구조물 실감 체험을 위한 야외 증강현실 기반의 3D 시각화 어플리케이션 개발 Development of Outdoor Augmented Reality Based 3D Visualization Application for Realistic Experience of Structures원문보기
최근 증강현실 기술이 발전함에 따라 다양한 산업분야에 활용되고 있으며, 특히 건축분야에서 구조물과 인간의 상호 작용에 큰 영향을 미치고 있다. 본 논문에서는 야외 증강현실 기술을 이용하여 구조물을 실감 체험하기 위한 3D 시각화 시스템을 제안한다. 제안된 어플리케이션은 야외 증강현실 기술을 이용하여 현장에서 미래에 건설될 고층빌딩, 교량, 선박 등의 구조물을 주위환경을 고려하여 증강시켜 시각화함에 따라 완공 후의 구조물을 정확하게 사용자에게 제공할 수 있어, 기존의 방식에 비해 훨씬 실감 있는 정보를 제공하며, 몰입감을 줄 수 있다.
최근 증강현실 기술이 발전함에 따라 다양한 산업분야에 활용되고 있으며, 특히 건축분야에서 구조물과 인간의 상호 작용에 큰 영향을 미치고 있다. 본 논문에서는 야외 증강현실 기술을 이용하여 구조물을 실감 체험하기 위한 3D 시각화 시스템을 제안한다. 제안된 어플리케이션은 야외 증강현실 기술을 이용하여 현장에서 미래에 건설될 고층빌딩, 교량, 선박 등의 구조물을 주위환경을 고려하여 증강시켜 시각화함에 따라 완공 후의 구조물을 정확하게 사용자에게 제공할 수 있어, 기존의 방식에 비해 훨씬 실감 있는 정보를 제공하며, 몰입감을 줄 수 있다.
Recently, as AR(Augmented Reality) technology develops, it is used in field of diverse industry and specially affects structures and human interaction in field of architecture. This paper proposes 3D visualization application for realistic experience of structures by using outdoor AR technology. Pro...
Recently, as AR(Augmented Reality) technology develops, it is used in field of diverse industry and specially affects structures and human interaction in field of architecture. This paper proposes 3D visualization application for realistic experience of structures by using outdoor AR technology. Proposed application visualizes structures such as high buildings, bridges, ships, and so on to be constructed in future, considering ambient environment by using outdoor AR technology, provides precisely user structures after completing construction and offers more realistic information and immersion as compared with previous methods.
Recently, as AR(Augmented Reality) technology develops, it is used in field of diverse industry and specially affects structures and human interaction in field of architecture. This paper proposes 3D visualization application for realistic experience of structures by using outdoor AR technology. Proposed application visualizes structures such as high buildings, bridges, ships, and so on to be constructed in future, considering ambient environment by using outdoor AR technology, provides precisely user structures after completing construction and offers more realistic information and immersion as compared with previous methods.
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문제 정의
본 논문에서는 사용자가 스마트폰을 이용하여 현장에서 시공 중이거나 시공 후의 고층빌딩, 교량, 선박 등의 구조물을 현장의 주변 환경을 고려하여 시각화하여 미리 확인이 가능하도록 하는 목적으로 어플리케이션을 설계하였다.
본 논문에서는 야외 증강현실 기술을 이용하여 구조물을 실감 체험형의 3D 시각화를 위한 어플리케이션을 제안한다.
제안 방법
그렇기 때문에 좀 더 정확하게 영상을 인식하기 위해 특징점 데이터뿐만 아니라 사용자의 현 위치 및 카메라의 방향에 대한 정보를 활용하여 매칭을 빠르게 수행하고 정확한 위치에 해당 3D모델을 정합시키기 위해 스마트폰에 내장되어 있는 GPS센서와 지자기 센서 데이터를 이용하여 사용자의 현 위치와 방향을 얻어내고 영상 특징점 데이터와 결합하여 정확한 위치를 계산하고 영상 트래킹을 수행한다.
또한, 비 마커 기반의 증강현실 기법을 사용하여 어플리케이션을 구현함에 따라 현장에서 별도의 마커을 부착할 필요가 없으며, 바로 구조물을 증강시켜 시각화하여 제공하기 때문에 사용자에게 몰입감과 현장감을 제공할 수 있도록 하였다.
또한, 시간이 흐름에 따라 달라지는 건설 현장의 모습으로 영상 매칭이 실패할 경우 GPS, 지자기, 자이로스코프 센서 데이터를 활용하여 사용자의 위치, 방향, 카메라 각도를 계산하여 구조물을 증강시킬 수 있도록 하였다.
먼저 센서 및 영상 데이터 수집 및 사전 설정 단계는 그림 4와 같으며, 이 단계에서는 구조물이 들어설 현실세계의 데이터를 수집하여 데이터베이스에 저장하는 단계로서 현장에서 미리 스마트폰에 내장된 카메라를 이용하여 구조물이 들어설 영상을 촬영한 후 GPS, 지자기센서, 자이로스코프 센서를 활용하여 사용자의 스마트폰이 현실세계의 어느 장소에서 어느 방향을 향하고 있는지 데이터를 수집하였다.
본 논문에서는 특징점을 이용한 영상 매칭을 이용하여 추가의 마커 없이 야외에서 가상의 대형 구조물을 정확한 위치와 크기로 증강시키는 실감형 3D 시각화 어플리케이션을 구현하였다.
사용자가 카메라로 시공 중인 구조물이나 시공전의 현장 영상을 촬영하고, 날씨 및 계절의 영향을 최소화 하기 위해 촬영된 영상을 그레이 이미지로 변환한 후 SURF알고리즘을 이용하여 특징점을 추출하였다.
실감 체험형 야외 증강현실 기술을 활용하여 구조물 3D모델을 현장에서 증강시켜 시각화를 테스트 하기 위해 그림 6과 같이 3D 구조물을 3D Studio Max의 프로그램을 활용하여 1:1 스케일의 정확한 크기의 3D 구조물을 모델링 하였다.
제안된 어플리케이션은 넓은 지역의 야외에서 마커가 없기 때문에 사용자의 카메라 영상을 하나의 마커로 인식하도록 하며, 야외에서는 날씨, 햇빛의 강약, 카메라의 회전에 관계없이 현장을 인식하기 위해서 그림 2와 같이 SURF 알고리즘을 이용하여 특징점을 추출하여 영상을 인식하고 트래킹 할 수 있도록 했다.
대상 데이터
증강현실은 고정형 디스플레이에 카메라가 디스플레이 상단에 고정되어 있는 데스크톱 형태. 스마트폰 혹은 안경형 디스플레이 같이 손으로 들고 다니거나 몸에 착용할 수 있는 모바일 형태 그리고 프로젝터를 활용하여 영상을 실제 공간에 증강시키는 설치 형으로 시스템 유형을 나누어 볼 수 있다.
성능/효과
구현된 어플리케이션은 야외 증강현실 기술을 이용하여 현장에서 미래에 건설될 고층빌딩, 교량, 선박 등의 구조물을 주위환경을 고려하여 증강시켜 시각화 함에 따라 완공 후의 구조물 외형을 설계도면이나 조감도 보다 쉽고 편리하게 사용자에게 제공함으로써 전문지식을 가지지 못한 작업자와 설계자와의 효율적인 의사소통이 가능하게 하였으며, 기존의 설계도면 및 조감도를 제시하는 방법에 비해 훨씬 몰입감 있는 체험할 수 있으며, 현장감 있는 정보를 제공한다.
제안된 어플리케이션은 야외 증강현실 기술을 이용하여 현장에서 미래에 건설될 고층빌딩, 교량, 선박 등의 구조물을 주위환경을 고려하여 증강시켜 시각화 함에 따라 완공 후의 구조물을 정확하게 사용자에게 제공할 수 있어, 기존의 방식에 비해 휠씬 실감 있는 정보를 제공하며, 몰입감을 줄 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
증강현실은 무엇인가?
증강현실(AR : Augmented Reality)은 인간과 컴퓨터의 상호작용 및 의사전달에 이용할 수 있는 새로운 패러다임으로 가상현실(VR : Virtual Reality)의 한 연구 분야로 가상 환경 및 가상현실에서 파생된 용어로 실제 환경에 컴퓨터로 생성한 가상 정보를 결합하여 사용자가 자신이 위치하고 있는 실세계의 영상과 컴퓨터가 생성한 가상의 영상을 실시간으로 합성된 영상을 제공하여 사용자에게 실세계에 대한 이해 및 현실감을 높여주는 기술이다[5-6].
컴퓨터에서 가상현실로 구조물을 구현하는 방식의 단점은?
하지만 이러한 방법은 시공 중인 장소에서 바로 확인이 불가능하며, 사용자가 따로 컴퓨터를 이용하여 살펴보아야 하므로 현장감과 몰입감이 떨어지고, 구조물이 실제 시공 중인 장소의 주변 환경에 바로 적용된 것이 아니므로 시간에 따른 환경 변화와 경사와 같은 지리적 특성 등 주변 환경에서 고려되어야하는 것들이 적용되지 않을 가능성이 크다.
마커기반 방식 증강현실 기술의 특징은 무엇인가?
마커기반 방식은 특징을 가지는 형태의 마커, 칼라 마커, 2D바코드가 대표적으로 있으며, 인공적인 마커를 이용하기 때문에 인식률이 높아 객체인식 및 추적을 쉽게 할 수 있으며, 성공적으로 증강현실에 적용될 수 있는 반면에 특정 영역에 마커를 설치해야하기 때문에 응용범위가 협소하고 현실감과 몰입감을 저해할 수 있다[7-8].
참고문헌 (12)
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Y.-J. Oh, O.-H. Cho, E.-K. Kim, "Design of 3D Ship Display System using Android," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 5, 2012, pp. 1011-1016.
Y.-J. Oh, E.-K. Kim, "Implementation and Analysis of 3D Fish Encyclopedia for Children Education in Mobile Environment," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 5, 2012, pp. 1005-1010.
E. Kim and S.-B. Lim, Y,-C, Choy, M,-H, Choi "Client-Centered mobile AR System for 3D Virtual Building Viewer," Conference on The Institute of electronics And Information Engineers , vol. 29, no. 2, 2006, pp. 981-984.
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B. Jang, C.-W. Kim and D.-H. Kim "Technology Note AR (Augmented Reality) technology," J, Information Systems Section, vol. 15 no. 11, 1997, pp. 14-19
M. Fiala, "Comparing ARTag and ARToolkit Plus Fiducial Marker Systems," IEEE International Workshop on Haptic Audio Visual Environments and their Applications, 2005, pp. 148-153.
S.Malik, G.Roth, and C.Mc Donald, "Robust corner tracking for real-time augmented reality," NRC Publications Archive, 2002.
B. Jiang, U. Neumannm and S. U, "A Robust Hybrid Tracking System for Out door Augmented Reality," In Proc. IEEE Virtual reality, 2004, pp. 3-275.
Y. Pang, M. Yuan and K. Toumi, "A Markerless Registration Method for Augmented Reality based on Affine Properties," In Proc. ACM 7th Australasi an User interface conference, vol. 50, 2006, pp. 25-32.
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