KR102097416B1 - 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체 - Google Patents

표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표고차가 존재하는 지하관로를 기존에 구축되어 있는 2차원의 지하관로 GIS(Geographic Information System) 데이터베이스(Database: DB)와 지형정보를 이용하여 증강 현실로 표현하는, 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것으로서, (a) 상기 스마트 단말의 위치(이하 현재 위치)와 자세를 측정하는 단계; (b) 현재 위치에서 소정의 범위 내의 3차원 지형정보 및, 관로의 위치 및 심도를 포함하는 2차원 관로정보를 추출하는 단계; (c) 2차원 관로정보에 3차원 지형정보를 적용하여, 3차원 관로객체를 생성하는 단계; (d) 상기 스마트 단말의 카메라 시점의 위치 및 방향을 산출하는 단계; (e) 산출된 카메라 시점의 위치 및 방향을 이용하여, 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 3차원 관로객체를 투영한 2차원 투영영상을 생성하는 단계; 및, (f) 상기 스마트 단말의 카메라로 촬영한 전방영상에 상기 투영영상을 합성하여 표시하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 방법 및 그 기록매체에 의하면, 공간정보를 저장하고 서비스하는 서버를 구축하여 하나 이상의 현장에서 동시에 접속하여 공간정보를 확인할 수 있으며, 공간정보의 관리자와 현장 작업자간의 유기적 데이터 공유가 가능할 수 있다.

Description

표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체 { An augmented reality representation method for managing underground pipeline data with vertical drop and the recording medium thereof }
본 발명은 표고차가 존재하는 지하관로를 기존에 구축되어 있는 2차원의 지하관로 GIS(Geographic Information System) 데이터베이스(Database: DB)와 지형정보를 이용하여 증강 현실로 표현하는, 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것이다.
일반적으로, 증강 현실(Augmented Reality: AR) 기술은 사용자가 눈으로 보는 현실 세계에 실시간으로 부가정보를 갖는 가상세계를 합쳐 하나의 영상으로 보여주는 기술이다. 예컨대, 휴대용 단말기로 위치 및 방향 정보를 이용하여 대략적인 위치를 파악하고, 주변의 건물 정보와 같은 객체 정보와 카메라의 움직임에 따라 입력되는 실사 영상 정보 간의 비교를 통해, 사용자가 원하는 서비스를 파악하여 관련 정보를 제공하는 기술이다.
이러한 증강 현실 기술은 가상 현실(Virtual Reality: VR) 기술의 한 분야로서, 실제 환경에 가상 사물(객체)을 합성하여 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 컴퓨터 그래픽 기법을 이용한다. 또한, 증강 현실 기술은 가상의 공간과 사물만을 대상으로 하는 기존의 가상 현실 기술과 달리 현실 세계의 기반에 가상 객체를 합성하여 현실 세계만으로는 얻기 어려운 부가적인 정보들을 보강해 제공할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 이러한 증강 현실 기술은 현재 휴대용 단말기인 스마트폰 등의 보급으로 인하여 더욱 다양한 분야에 활용되어 사용되고 있다.
한편, 상하수도관, 전력설비 등의 지하관로의 설비들은 지하에 매립되어 있으므로, 육안으로 그 위치를 파악할 수 없다. 지하관로의 위치를 파악하기 위해서 도면과 측량장비들에 의존하나, 그 방법이 직관적이지 못하고, 위치를 파악하기 위한 절차가 복잡하다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 증강현실을 지하시설물에 도입하는 방법이 개발되었다. 예를 들어, 지하시설물에 대한 정보를 제공하기 위한 방법으로 클라우드 컴퓨팅을 도입하는 기술이 제시되었다[특허문헌 1]. 또한 증강현실 사용시 스마트 기기의 위치정확도를 높이기 위해 VRS(Virtual Reference station)를 사용하고, 2차원의 객체를 표현하기 위하여 3차원의 객체를 모델링 하는 방법이 제시되었다[특허문헌 2]. 그러나 상기 선행기술들은 기존에 구축되어 있는 2차원의 객체를 증강현실로 표현하기 위해서 3차원 객체 모델링 작업을 추가로 수행하여야 하는 불편함이 있다.
이러한 불편함을 해소하기 위하여 2차원 선형 데이터를 실시간으로 3차원으로 변환하는 방법이 제시되었으나[특허문헌 3], 증강현실에 적용할 수 없다.
또한, 전력설비를 관리하기 위한 목적으로 2차원 데이터를 3차원으로 변환하는 방법이 제시되고 있다[특허문헌 4]. 그러나 상기 선행기술은 지형지물의 영향을 고려하지 않고 심도만으로 지하시설물의 높이를 표현하여, 고저차가 있는 지형지물에 매설되어 있는 시설물의 경우 위치정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
또한, 최근의 인공지능의 발달과 영상인식 정확도의 향상에 따라 영상인식 기반의 증강현실 기술이 제시되고 있다[특허문헌 5]. 영상인식 기반 증강현실 기술은 마커, 혹은 타겟과 같은 특징점을 인식하여 위치를 파악하여 표현한다. 그러나 영상인식 기반의 증강현실 기술은 영상의 화질 및 명암에 따라 정확도의 차이가 발생한다. 특히 태양의 고도에 따른 그림자의 영향을 반영할 수 없다. 지하관로를 관리하기 위한 시스템은 실외 현장에서 사용하는 특성상 일기의 영향을 받는다. 일기의 영향에 따라 지하관로의 위치정확도에 차이가 발생한다. 따라서 영상인식 기반의 증강현실 시스템은 지하관로를 관리하기에 적합하지 않다.
한국등록특허공보 제10-0992619호(2010.11.05.공고) 한국등록특허공보 제10-0997084호(2010.11.29.공고) 한국공개특허공보 제10-2006-0066976호(2006.06.19.공개) 한국등록특허공보 제10-1774877호(2017.09.05.공고) 한국공개특허공보 제10-2010-0006736(2010.01.21.공개)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존에 구축되어 있는 지하관로의 2차원 GIS DB를 사용하여 3차원 객체를 자동으로 생성하고 표출하되, 고저차가 있는 지형에서 매립된 지하관로의 위치를 정확하게 표현하기 위하여 지형의 고도가 포함된 공간정보를 사용하는, 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스마트 단말에 설치되는 클라이언트 및, 상기 스마트 단말과 네트워크로 연결된 서버로 구성된 시스템에 의해 수행되는, 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 스마트 단말의 위치(이하 현재 위치)와 자세를 측정하는 단계; (b) 현재 위치에서 소정의 범위 내의 3차원 지형정보 및, 관로의 위치 및 심도를 포함하는 2차원 관로정보를 추출하는 단계; (c) 2차원 관로정보에 3차원 지형정보를 적용하여, 3차원 관로객체를 생성하는 단계; (d) 상기 스마트 단말의 카메라 시점의 위치 및 방향을 산출하는 단계; (e) 산출된 카메라 시점의 위치 및 방향을 이용하여, 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 3차원 관로객체를 투영한 2차원 투영영상을 생성하는 단계; 및, (f) 상기 스마트 단말의 카메라로 촬영한 전방영상에 상기 투영영상을 합성하여 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법에 있어서, 상기 (c)단계에서, 상기 관로정보로부터 지하관로의 절점 Ni의 위치가 (xi, yi)이고 심도가 di 인 것을 추출하고, 상기 지형정보로부터 절점 Ni의 고도 hi 를 추출하여, 절점 Ni의 3차원 위치를 (xi, yi, hi-di)로 산출하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법에 있어서, 상기 관로정보는 다수의 절점으로 구성되되, 각 절점은 다른 절점과 소정의 간격을 두고 서로 이격된 위치를 갖고, 상기 (c)단계에서, 보간법을 이용하여 다수의 절점으로부터 연속된 관로 좌표를 구하고, 구한 좌표에 대하여 3차원 관로 객체를 구함으로써, 연속된 3차원 관로 객체를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 상기 스마트 단말의 자세로부터 스마트 단말의 평면에 수직하는 법선을 구하여 카메라 시점의 방향을 구하고, 사용자로부터 입력받은 기계고와 상기 3차원 지형정보로부터 추출한 현재 위치의 고도를 합하여 스마트 단말의 고도를 구하고, 현재 위치와 상기 스마트 단말의 고도로 카메라 시점의 위치를 구하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법에 있어서, 상기 (e)단계에서, 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 3차원 관로객체와 반대편으로 초점거리 만큼 이격된 평면을 투영평면으로 설정하고, 상기 3차원 관로객체를 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 투영평면에 점대칭으로 투영하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체에 의하면, 공간정보를 저장하고 서비스하는 서버를 구축하여 하나 이상의 현장에서 동시에 접속하여 공간정보를 확인할 수 있으며, 공간정보의 관리자와 현장 작업자간의 유기적 데이터 공유가 가능하게 하는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체에 의하면, 지하관로 관리기관에서 기구축한 2차원 공간정보 DB를 사용함으로써, 별도의 3차원 모델링이 필요하지 않아 3차원 모델링에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법 및 이를 기록한 기록매체에 의하면, 2차원으로 구축된 지하관로의 공간정보를 증강 현실 시스템 상에 3차원 공간객체로 표현하기 위해서 3차원 지형정보를 사용하고, 스마트 기기와의 상대적 위치를 계산함으로써, 보다 정확한 관로정보의 계산 및 위치파악을 할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템에 대한 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 단말의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법을 설명하는 흐름도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 관로정보를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지형정보를 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지하관로의 위치를 나타낸 예시도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템은 사용자의 스마트폰 등 스마트 이동단말(10), 스마트 이동단말(10)에 설치되어 관로를 증강현실로 표시하는 클라이언트(20), 지하관로 정보 및 지형정보를 가져와서 증강현실을 생성하는 증강현실 서버(30)로 구성된다. 스마트 이동단말(10) 및 증강현실 서버(30)는 인터넷 등 네트워크(80)를 통해 서로 연결된다. 또한, 지하관로 정보 및 지형정보를 저장하는 데이터베이스(40)를 추가적으로 구성될 수 있다.
먼저, 스마트 이동단말(10)은 사용자가 이용하는 모바일 단말로서, 스마트폰, 패블릿, 태블릿PC 등 통상의 컴퓨팅 기능을 구비한 스마트 단말이다. 특히, 스마트 단말(10)은 어플리케이션 또는, 모바일용 어플리케이션(또는 앱, 어플) 등이 설치되어 실행될 수 있는 단말이다.
특히, 도 2에서 보는 바와 같이, 스마트 단말(10)은 전방을 촬영할 수 있는 카메라(11), 촬영된 영상이나 생성된 이미지 등을 화면에 표시하는 디스플레이(12), 터치스크린이나 버튼 등의 입력장치(13), GNSS 센서, 자기계, 관성계, 자이로센서, 가속도 센서 등의 움직임 센서(14), 이동통신망이나 근거리 통신망 등과 데이터 통신을 수행하는 통신부(15), GNSS(Global Navigation Satellite System) 센서 또는 GPS(Global Positioning System) 센서 등 위치감지 센서(16), 및, 모바일 CPU 등의 중앙처리장치(18)로 구성된다. 그외 데이터를 저장하는 메모리(미도시) 등을 더 포함하여 구성된다.
다음으로, 클라이언트(20)는 스마트 단말(10)에 설치되어 수행되는 모바일용 어플리케이션(또는 앱, 어플)으로서, 증강현실 서버(30)와 연동하거나 독자적으로 지하관로의 증강현실 서비스를 제공하는 프로그램 시스템이다.
즉, 클라이언트(20)는 스마트 단말(10)의 카메라(11)를 통해 전방을 촬영한 영상(이하 전방 영상)을 획득하고, 획득된 전방 영상에 지하관로의 가상 이미지(또는 3차원 공간객체)를 합성하여, 합성한 영상을 디스플레이(12)에 표현한다.
이때, 클라이언트(20)는 위치감지 센서(16) 또는 움직임 센서(14)를 통해 현재 위치 또는 방향(또는 카메라의 방향) 등을 감지하고, 감지된 현재 위치 또는 방향 등을 증강현실 서버(30)에 전송한다. 카메라(11)의 방향은 스마트 단말(10)의 전방을 향하는 방향이므로, 스마트 단말(10)의 움직임 센서(14)를 이용하여 스마트 단말(10)의 방향을 감지하여 카메라의 방향을 산출한다.
현재 위치 또는 방향 등에 해당하는 3차원 지형정보 및 지하관로 정보는 증강현실 서버(30)에 의해 가져오게 되고, 이를 이용하여 지하관로의 위치가 계산되고 3차원 공간객체가 구축된다.
또한, 클라이언트(20)는 지하관로의 3차원 공간객체를 수신하여, 상기 전방 영상에 지하관로의 가상 이미지를 합성하고, 합성된 영상을 표시한다.
이하에서, 클라이언트(20)가 하는 작업 또는 사용자가 하는 작업은 스마트 이동단말(10)에서 수행되는 것이므로, 설명의 편의를 위해 클라이언트(20) 또는 스마트 이동단말(10)이 수행하는 것으로 설명한다. 즉, 클라이언트(20) 또는 스마트 이동단말(10)을 혼용한다. 또한, 사용자가 지하관로의 증강현실과 관련된 작업을 처리하기 위한 입력 데이터는 스마트 이동단말(10)의 입력장치(13)를 통해 입력되고, 그 처리 결과는 스마트 이동단말(10)의 디스플레이(12) 등 출력장치를 통해 출력된다. 이하에서, 사용자가 어떤 작업을 수행하는 설명은 스마트 이동단말(10)을 통해 수행하는 작업임을 의미한다.
또한, 클라이언트(20)는 객체 속성 조회 등과 같은 관리 기능을 수행하기 위하여, 사용자로부터 터치스크린 등 입력장치(13)를 통해 입력값을 받을 수 있다.
다음으로, 증강현실 서버(30)는 통상의 어플리케이션 서버로서, 현재 위치에 대응되는 지하관로의 정보와 3차원 지형정보를 가져와서, 공간연산을 수행하여 지하관로의 3차원 공간객체를 생성하는 서버이다.
즉, 증강현실 서버(30)는 스마트 단말(10)의 위치를 기반으로 하여 특정 반경 내의 지하관로의 정보 및 3차원 지형정보를 데이터베이스(40)에 요청한다. 증강현실 서버(30)는 데이터베이스(40)로부터 관로의 2차원 공간정보 DB(41)와 3차원 지형정보 DB(42)를 가져와서, 관로의 3차원 정보를 생성하고, 그 정보를 클라이언트(20)에 전달한다.
한편, 클라이언트(20)와 증강현실 서버(30)는 통상의 클라이언트와 서버의 구성 방법에 따라 구현될 수 있다. 즉, 전체 시스템의 기능들을 클라이언트의 성능이나 서버와 통신량 등에 따라 분담될 수 있다. 일례로서, 클라이언트(20)가 단순히 촬영된 전방 영상이나 현재 위치 또는 방향을 획득하고 전방 영상에 지하관로 이미지가 합성된 영상을 출력하는 작업만을 수행하고, 증강현실 서버(30)가 현재 위치 및 방향에 대응되는 지형정보나 관로정보를 가져와서 지하관로의 3차원 공간객체를 생성하고 지하관로의 이미지와 전방영상을 합성하는 등 대부분의 연산작업을 수행할 수 있다. 또 다른 예로서, 증강현실 서버(30)는 특정 위치에 해당하는 지형정보나 관로정보만을 저장하거나 가져오는 역할만을 수행하고, 클라이언트(20)가 전방영상 촬영, 현재위치 측정, 3차원 공간객체 생성, 합성 영상 생성 등 대부분의 연산작업을 수행할 수도 있다. 이하에서는 관로의 증강현실 시스템으로 설명하나, 서버-클라이언트의 구성 방법에 따라 다양한 분담 형태로 구현될 수 있다.
이하에서, 클라이언트(20)와 증강현실 서버(30)로 구성되는 서버-클라이언트 시스템을 증강현실 시스템(300)이라 부르기로 한다.
다음으로, 데이터베이스(40)는 지하관로를 2차원 공간정보로 나타내는 관로정보 DB(41), 및 지형정보를 3차원으로 나타내는 지형정보 DB(42)을 포함한다. 그러나 상기 데이터베이스(40)의 구성은 바람직한 일실시예일 뿐이며, 구체적인 장치를 개발하는데 있어서, 접근 및 검색의 용이성 및 효율성 등을 감안하여 데이터베이스 구축이론에 의하여 다른 구조로 구성될 수 있다.
또한, 데이터베이스(40)는 증강현실 서버(30)에 내장되거나 직접 연결되어, 증강현실 서버(30)의 요청에 따라 필요한 데이터를 전송할 수 있다. 또는, 데이터베이스(40)는 증강현실 서버(30)와 분리되어 별도의 DB관리 시스템(DBMS)에 운영되는 서버로 구현될 수도 있다. 이 경우, 증강현실 서버(30)는 네트워크(80)의 연결을 통해 데이터베이스(40)에 데이터를 요청하여 수신한다.
다음으로, 관로정보 DB(41)는 지하관로를 2차원 공간정보로 나타내는 지리정보이다. 바람직하게는, 지하관로를 관리하는 기관에서 작성된 2차원 GIS DB일 수 있으며, 관리 기관 외에 국토지리정보원이나 다른 기관에서 작성된 2차원 GIS DB 일 수도 있다. 관로정보 DB(41)는 다양한 형태로 구축될 수 있다. CAD 파일이거나, 형상파일(shape file, 예를 들어 Esri Shape 등)일 수 있으며, 기타 명시되지 않은 형태로 구축될 수 있다.
다음으로, 지형정보 DB(42)는 지형정보를 3차원으로 나타내는 지리정보이다.
지형정보 DB(42)는 등고선, 수치 표고모형(DEM: Digital Elevation Model), 수치지형 표고모델(DTM, Digital Terrain Model), 수치표고모델(DSM, Digital Surface Model), 불규칙 삼각망(TIN, Triangular Irrgular Network) 등의 다양한 형태로 구축될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법을 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 지하관로의 증강현실 표현 방법은 클라이언트(20)와 증강현실 서버(30)로 구성되는 서버-클라이언트 시스템에 의해 수행되는 방법이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 먼저, 현재 위치를 측정하여 현재 위치좌표 및 자세를 산출한다(S10).
즉, 스마트 단말(10)의 위치감지 센서(16)를 통해 현재 위치를 측정하여, 현재 위치좌표를 산출한다. 이때, 현재 위치는 스마트 단말(10)의 위치로 본다. 앞서 설명한 바와 같이, 스마트 단말(10)은 GNSS 센서 또는 GPS 센서 등 위치를 감지하는 위치감지 센서(16)를 구비한다. 위치감지 센서(16)에 의해 측정된 위치를 현재 위치로 간주하여 현재 위치좌표를 산출한다. 이때의 위치 좌표는 2차원 좌표이다.
또한, 스마트 단말(10)의 움직임 센서(14)를 이용하여 현재 자세(또는 스마트 단말의 자세)을 산출한다. 앞서 움직임 센서(14)는 GNSS 센서, 나침반, 자기계, 관성계, 자이로센서, 가속도 센서 등으로 구성된다. 이들 센서로부터 스마트 단말(10)이 어느 방향을 향하고 있는지 등 자세를 파악한다. 스마트 단말(10)의 자세를 측정하면, 스마트 단말(10)의 카메라(11)가 바라보는 방향(또는 시점)을 알 수 있다..
예를 들어, 자이로센서를 사용하여 3개의 축에 대하여 회전 값을 구할 수 있다. 또한, 가속도계를 사용하여 3개 축 방향에 대한 가속도의 값을 구할 수 있다. x축 방향 회전을 롤(roll) φ, y축 회전을 피치(pitch) θ, z축 회전을 요(yaw) ψ라고 한다. 나침반, 자이로센서 및 가속도계를 사용하여 카메라의 자세인 롤(roll), y축 회전을 피치(pitch), z축 회전을 요(yaw)를 계산할 수 있다.
다음으로, 현재 위치에서 소정의 범위 내의 지형정보 및 관로정보를 추출한다(S20).
즉, 앞서 산출된 현재 위치좌표에서 사전에서 정해진 범위 내의 지형정보 및 관로정보를 데이터베이스(40)로부터 가져온다. 바람직하게는 범위는 반경으로 설정된다. 현재 위치좌표를 중심으로 소정의 반경 내의 영역을 범위로 설정한다.
바람직하게는, 스마트 단말(10)의 카메라(11) 방향을 고려하여 카메라(11)가 향하는 방향의 범위에서의 지형정보 및 관로정보를 추출한다. 즉, 카메라(11)가 향하지 않는 범위의 정보를 미리 가져오지 않을 수 있다.
이때, 범위는 사용자의 입력에 의해 설정될 수 있다.
또한, 관로정보는 지하관로의 객체공간 정보를 2차원으로 표시된 지리정보이다. 바람직하게는, 관로정보는 2차원 선형객체의 집합이다. 선형객체는 각 절점들의 2차원 공간정보와 속성정보를 저장한다. 절점들의 2차원 공간정보는 경도와 위도, 혹은 지도상에서의 x좌표와 y좌표로 구성되어 있으며, 속성정보는 각 절점의 심도를 저장한다.
도 4는 4개의 선형객체로 구성된 관로정보를 나타내고 있다.
관로정보는 위치좌표와 심도로 구성되는 다수의 절점으로 구성된다. 즉, 관로정보는 연속적인 관로의 각 위치를 나타내지 않는다. 각 절점은 간격을 두고 서로 이격된 위치를 나타낸다.
도 4의 예에서, 지하관로의 각 절점은 N1, N2, N3, N4 이다. 관로정보를 통해, 각 절점의 x좌표, y좌표, 심도를 추출할 수 있다. i번째 절점의 x좌표를 xi, y좌표를 yi, 심도를 di로 표현한다. 이때, 심도 di 는 지표면 상에서부터의 거리를 나타낸다.
따라서 지하관로의 각 절점은 다음과 같이 표시될 수 있다.
[수학식 1]
Ni(xi, yi, di)
여기서, (xi, yi)는 절점 Ni의 위치좌표이고, di는 심도를 나타낸다.
다음으로, 지형정보는 지형을 3차원으로 표시하는 지리정보이다. 앞서 설명한 바와 같이, 지형정보는 등고선, DEM, DTM, DSM, TIN 등 다양한 형태로 구축될 수 있다.
도 5는 등고선(C)에 의해 나타나는 3차원 지형정보를 나타낸다. 도 5(a)는 등고선이고, 도 5(b)는 등고선으로부터 산출할 수 있는 지형을 나타낸다. 즉, 등고선에 보간법을 적용하면, 도 5(a)의 3차원 지형정보로부터 도 5(b)와 같이 모든 위치에서의 3차원 지형정보를 산출할 수 있다.
따라서 3차원 지형정보는 다음과 같이 위치 및 고도를 추출할 수 있다.
[수학식 2]
Pi(xi, yi, hi)
여기서, (xi, yi)는 특정 위치 Pi의 위치좌표이고, hi는 해당 위치의 고도 또는 지표면 표고를 나타낸다.
다음으로, 관로정보에 지형정보를 적용하여, 3차원 관로 객체를 생성한다(S30).
지형정보와 관로정보를 이용하여, 지하관로의 3차원 위치를 계산하고 3차원 공간객체를 구축한다.
이때, 먼저, 관로정보의 각 절점에서의 3차원 위치를 구한다.
앞서 예와 같이, 관로정보가 4개의 절점으로 구성된 경우를 설명한다.
i번째 절점 Ni의 지하관로의 심도와, 이에 해당하는 지형정보에서의 표고는 다음과 같다.
Ni(xi, yi, di), Pi(xi, yi, hi)
이로부터, i번째 절점(xi, yi)에서의 3차원 위치 Q(x,y,z)를 다음 수식과 같이 산출한다.
[수학식 3]
Q(x,y,z) = (xi, yi, hi-di)
여기서, (xi, yi)는 절점의 위치를 나타내고, di는 절점 Ni의 심도이고, hi는 지형정보에서 위치(xi, yi)에서의 고도를 나타낸다.
그리고 각 절점의 3차원 위치 Q(x,y,z)를 보간하여 모든(또는 연속된) 관로를 나타내는 3차원 객체를 생성한다. 바람직하게는, 보간법 등을 이용하여, 다수의 절점으로부터 연속된 3차원 관로 객체를 생성한다. 특히, 보간법을 이용하여 다수의 절점으로부터 연속된 관로 좌표를 구하고, 구한 좌표에 대하여 3차원 관로 객체를 구함으로써, 연속된 3차원 관로 객체를 생성한다.
다음으로, 스마트 단말(10)의 카메라 시점을 산출한다(S40).
스마트 단말(10)의 카메라(11)의 절대적 시점, 즉, 카메라 시점의 방향, 및 위치를 산출한다.
먼저, 앞서 스마트 단말(10)의 자세를 구하면, 이 단말에 설치된 카메라(11)의 자세도 구할 수 있다. 그리고 카메라(11)의 자세를 결정하는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 사용하여 카메라(11)의 상이 맺히는 CCD(Charge-Coupled Device) 소자의 평면방정식 및 평면의 법선벡터를 구할 수 있다.
스마트 단말(10)이 이루는 평면(단말 전면 또는 후면의 평면)을 p라고 하면 p의 평면방정식 ax + by + cz + d = 0에서 a,b,c는 평면의 법선벡터로서 이를 구한다. 평면방정식에서의 a,b,c 미지수를 알고 스마트 단말(10)의 3차원 좌표(xs,ys,zs)를 알고 있기 때문에 스마트 단말(10)과 수직을 이루며 카메라(11)를 통과하는 선 l의 직선의 방정식은 다음과 같이 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018057778658-pat00001
상기와 같은 법선 벡터를 카메라 시점의 방향 벡터(또는 방향)라 부르기로 한다.
또한, 스마트 단말(10)의 고도는 사용자가 입력한 기계고(기계높이)의 값과 3차원 지형정보를 사용하여 계산할 수 있다. 즉, 지면 상에서의 높이는 입력받고, 3차원 지형정보에서 현재 위치에 해당하는 고도값을 추출한다. 그리고 이들을 합하여 스마트 단말(10)의 고도를 산출한다. 이를 카메라 시점의 고도라 부르기로 한다.
또한, 카메라 시점의 2차원 위치는 앞서 구한 스마트 단말(10)의 2차원 위치좌표와 동일하다. 이하에서 카메라 시점의 위치는 3차원 위치로서, 2차원 위치와 고도를 포함하는 것으로 설명한다.
한편, 스마트 단말(10) 지점의 지표면 표고를 ho, 기계고를 a라고 하였을 때 다음과 같은 수학식에 의하여 스마트 단말(10)로부터 i번째 절점까지의 상대고도 △h를 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018057778658-pat00002
다음으로, 3차원 관로 객체를 스마트 단말(10)의 시점에 따른 2차원 투영영상을 생성한다(S50).
도 7에서 보는 바와 같이, 2차원 투영영상은 카메라 시점을 중심으로 3차원 관로객체를 2차원 평면(CCD 평면)에 투영되어 획득된다.
이때, 관로객체가 투영되는 2차원 평면(CCD 평면)을 투영평면 또는 2차원 투영평면이라 부르기로 한다.
도 7은 임의의 3차원 절점 Qi(xi, yi, di)에 대하여 카메라 시점를 중심으로 투영평면에 투영되는 과정을 나타낸다.
카메라의 시점 좌표(xs,ys,zs)에서 카메라 시점의 방향벡터(a,b,c)의 방향으로, 초점거리 f만큼 이격된 CCD 필름의 주점 좌표와 평면방정식을 구할 수 있으며 도 7과 같다. 상기와 같은 평면방정식에 의해 구해지는 것이 투영평면이다. 주점 좌표를 투영평면의 중심이라고 부르기로 한다.
즉, 카메라의 시점 좌표(xs,ys,zs)를 중심으로 3차원 관로객체와 반대편으로 초점거리 f만큼 이격된 CCD 필름의 평면을 투영평면으로 설정한다. 그리고 3차원 관로객체를 카메라 시점을 중심의 점대칭으로 상기 투영평면에 투영한다.
관로객체의 3차원 절점 Qi(xi, yi, di)와 카메라 시점을 연결하는 직선의 방정식 li는 도 7에 표시된 수식을 통해 계산할 수 있다. 투영평면의 평면방정식과 직선의 방정식li를 사용하여 3차원 절점 Qi(xi, yi, di)가 투영평면에 투영되는 위치를 매개변수 방정식을 사용하여 파악할 수 있다. 매개변수 방정식 풀이는 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.
다음으로, 투영평면에 투영된 이미지를 전방영상에 증강시켜 표시한다(S60).
즉, 앞서 단계에서 구한 투영평면과, 카메라(11)를 통해 촬영된 전방영상을 합성하여, 스마트 단말(10)의 디스플레이(12)에 표시한다.
본 발명에 의해 실시된 예를 도 8을 참조하여 설명한다.
본 발명은 지하관로를 존재하는 그 3차원 위치에 정확하게 표현하는 것이다. 즉, 지표면과 실제 관로가 도 8과 같을 때 시점 심도 및 종점 심도만으로 표현되는 지하관로는 실제 관로와 다르게 표현된다. 스마트 단말이 작업자를 바라보았을 때 동일한 조건에서 스마트 장치 화면에는 작업자와 P1이 동일 위치에 나오는 것으로 보인다. 다만, 종래기술[특허문헌 4]의 경우 동일한 조건에서 스마트 단말 화면에는 작업자와 p3가 동일 위치에 나오는 것으로 파악된다. 그러나 p3는 심도만으로 표현된 지하관로이므로 화면상에서 p3지점의 표현은 화면상에서 p3’으로 표현되어야 한다.
따라서 본 발명은 지하관로의 고도에 맞게 증강현실로 표현하기 위해 관로의 절대 높이가 필요하다. 특히, 본 발명은 절대적 3차원 위치의 관로객체를 표현하기 때문에, 지표면에 표현이 아니라 지하에 매설된 위치에 표현하는 것이다. 반면, 종래기술과 같이 지표면에 표현하는 경우에는 심도 정보조차도 필요가 없다. 즉, x좌표와 y좌표만 가지고 표현이 가능하다. 지표면에 표현하는 경우, 도 8과 같은 조건 하에 스마트 단말의 화면상에는 p1과 p2가 모두 작업자의 위치에 표현이 될 것이다.
즉, 본 발명에서는, 지하에 매설된 위치에 표현하게 되므로, 오히려 정확한 위치가 필요하다. 심도 정보만 사용할 경우 지표면의 고저차를 반영할 수 없으며, 도 8과 같은 조건 하에 스마트 장치의 화면상에는 p3가 작업자의 위치에 표현이 된다. 그러나 실제로는 p3’가 작업자의 위치에 표현되어야 하므로, 지하관로의 고도를 구해야 한다.
한편, 지하관로의 3차원 공간객체는 기존에 구축되어 있는 2차원의 공간정보를 사용하여 생성한다. 2차원의 공간정보는 관로의 x좌표와 y좌표를 포함하고 있으며 이 자체로 2차원의 공간객체로 간주할 수 있다. 심도는 공간객체의 속성정보에 포함되어 있다. 3차원 지형정보를 통해 관로가 위치해 있는 지표면의 고도값을 구할 수 있다. 지표면의 고도값에서 심도를 빼면 관로가 설치된 고도값을 구할 수 있다. 즉, 기 구축된 2차원 공간정보를 통해 관로의 x좌표와 y좌표를 구할 수 있으며, 관로의 속성정보와 3차원 지형정보를 사용하여 관로의 z좌표를 구할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 스마트 단말 11 : 카메라
12 : 디스플레이 13 : 입력장치
14 : 움직임 센서 15 : 통신부
16 : 위치감지 센서 18 : 중앙처리장치
20 : 클라이언트 30 : 증강현실 서버
40 : 데이터베이스 41 : 관로정보 DB
42 : 지형정보 DB 80 : 네트워크

Claims (6)

  1. 스마트 단말에 설치되는 클라이언트 및, 상기 스마트 단말과 네트워크로 연결된 서버로 구성된 시스템에 의해 수행되는, 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법에 있어서,
    (a) 상기 스마트 단말의 위치(이하 현재 위치)와 자세를 측정하는 단계;
    (b) 현재 위치에서 소정의 범위 내의 3차원 지형정보 및, 관로의 위치 및 심도를 포함하는 2차원 관로정보를 추출하는 단계;
    (c) 2차원 관로정보에 3차원 지형정보를 적용하여, 3차원 관로객체를 생성하는 단계;
    (d) 상기 스마트 단말의 카메라 시점의 위치 및 방향을 산출하는 단계;
    (e) 산출된 카메라 시점의 위치 및 방향을 이용하여, 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 3차원 관로객체를 투영한 2차원 투영영상을 생성하는 단계; 및,
    (f) 상기 스마트 단말의 카메라로 촬영한 전방영상에 상기 투영영상을 합성하여 표시하는 단계를 포함하고,
    상기 (c)단계에서, 상기 관로정보로부터 지하관로의 절점 Ni의 위치가 (xi, yi)이고 심도가 di 인 것을 추출하고, 상기 지형정보로부터 절점 Ni의 고도 hi 를 추출하여, 절점 Ni의 3차원 위치를 (xi, yi, hi-di)로 산출하는 것을 특징으로 하는 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 관로정보는 다수의 절점으로 구성되되, 각 절점은 다른 절점과 소정의 간격을 두고 서로 이격된 위치를 갖고,
    상기 (c)단계에서, 보간법을 이용하여 다수의 절점으로부터 연속된 관로 좌표를 구하고, 구한 좌표에 대하여 3차원 관로 객체를 구함으로써, 연속된 3차원 관로 객체를 생성하는 것을 특징으로 하는 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서, 상기 스마트 단말의 자세로부터 스마트 단말의 평면에 수직하는 법선을 구하여 카메라 시점의 방향을 구하고, 사용자로부터 입력받은 기계고와 상기 3차원 지형정보로부터 추출한 현재 위치의 고도를 합하여 스마트 단말의 고도를 구하고, 현재 위치와 상기 스마트 단말의 고도로 카메라 시점의 위치를 구하는 것을 특징으로 하는 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (e)단계에서, 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 3차원 관로객체와 반대편으로 초점거리 만큼 이격된 평면을 투영평면으로 설정하고, 상기 3차원 관로객체를 상기 카메라 시점을 중심으로 상기 투영평면에 점대칭으로 투영하는 것을 특징으로 하는 표고차를 고려한 지하관로의 관리를 위한 증강 현실 표현 방법.
  6. 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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