KR100399735B1 - 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법 - Google Patents

스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가상 네비게이션 구현 방법에 관한 것으로, 이동 시작 위치와 이동 완료 위치의 관측자 시선 방향에 대한 스틸 사진에 의해 가상 현실에서 관측자의 이동시에 동영상이 구현될 수 있도록 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 촬영 대상물을 격자로 나누어 각 격자점에서 360도 전 방향에 대한 스틸 사진을 얻어 파노라마 사진을 형성하여 데이터 베이스에 저장하는 제 1 과정; 상기 형성된 파노라마 사진으로부터 역 파노라마 변환에 의해 각 시선 방향에 대한 스틸 사진을 추출하는 제 2 과정; 상기 추출된 스틸 사진들로부터 특징점을 추출하는 제 3 과정; 추출된 특징점에 의해 모든 격자점에 대해 이웃하는 격자점과 동일 시선 방향을 갖는 스틸 사진들의 상관 관계 정보를 추출하여 이를 데이터 베이스에 저장하는 제 4 과정; 관측자로부터 이동 방향과 속도가 주어지면 출발지의 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진을 데이터 베이스로부터 읽어들여 이를 근거로 상관 관계 정보에 의하여 이동 방향에 대한 중간 단계의 사진을 생성하여 디스플레이하는 제 5 과정으로 수행됨으로써 구현된다.

Description

스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법{Realization method of virtual navigation using still photograph}
본 발명은 가상 네비게이션 구현 방법에 관한 것으로, 이동 시작 위치와 이동 완료 위치의 관측자 시선 방향에 대한 스틸 사진에 의해 가상 현실에서 관측자의 이동시에 동영상이 구현될 수 있도록 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가상 현실을 구현하기 위해서는 3차원 컴퓨터 그래픽 작업에 의하여 이루어진다.
즉, 3차원 그래픽 어플리케이션 및 관련 하드웨어에 의하여 가상의 3차원 공간을 랜더링하게 된다.
그런데, 이러한 3차원 그래픽에 의한 가상 현실은 실제 환경을 배경으로 하지 않기 때문에 현실감이 떨어지는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하고자 실사(實寫)를 이용하여 가상의 네비게이션을 구현하기도 하는데, 이러한 실사를 이용하여 가상 네비게이션의 동영상을 구현하는 경우 관측자의 의도와는 무관하게 미리 준비된 동영상만을 보여준다.
즉, 관측자가 참여하는 가상 네비게이션이 아닌 일방적으로 주어진 가상 네비게이션인 것이다.
또한, 관측자의 의도대로 구현되는 가상 네비게이션 환경일 경우 관측자의 이동 경로에 따르는 동영상 데이터가 구비되어야 하므로 그 양은 방대하여 실사에의한 가상 네비게이션의 작업이 힘들뿐 아니라 그 저장 용량도 그만큼 방대해질 수 밖에 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 가상 네비게이션으로 구현할 실제의 대상물을 격자점으로 구분한 다음 그 각 격자점에서 스틸 사진에 의한 파노라마 사진을 촬영하고, 임의의 격자점의 위치에서 다음 격자점의 위치로 관측자가 이동할 때 출발 위치의 격자점과 이동 완료 위치의 격자점과의 사이에 스틸 사진의 각종 정보에 의하여 가상의 동영상을 합성함으로써 작업이 쉽고 또한 적은 데이터량에 의해 가상 네비게이션을 구현할 수 있도록 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 장치를 나타낸 블럭도.
도 2및 도 3은 스틸 사진에 의하여 파노라마 사진을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도.
도 4 는 가상 네비게이션을 구현하기 위해 실제 환경의 각 격자점에서 생성되는 파노라마 사진을 보여주는 개념도.
도 5 는 사영 변환을 설명하기 위한 도.
도 6 은 임의의 격자점에서 이동 대상의 격자점으로 이동시에 보여지는 시선 방향의 스틸 사진들의 관계를 설명하기 위한 도.
도 7 은 임의의 격자점에서 시선 방향으로 바라본 사진의 특징점과 이동 대상 격자점에서 바라본 시선 방향의 사진과의 특징점 상관 관계를 설명하기 위한 도.
도 8 은 임의의 격자점과 이동 대상의 격자점에서 보여지는 시선 방향의 사진과 이들 사진으로부터 추출된 특징점을 도시한 도.
도 9 는 도 8의 각 특징점들로부터 삼각형의 도형 정보를 얻는 과정을 설명하기 위한 도.
도 10 및 도 11은 도 9에서 얻어진 서로 상관 관계를 갖는 삼각형의 도형 사이에 관측자의 이동 속도에 따라 n등분되어 중간 단계의 삼각형을 생성하는 과정을 설명하기 위한 도.
도 12 는 중간 단계에 생성된 삼각형의 위치에서 사진을 생성하는 과정을 보여주는 도.
도 13 및 도 14는 본 발명 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법을 나타낸 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 영상 입력부 110 : 좌표 입력부
120 : 중앙 처리부 130 : 데이터 베이스
131 : 파노라마 데이터 베이스 132 : 특징점 데이터 베이스
133 : 트랙킹 정보 데이터 베이스
134 : 삼각 분할 정보 데이터 베이스
140 : 디스플레이부
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법은,
촬영 대상물을 격자로 나누어 각 격자점에서 360도 전 방향에 대한 스틸 사진을 얻어 파노라마 사진을 형성하여 데이터 베이스에 저장하는 제 1 과정;
상기 형성된 파노라마 사진으로부터 역 파노라마 변환에 의해 각 시선 방향에 대한 스틸 사진을 추출하는 제 2 과정;
상기 추출된 스틸 사진들로부터 특징점을 추출하는 제 3 과정;
추출된 특징점에 의해 모든 격자점에 대해 이웃하는 격자점과 동일 시선 방향을 갖는 스틸 사진들의 상관 관계 정보를 추출하여 이를 데이터 베이스에 저장하는 제 4 과정;
관측자로부터 이동 방향과 속도가 주어지면 출발지의 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진을 데이터 베이스로부터 읽어들여 이를 근거로 상관 관계 정보에 의하여 이동 방향에 대한 중간 단계의 사진을 생성하여 디스플레이하는 제 5 과정으로 수행됨을 특징으로 한다.
상기 제 1 과정은 촬영된 스틸 사진에서 촬영 대상물의 기울어진 상태를 보정하기 위하여 사영 변환을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 과정은 모든 격자점에 대해 이웃하는 격자점과 동일 시선 방향을 갖는 스틸 사진의 특징점들 간의 가장 근사한 값을 갖는 특징점의 위치를 추출하여 이의 정보를 데이터 베이스에 저장하는 제 1 단계;
각 사진에서 최인접 3개의 특징점들을 모아 삼각형들을 형성하고 이들 삼각형 정보를 데이터 베이스에 저장하는 제 2 단계로 수행됨을 특징으로 한다.
상기 제 5 과정은 관측자로부터 이동 방향과 속도가 주어지면 출발지 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이의 특징점에 따르는 삼각형 정보를 데이터 베이스로부터 읽어들이는 제 1 단계;
출발지 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과의 사이에서 상관도가 큰 삼각형들간의 중간에 n개의 삼각형을 생성하는 제 2 단계;
생성된 n개의 삼각형 내부에 변환 행렬을 적용하여 출발지 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진 또는 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진의 픽셀을 변환하여 위치시킨 다음 이를 디스플레이하는 제 3 단계로 수행됨을 특징으로 한다.
이와 같이 이루어진 본 발명 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 카메라를 통하여 촬영 대상물(실제의 거리, 전시관의 모형, 정적인 대상물 등)을 격자점으로 나누어 각 격자점의 위치에서 360도 전방향의 스틸 사진을 촬영한다(ST100).
즉, 도 2에 도시한 바와같이 격자점의 위치(O)에서 360도 전방향의 스틸 사진(P1, P2, P3, P4,..., P10)을 촬영하게 된다.
이때, 각 스틸 사진(P1, P2, P3, P4,..., P10)은 이웃하는 스틸 사진과 충분히 겹치도록(도면에서 빗금친 부분) 촬영한다.
이러한 각 격자점 위치에서의 스틸 사진(P1, P2, P3, P4,..., P10)은 영상 입력부(100)를 통하여 중앙 처리부(120)로 인가되어 스티칭(stitching)기법에 의하여 도 3에 도시한 바와같은 파노라마 사진(P)이 형성된다(ST120).
상기 영상 입력부(100)는 디지털 카메라 또는 스캐너 등의 다양한 디지털 입력 장치가 될 수 있고, 360도 전방향의 조망을 위한 파노라마 사진 스티칭 툴은 기 공지된 애플사의 퀵타임 VR, IPIX, 라이브 픽쳐, 아루트사의 퀵스텃치 등을 이용할수 있다.
이때, 상기 카메라를 통하여 대상물을 촬영 시 도 5에 도시한 바와같이 카메라의 위치에 따라 대상물이 기울어지게 촬영될 수 있으므로 사영 변환(perspective transformation)을 통하여 정면에서 촬영된 것과 같이 영상 처리를 하게 된다(ST110).
이러한 사영 변환은 다음 수학식 1에 의하여 수행될 수 있다.
사영 변환 : (x,y)~→~(x',y')
여기서, 사영 변환의 계수(a_11 , a_12 , a_13 , a_21 , a_22 , a_32 , a_33 )는 표준 데이터를 이용한비선형 회귀(nonlinear regression) 방법에 의하여 예측한다.
상기의 방식에 의하여 도 4에 도시한 바와같이 각각의 격자점(O1, O2, O3,..., O10, O11, 012)들의 위치에서 촬영된 스틸 사진에 의하여 형성된 파노라마 사진(P)은 데이터 베이스(130)의 파노라마 데이터 베이스(131)에 저장된다(ST130).
이러한 방식에 의한 경우 저장되는 데이터 양은 스틸 사진을 그대로 저장할 때 보다 훨씬 줄어들게 된다.
즉, 격자점이 X-방향으로 M개이고, Y-방향으로 N개이면서 각각의 격자점에서 P개의 스틸 사진을 얻었다면, 총 스틸 사진의 개수는 M*N*P개이다.
그러나, 이들 데이터를 이용해서 파노라마 영상 데이터를 만드는 경우에는 데이터 양이 이보다 훨씬 줄어들게 된다.
한편, 중앙 처리부(120)는 파노라마 데이터 베이스(131)에 저장된 각 격자점의 파노라마 사진을 읽어들여 역파노라마 변환을 수행하게 되는데, 이는 파노라마 사진에서 스틸 사진을 형성하는 것이다(ST140).
이렇게, 중앙 처리부(120)는 파노라마 사진으로부터 역으로 형성된 스틸 사진들로부터 특징점을 추출하게 되는데, 이러한 특징점 추출 과정을 설명한다.
각 스틸 사진에서 명암 정보를 추출한 다음 각 픽셀에서 x축과 y축의 명암 변화율을 계산한다.
이때, 명암의 변화율은 다음 수학식 2와 수학식 3에 의하여 구해진다.
DI = ( dI /dx , dI /dy )
여기서, I는 명암 정보 또는 컬러 사진에서 만든 흑백 사진이다.
이후, 상기 수학식 3의 2*2 행렬의 고유치(eigenvalue)를 구한 다음 이중 작은 것을 해당 픽셀 위치에서의 특징점 값으로 취한다.
각각의 픽셀에서 구한 특징점 값들 중 충분히 큰 것만을 골라서(사진당 대략 400개 정도) 그 지점을 특징점으로 결정하는 것이다.
결국, 명암이 급격히 변하는 위치를 특징점의 위치로 결정하는 것이다.
이러한 특징점 추출 과정에 의하여 파노라마 사진으로부터 형성된 모든 스틸 사진으로부터 특징점을 추출하게 되면, 이의 특징점 정보를 특징점 데이터 베이스(132)가 저장하게 되는 것이다.
이후 중앙 처리부(120)는 각 격자점의 스틸 사진으로부터 추출된 특징점에 의하여 이웃하는 격자점의 스틸 사진과의 특징점 트랙킹 정보를 추출하게 되는데, 예를 들어 도 6에서 도시한 바와같이 격자점(O6)의 스틸 사진(I1)과 동일 시선 방향을 갖는 격자점(O2)의 스틸 사진(I2)의 특징점 상관 관계 즉, 트랙킹 정보를 추출하게 된다(ST160).
즉, 도 7에서 보는 바와같이 관측자가 동일 대상물을 보는 위치에 따라 그 스케일이 다르게 나타나게 되는데, 격자점(O6)의 위치에서는 대상물이 작게 보일 것이고, 격자점(O2)의 위치에서는 같은 대상물일지라고 더 크게 보일 것이다.
따라서, 사진(I1)에서의 특정 특징점 좌표 I1(x1,y1)를 기준으로 사진(I2)에서 사진(I1)과 명암 차이(I1-I2)의 제곱에 최소가 되는 해당 좌표 I2(x2,y2)를 찾는다.
이는 다음 수학식 4에 의하여 정리할 수 있다.
결국, 두 사진(I1,I2)간에 명암 차이가 가장 작은 위치를 찾는 것이며, 이는 곧 특징점 트랙킹 정보가 되어 트랙킹 데이터 베이스(133)에 저장되는 것이다(ST160).
그러나 실제 상황에서는 영상잡음을 고려하기 때문에 그 해당 좌표에 해당하는 픽셀 주위의 7*7 정도 크기의 영역(7*7 window)을 잡은 다음 영상잡음 형태가 가우시안(Gaussian)이라는 점을 가정하여 그 영역에 대해 가우시안 마스크(mask)와 콘볼루션(convolution)을 이용함으로써 노이즈를 감쇄할 수 있다.
도 8a와 도 8b는 사진(I1)의 특징점 정보를 바탕으로 특징점 트랙킹을 행하여 사진(I2)에서 특징점을 찾아낸 것을 보여준다.
이때 도 8a는 'I1'의 사진이고, 도 8b는 'I2'의 사진이며, 인덱싱된 숫자는 두 사진간의 매칭되는 특징점을 표시한 것이다.
중앙 처리부(120)는 도 9에 도시한 바와같이 상기 두 사진들에서 각 특정점들 중 최인접 3개의 특징점을 모아서 삼각형으로 분할한 다음 그 삼각형 정보를 삼각 분할 데이터 베이스(134)에 저장하게 된다.
결국, 각 스틸 사진에서 추출한 특징점 정보, 특징점간의 트랙킹 정보, 특징점의 삼각형 정보가 추출되어 데이터 베이스(130)에 저장되는 것이다(ST170, ST180).
이후, 관측자가 가상 네비게이션을 체험하기 위하여 도 4에 도시한 바와같은 임의의 격자점(예를 들어 O6의 격자점)에서 격자점(O2)로 경로 'M'을 따라서 이동하는 경우를 가정하여 디스플레이부(140)를 통해 디스플레이되는 과정을 설명한다.
관측자가 격자점(O6)의 위치에서 좌표 입력부(110)(예를 들면, 키보드, 마우스, 조이스틱 등)를 통하여 시야를 좌우로 둘러보면, 중앙 처리부(120)는 상기 좌표 입력부(110)의 입력값에 따라 파노라마 데이터 베이스(131)로부터 이에 해당하는 파노라마 사진을 읽어들여 디스플레이부(140)를 통하여 디스플레이한다.
관측자가 격자점(O2)로 이동하는 경우 데이터 베이스(130)에는 각 격자점(O6,O2)에서의 시야 방향에 따르는 스틸 사진만을 가지고 있으므로 이동 경로(M) 사에서의 동영상을 생성하여야 한다.
그러므로, 중앙 처리부(120)는 좌표 입력부(110)를 통하여 입력되는 이동 방향과 이동 속도에 대한 데이터를 입력받아 현 격자점(O6)과 이동 방향의 격자점(O2)의 시선 방향에 대한 사진(도 6에 도시한 바와같은 I1, I2 스틸 사진)에 해당하는 삼각형 정보를 삼각 분할 정보 데이터 베이스(134)로부터 읽어들이게 된다(ST200, ST210).
그 읽어들여진 삼각형 정보에 의하여 격자점(O6)에서 격자점(O2)로의 이동시에 보여지는 동영상을 생성하게 되는데, 이를 좀 더 상세히 설명한다.
도 10에 도시한 바와같이 격자점(O6)의 스틸 사진(I1)과 격자점(O2)의 스틸 사진(I2)로부터 얻어진 삼각형 정보의 일부분을 가정하여 설명한다.
관측자가 격자점(O6)에서 격자점(O2)로의 이동을 마쳤을 때 점 1,2,4로 이루어진 삼각형은 그 형태가 I1에서 I2로 변화될 것이다.
각 삼각형의 꼭지점 좌표를 알고 있으므로 두 삼각형을 같은 평면에 그렸을 때 도 11에 도시한 바와같이 동일 특징점을 잇는 선분들을 그릴 수 있다(ST220).
이 삼각형 I1과 I2의 중간에 n개의 사진을 생성하고 싶다면 이 선분들을 n등분하여 그 나누어진 각 등분마다 삼각형을 생성할 수 있다(ST230).
이들 선분들을 등분하는 개수는 관측자의 이동 속도를 조절함으로써 결정되는데, 이동 속도를 느리게 하려면 많은 개수로 등분하고, 이동 속도를 빠르게 하려면 비교적 적은 개수로 등분한다.
예를 들어 삼각형의 선분들을 3등분하면 2개의 중간 단계의 삼각형(I' ,I")을 생성할 수 있다.
이들 삼각형 두 개의 정보만 있으면 (x2, y2, 1) = H(x1, y1, 1)의 변환을 하는 3*3의 호모그라피(homography) 행렬 H를 구할 수 있으므로(affine 변환) I1 사진의 의 삼각형과 중간 단계의 삼각형(I', I")으로 변환 행렬 H를 구하였다면 I1 사진의 삼각형 내부의 픽셀에 대하여 변환 행렬 H를 적용하여 중간 단계의삼각형(I', I") 내부의 픽셀의 위치가 정해지게 된다.
즉 임의의 중간 단계 삼각형(I', I")에 대해 I1 사진의 1, 2, 4 특징점 내부의 픽셀들이 중간 단계의 삼각형(I', I") 내부의 올바른 위치로 변환(transform)을 할 수 있게 된다(ST240).
위의 과정을 사진(I1, I2)의 내부에 만들어진 모든 삼각형들에 대해 적용하게 되면 중간 단계의 사진들 모든 영역의 픽셀들을 그릴 수 있게 된다.
결국, 첫 번째 사진(I1)의 특징점과 이에 상응하는 두 번째 사진(I2)의 특징점 정보(좌표)를 알고 있으면 도 12에 도시한 바와같이 n등분한 중간 단계의 사진(I', I",...)을 생성할 수 있어 이동 과정에서 동영상을 자연스럽게 구현할 수 있는 것이다.
이와 같은 본 발명 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
1) 각 격자점에서의 파노라마 사진과 격자점과 격자점 사이를 이동하는 경우에 발생하는 사진간의 상관 관계 정보만을 저장하면 되므로 작은 저장 공간으로 구현 가능하다.
2) 파노라마 사진과 상관 관계 정보가 미리 계산되어 저장되어 있으므로 실제 디스플레이하는 경우 단지 그 정보에 따라 사진의 단순 합성으로 가상의 동영상을 구현할 수 있어 시스템의 부하를 줄일 수 있고, 빠른 처리 속도를 갖는다.
3) 관측자가 실사로 이루어진 가상의 공간에서 이동 방향을 자유 자재로 고를 수 있어 현실감이 극대화되는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 촬영 대상물을 격자로 나누어 각 격자점에서 360도 전 방향에 대한 스틸 사진을 얻어 파노라마 사진을 형성하여 데이터 베이스에 저장하는 제 1 과정;
    상기 형성된 파노라마 사진으로부터 역 파노라마 변환에 의해 각 시선 방향에 대한 스틸 사진을 추출하는 제 2 과정;
    상기 추출된 스틸 사진들로부터 특징점을 추출하는 제 3 과정;
    추출된 특징점에 의해 모든 격자점에 대해 이웃하는 격자점과 동일 시선 방향을 갖는 스틸 사진들의 상관 관계 정보를 추출하여 이를 데이터 베이스에 저장하는 제 4 과정;
    관측자로부터 이동 방향과 속도가 주어지면 출발지의 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진을 데이터 베이스로부터 읽어들여 이를 근거로 상관 관계 정보에 의하여 이동 방향에 대한 중간 단계의 사진을 생성하여 디스플레이하는 제 5 과정으로 수행됨을 특징으로 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 과정은 촬영된 스틸 사진에서 촬영 대상물의 기울어진 상태를 보정하기 위하여 사영 변환을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 과정은 모든 격자점에 대해 이웃하는 격자점과 동일 시선 방향을 갖는 스틸 사진의 특징점들 간의 가장 근사한 값을 갖는 특징점의 위치를 추출하여 이의 정보를 데이터 베이스에 저장하는 제 1 단계;
    각 사진에서 최인접 3개의 특징점들을 모아 삼각형들을 형성하고 이들 삼각형 정보를 데이터 베이스에 저장하는 제 2 단계로 수행됨을 특징으로 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 과정은 관측자로부터 이동 방향과 속도가 주어지면 출발지 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이의 특징점에 따르는 삼각형 정보를 데이터 베이스로부터 읽어들이는 제 1 단계;
    출발지 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진과의 사이에서 상관도가 큰 삼각형들간의 중간에 n개의 삼각형을 생성하는 제 2 단계;
    생성된 n개의 삼각형 내부에 변환 행렬을 적용하여 출발지 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진 또는 이동 대상 격자점의 시선 방향에 대한 스틸 사진의 픽셀을 변환하여 위치시킨 다음 이를 디스플레이하는 제 3 단계로 수행됨을 특징으로 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    새로이 생성되는 삼각형의 개수는 관측자의 이동 속도의 입력에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 스틸 사진을 이용한 가상 네비게이션 구현 방법.
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