량화 된 BIM형상 객체 표현을 위한 방법과 포맷 구조를 제안하고 프로토타입을 구현하였으며 3개의 샘플과 4개의 지표를 통해 성능 개선 관점에서 유용성을 확인하였다.
본 연구 범위는 이러한 차원에서 경량화 된 BIM 형상 객체 표현을 위한 방법과 포맷 구조를 제안하고 프로토타입을 구현해 봄으로써 유용성을 확인한다. 이를 위해 형상정보 경량화에 관한 관련 연구를 조사하고 IFC를 처리하기 위해 필요한 단계들을 미리 처리해 놓음으로써 가시화 성능을 개선하고자 한다. 다만, 대용량 BIM 객체 가시화 성능개선 위한 경량화 방법에 초점을 맞추고 있어 파일 포맷에 속성에 관한 LOD(Level Of Detail) 최적화나 공간 인덱싱은 본 연구에서는 포함되지 않았다.

가설 설정

1. 가시화 성능: 가시화시 기하학적인 계산처리를 최대한 줄여야 함. 이를 위해 미리 계산된 표면 정보를 사용하고 LOD를 관리할 수 있어야 함.

제안 방법

본 연구의 방법은 다음 Figure 1과 같이 관련 연구 동향을 우선 조사하고 기존 연구의 한계점과 시사점을 도출한다. BIM 표준 포맷인 IFC 파일의 구조를 분석하여 한계점을 파악하고 GIS기반 도시 시설물 관리차원에서 표현되는 대용량 도시 시설물 객체들의 형상 가시화를 위한 방법과 포맷 구조를 제안한다. 이를 통해 경량 BIM 형상 포맷(LBSFLightweight BIM Shape Format)의 구조를 정의하고 LBSF 지원을 위한 클래스와 컴포넌트 구조를 제안한다.
각 샘플별로 제안된 방식을 대용량 BIM 형상 가시화를 위해 중요하다고 생각되는 로딩 시간, 메모리 사용량, FPS(Frames Per Second) 지표로 테스트 하였다. 성능 측정 지표로 사용된 IFC 파일을 로딩하는 시간에는 파싱 처리 단계와 형상을 메쉬 처리하는 단계가 포함되어 있는 데 경량 BIM 형상 포맷에는 이미 처리되어 있으므로 속도 개선을 기대할 수 있다.
대용량 데이터의 원할 서비스를 위해 최외곽 표면정보만을 추출해 가시화 성능 개선과 관련된 CityGML의 LOD 처리 개념을 고려하였다. 그리고 실제 GIS상에 BIM객체들을 가시화할 경우 IFC포맷에서 변환된 LBSF파일을 로딩해 사용하도록 한다.
대용량 데이터의 원할 서비스를 위해 최외곽 표면정보만을 추출해 가시화 성능 개선과 관련된 CityGML의 LOD 처리 개념을 고려하였다. 그리고 실제 GIS상에 BIM객체들을 가시화할 경우 IFC포맷에서 변환된 LBSF파일을 로딩해 사용하도록 한다.
관련해 CAE/CAI에서 생성된 대용량 형상 데이터를 웹 기반에서 협업을 지원하는 연구가 있었으며 생성된 데이터를 경량화하여 가시화 표현을 통해 웹 기반에서 협업할 수 있는 방법론과 자료구조를 연구하였다[1]. 여기서 적용한 방법은 형상 메쉬에서 해석에 크게 영향을 미치지 않는 부분은 특정 조건에 의해 메쉬를 간략화함으로써 경량화하는 방법을 사용하였다. 이 연구는 해석 결과로 출력되는 메쉬에 대해서만 메쉬 간략화를 수행한 연구로 건물시설물 관리차원의 활용 목적과는 차이가 있다.
또한, IFC를 파싱하는 단계도 수많은 문자열 처리 및 구문 해석처리가 포함되므로 이 부분도 미리 처리할 수 있다면 GIS기반의 수많은 건물시설물 BIM객체들을 로드하는 데 속도를 개선할 수 있다. 이를 고려하여 IFC 가시화 단계 중 미리 처리할 수 있는 형상 정보들을 생성하기 위한 알고리즘을 디자인하고 이 정보들을 담기 위한 포맷을 디자인 한 후 컴포넌트와 클래스 구조를 제안한다.
BIM 표준 포맷인 IFC 파일의 구조를 분석하여 한계점을 파악하고 GIS기반 도시 시설물 관리차원에서 표현되는 대용량 도시 시설물 객체들의 형상 가시화를 위한 방법과 포맷 구조를 제안한다. 이를 통해 경량 BIM 형상 포맷(LBSFLightweight BIM Shape Format)의 구조를 정의하고 LBSF 지원을 위한 클래스와 컴포넌트 구조를 제안한다. 제안된 포맷 구조의 성능을 확인하기 위해 프로그램을 개발하고 파일럿 테스트를 수행한다.
이런 이유로 IFC를 파싱하고 객체를 얻은 후에 지역좌표계를 전역좌표계(World Coordination Reference System)로 계산해 변환해야 한다. 이후 각 객체 형상에 수학적으로 표현된 파라메트릭 정보를 이용하여 메쉬 처리(Mesh Processing)를 한 후 적절한 가시화 성능을 얻기 위해 LOD를 계산한다. LOD는 3장에서 언급한 메쉬 간소화 기법을 사용하고 간소화 기법의 대부분은 메쉬 간소화 목적에 따른 메쉬를 구성하는 정점, 모서리, 면을 제거하는 방법에 대한 것들이다.
LOD는 3장에서 언급한 메쉬 간소화 기법을 사용하고 간소화 기법의 대부분은 메쉬 간소화 목적에 따른 메쉬를 구성하는 정점, 모서리, 면을 제거하는 방법에 대한 것들이다. 이후 얻어진 LOD의 메쉬를 OpenGL과 같은 렌더링 엔진을 이용해 화면에 렌더링하여 객체 형상을 가시화한다.
메모리 사용량은 성능 개선과 관련해 특별한 알고리즘이나 데이터 포맷을 사용할 때 영향을 받는다. 제시한 방법이 메모리 사용량에 어떤 영향을 미치는 지 알아보기 위해 메모리 사용량을 확인 하였다. FPS는 응답성 관련된 것으로 수치가 낮을수록 형상 정보를 관찰하는 것에 어려움을 느낄 수 있다.
제안된 경량화 방법을 통해 가시화 성능을 비교하기 위해 파일 로딩 시간, 데이터 용량, 메모리 사용량에 대하여 제안된 방법인 표면정보 변환 방법과 최외곽 표면정보 추출 방법 그리고 기존 IFC 포맷을 사용하는 방법 세가지를 비교하였다.
이를 통해 경량 BIM 형상 포맷(LBSFLightweight BIM Shape Format)의 구조를 정의하고 LBSF 지원을 위한 클래스와 컴포넌트 구조를 제안한다. 제안된 포맷 구조의 성능을 확인하기 위해 프로그램을 개발하고 파일럿 테스트를 수행한다. 파일럿 테스트에 사용된 3개 샘플을 이용하여 기존 방식과 제안된 방식으로 경량화 된 두 가지 방식을 포함한 세 가지 방식을 비교한다.
최외곽 표면정보 추출 알고리즘은 간단하게 다음 Figure 4와 같이 생성된 BIM 형상에서 형상을 구성하고 있는 각 표면정보에 대해 카메라를 형상 중심점을 바라보게 하고 BIM 형상 주변 상하좌우에 배치시켜 보이는 표면정보를 검사하는 방식으로 진행한다. 다만, 이 방식은 곡면이나 복잡한 형태에서 카메라에 보이지 않은 표면정보가 있을 경우 제대로 최외곽 표면정보를 추출하기 어려운 한계가 있어 향후 개선이 필요하다.
제안된 포맷 구조의 성능을 확인하기 위해 프로그램을 개발하고 파일럿 테스트를 수행한다. 파일럿 테스트에 사용된 3개 샘플을 이용하여 기존 방식과 제안된 방식으로 경량화 된 두 가지 방식을 포함한 세 가지 방식을 비교한다.

이론/모형

건물시설물 객체 관리차원에서 불필요한 연산인 전역좌표계 변환 및 모델링 정보 생성하는 부분들을 미리 계산하고 메쉬 간소화기법을 이용해 LOD를 계산한다.

성능/효과

4. 압축성 고려: 파일 포맷에서 성격이 유사한 요소들은 그룹으로 관리하여 그룹 내에서 압축과 해제가 손쉽게 일어날 수 있도록 함.
LOD3 이하에 해당하는 최외곽 표면정보를 처리한 LBSF의 LOD 모델 데이터 용량은 샘플#1의 경우 89% 정도로 감소하는 것으로 나타났으며, 데이터 로딩 시간은 샘플#2의 경우 98%, 샘플#1의 경우 메모리 사용량은 약 88% 정도로 감소하였으며, FPS는 샘플#3의 경우 약 1.9배 개선된 것으로 나타났다. 렌더링해야 하는 표면정보 개수가 줄어들었으므로 전반적으로 성능이 크게 개선되었다.
이는 두 포맷 모두 렌더링해야 하는 표면정보의 개수에는 크게 변함이 없기 때문으로 판단된다. 결론적으로 표면정보를 미리 계산해 놓은 LBSF포맷은 데이터 로딩 시간이 크게 개선된 것을 알 수 있다.
정량적 성능평가 결과에 의하면 LBSF 포맷은 데이터 로딩 시간은 샘플#2의 경우 95%감소하는 것으로 나타났으며 이는 LBSF포맷이 파싱 처리 단계와 메쉬 처리 단계를 미리 처리하여 이 부분에서 성능 개선이 있었다고 판단된다. 메모리 사용량은 샘플#1의 경우 최대 64%감소하였고, 모델 데이터 용량과 PS에 대해서는 큰 차이가 없었다. 이는 두 포맷 모두 렌더링해야 하는 표면정보의 개수에는 크게 변함이 없기 때문으로 판단된다.
비교 검증 결과에서 보는 바와 같이 건물시설물 관리 관점에서는 모델링에 필요한 모든 정보가 포함된 IFC포맷을 활용한다면 GIS과 같은 대규모 지형에 표현되는 수많은 BIM형상을 효과적으로 표현하기 어렵다. 이러한 경우 시설물 관리 관점에서 필요한 형상과 속성만 추출한 포맷을 활용하는 것이 효과적이며 이와 관련해 제안한 LBSF포맷 성능이 IFC포맷을 그대로 활용할 때 보다 뛰어난 것을 알수 있다. 특히 GIS관점에서 모든 BIM객체를 렌더링할 때는 최외곽 표면정보만 가지고 있는 LBSF포맷이 성능을 고려해 볼 때 유리하므로 사용자가 보는 관점과 LOD에 따라 전략적으로 각 포맷을 활용할 필요가 있다.
정량적 성능평가 결과에 의하면 LBSF 포맷은 데이터 로딩 시간은 샘플#2의 경우 95%감소하는 것으로 나타났으며 이는 LBSF포맷이 파싱 처리 단계와 메쉬 처리 단계를 미리 처리하여 이 부분에서 성능 개선이 있었다고 판단된다. 메모리 사용량은 샘플#1의 경우 최대 64%감소하였고, 모델 데이터 용량과 PS에 대해서는 큰 차이가 없었다.

후속연구

이를 위해 형상정보 경량화에 관한 관련 연구를 조사하고 IFC를 처리하기 위해 필요한 단계들을 미리 처리해 놓음으로써 가시화 성능을 개선하고자 한다. 다만, 대용량 BIM 객체 가시화 성능개선 위한 경량화 방법에 초점을 맞추고 있어 파일 포맷에 속성에 관한 LOD(Level Of Detail) 최적화나 공간 인덱싱은 본 연구에서는 포함되지 않았다.
최외곽 표면정보 추출 알고리즘은 간단하게 다음 Figure 4와 같이 생성된 BIM 형상에서 형상을 구성하고 있는 각 표면정보에 대해 카메라를 형상 중심점을 바라보게 하고 BIM 형상 주변 상하좌우에 배치시켜 보이는 표면정보를 검사하는 방식으로 진행한다. 다만, 이 방식은 곡면이나 복잡한 형태에서 카메라에 보이지 않은 표면정보가 있을 경우 제대로 최외곽 표면정보를 추출하기 어려운 한계가 있어 향후 개선이 필요하다.
향후 계획은 가시화 성능개선 위한 공간 인덱싱을 함께 고려하고 최외곽 표면정보를 처리하는 메쉬 프로세싱부분을 개선하여 성능을 높이고 데이터 압축 기법 및 가상메모리 관리기법을 연구해 GIS기반 대용량 BIM객체 분산 처리 기법을 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대용량 BIM 형상 가시화를 위해 중요하다고 생각되는 지표는 무엇인가?	각 샘플별로 제안된 방식을 대용량 BIM 형상 가시화를 위해 중요하다고 생각되는 로딩 시간, 메모리 사용량, FPS(Frames Per Second) 지표로 테스트 하였다. 성능 측정 지표로 사용된 IFC 파일을 로딩하는 시간에는 파싱 처리 단계와 형상을 메쉬 처리하는 단계가 포함되어 있는 데 경량 BIM 형상 포맷에는 이미 처리되어 있으므로 속도 개선을 기대할 수 있다.
	BIM분야에서 사용되는 표준모델인 IFC의 문제점은?	이러한 연구에서 문제가 되는 것들 중에 하나는 GIS기반에서 수많은 BIM 객체의 형상정보를 효과적으로 가시화하고 표현하는 일이다. 보통 BIM분야에서 사용되는 표준모델인 IFC는 구조가 복잡하고 파라메트릭한 정보가 포함되어 있어 그대로 활용하기에는 성능의 문제가 있다. 특히 파일 로딩 시 파일 포맷이 압축되지 않은 텍스트 기반이라 파일 파싱(Parsing) 단계에서 토큰(Token)처리를 포함한 수많은 스트링(String) 처리 연산이 수행된다.
	GIS와 BIM을 융합해 건물 시설물 관리와 같은 유스케이스를 실현하고자 하는 연구에서 문제가 되는 것 중 하나는?	최근 GIS와 BIM을 융합해 건물 시설물 관리와 같은 유스케이스를 실현하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구에서 문제가 되는 것들 중에 하나는 GIS기반에서 수많은 BIM 객체의 형상정보를 효과적으로 가시화하고 표현하는 일이다. 보통 BIM분야에서 사용되는 표준모델인 IFC는 구조가 복잡하고 파라메트릭한 정보가 포함되어 있어 그대로 활용하기에는 성능의 문제가 있다.

참고문헌 (10)

Chang, K. J. 2011, A study on the expression of lightweight-visualization about CAE/CAI data and collaboration in a network environment, Master Thesis, Chungang University.
Hwang, J. R; Kang, T. W; Hong, C. H. A Study on The Correlation Analysis Between IFC and CityGML for Efficient Utilization of Construction Data and GIS Data, Korea Spatial Information Society, 20(5):49-56.

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Kwak, J. G. 2011, Theoretical study on construction of 3D data for control logic validation, Doctoral Thesis, Ajou University.
Kang, T. W; Hong, C. H; Hwang, J. R; Choi, H. S. 2012, The External BIM Reference Model Suggestion for Interoperability Between BIM and GIS, Korea Spatial Information Society, 20(5):91-98.

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Lee, O. L. 2009, Lightening CAE Analysis Data using JT, Master Thesis, Hanyang University.
Park, K. H. 2008, Automatic 3D PDF Generation on a 3D Viewer System, Master Thesis, Chungang University.
Reed, K; Harrod, D; Conrroy, W. 1990, the Initial Graphics Exchanges Specification(IGES) Version 5.0. NIST.
Thomas, L. 2013, IFC4 - the new building SMART Standard.
UGS, 2006, JT File Format Reference Version 8.1.
Wakita, A; Yajima, M; Harada, T; Toriya, H; Chiyokura, H. XVL, A Compact and Qualified 3D Representation.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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