KR101392804B1 - Indoor 3d model extraction method based on point clouds from terrestrial lidar and recording medium thereof - Google Patents

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KR101392804B1
KR101392804B1 KR1020120081003A KR20120081003A KR101392804B1 KR 101392804 B1 KR101392804 B1 KR 101392804B1 KR 1020120081003 A KR1020120081003 A KR 1020120081003A KR 20120081003 A KR20120081003 A KR 20120081003A KR 101392804 B1 KR101392804 B1 KR 101392804B1
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Abstract

본 발명은 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법에 관한 것으로, 상기 지상 라이다를 이용하여 실내공간을 스캐닝 하는 제 110단계; 상기 실내공간의 여러 곳에서 스캐닝 된 포인트 클라우드를 병합하여 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 생성하는 제 120단계; 상기 병합된 실내공간의 포인트 클라우드를 분할(Segmentation)하는 제 130단계; 상기 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 면을 결정하는 제 140단계; 상기 결정된 면을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출하는 제 150단계; 및 상기 경계선과 경계선이 추출되지 않은 나머지 영역에 대해서는 남아 있는 포인트 클라우드를 사용하여 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성하는 제 160단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 레이저 스캐닝 기술을 통해 취득된 3차원 포인트 클라우드로부터 실내공간을 구성하는 평면을 자동으로 추출하고, 평면을 추출하고 남은 실내공간에 대해서는 3차원 포인트 클라우드를 활용하여 3차원 모델을 추출함으로써, 종래의 방식에 비하여 소요시간 및 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 자동으로 추출된 평면과 평면추출에 사용되지 않은 3차원 포인트 클라우드를 함께 사용하여 실내 3차원 공간을 표현함으로써, 기존방식에 비하여 상대적으로 적은 자료크기에 비해 정보의 손실 없이 상세한 표현이 가능하다. 또한, 지상 라이다를 이용하여 취득된 포인트 클라우드로 자동 또는 반자동으로 3차원의 실내 공간 모델을 생성하는 기술을 적용할 경우 기존 실내공간에 대한 계획, 설계 및 유지관리에 효율적으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 도시계획, 3차원 지리정보시스템(GIS) 및 건물 정보 모델링(BIS) 분야의 실내 공간 데이터베이스 구축 등에 기여할 수 있는 효과가 있다.
The present invention relates to a point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method acquired in a terrestrial environment, wherein the indoor space is scanned using the terrestrial environment; A step 120 of merging the point clouds scanned in various places of the indoor space to generate a point cloud for one indoor space; 130) of segmenting the point cloud of the merged indoor space; 140. The method of claim 140, further comprising: determining a plane using the divided point cloud; A step 150 of extracting a boundary line for the indoor space using the determined surface; And a step 160 of generating a three-dimensional model of the indoor space by using the remaining point clouds for the boundary and the remaining area where the boundary is not extracted. Dimensional model extraction method of the indoor space.
According to the present invention, a plane constituting an indoor space is automatically extracted from a three-dimensional point cloud acquired through laser scanning technology, and a three-dimensional model is extracted using a three-dimensional point cloud for the remaining indoor space Thus, the time and cost can be drastically reduced as compared with the conventional method. In addition, by expressing the three-dimensional indoor space using the automatically extracted plane and the unused three-dimensional point cloud for plane extraction, the detailed representation can be achieved without loss of information compared with the relatively small data size as compared with the existing method . In addition, if a technique of generating a three-dimensional indoor space model automatically or semiautomatically with a point cloud obtained by using the ground lidar is applied, it can be efficiently used for planning, designing and maintenance of an existing indoor space But it has an effect of contributing to the construction of an indoor space database in the field of urban planning, three-dimensional geographic information system (GIS) and building information modeling (BIS).

Description

지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체 {INDOOR 3D MODEL EXTRACTION METHOD BASED ON POINT CLOUDS FROM TERRESTRIAL LIDAR AND RECORDING MEDIUM THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a three-dimensional model extraction method for indoor space based on a point cloud obtained from a terrestrial Lada, and a recording medium on which a program for implementing the method is extracted.

본 발명은 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체에 관한 것으로서, 지상 라이다를 이용하여 취득된 3차원 포인트 클라우드를 기반으로 실내공간 3차원 모델을 구축하고 실내 내부환경을 표현하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method and a recording medium on which a program for implementing the same is acquired, which is obtained from a terrestrial Lada, and is based on a 3D point cloud obtained using a terrestrial Lada The present invention relates to a method for constructing a three-dimensional space model of an indoor space and expressing the indoor environment of the room.

지상 라이다는 항공 라이다측량과 동일한 원리로 3차원 데이터를 취득하며 시간과 인력의 소모를 절감하면서도 고밀도의 포인트 클라우드를 취득할 수 있으므로 지리정보시스템에서의 실내 3차원 모델 구축, 건축물 유지 관리를 위한 내부 구조물의 변형 측정 및 건물 도면 구축, 문화재 관리 등에 활용되고 있다. Land Raida acquires 3D data with the same principle as air Raida survey. It can acquire high-density point cloud while saving time and manpower. Therefore, it is possible to construct indoor 3D model in geographic information system, And it is used for building deformation measurement, cultural property management, and so on.

실내 모델링에서 쓰이는 지상 라이다는 시간차 방식으로 3차원 데이터를 취득하며 세부적으로는 TOF(Time of Flight) 방식과 위상차(phase) 방식으로 구분이 된다. 장거리 레이저 스캐너는 주로 TOF방식으로 3차원 데이터를 취득하며 수백 미터 이상의 거리까지 측정할 수 있지만 상대적으로 정밀도가 떨어지고 측량에 상대적으로 오랜 시간이 소요된다. 반면 고밀도 레이저 스캐너는 위상차 기반으로 TOF 방식에 비해 측정거리가 짧지만 고밀도의 포인트 클라우드를 취득할 수 있으므로 건물 내부, 설비 등의 3차원 실내 모델링에 이용된다. The ground-based LIDA used in the indoor modeling acquires three-dimensional data by the time difference method, and is classified into the TOF (Time of Flight) method and the phase difference method in detail. Long-range laser scanners typically acquire three-dimensional data in TOF and can measure distances of several hundred meters or more, but they are relatively inaccurate and take a relatively long time to measure. On the other hand, the high-density laser scanner is based on the phase difference and has a shorter measurement distance than the TOF method, but it can acquire a high-density point cloud, and thus is used for three-dimensional indoor modeling of the inside of a building and facilities.

과거 실내 3차원 모델링은 사진측량 기술 또는 CAD 도면을 이용한 2차원 정보의 취득 또는 복원을 중심으로 진행되었다. 하지만 기존의 2차원 도면 정보로는 고층화되는 건물과 복잡한 시설물에 대한 공간정보를 표현하는데 제약이 있으므로 실내 3차원 모델을 구축하고 실내 공간을 표현하는 기술의 필요성이 급증하고 있다. 하지만 공간정보 분야에서 3차원 모델 구축 기술은 지형 모델, 토목 및 건축 구조물의 실외 모델 구축에 대해서 주로 선행되고 있으며 실내 3차원 모델 구축 기술의 개발 및 활용에 대한 연구는 미비한 실정이다.In the past, indoor 3D modeling focused on the acquisition or restoration of 2D information using photogrammetry technology or CAD drawings. However, existing 2D map information has restrictions on expressing spatial information about high - rise buildings and complex facilities. Therefore, there is a growing need for a technique for constructing an indoor three - dimensional model and expressing indoor space. However, in the field of spatial information, the 3D model building technology is predominant in the construction of the terrain model, the outdoor model of the civil engineering and the building structure, and the research on the development and application of the indoor 3D model building technology is insufficient.

실내 3차원 모델을 구축하기 위해 지상 라이다를 이용하여 취득된 포인트 클라우드를 이용할 수 있다. 하지만 대부분 수작업에 의해서 진행되고 있으므로 작업자의 숙련도에 따라 작업결과가 상이하게 나타날 수 있으며, 작업 시간과 비용의 증대를 가져오므로, 3차원 모델링 공정의 표준화가 필요한 상황이다. In order to construct an indoor three-dimensional model, a point cloud obtained using a ground lidar can be used. However, most of the work is carried out by hand, so the work results may be different according to the skill of the worker, and the work time and cost are increased. Therefore, it is necessary to standardize the three-dimensional modeling process.

또한 3차원 모델 구축과 별개로, 정확한 실내공간의 정확한 가시화를 위해서는 잘 고안된 실내공간 표현 방법이 필요하다. 하지만 주로 1) 작업자가 주관적으로 구축한 3차원 모델을 이용한 실내환경 표현, 2) 원자료인 포인트 클라우드를 이용한 실내 공간 표현, 3) 포인트 클라우드를 기반으로 생성된 3차원 불규칙 삼각망을 이용하여 실내 공간을 표현한다. 첫번째 방법은 시간과 비용이 많이 들 뿐 아니라, 주관적으로 판단된 결과라 실제 모양에 대한 정보를 모두 상실하는 단점이 있다. 두번째 방법은 원 자료를 그대로 보존 할 수는 있으나 큰 용량으로 인하여 3차원 정보의 처리와 가시화에 한계를 갖는다. 세번째 방법은 두 방법의 장점을 취할 수 있지만, 하나의 단순화 변수를 이용하여 표현하므로 복잡한 공간과 간단한 공간이 같은 수준으로 단순화되어 표현되는 한계를 갖는다. 따라서 이와 같은 한계를 해결하기 위한 실내공간 표현 방법이 필요한 상황이다.In addition, apart from building a 3D model, a well-designed interior space representation method is required for precise visualization of accurate indoor space. However, in order to solve this problem, it is necessary to consider the following three points: (1) indoor environment expression using a three-dimensional model constructed by the operator, (2) interior space expression using a point cloud as a raw data, Express space. The first method is not only time-consuming and costly, but is also a subjective result, and it loses all information about the actual shape. The second method can preserve original data, but it has limitations on the processing and visualization of 3D information due to its large capacity. The third method can take advantage of the two methods, but has the limitation that complex space and simple space can be simplified to the same level because they are expressed using one simplifying variable. Therefore, a method of expressing indoor space is needed to solve such limitations.

본 발명은 상기의 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 실내공간을 대상으로 취득된 3차원 포인트 클라우드를 세그멘테이션(Segmentation) 방법을 이용한 분할을 수행하여 평면을 추출하고, 평면을 추출하지 못한 나머지 실내공간에 대해서는 3차원 포인트 클라우드를 활용함으로써, 실내공간의 3차원 모델을 효과적으로 추출할 수 있는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the conventional art, and it is an object of the present invention to provide a three-dimensional point cloud which is obtained by dividing a three-dimensional point cloud acquired for an indoor space by a segmentation method, A three-dimensional model extraction method based on a point cloud obtained from the ground level, which can extract a three-dimensional model of an indoor space efficiently by utilizing a three-dimensional point cloud for a space, and a method for recording a program And it is an object of the present invention to provide a medium.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법은, 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법에 있어서, 상기 지상 라이다를 이용하여 실내공간을 스캐닝하는 제 110단계; 상기 실내공간의 여러 곳에서 스캐닝 된 포인트 클라우드를 병합하여 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 생성하는 제 120단계; 상기 병합된 실내공간의 포인트 클라우드를 분할(Segmentation)하는 제 130단계; 상기 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 면을 결정하는 제 140단계; 상기 결정된 면을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출하는 제 150단계; 및 상기 경계선과 경계선이 추출되지 않은 나머지 영역에 대해서는 남아 있는 포인트 클라우드를 사용하여 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성하는 제 160단계;를 포함할 수 있다.In order to attain the above object, a point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method acquired in a ground-level domain of the present invention is a point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method, A step 110 of scanning the indoor space using the lidar; A step 120 of merging the point clouds scanned in various places of the indoor space to generate a point cloud for one indoor space; 130) of segmenting the point cloud of the merged indoor space; 140. The method of claim 140, further comprising: determining a plane using the divided point cloud; A step 150 of extracting a boundary line for the indoor space using the determined surface; And a step 160 of generating a three-dimensional model of the indoor space using the remaining point clouds for the boundary and the remaining area in which the boundary is not extracted.

또한, 상기 제 120단계는 병합 후 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드의 절대좌표를 등록하는 단계를 더 포함할 수 있다.In operation 120, the absolute coordinates of the point cloud for one indoor space may be registered after merging.

또한, 상기 제 130단계는 상기 포인트 클라우드 분할(Segmentation) 방법을 이용하여 실내공간의 전체 포인트 클라우드를 같은 평면에 속하는 포인트 데이터들로 분류하여 유효하지 않은 세그먼트들을 제거하고, 상기 제 150단계는 분할(Segmentation) 된 포인트들을 이진 영상화하고, 백터라이제이션(Vectorization) 기법을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출할 수 있다.In operation 130, the entire point cloud of the indoor space is classified into point data belonging to the same plane by using the point cloud segmentation method to remove invalid segments. In operation 150, Segmentation points are binarized and the boundary of interior space can be extracted using Vectorization.

또한, 상기 유효하지 않은 세그먼트 제거에는 정제격자(Refinement Grid)를 이용하고, 이진 영상화에는 경계선 추출격자(Outline Trace Grid)를 이용할 수 있다.Also, a refinement grid may be used to remove the invalid segment, and an outline trace grid may be used for binary imaging.

또한, 상기 제 160단계는 최종적으로 생성된 경계선을 이용하여 면을 추출하고, 나머지 실내공간에 대한 3차원 포인트 클라우드를 직접 사용하거나 3차원 포인트 클라우드로부터 생성된 3차원 메쉬를 3차원 저작 소프트웨어를 이용하여 3차원 도형을 작도함으로써, 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성할 수 있다.In operation 160, the surface is extracted using the finally created boundary line, and the 3D point cloud for the remaining indoor space is directly used, or the 3D mesh generated from the 3D point cloud is used for 3D rendering software Dimensional space, so that a three-dimensional model of the indoor space can be created.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a recording medium recording a program for causing a computer to execute a point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method acquired in a terrestrial environment.

본 발명에 따른 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법 및 이를 구현하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체에 의하면, 레이저 스캐닝 기술을 통해 취득된 3차원 포인트 클라우드로부터 실내공간을 구성하는 평면을 자동으로 추출하고, 평면을 추출하고 남은 실내공간에 대해서는 3차원 포인트 클라우드를 활용하여 3차원 모델을 추출함으로써, 종래의 방식에 비하여 소요시간 및 비용을 획기적으로 절감할 수 있으며, 작업자의 특성에 따른 결과물의 차이를 완화시킬 수 있다.According to the point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method and the recording medium on which the program for implementing the method is extracted, the indoor space is obtained from the 3D point clouds obtained through the laser scanning technology, It is possible to drastically reduce the time and cost in comparison with the conventional method by automatically extracting the planes to be constructed and extracting the planes and extracting the three-dimensional model using the three-dimensional point cloud for the remaining indoor space, It is possible to alleviate the difference in the result depending on the characteristics of the product.

또한, 자동으로 추출된 평면과 평면추출에 사용되지 않은 3차원 포인트 클라우드를 함께 사용하여 실내 3차원 공간을 표현함으로써, 기존방식에 비하여 상대적으로 적은 자료크기에 비해 정보의 손실 없이 상세한 표현이 가능하다.In addition, by expressing the three-dimensional indoor space using the automatically extracted plane and the unused three-dimensional point cloud for plane extraction, the detailed representation can be achieved without loss of information compared with the relatively small data size as compared with the existing method .

또한, 지상 라이다를 이용하여 취득된 포인트 클라우드로 자동 또는 반자동으로 3차원의 실내 공간 모델을 생성하는 기술을 적용할 경우 기존 실내공간에 대한 계획, 설계 및 유지관리에 효율적으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 도시계획, 3차원 지리정보시스템(GIS) 및 건물 정보 모델링(BIM) 분야의 실내 공간 데이터베이스 구축 등에 기여할 수 있는 효과가 있다.In addition, if a technique of generating a three-dimensional indoor space model automatically or semiautomatically with a point cloud obtained by using the ground lidar is applied, it can be efficiently used for planning, designing and maintenance of an existing indoor space However, it has an effect of contributing to the construction of an indoor space database in the field of urban planning, three-dimensional geographic information system (GIS) and building information modeling (BIM).

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법의 순서도.
도 2는 지상 라이다를 이용하여 스캐닝 한 건물의 포인트 클라우드.
도 3a는 건물의 포인트 클라우드가 분할된 모습을 나타낸 예시도.
도 3b는 분할된 포인트 클라우드에 의해 결정된 면을 이용하여 실내공간의 경계선이 추출된 모습을 나타낸 예시도.
도 4a는 3차원 메쉬 데이터와 경계선이 추출된 모습을 나타낸 예시도.
도 4b는 3차원 모델의 경계선 추출에 사용되지 않고 남은 포인트 클라우드를 이용하여 메쉬 데이터를 형성한 모습을 나타낸 예시도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flowchart of a point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method acquired from a ground level according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2 is a point cloud of a building scanned using a ground level scanner.
FIG. 3A is an exemplary view showing a point cloud of a building divided; FIG.
FIG. 3B is an exemplary view showing a boundary line of an indoor space extracted using a plane determined by a divided point cloud. FIG.
FIG. 4A is an exemplary view showing a three-dimensional mesh data and a boundary line extracted; FIG.
FIG. 4B is an illustration showing a state in which mesh data is formed using point clouds that are not used for boundary line extraction of a three-dimensional model; FIG.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 일 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법의 순서도이다.FIG. 1 is a flowchart of a method of extracting a point cloud-based indoor space three-dimensional model acquired in a terrestrial lathe according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 먼저 지상 라이다를 이용하여 실내공간을 스캐닝한다(S110). 지상 라이다로부터 취득된 포인트 클라우드는 일반적으로 (x, y, z)의 실내공간에 대한 상대적 좌표로 구성된 포인트와 반사강도로 구성되며 텍스트 또는 바이너리 형식의 파일로 저장된다. 실내공간의 정확한 자료를 취득하기 위해서는 지상 라이다를 여러 곳에 설치하여 스캐닝되지 않은 지역은 폐색지역이 최소화되도록 스캐닝한다. Referring to FIG. 1, first, an indoor space is scanned using a ground lidar (S110). The point cloud obtained from the terrestrial Lada is generally composed of points composed of relative coordinates to the indoor space of (x, y, z) and reflection intensity, and is stored in a file in text or binary format. In order to obtain accurate data of the indoor space, the ground lidar is installed in several places and the unscanned area is scanned so that the obstruction area is minimized.

다음으로, 실내공간의 여러 곳에서 스캐닝 된 포인트 클라우드를 병합한다(S120). 구체적으로는, 지상 라이다를 이용하여 실내공간의 여러 곳에서 각각 스캐닝 되어 저장된 포인트 클라우드에 포함되어 있는 노이즈를 제거한 후 각 포인트 클라우드를 병합하여 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 생성할 수 있다. 또한, 실내공간의 여러 곳에서 각각 스캐닝 되어 저장된 포인트 클라우드를 병합한 후, 병합된 포인트 클라우드에 포함된 노이즈를 제거할 수도 있다.Next, the point clouds scanned at various places in the indoor space are merged (S120). Specifically, a point cloud for one indoor space can be created by merging the point clouds after removing the noise included in the point cloud scanned and stored in various places in the indoor space using the ground lidar. In addition, it is possible to remove the noise included in the merged point clouds after merging the stored point clouds with various points in the indoor space, respectively.

또한, 노이즈가 제거된 포인트 클라우드를 병합하고, 절대좌표를 등록하는 과정 또는 포인트 클라우드를 병합한 후 노이즈를 제거하고 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드의 절대좌표를 등록하는 과정을 더 포함할 수 있다. 구체적으로는, 다수의 포인트 클라우드들은 지상 라이다의 위치에 따른 상대좌표를 가지게 되므로 정합과정이 필요하며 지역 또는 전역 절대좌표를 등록하는 것이 필요하다. 이러한 정합 및 절대좌표 등록기법으로는 직접기법과 간접기법으로 분류되는데, 이 중에서 간접기법을 이용한다. 간접기법은 포인트 클라우드 데이터에 절대좌표를 부여하기 위해 별도의 측량과정이 필요하며 포인트 클라우드 데이터의 정합을 위하여 자연지물이나 인공물을 타겟으로 이용한다. 정합을 위해서 두 개의 포인트 클라우드 데이터 간에 3개의 대응되는 타겟이 필요하나 에러를 최소화하기 위해서 3개 이상의 타겟을 사용한다.The method may further include a process of merging the point clouds from which the noise has been removed, registering the absolute coordinates, or merging the point cloud, removing noise, and registering absolute coordinates of the point cloud with respect to one indoor space . Specifically, since a plurality of point clouds have relative coordinates according to the position of the ground lidar, a registration process is required, and it is necessary to register the absolute coordinates of the local or global coordinates. These registration and absolute coordinate registration methods are classified into direct method and indirect method. Of these, indirect method is used. Indirect techniques require a separate measurement process to assign absolute coordinates to the point cloud data and use natural artifacts or artifacts to match the point cloud data. Three matching targets are required between two point cloud data for matching, but three or more targets are used to minimize errors.

다음으로, 하나로 병합된 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 이용하여 분할(segmentation)을 수행한다(S130). 대표적인 분할 방법으로는 영역확장방법 (Region growing method), RANSAC(Random sample consensus) 방법, Parameter-based 방법 및 3D BSP(Binary Space Partitioning) tree를 들 수 있다. Next, segmentation is performed using the point cloud for the indoor space merged into one (S130). Representative partitioning methods include Region growing method, Random sample consensus (RANSAC) method, Parameter-based method, and 3D BSP (Binary Space Partitioning) tree.

영역확장방법을 이용한 포인트 클라우드의 분할은 씨드 포인트(seed point)로부터 인접한 포인트 데이터를 이용하여 초기 평면을 결정하고, 새로운 포인트가 초기 평면으로부터 통계적 임계치 이내일 경우, 해당 포인트를 씨드 포인트가 속한 그룹에 포함시킨다. 하나의 씨드 포인트를 중심으로 한 영역확장이 마무리된 후 동일 그룹에 속한 포인트들을 이용하여 평면 방정식을 최소제곱조정을 통해 산출한다. 이후 새로운 포인트를 또 다른 씨드 포인트로 하여 영역확장을 지속적으로 수행한다. 모든 포인트에 대하여 이와 같은 과정을 거쳐 실내공간을 구성하는 평면들 중 하나에 편입되도록 한다.The segmentation of the point cloud using the area expansion method determines the initial plane using the adjacent point data from the seed point. If the new point is within the statistical threshold from the initial plane, the point is divided into the group to which the seed point belongs . After the region expansion centered on one seed point is completed, the planar equations are calculated through least square adjustment using points belonging to the same group. Then, the new point is set as another seed point, and region expansion is continuously performed. This process is performed for all the points to be incorporated into one of the planes constituting the indoor space.

RANSAC 방법론에 기반한 분할기법은 지속적으로 포인트의 무작위 집합을 선택하고 이를 이용하여 평면을 구성한 후 이 평면에 속하는 포인트들과 속하지 않는 포인트들을 구분한다. 구성된 평면이 초기의 무작위 집합에 의해 결정되므로 상기 방법론을 지속적으로 수행하여 평면에 속하는 포인트들이 최대가 되는 해당 평면과 포인트들을 최종적으로 선택한다. 선택된 포인트들을 전체 집합에서 분리한 후 남은 포인트들을 이용하여 위의 방법을 지속적으로 수행한다. 구체적으로, RANSAC 방법을 이용하여 분할하는 경우, 전체 포인트 클라우드를 같은 평면에 속하는 포인트 데이터들로 분류하고 정제격자(Refinement Grid)를 이용하여 유효하지 않은 세그먼트를 제거한다. RANSAC을 이용한 세그멘테이션 기법은 방정식으로 표현되는 수학적 평면을 기준으로 포인트 클라우드를 분할한다. 따라서, 다른 면에 속하지만 평면에 가까이 있을 경우 같은 세그먼트로 인식하므로 잘못 분류된 포인트들을 제거하기 위한 정제과정이 필요하다.The partitioning technique based on the RANSAC methodology continuously selects a random set of points, uses them to construct a plane, and then separates points belonging to this plane from points not belonging to it. Since the constructed plane is determined by an initial random set, the methodology is continuously performed to finally select the corresponding plane and points where the points belonging to the plane become the largest. After separating the selected points from the whole set, the above method is continuously performed using the remaining points. Specifically, when dividing using the RANSAC method, the entire point cloud is classified into point data belonging to the same plane, and a refinement grid is used to remove invalid segments. The segmentation technique using RANSAC divides the point cloud based on the mathematical plane represented by the equation. Therefore, if it belongs to the other plane but is close to the plane, it is recognized as the same segment, so a refinement process is needed to remove the points that are misclassified.

Parameter-based 분할기법 중 대표적인 방법이 Hough transform 기법이다. 3차원 공간상에서의 각 포인트들은 파라미터 공간에서 평면들을 형성하게 된다. 3차원 공간상에서 동일한 평면에 놓인 포인트들에 해당하는 파라미터 공간상에서의 평면들은 그 공간상에서 동일한 위치에서 교차하게 된다. 따라서 파라미터 공간상에서 가장 많은 평면들이 교차하는 위치에 놓은 점을 추출하게 되면 3차원 공간상에서 동일한 평면에 놓인 포인트들을 추출하게 된다. 하나의 평면에 놓인 포인트들을 추출한 후 남은 포인트들을 이용하여 위에 언급된 방법을 지속적으로 수행하게 된다.A typical method of parameter-based partitioning is Hough transform. Each point in the three-dimensional space forms the planes in the parameter space. The planes on the parameter space corresponding to the points lying on the same plane in the three-dimensional space intersect at the same position in the space. Therefore, extracting the point at the intersection of the largest number of planes in the parameter space extracts the points lying in the same plane in the three - dimensional space. After extracting the points lying on one plane, the above-mentioned method is continuously performed using the remaining points.

3D BSP(Binary Space Partitioning) tree를 이용한 포인트 클라우드의 분할은 공간을 분할하는 정보를 담고 있는 2진 트리를 이용하는 것으로서, 3차원 공간상의 면들을 특정 기준면의 앞과 뒤로 구분해서 관리한다. 공간을 분할하여 처리하는 것으로 어느 공간에 어떤 데이터가 있는지 2진 탐색 방식으로 빠르게 처리할 수 있다. 즉, 앞, 뒤, 왼쪽, 오른쪽인지를 구분하여 검색하는 것이다. The point cloud division using the 3D BSP (Binary Space Partitioning) tree is a binary tree which contains information for dividing the space, and manages the faces in the 3D space by separating the front and back of the specific reference plane. By dividing and processing the space, it is possible to quickly process what data is in a space by a binary search method. That is, the search is performed by distinguishing whether it is front, back, left, or right.

상기의 예로 든 분할 방법 이외의 분할 방법을 이용하여 분할을 수행할 수 있으며, 분할 방법의 종류에 한정되지 않음은 당연하다.It is possible to perform the division using the division method other than the division method as described above, and it is obvious that it is not limited to the kind of the division method.

다음으로, 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 실내공간에 대한 면을 결정한다(S140). 구체적으로, 분할(segmentation)을 수행하면 각각의 포인트가 속하는 면이 생성될 수 있다.Next, the plane for the indoor space is determined using the divided point cloud (S140). Specifically, when segmentation is performed, a surface to which each point belongs can be generated.

다음으로, 결정된 면을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출한다(S150). 분할을 통하여 면이 생성되고, 면과 면이 만나는 선을 결정할 수 있다. 이와 같이 면과 면이 만나서 생성되는 선을 경계선이라 하며, 실내공간 전체에 대한 경계선을 결정할 수 있다. 구체적으로는, RANSAC 방법을 이용하여 실내공간의 포인트 클라우드를 분할하는 경우, 경계선 추출 격자(Outline Trace Grid)를 이용하여 세그먼트 된 포인트들을 이진 영상화하고 벡터라이제이션(Vectorization) 기법을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출한다. 격자의 크기는 정제과정과 마찬가지로 실내 환경의 특성에 따라서 다르게 설정할 수 있다. 경계선 추출 과정이 종료되면 이진 영상을 반전하여 창문 등과 같은 세그먼트 영역 내 비어있는 영역의 외곽선을 추출한다. 이 때 면적이 일정 크기 이상이 되는 빈 공간에 대해서만 외곽선 추출을 시행하며, 추출된 외곽선들은 2차원, 3차원의 CAD 또는 BIM 표준포맷인 IFC 파일 등의 형태로 파일에 기록한다. Next, a boundary line for the indoor space is extracted using the determined surface (S150). A plane is generated through division, and a line on which the plane and the plane meet can be determined. The line generated by the surface and the face meet is referred to as a boundary line, and the boundary line for the entire indoor space can be determined. Specifically, when the point cloud of the indoor space is divided by using the RANSAC method, the segmented points are binarized using an Outline Trace Grid, and the points are binarized using the Vectorization technique The boundary line is extracted. The size of the grid can be set differently according to the characteristics of the indoor environment as in the refining process. When the boundary extraction process ends, the binary image is inverted to extract an outline of an empty area in a segment area such as a window. At this time, an outline is extracted only for an empty space having an area of a certain size or more, and the extracted outlines are recorded in a file in the form of an IFC file, which is a 2D or 3D CAD or BIM standard format.

또한, 경계선을 이용하여 설정된 면과 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 비교하여 오류가 발생하는 경우, 오류가 발생된 면에 대해 오류가 임계값 이내로 수렴될 때까지 실내공간의 포인트 클라우드를 분할하는 단계(S130) 및 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 면을 결정하는 단계(S140)를 반복하여 수행한다.The method may further include dividing the point cloud of the indoor space until the error is converged within the threshold value with respect to the surface where the error occurs, when the point cloud is compared with the point cloud using the boundary line and the indoor space S130) and determining the plane using the divided point clouds (S140).

마지막으로, 위와 같은 작업을 통해서 최종적으로 경계선이 생성되면, 경계선과 경계선이 추출되지 않은 나머지 영역에 대해서는 남아있는 포인트 클라우드를 사용하여 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성한다(S160). 구체적으로, 최종적으로 생성된 경계선을 이용하여 면을 추출하고, 경계선을 추출하지 못한 나머지 실내공간에 대한 3차원 포인트 클라우드를 직접 사용하거나 3차원 포인트 클라우드로부터 생성된 3차원 메쉬를 3차원 저작 소프트웨어를 이용하여 사용자가 직접 3차원 도형을 작도함으로써, 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성할 수 있다.
Finally, when a boundary line is finally generated through the above operation, a 3D model of the indoor space is generated using the remaining point cloud for the boundary line and the remaining area in which the boundary line is not extracted (S160). Specifically, the surface is extracted using the finally created boundary line, the 3D point cloud is directly used for the remaining indoor space where the boundary line can not be extracted, or the 3D mesh generated from the 3D point cloud is used as the 3D authoring software Dimensional model of the indoor space can be created by the user directly constructing the three-dimensional graphic.

도 2는 지상 라이다를 이용하여 스캐닝 한 건물의 포인트 클라우드이고, 도 3a는 건물의 포인트 클라우드가 분할된 모습을 나타낸 예시도이고, 도 3b는 분할된 포인트 클라우드에 의해 결정된 면을 이용하여 실내공간의 경계선이 추출된 모습을 나타낸 예시도이고, 도 4a는 3차원 메쉬 데이터와 경계선이 추출된 모습을 나타낸 예시도이고, 도 4b는 3차원 모델의 경계선 추출에 사용되지 않고 남은 포인트 클라우드를 이용하여 메쉬 데이터를 형성한 모습을 나타낸 예시도이다.FIG. 3 is a view showing a point cloud of a building that is divided by using a surface determined by a divided point cloud; FIG. FIG. 4A is an exemplary view showing a state in which 3D mesh data and a boundary line are extracted, FIG. 4B is a view illustrating an example in which a boundary cloud is not used in boundary line extraction of a 3D model, FIG. 8 is an exemplary view showing a state in which mesh data is formed. FIG.

도 2를 참조하면, 지상 라이다를 이용하여 실내공간의 여러 곳에서 스캐닝 한 건물의 포인트 클라우드를 노이즈를 제거한 후 병합하여 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 생성한 모습을 나타낸다.Referring to FIG. 2, a point cloud of a building scanned at various places in an indoor space is removed by removing noise and created a point cloud for an indoor space using a ground lidar.

도 3a를 참조하면, 지상 라이다를 이용하여 스캐닝된 실내공간의 포인트 클라우드의 노이즈를 제거한 후, 분할된 모습을 나타낸다. 분할된 포인트 클라우드에 의해 면이 결정된다.Referring to FIG. 3A, after the noise of the point cloud of the indoor space scanned using the ground lidar is removed, the divided image is shown. The faces are determined by the divided point cloud.

도 3b를 참조하면, 분할된 포인트 클라우드에 의해 결정된 면을 이용하여 실내공간에 대한 경계선이 추출된 모습을 볼 수 있다. Referring to FIG. 3B, a boundary line of the indoor space can be seen using the plane determined by the divided point cloud.

도 4a를 참조하면, 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 실내공간의 면을 결정하고, 결정된 면에 의해서 추출된 경계선(흰색)과 경계선이 추출되지 않은 영역의 3차원 메쉬 데이터(붉은색)의 모습을 볼 수 있다.Referring to FIG. 4A, the plane of the indoor space is determined using the divided point clouds, and the shape of the 3D mesh data (red color) of the boundary line (white) extracted by the determined plane and the boundary line is not extracted can see.

도 4b를 참조하면, 3차원 모델의 경계선 추출에 사용되지 않고 남은 포인트 클라우드를 이용하여 메쉬 데이터(붉은색)를 형성한 모습을 볼 수 있다.
Referring to FIG. 4B, the mesh data (red color) is formed using the remaining point cloud not used for boundary line extraction of the three-dimensional model.

한편, 이러한 본 발명에 의한 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
Meanwhile, the point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method obtained in the above-mentioned ground-level method according to the present invention is implemented as a program and is implemented as a computer-readable recording medium (CDROM, RAM, ROM, floppy disk, hard disk, Magnetic disk, etc.).

본 발명에 의하면, 레이저 스캐닝 기술을 통해 취득된 3차원 포인트 클라우드로부터 실내공간을 구성하는 평면을 자동으로 추출하고, 평면을 추출하고 남은 실내공간에 대해서는 3차원 포인트 클라우드를 활용하여 3차원 모델을 추출함으로써, 종래의 방식에 비하여 소요시간 및 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 지상 라이다를 이용하여 취득된 포인트 클라우드로 자동 또는 반자동으로 3차원의 실내 공간 모델을 생성하는 기술을 적용할 경우 기존 실내공간에 대한 계획, 설계 및 유지관리에 효율적으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 도시계획, 3차원 지리정보시스템(GIS) 및 건물 정보 모델링(BIS) 분야의 실내 공간 데이터베이스 구축 등에 기여할 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, a plane constituting an indoor space is automatically extracted from a three-dimensional point cloud acquired through a laser scanning technique, a plane is extracted, and a three-dimensional model is extracted Thus, the time and cost can be drastically reduced as compared with the conventional method. In addition, if a technique of generating a three-dimensional indoor space model automatically or semiautomatically with a point cloud obtained by using the ground lidar is applied, it can be efficiently used for planning, designing and maintenance of an existing indoor space But it has an effect of contributing to the construction of an indoor space database in the field of urban planning, three-dimensional geographic information system (GIS) and building information modeling (BIS).

본 발명은 상기한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 되는 것임은 자명하다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their equivalents. Obviously, such modifications are intended to be within the scope of the claims.

Claims (6)

지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법에 있어서,
상기 지상 라이다를 이용하여 실내공간을 스캐닝 하는 제 110단계;
상기 실내공간의 여러 곳에서 스캐닝 된 포인트 클라우드를 병합하여 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 생성하는 제 120단계;
상기 병합된 실내공간의 포인트 클라우드를 분할(Segmentation)하는 제 130단계;
상기 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 면을 결정하는 제 140단계;
상기 결정된 면을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출하는 제 150단계와, 상기 경계선을 이용하여 설정된 면과 실내공간에 대한 포인트 클라우드를 비교하여 오류가 발생하였다면, 상기 오류가 발생된 면에 대해 상기 실내공간의 포인트 클라우드를 분할하는 제 130단계 및 상기 분할된 포인트 클라우드를 이용하여 상기 면을 결정하는 제 140단계를 상기 오류가 임계값 이내로 수렴될 때까지 반복하여 수행하는 단계 및
상기 경계선이 추출되지 않은 나머지 영역에 대해서는 초기 포인트 클라우드에 비해 상대적으로 크기가 줄어든 남아 있는 포인트 클라우드를 사용하여 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성하는 제 160단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법.
A point cloud-based indoor space three-dimensional model extraction method,
A step 110 of scanning the indoor space using the ground lidar;
A step 120 of merging the point clouds scanned in various places of the indoor space to generate a point cloud for one indoor space;
130) of segmenting the point cloud of the merged indoor space;
140. The method of claim 140, further comprising: determining a plane using the divided point cloud;
A step 150 of extracting a boundary line with respect to the indoor space using the determined surface, and a step 150 of comparing the point cloud with respect to the set surface and the indoor space using the boundary line, if the error occurs, Comprising the steps of: dividing the point cloud in the indoor space; and performing the step 140 of determining the surface using the divided point clouds until the error converges to within the threshold value.
And a step 160 of generating a three-dimensional model for the indoor space by using the remaining point cloud that is reduced in size relative to the initial point cloud for the remaining area in which the boundary line has not been extracted. A three - dimensional model extraction method of indoor space based on point clouds obtained in.
제1항에 있어서,
상기 제 120단계는
병합 후 하나의 실내공간에 대한 포인트 클라우드의 절대좌표를 등록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법.
The method according to claim 1,
In operation 120,
And registering the absolute coordinates of the point cloud with respect to one indoor space after the merging. The method of extracting indoor space three-dimensional model based on point clouds obtained in the above-mentioned way.
제1항에 있어서,
상기 제 130단계는
상기 포인트 클라우드 분할(Segmentation) 방법을 이용하여 실내공간의 전체 포인트 클라우드를 같은 평면에 속하는 포인트 데이터들로 분류하여 유효하지 않은 세그먼트들을 제거하고,
상기 제 150단계는 분할(Segmentation) 된 포인트들을 이진 영상화하고, 백터라이제이션(Vectorization) 기법을 이용하여 실내공간에 대한 경계선을 추출하는 것을 특징으로 하는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법.
The method according to claim 1,
In operation 130,
The entire point cloud of the indoor space is classified into point data belonging to the same plane by using the point cloud segmentation method to remove invalid segments,
In operation 150, the segmented points are binarized and the boundary line for the indoor space is extracted using a vectorization technique. The point cloud-based indoor space Three - Dimensional Model Extraction Method.
제3항에 있어서,
상기 유효하지 않은 세그먼트 제거에는 정제격자(Refinement Grid)를 이용하고, 이진 영상화에는 경계선 추출격자(Outline Trace Grid)를 이용하는 것을 특징으로 하는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법.
The method of claim 3,
(3) extracting a point cloud-based indoor spatial three-dimensional model obtained from the ground-based model using a refinement grid for eliminating the invalid segment and using an outline trace grid for binary imaging. Way.
제1항에 있어서,
상기 제 160단계는
최종적으로 생성된 경계선을 이용하여 면을 추출하고, 나머지 실내공간에 대한 3차원 포인트 클라우드를 직접 사용하거나 3차원 포인트 클라우드로부터 생성된 3차원 메쉬를 3차원 저작 소프트웨어를 이용하여 3차원 도형을 작도함으로써, 실내공간에 대한 3차원 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 지상 라이다에서 취득된 포인트 클라우드 기반의 실내공간 3차원 모델 추출 방법.
The method according to claim 1,
In operation 160,
The surface is finally extracted using the generated boundary line and the 3D point cloud is directly used for the remaining indoor space or the 3D mesh generated from the 3D point cloud is constructed by using the 3D rendering software And generating a three-dimensional model of the indoor space. The method of extracting a point cloud-based indoor space three-dimensional model acquired in the ground level.
제1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.A recording medium on which a program for causing a computer to execute the method according to any one of claims 1 to 5 is recorded.
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