최근 군사적 목적으로 제작된 드론의 활용이 일반적인 용도로 그 사용처가 확대되고 있다. 콘텐츠 제작에 있어 드론이 활발하게 사용되고 있는데 특히 영상 촬영 분야에서 가장 눈에 띄게 나타나고 있다. 본 논문에서는 드론에서 촬영된 2차원 영상 데이터를 이용하여 포인트 클라우드 및 3차원 모델을 생성하고 메쉬 데이터를 3차원 라이브러리로 모듈화한 플랫폼을 개발한다. 이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하고, 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발한다. 본 논문에서 개발된 플랫폼은 촬영된 데이터를 3차원 데이터로 변환하여 영화, 드라마, 다큐멘터리 등의 제작 시에 특수 영상을 위한 실제 세트 제작 비용 절감 및 시간을 단축 할 수 있고, 실감 미디어 및 특수 영상, 전시 영상 분야의 디지털 콘텐츠 제작 전문 인력 창출에 기여 할 수 있다.
최근 군사적 목적으로 제작된 드론의 활용이 일반적인 용도로 그 사용처가 확대되고 있다. 콘텐츠 제작에 있어 드론이 활발하게 사용되고 있는데 특히 영상 촬영 분야에서 가장 눈에 띄게 나타나고 있다. 본 논문에서는 드론에서 촬영된 2차원 영상 데이터를 이용하여 포인트 클라우드 및 3차원 모델을 생성하고 메쉬 데이터를 3차원 라이브러리로 모듈화한 플랫폼을 개발한다. 이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하고, 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발한다. 본 논문에서 개발된 플랫폼은 촬영된 데이터를 3차원 데이터로 변환하여 영화, 드라마, 다큐멘터리 등의 제작 시에 특수 영상을 위한 실제 세트 제작 비용 절감 및 시간을 단축 할 수 있고, 실감 미디어 및 특수 영상, 전시 영상 분야의 디지털 콘텐츠 제작 전문 인력 창출에 기여 할 수 있다.
Recently, a drone is used for the general purpose application although the drone was builtfor the military purpose. A drone is actively used for the creation of contents, and an image acquisition. In this paper, we develop a 3D library module platform using 3D mesh model data, which is generated by ...
Recently, a drone is used for the general purpose application although the drone was builtfor the military purpose. A drone is actively used for the creation of contents, and an image acquisition. In this paper, we develop a 3D library module platform using 3D mesh model data, which is generated by a drone image and its point cloud. First, a lot of 2D image data are taken by a drone, and a point cloud data is generated from 2D drone images. A 3D mesh data is acquired from point cloud data. Then, we develop a service library platform using a transformed 3D data for multi-purpose uses. Our platform with 3D data can minimize the cost and time of contents creation for special effects during the production of a movie, drama, or documentary. Our platform can contribute the creation of experts for the digital contents production in the field of a realistic media, a special image, and exhibitions.
Recently, a drone is used for the general purpose application although the drone was builtfor the military purpose. A drone is actively used for the creation of contents, and an image acquisition. In this paper, we develop a 3D library module platform using 3D mesh model data, which is generated by a drone image and its point cloud. First, a lot of 2D image data are taken by a drone, and a point cloud data is generated from 2D drone images. A 3D mesh data is acquired from point cloud data. Then, we develop a service library platform using a transformed 3D data for multi-purpose uses. Our platform with 3D data can minimize the cost and time of contents creation for special effects during the production of a movie, drama, or documentary. Our platform can contribute the creation of experts for the digital contents production in the field of a realistic media, a special image, and exhibitions.
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문제 정의
본 논문에서는 드론에서 촬영된 2차원 영상 데이터를 이용하여 포인트 클라우드 및 3차원 모델을 생성하고 메쉬 데이터를 3차원 라이브러리로 모듈화한 플랫폼을 개발하였다. 이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하였다.
이와 같이 기존 연구들은 주로 드론 등의 초경량 무인 비행 장치로부터 취득한 3차원 공간 정보를 이용하여 기존의 지형 측량 장비들을 대체하거나 보완할 수 있는 기술로서 지형등고선, 수치표고모형과 현황도 및 횡단면도 제작, 지형·지물 변화정보 추출 등의 목적으로 활용되어 왔다. 본 논문에서는 드론에서 촬영된 2차원 영상 데이터를 이용하여 포인트 클라우드 및 3차원 모델을 생성하고 메쉬 데이터를 3차원 라이브러리로 모듈화한 플랫폼을 개발한다. 이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하고, 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발한다.
기존에 드론으로 촬영한 영상은 대부분 실사 2차원 영상 그대로 영상물에 사용되는 것이 보편적이었다. 본 논문에서는 드론을 활용한 대상물의 데이터 취득을 위한 촬영 계획 설계 및 유형 선택, 비행 유형과 경로 등을 관계 법령을 체계적으로 검토 진행 후 대상물에 대한 2차원 영상을 촬영한다. 이를 포인트 클라우드로 변환하고, 3차원 메쉬 데이터로 변환한다.
이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하고, 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발한다. 본 논문의 플랫폼 개발의 목적은 드론을 이용하여 촬영된 데이터를 3차원 데이터로 변환하여 영화, 드라마, 다큐멘터리 등의 제작 시에 특수 영상을 위한 실제 세트 제작 비용 절감 및 시간을 단축 할 수 있고, 실감 미디어 및 특수 영상, 전시 영상 분야의 디지털 콘텐츠 제작 전문 인력 창출에 기여 할 수 있다.
본 논문의 플랫폼 개발의 목적은 드론을 이용하여 촬영된 데이터를 3차원 데이터로 변환하여 영화, 드라마, 다큐멘터리 등의 제작 시에 특수 영상을 위한 실제 세트 제작 비용 절감 및 시간을 단축 할 수 있고, 실감 미디어 및 특수 영상, 전시 영상15) 분야의 디지털 콘텐츠 제작 전문 인력 창출에 기여 할 수 있다. 그 밖에 문화재16)나 개발 전 환경, 사고 현장의 기록들을 2차원 영상이 아닌 3차원 객체로 만들어 변화와 보존에 관련된 데이터베이스 구축이 가능하다.
제안 방법
강화 지석묘는 사계절에 걸쳐 자연환경에 따른 고인돌의 느낌 및 변이 현상을 관찰하기에 적합하다고 판단되어 드론 촬영 대상물로 선정하였다. 드론 촬영에 들어가기 위해 강화군청과 사전에 협의를 거친 이후에 촬영을 시행하였다.
조4)는 무인 항공기에서 촬영된 영상으로부터 포인트 클라우드 데이터, 수치 정사 영상 등의 3차원 공간 정보를 취득하고, 취득된 데이터의 정확성을 분석하기 위하여 GPS 측량 정보와 비교 분석을 수행하였다. 또한 무인항공기를 이용하여 토목 시공 현장의 최신 지형 공간 정보를 취득할 수 있는 방법을 모색하고, 취득된 3차원 공간 정보를 이용하여 시공 현장 3차원 관리 시스템을 개발하여 현장 관리와 신속한 의사 결정을 지원할 수 있는 방안을 제시하였다. 채5) 등은 소형 무인 항공기인 드론을 이용하여 3차원 공간 정보를 구축하였고, 활용성을 검증하였다.
줄무늬 패턴 매칭은 색 공간이 분할된 줄무늬 패턴과 프로젝터가 투사하는 원본 줄무늬 패턴을 서로 대조하여 최소의 비용이 발생하는 줄무늬를 선택하는 역할을 한다. 마지막으로 3차원 깊이 정보 계산은 카메라와 프로젝터의 기하학적 관계를 통해 추출된 모든 점의 깊이 정보를 계산한다.
이를 포인트 클라우드로 변환하고, 3차원 메쉬 데이터로 변환한다. 마지막으로 이렇게 생성된 3차원 메쉬 데이터를 라이브러리 데이터로 만들고 공용으로 쓸 수 있는 다양한 포맷으로 변환하여 라이브러리를 구축한다.
먼저 140개의 영상을 촬영하여 데이터 추출을 위한 레퍼런스로 삼았는데, 지석묘의 정확한 형태를 파악하기 위해 다양한 높이와 거리에서 촬영하였다. 이를 바탕으로 그림 4에서와 같이 2차원 영상 기반의 포인트 클라우드 변환을 수행하였다.
이 때, 본 논문에서는 크기, 이동, 회전 등의 어파인 변환에 강인한 특성을 갖는 알고리즘으로 잘 알려진 SIFT(Scale-Invariant Feature Transform) 특징 기술자와, 많은 대응 쌍을 바탕으로 최적의 변환 파라미터를 찾기 위한 RANSAC(Random Sample Consensus) 알고리즘9)10)을 사용하였다. 먼저 블록 매칭(Block Matching)을 통하여 유사한 영역을 중심으로 관심 영역을 설정하고, 각 영상의 관심 영역에서 SIFT 특징을 추출하고, 각각의 특징점을 중심으로 4개의 이웃점의 상관 관계가 높은 쌍을 대응점으로 선택한다. 다음으로, 상관 관계가 높은 쌍들 중에서 다른 대응점과의 거리가 임계값 이상인 대응점을 대표 특징 쌍으로 결정하고, 대표 특징 쌍을 기준으로 출력 영상의 크기를 결정하고, 이에 맞는 변환 함수를 적용한다.
본 연구에서는 드론으로 촬영을 하는 비행 계획은 총 4가지로 계획한다. 1번 비행 계획은 지상 1.
본 연구에서는 보급형 무인항공기 DJI PHANTOM 2 VISION+를 이용하여 대상 지역의 항공 사진 촬영을 수행하였다. DJI PHANTOM 2 VISION+는 4개의 회전익을 가진 쿼드콥터(Quardcopter)로서, 기체에 GPS/IMU가 내장되어 자세제어, 정지비행, 자동 이착륙 등이 가능하며, 1,400만 화소의 RGB 카메라 PHANTOM MSIONFC200_5.
다음으로, 상관 관계가 높은 쌍들 중에서 다른 대응점과의 거리가 임계값 이상인 대응점을 대표 특징 쌍으로 결정하고, 대표 특징 쌍을 기준으로 출력 영상의 크기를 결정하고, 이에 맞는 변환 함수를 적용한다. 이때 변환 함수는 기본적인 크기 변환, 회전, 이동, 투영 변환으로 구성된 어파인 변환 함수를 고려하였으며, RANSAC 알고리즘을 사용하여 최적의 변환 함수를 추정하였다. 마지막으로 정합된 특이점들을 추출하여 3차원 좌표를 가지는 포인트 클라우드를 생성한다.
본 논문에서는 드론에서 촬영된 2차원 영상 데이터를 이용하여 포인트 클라우드 및 3차원 모델을 생성하고 메쉬 데이터를 3차원 라이브러리로 모듈화한 플랫폼을 개발한다. 이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하고, 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발한다. 본 논문의 플랫폼 개발의 목적은 드론을 이용하여 촬영된 데이터를 3차원 데이터로 변환하여 영화, 드라마, 다큐멘터리 등의 제작 시에 특수 영상을 위한 실제 세트 제작 비용 절감 및 시간을 단축 할 수 있고, 실감 미디어 및 특수 영상, 전시 영상 분야의 디지털 콘텐츠 제작 전문 인력 창출에 기여 할 수 있다.
본 논문에서는 드론에서 촬영된 2차원 영상 데이터를 이용하여 포인트 클라우드 및 3차원 모델을 생성하고 메쉬 데이터를 3차원 라이브러리로 모듈화한 플랫폼을 개발하였다. 이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하였다. 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발하였다.
이를 통하여 수치 지도의 수시 갱신이 용이하다는 점과 중복 투자가 최소화됨에 따라 예산절감 효과 등이 있음을 입증하였다. 조4)는 무인 항공기에서 촬영된 영상으로부터 포인트 클라우드 데이터, 수치 정사 영상 등의 3차원 공간 정보를 취득하고, 취득된 데이터의 정확성을 분석하기 위하여 GPS 측량 정보와 비교 분석을 수행하였다. 또한 무인항공기를 이용하여 토목 시공 현장의 최신 지형 공간 정보를 취득할 수 있는 방법을 모색하고, 취득된 3차원 공간 정보를 이용하여 시공 현장 3차원 관리 시스템을 개발하여 현장 관리와 신속한 의사 결정을 지원할 수 있는 방안을 제시하였다.
이를 위하여 먼저 드론을 이용하여 2차원 영상 데이터를 취득하고, 취득된 2차원 영상 데이터를 기반으로 하여 포인트 클라우드를 생성하였다. 추출된 포인트 클라우드를 3차원 메쉬 데이터로 변환한 후 변환되어진 3차원 데이터를 다양한 분야에 활용될 수 있도록 서비스 라이브러리 플랫폼을 개발하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 150장의 2차원 드론 촬영 영상 중에서 특이점을 추출하기 어려운 10장의 사진을 제외한 140장의 사진을 이용하여 3차원 공간 정보를 제작하였다. 3차원 공간 정보를 취득한 결과 특이점은 Tie Points는 13,385개가 Dense Cloud Points는 15,654개를 획득하였다.
강화군 하점면 부근리에 위치한 강화 지석묘는 인천 강화군 하점면 부근리 317에 위치한 문화재로 사적 137호이다. 강화 지석묘는 사계절에 걸쳐 자연환경에 따른 고인돌의 느낌 및 변이 현상을 관찰하기에 적합하다고 판단되어 드론 촬영 대상물로 선정하였다. 드론 촬영에 들어가기 위해 강화군청과 사전에 협의를 거친 이후에 촬영을 시행하였다.
본 연구에서 3차원 라이브러리 플랫폼 구축을 위한 촬영 대상은 강화 지석묘를 선정하였다. 강화군 하점면 부근리에 위치한 강화 지석묘는 인천 강화군 하점면 부근리 317에 위치한 문화재로 사적 137호이다. 강화 지석묘는 사계절에 걸쳐 자연환경에 따른 고인돌의 느낌 및 변이 현상을 관찰하기에 적합하다고 판단되어 드론 촬영 대상물로 선정하였다.
대상 지역은 제주특별자치도 서귀포시 성산읍에 위치한 성산일출봉 및 그 일원으로 조사면적은 1400m×800m이었다.
본 연구에서 3차원 라이브러리 플랫폼 구축을 위한 촬영 대상은 강화 지석묘를 선정하였다. 강화군 하점면 부근리에 위치한 강화 지석묘는 인천 강화군 하점면 부근리 317에 위치한 문화재로 사적 137호이다.
본 연구에서는 150장의 2차원 드론 촬영 영상 중에서 특이점을 추출하기 어려운 10장의 사진을 제외한 140장의 사진을 이용하여 3차원 공간 정보를 제작하였다.
3차원 데이터를 구성하는 무수히 많은 포인트 클라우드 데이터는 후처리 과정에서 다루기 어렵고 표면을 표현하는데 어려움이 있기 때문에 그림 3에서와 같이 메쉬 구축을 통해 3D 모델링 과정을 거친다. 본 연구에서는 총 1,629,444개의 face와 816,591개의 vertex가 형성되었다.
이론/모형
그 후 중복된 드론 촬영 사진들 간의 비교를 통해 여러 장의 사진에서 동일한 지점을 나타내는 특이점을 자동 정합8)한다. 이 때, 본 논문에서는 크기, 이동, 회전 등의 어파인 변환에 강인한 특성을 갖는 알고리즘으로 잘 알려진 SIFT(Scale-Invariant Feature Transform) 특징 기술자와, 많은 대응 쌍을 바탕으로 최적의 변환 파라미터를 찾기 위한 RANSAC(Random Sample Consensus) 알고리즘9)10)을 사용하였다. 먼저 블록 매칭(Block Matching)을 통하여 유사한 영역을 중심으로 관심 영역을 설정하고, 각 영상의 관심 영역에서 SIFT 특징을 추출하고, 각각의 특징점을 중심으로 4개의 이웃점의 상관 관계가 높은 쌍을 대응점으로 선택한다.
성능/효과
정 등3)은 형상의 변화가 수시로 발생하는 도시 지역을 중심으로 무인항공기를 통하여 취득한 영상을 활용하여 3차원 정보를 신속하게 취득하는 기법을 제시하였다. 이를 통하여 수치 지도의 수시 갱신이 용이하다는 점과 중복 투자가 최소화됨에 따라 예산절감 효과 등이 있음을 입증하였다. 조4)는 무인 항공기에서 촬영된 영상으로부터 포인트 클라우드 데이터, 수치 정사 영상 등의 3차원 공간 정보를 취득하고, 취득된 데이터의 정확성을 분석하기 위하여 GPS 측량 정보와 비교 분석을 수행하였다.
후속연구
그 밖에 문화재16)나 개발 전 환경, 사고 현장의 기록들을 2차원 영상이 아닌 3차원 객체로 만들어 변화와 보존에 관련된 데이터베이스 구축이 가능하다. 향후 실제 데이터의 실제 측량 결과와 3차원 재구성 결과의 정확성 평가 등을 수행할 수 있는 연구를 계획하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
드론이란 무엇인가?
최근 영상 산업 분야를 중심으로 드론(Drone)을 이용한 촬영물이 빈번하게 제작되고 있다. 드론은 사람이 타지 않고 무선 전파의 유도에 의해서 비행하는 비행기나 헬리콥터 모양의 비행체를 가리키는데, 최초 군사용으로 시작된 드론의 기술은 크게 발전하여 세계 각국의 주요 공중 전력으로 사용되고 있으며 정찰, 감시, 공격 등 다양한 임무에 투입되어 왔다. 이러한 드론의 활용도는 군사용 뿐만 아니라 다른 영역으로 그 범위를 확대해 가고 있는 추세인데, 특히 민간용 드론이 대중화되면서 주로 연구, 방송, 재난 구조, 취미 활동, 물류 배송 등의 다양한 목적으로 많이 사용되고 있다.
항공 촬영 분야에서 드론의 장점은 무엇인가?
이같은 드론의 대중화로 가장 큰 변화를 겪고 있는 분야 중 하나는 항공 촬영 분야인데, 드론으로 인해 기존의 항공 촬영 시 소요되는 고가의 비용을 절감할 수 있다는 장점 외에도 저공 촬영이나 곡예 비행을 통해 스펙타클한 영상을 구현할 수 있으며, 장소의 제약에서 자유로우며 또한 비행 절차가 간편하고, 기동력이 뛰어나 신속한 대처가 가능하고, 조작이 비교적 간편하다는점 등이 대표적인 장점이라고 할 수 있다. 이처럼 드론을 이용한 항공 촬영은 주로 영상물 제작에 있어 더욱 풍부하고 현장감있는 화면을 제작하는데 큰 도움을 주지만, 단순히 촬영위주의 활용도에서 벗어나 이를 특수 영상 제작 등에 이용하는 것도 가능하다.
본 연구에서 계획한 드론으로 촬영을 하는 비행 계획 네 가지는 무엇인가?
본 연구에서는 드론으로 촬영을 하는 비행 계획은 총 4가지로 계획한다. 1번 비행 계획은 지상 1.5 ~ 2m의 높이로 대상물을 근접으로 촬영한다. 정확한 텍스쳐 확보를 목적으로 점층 되게 저공촬영한다. 2번 비행 계획은 지상 2.5 ~ 4m의 높이로 대상물과 거리를 두어 촬영한다. 텍스쳐의 전체적인 이미지와 부분적인 형태를 잡기 위함이고 3차 비행계획과 1차 비행계획의 중간 정도 거리에서 점층되게 촬영한다. 3번 촬영은 전체적 형태가 잘 드러나게 촬영한다. 4 ~ 6m의 높이로 대상물의 외각 라인이 잘 보일 수 있게 촬영한다. 마지막 촬영은 사이드 촬영으로 대상물 주위를 10미터 이상으로 규칙적으로 촬영한다. 이 촬영은 전체의 바닥 텍스쳐의 이미지 취득이 주 목적이다.
참고문헌 (14)
김지항, 초경량 무인비행장치를 활용한 공간정보 취득에 대한 연구, 강원대학교 석사학위 논문, 2016
김정태, 드론을 이용한 3D맵핑 시스템 활용에 대한 연구, 경성대학교 석사학위 논문, 2016
김광호, 무인항공 사진측량을 이용한 고해상도 실감모형 제작, 충북대학교 산업대학원 석사학위 논문, 2015
조영선, UAV 를 이용한 3 차원 공간정보 구축 및 현장관리 시스템 개발, 충북대학교 박사학위 논문, 2015
채휘영, 박성근, 박선현, 무인항공기(드론)을 이용한 제주도 성산일출봉의 3차원 공간정보 취득, 대한지질공학회 학술발표논문집, 2016권, 제1호, pp. 35-36, 2016.
한준수, 이미영, 백성욱, 가상카메라를 이용한 사진 촬영 정보 측정 방법에 대한 연구, 한국차세대컴퓨팅학회 논문지, 제10권, 제2호, pp. 75-83, 2014년 4월.
김경임, 박정선, 다방향 카메라 영상의 방사형 왜곡 보정 및 파노라마 영상 합성, 한국차세대컴퓨팅학회 논문지, 제9권, 제6호, pp.56-65, 2013(12).
정성혁, 임형민, 이재기, 무인항공 사진측량을 이용한 3D 공간정보 취득, 한국측량학회지, 제28권, 제1호, pp. 161-168, 2010.
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R. Fabio, "From Point Cloud to Surface: The Modeling and Visualization Problem," International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 34, No. 5, pp. 1-11, 2003.
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