KR101988372B1 - 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 사진 이미지들을 이용하여 빠르고 편리하게 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계할 수 있는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법은 카메라에 의해 촬영된 건축물의 사진 이미지들을 이용하여 낮은 비용으로 빠르고 쉽게 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계하는 것을 가능하게 함으로써 BIM 제작 생산성을 비약적으로 향상시키는 효과가 있다.

Description

사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법{Apparatus and Method for 3-Dimensional Reverse Modeling of Building Structure Using Photo Images}

본 발명은 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 사진 이미지들을 이용하여 빠르고 편리하게 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계할 수 있는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근에는 건축물의 설계, 시공 및 관리가 모두 3차원 BIM(Building Information Model)을 중심으로 이루어지는 사례가 증가하고 있다. 3차원 BIM을 이용함으로써 건축물의 설계, 시공 및 관리의 효율성이 획기적으로 향상되었고 생산성도 높아졌다. 이로 인해 신축 건물의 경우에는 설계 단계부터 3차원 BIM을 도입하는 비율이 높아지고 있다.

스마트 시티와 같이 도시 전체의 디지털 모델을 기반으로 도시 운영 시스템을 설계 및 개발하고 효율성 분석을 함에 있어서도 BIM은 기본적인 건축물 표현 데이터베이스로 활용된다.

그러나 BIM 데이터가 없는 기존 건축물은 건축물 역설계 기술을 활용하여 BIM을 생성해야만 한다.

건축물의 3차원 모델을 역설계하기 위하여 종래에 3차원 스캐너를 이용하여 건축물을 3차원 스캔하거나 또는 컴퓨터 비전기술을 이용하여 다수의 사진으로부터 고밀도 점군 데이터(point cloud data)를 획득하는 방법이 사용되었다.

3차원 스캐너를 이용하는 방법은 크기와 장소 및 형상에 제약이 많고 시간과 비용도 매우 많이 소요되는 문제점이 있다.

점군 데이터를 이용하는 방법은 다수의 사진으로부터 고밀도 점군을 획득하고 이 점군 데이터로부터 바닥, 벽, 천장 등에 해당하는 건축물 요소들을 반자동으로 추출하면서 3차원 모델을 완성하는 것이 일반적이다. 점군 데이터를 이용하는 방법은 점군 데이터를 획득하는 데에 시간 및 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 점군 데이터가 방대하기 때문에 (통상 수백만 포인트에서 수천만 포인트) 높은 사양의 컴퓨터에서 운영되는 고가의 전문적인 소프트웨어가 필요하고 이를 운용할 수 있는 숙련된 전문가가 필요하다.

이와 같이 높은 비용과 많은 시간을 소요하지 않고도, 건축물의 사진 이미지들을 이용하여 쉽고 빠르게 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계할 수 있다면, 기존 건축물의 BIM 제작 생산성을 높일 수 있을 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 건축물의 사진 이미지들을 이용하여 저비용으로 빠르고 쉽게 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계할 수 있는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법은, (a) 건축물을 촬영한 복수의 사진 이미지들(photo images)을 사진 이미지 모듈이 입력받아 저장하는 단계; (b) 상기 복수의 사진 이미지들을 촬영한 방향에 해당하는 카메라 방향과 투영 중심점의 좌표에 해당하는 카메라 위치를 카메라 정보로서 카메라 정보 모듈이 획득하는(achieving) 단계; (c) 상기 건축물 내 객체를 모사하기 위한 2차원 도면을 2차원 작도 모듈이 입력 장치를 통해 입력받아 평면도로 표시 장치에 표시하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 상기 2차원 작도 모듈이 표시한 상기 2차원 도면을 3차원 변환 모듈이 3차원 모델로 변환하는 단계; (e) 상기 카메라 정보를 이용하여 카메라 투영면에 투영(projection)된 상기 3차원 모델의 이미지를 상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 하나에 중첩하여 3차원 표시 모듈이 상기 표시 장치에 표시하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계에서 상기 3차원 표시 모듈이 표시한 중첩 이미지를 이용하여 상기 (c) 단계의 2차원 도면을 보정하는 2차원 도면을 상기 2차원 작도 모듈이 상기 입력 장치를 통해 입력받아 상기 (c) 단계, (d) 단계 및 (e) 단계를 다시 수행하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치는, 건축물을 촬영한 복수의 사진 이미지들(photo images)을 입력받아 저장하는 사진 이미지 모듈; 상기 복수의 사진 이미지들을 촬영한 방향에 해당하는 카메라 방향과 투영 중심점의 좌표에 해당하는 카메라 위치를 카메라 정보로서 획득하는(achieving) 카메라 정보 모듈; 상기 건축물 내 객체를 모사하기 위한 2차원 도면을 입력 장치를 통해 입력받아 평면도로 표시 장치에 표시하는 2차원 작도 모듈; 상기 2차원 작도 모듈이 표시한 상기 2차원 도면을 3차원 모델로 변환하는 3차원 변환 모듈; 및 상기 카메라 정보를 이용하여 카메라 투영면에 투영(projection)된 상기 3차원 모델의 이미지를 상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 하나에 중첩하여 상기 표시 장치에 표시하는 3차원 표시 모듈;을 포함하는 점에 특징이 있다.

본 발명에 의한 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법은 카메라에 의해 촬영된 건축물의 사진 이미지들을 이용하여 낮은 비용으로 빠르고 쉽게 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계하는 것을 가능하게 함으로써 BIM 제작 생산성을 비약적으로 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법의 순서도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치에 의해 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법을 실시하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 작동 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법 및 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법의 일실시예에 대한 순서도를 도시한 것이다.

본 발명의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법은 건축물을 촬영한 복수의 사진 이미지들과 그 사진 이미지들이 촬영된 위치와 방향을 이용하여 건축물의 3차원 모델링 데이터를 역설계 방법으로 생성하기 위한 것이다.

도 1을 참조하면 본 실시예의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치는 사진 이미지 모듈(100)과 카메라 정보 모듈과 2차원 작도 모듈(300)과 3차원 변환 모듈(400)과 3차원 표시 모듈(500)을 포함하여 이루어진다.

사진 이미지 모듈(100)은 3차원 모델을 생성하기 위한 건축물을 촬영한 복수의 사진 이미지들을 입력받아 저장한다((a) 단계; S100). 사진 이미지들은 여러 지점에서 다양한 방향으로 건축물을 촬영한 것을 사용하는 것이 좋다. 디지털 카메라를 여러 지점에 옮겨 가면서 각각 방향을 달리하여 건축물의 내부 및 외부를 촬영한 사진 이미지들을 사용할 수 있다. 사진 이미지 모듈(100)에 저장되는 사진 이미지들은 일반적인 디지털 카메라에 의해 촬영된 것으로 한정되는 것은 아니고 휴대폰 등의 디지털 기기에 의해 촬영된 사진 이미지들도 사용될 수 있다. 3차원 스캐너를 이용하여 3차원 스캔 데이터와 함께 얻어지는 사진 이미지 또는 3차원 스캔데이터로부터 추출되는 사진 형태의 이미지 정보도 사진 이미지 모듈(100)이 저장하는 사진 이미지로 이용될 수 있다.

카메라 정보 모듈(200)은 사진 이미지 모듈(100)에 저장된 각 사진 이미지들을 촬영한 카메라 방향과 카메라 위치를 카메라 정보로서 획득한다((b) 단계; S200). 카메라 방향은 카메라가 사진 이미지들을 각각 촬영할 때의 방향을 의미한다. 카메라 위치는 카메라가 사진 이미지를 촬영할 때의 카메라의 투영 중심점의 좌표를 의미한다.

카메라 정보 모듈(200)이 카메라 정보를 획득하는 방법은 여러 가지 방법이 사용될 수 있다.

첫째, 컴퓨터 비전 SfM(Structure from Motion) 방법을 이용하여 카메라 정보 모듈(200)이 카메라 정보를 획득할 수 있다. SfM 방법은 사진의 이미지만을 분석하여 각 사진 촬영 당시의 카메라의 3차원 좌표와 방향을 계산하는 기술이다.

둘째, 카메라에 의해 이미지 촬영을 할 때, 관성 측정 센서(IMU; Inertial Measurement Unit), 가속도 센서, 지자기 센서, 각변위 센서 등의 다양한 종류의 센서에 의해 측정된 값 또는 시간의 흐름에 따른 측정 값을 변화량을 이용하여 카메라 정보를 계산할 수 있다. 예컨대, 가속도를 두번 적분하면 변위의 변화량를 계산할 수 있으므로, 이와 같은 방법으로 계산된 값을 이용하여 더욱 정확하게 또는 더욱 신속하게 카메라 정보를 계산할 수 있다.

컴퓨터 비전 SfM 방법과 각종 센서의 측정값을 복합적으로 사용하여 카메라 정보를 획득하는 것도 가능하다.

경우에 따라서는 별도의 장치가 각 이미지 촬영시마다 측정한 카메라의 위치와 방향을 저장하고, 카메라 정보 모듈(200)은 이와 같이 저장된 카메라 정보를 이용할 수도 있다.

2차원 작도 모듈(300)은 건축물 내 객체를 모사하기 위한 2차원 도면을 입력 장치를 통해 입력받아 평면도로 표시 장치에 표시한다((c) 단계; S300). 본 실시예의 경우 2차원 작도 모듈(300)은 도 3에 도시한 것과 같이 카메라 정보의 카메라 위치를 건축물의 바닥과 평행한 평면에 투영하여 표시 장치에 링 형태의 마크로 표시한다. 도 3을 참조하면, 표시 장치의 우측 화면에 표시된 사진 이미지와 대응하는 카메라의 경우 카메라 위치뿐만 아니라 카메라 방향도 시야(field of view)를 표시하는 방법으로 나타내고 있다.

사용자는 표시 장치에 표시된 카메라 위치들을 참고하여 2차원 작도 모듈(300)에 의해 건축물 내 객체를 3차원 모델링하기 위한 2차원 도면을 작도할 수 있다.

도 4에 도시한 것과 같이 사용자가 2차원 작도 모듈(300)을 이용하여 방 벽면을 2차원 도면으로 작도하면, 3차원 변환 모듈(400)이 이를 3차원 모델로 변환한다((d) 단계; S400).

3차원 표시 모듈(500)은 도 4의 오른쪽에 도시한 것과 같이 3차원 변환 모듈(400)이 변환한 3차원 모델을 사진 이미지에 투영하여 중첩된 상태로 표시 장치에 표시한다((e) 단계; S500).

이때, 사용자는 기준점(M)을 설정함으로써 2차원 작도 모듈(300)에 의해 평면도를 작도하는 데에 도움을 받을 수 있다.

건축물 벽면을 작도하여 3차원 모델링하기 위해서 사용자는 사진 이미지에 표시된 건축물 벽면의 모서리(corner)와 같은 지점을 기준점(M)으로 사용하는 것이 좋다.

이를 위해서 본 실시예의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법은 기준점 모듈(600)을 이용한다.

기준점 모듈(600)은 2차원 작도 모듈(300)에 의해 2차원 도면을 작도하는 데에 이용할 수 있는 기준점(M)의 좌표를 입력 장치를 통해 사용자로부터 입력받는다((g) 단계; S600). 2차원 작도 모듈(300)은 (c) 단계를 실시하면서 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같이 기준점 모듈(600)이 입력 받은 기준점(M)을 2차원 평면에 투영하여 표시 장치에 표시한다.

사용자는 표시 장치에 표시된 기준점(M)의 좌표를 참고하여 그 기준점(M)을 바탕으로 방의 벽면과 같은 건축물 객체 요소의 평면도를 작도할 수 있다. 즉, 벽면의 모서리를 표시하는 기준점(M)과 근접하는 위치를 시작점으로 하여 마우스를 그래그하는 방법으로 방 벽면의 2차원 모델을 작도할 수 있다.

본 실시예의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법에서 사진 이미지를 이용하여 2차원 기준점의 좌표를 계산하고 표시하는 방법은 다음과 같다.

기준점 모듈(600)은 복수의 사진 이미지들 중 상기 표시 장치에 표시된 2개 이상의 사진 이미지들에 공통적으로 표시된 지점을 기준점으로 지정받는다((g-1) 단계). 도 3을 참조하면 본 실시예의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치는 2개의 사진 이미지에서 입력 장치(마우스)를 통해 기준점(M)을 지정받는다. 도 3에는 2개의 서로 다른 카메라 위치에서 촬영된 사진 이미지에 동일한 방의 모서리가 표시되어 있다. 사용자는 마우스 커서를 움직여서 사진 이미지에 표시된 모서리의 지점을 각각 클릭할 수 있다. 기준점 모듈(600)은 이와 같은 방법으로 적어도 2개의 사진 이미지에 표시된 기준점의 각 사진 이미지 상의 좌표를 이미지 좌표로서 입력받는다.

기준점 모듈(600)은 카메라 정보 모듈(200)에 의해 획득된 카메라 정보에 따라 3차원 공간 상에 배치된 카메라의 투영면에 기준점이 표시된 위치의 3차원 좌표를 계산한다((g-2) 단계). 카메라의 투영면에 표시되는 기준점을 이하에서 투영점이라 정의하고 설명한다. 카메라의 투영면은 카메라의 필름 또는 이미지 센서에 해당한다. 디지털 카메라의 경우 CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서 등이 투영면에 해당한다. 카메라의 투영 중심점과 투영면 사이의 상대적 위치와 투영면의 크기는 카메라 고유 파라메터(Camera Intrinsic Parameter)이므로, 그 값은 카메라에 대한 정보로부터 얻을 수 있다. 카메라 정보, 투영면의 크기와 위치 그리고 기준점의 이미지 좌표를 이용하면, 기준점 모듈(600)은 기준점의 3차원 좌표를 계산할 수 있다.

도 7 및 도 8은 각각 3개의 이미지에 공통적으로 표시된 기준점(M0)과 카메라 정보를 이용하여 계산한 투영점(P1, P2, P3)과 투영면(S1, S2, S3)을 함께 도시한 것이다.

도 7 및 도 8에는 사각평면 형태로 형성된 투영면(S1, S2, S3)을 예로 들어 도시하였으나, 경우에 따라서 투영면은 곡면일 수도 있다. 또한, 실제 피사체와 투영면에 투영된 이미지 사이에 왜곡(distortion)이 있을 수도 있어서, 기준점(M0)을 투영면(S1, S2, S3)의 투영점(P1, P2, P3)으로 매핑하는 과정에서 오차가 발생할 수도 있다. 기준점 모듈(600)이 투영점(P1, P2, P3)의 좌표를 계산할 때 이와 같은 왜곡을 고려하여 오차를 줄이는 방법으로 투영점(P1, P2, P3)의 좌표를 계산할 수도 있다.

기준점 모듈(600)은 투영점들(P1, P2, P3)과 카메라 정보의 카메라 위치(투영 중심점(C1, C2, C3))를 각각 연결하는 투영 직선들(L1, L2, L3)을 계산한다((g-3) 단계). 카메라 정보 모듈(200)에 의해 카메라의 투영 중심점(C1, C2, C3)을 획득하였고 기준점 모듈(600)에 의해 투영점(P1, P2, P3)을 계산한 상태이다. 이와 같은 상태에서 기준점 모듈(600)은 3차원 공간의 두 개의 점(카메라 투영 중심점(C1, C2, C3)과 투영점(P1, P2, P3))을 연결하는 투영 직선들(L1, L2, L3)을 각각 계산할 수 있다.

도 7을 참조하면, 투영 직선들(L1, L2, L3)은 이론적으로 한 점(M0)에서 서로 만나게 된다. 즉, 서로 다른 위치에서 촬영된 이미지들에서 선택된 기준점(M0)은 3차원 공간상의 동일 지점이므로, 카메라의 각 위치(투영 중심점(C1, C2, C3))에서 투영점(P1, P2, P3)과 이어지는 직선은 모두 도 7에 도시한 것과 같이 동일한 기준점(M0)을 경유하게 된다. 이 경우, 기준점 모듈(600)은 투영 직선들(L1, L2, L3)이 서로 교차하는 점의 좌표를 기준점(M0)의 좌표로 결정한다.

실제 카메라에 의해 촬영된 이미지들을 이용하여 기준점 모듈(600)에 의해 투영 직선(L1, L2, L3)을 계산하는 경우에는, 도 8에 도시한 것과 같이 투영 직선들(L1, L2, L3)이 서로 교차하지 않는 경우가 빈번하게 발생할 수 있다. 본 실시예의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치는 2차원 사진 이미지들을 이용하여 간접적으로 3차원 모델링 데이터를 생성하고자 하는 것이므로, 3차원 좌표를 추정하는 과정에서 여러 가지 오차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 기준점 모듈(600)이 표시 장치와 입력 장치를 통해 이미지 좌표를 입력받는 과정에서 오차가 발생할 수 있다. 즉, 각 사진 이미지에 표시된 기준점의 이미지 좌표를 입력 장치를 통해 입력받는 과정에서 오차가 있을 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이 사용자가 마우스와 같은 입력 장치를 이용하여 기준점을 각 이미지들에 클릭하는 과정에서, 클릭하는 위치에 오차가 있을 수 있다. 카메라 정보 모듈(200)이 카메라 정보를 획득하는 과정에 있어서도 오차가 발생할 수 있다. 카메라 정보 모듈(200)이 컴퓨터 비전 SfM 방법에 의해 카메라 정보를 계산하거나 각종 센서에 의해 측정된 값을 이용하여 카메라 정보를 계산하는 과정에서 여러 가지 오차가 발생할 수 있다.

상술한 바와 같은 다양한 원인에 의해 발생하는 오차로 인해, 기준점 모듈(600)이 계산한 투영 직선들(L1, L2, L3)은 도 8에 도시한 것과 같이 서로 교차하지 않을 수도 있다.

이와 같은 경우 기준점 모듈(600)은 다양한 수학적 또는 통계적 방법을 이용하여 기준점의 3차원 좌표를 결정한다.

예를 들어, 도 8에 도시한 것과 같이 투영 직선들(L1, L2, L3) 중 2개를 선택하여 최단 거리로 투영 직선(L1, L2, L3)을 연결하는 선분을 결정할 수 있다. 이와 같은 선분을 이등분하는 점(M12, M13, M23)은 각각 대응하는 투영 직선(L1, L2, L3)에 대한 거리가 가장 짧은 점이 된다.

기준점 모듈(600)은 이와 같이 최단 선분의 이등분 점들(M12, M13, M23)의 좌표에 통계적 기준을 적용하여 기준점의 3차원 좌표로 결정할 수 있다. 즉, 평균값, 중간값, 중앙값과 같은 통계적 대표값들 중 하나를 기준점의 3차원 좌표로 결정할 수 있다. 또한, 정규 분포와 표준 편차를 이용하여 허용 오차 범위를 넘어서는 아웃라이어(outlier)를 제외하고 기준점의 좌표를 결정하는 방법을 사용할 수도 있다.

또한, 기준점 모듈(600)은 투영 직선들(L1, L2, L3)에 대한 거리가 최소화되는 3차원 공간상의 특정 영역 내의 점들에 대해 다양한 기준을 적용하여 기준점의 3차원 좌표를 결정하는 방법을 사용할 수도 있다.

요컨대, 투영 직선들(L1, L2, L3)이 서로 교차하는지 여부에 관계없이 기준점 모듈(600)은 투영 직선들(L1, L2, L3)에 대한 거리가 최소화되는 영역 내의 점의 좌표를 기준점의 3차원 좌표로 결정하게 된다((g-4) 단계).

상술한 바와 같은 과정을 거쳐서 도 3에 도시한 것과 같이 기준점 모듈(600)이 기준점(M)을 지정 받아 기준점(M)의 3차원 좌표를 계산하면, 2차원 작도 모듈(300)은 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같이 기준점(M)을 2차원 평면에 투영하여 표시 장치에 표시한다. 편의상 도 7 및 도 8에서는 3개의 사진 이미지에 표시된 기준점을 이용하여 설명하였으나, 도 3 및 도 4에서는 2개의 사진 이미지를 이용하여 기준점(M)의 좌표를 결정하는 경우이다.

사용자는 표시 장치에 표시된 기준점(M)을 참고하여 도 4에 도시한 것과 같이 건축물 방의 벽면을 모사하기 위한 2차원 도면을 입력 장치를 이용하여 2차원 작도 모듈(300)을 통해 입력한다. 2차원 작도 모듈(300)은 도 4에 도시한 것과 같은 사용자 인터페이스를 제공하여 다양한 건축물 객체의 2차원 도면을 입력 받고 이를 표시 장치에 평면도로 표시한다. 도 4의 경우 사용자는 마우스 커서로 드래그하는 방법으로 대략적인 방의 2차원 평면도를 작도한다. 2차원 작도 모듈(300)은 도 4에 도시한 벽 이외에도 방문, 창문 등의 다양한 건축물 객체를 모사하여 작도하고 표시하는 기능을 제공할 수 있다.

3차원 변환 모듈(400)은 2차원 작도 모듈(300)이 입력받아 표시한 2차원 도면을 3차원 모델로 변환한다((d) 단계; S400). 즉, 3차원 변환 모듈(400)은 도 4에 도시된 평면도에 방의 높이를 반영하여 벽의 3차원 모델을 생성한다. 3차원 변환 모듈(400)은 필요에 따라 3차원 모델을 생성하기 위한 추가 치수 정보를 사용자로부터 입력 받을 수 있다. 예컨대, 벽의 높이, 방문의 높이, 창문의 높이 등의 추가 치수 정보를 사용자로부터 입력받아 3차원 변환 모듈(400)은 3차원 모델을 생성할 수 있다. 3차원 변환 모듈(400)은 경우에 따라 미리 지정된 기준 값이나 임의의 값으로 2차원 평면에 대한 높이 방향 치수를 설정하여 3차원 모델을 생성할 수도 있다. 이 경우에는 추후 수동 또는 자동으로 높이 방향 치수는 수정된다.

3차원 표시 모듈(500)은 3차원 변환 모듈(400)이 생성한 3차원 모델을 사진 이미지들 중 적어도 하나에 중첩하여 표시한다((e) 단계; S500). 사용자가 2차원적으로 작도한 3차원 모델의 형상을 사용자가 직관적으로 용이하게 인식할 수 있도록, 3차원 표시 모듈(500)은 도 4에 도시한 것과 같이 3차원 모델을 사진 이미지에 3차원적으로 투영하여 중첩적으로 표시한다.

상술한 바와 같이 본 실시예의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법은 카메라 정보 모듈(200)에 의해 각 사진 이미지의 카메라 정보를 알고 있으므로, 3차원 모델의 이미지를 카메라 투영면에 투영하여 사진 이미지에 합성된 상태로 표시 장치에 표시하는 것이 가능하다. 이와 같은 방법을 사용하면 도 4에 도시한 것과 같이 2차원 이미지임에도 3차원 가상 공간에 3차원 모델이 실제 배치된 것과 같은 입체적이고 직관적인 건축물 이미지를 표시하는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이 도 4에 도시된 평면도와 중첩 사진 이미지는 사용자가 기준점(M)을 참고하여 대략적으로 작도한 2차원 평면도에 근거한 것이다. 따라서 도 4의 우측 중첩 사진 이미지에 나타난 것과 같이 방의 벽면 모델 형상과 실제 방의 평상에 대한 사진 이미지에는 차이가 있는 것을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 경우 2차원 평면도의 형태로 작도한 건축물 객체의 모델 형상을 사용자가 중첩 사진 이미지를 통해서 직관적으로 확인할 수 있기 때문에 2차원 평면도를 쉽고 정확하게 수정할 수 있다.

사용자가 도 4 도시된 벽면의 평면도를 마우스를 클릭하여 드래그하는 방법으로 수정하면, 2차원 작도 모듈(300)은 표시 장치의 화면에 실시간으로 보정된 평면도를 표시한다((f) 단계; S700). 동시에 3차원 변환 모듈(400)과 3차원 표시 모듈(500)은 2차원 작도 모듈(300)에서 보정된 평면도를 이용하여 다시 3차원 모델로 변환하고 사진 이미지에 중첩하여 표시장치에 표시한다((f) 단계; S700). 사용자는 사진 이미지에 표시된 벽, 바닥, 문, 창문 등 객체의 윤곽선과 3차원 모델의 중첩 이미지를 눈으로 확인하면서 실시간으로 2차원 평면도를 수정할 수 있다. 2차원 평면도의 치수 변화와 그에 대응하는 사진 이미지 상의 3차원 모델의 형상 변화를 동시에 사용자가 실시간으로 확인하면서 2차원 평면도를 작도할 수 있다. 따라서 사용자는 매우 쉽고 간편하며 빠르게 건축물을 3차원적으로 역설계하는 것이 가능하다. 도 5는 사진 이미지에 표시된 방바닥의 윤곽선에 맞추어 방의 벽체에 대한 평면도 작도가 완료된 상태를 도시한 것이다.

상술한 바와 같은 과정을 반복하면, 도 6에 도시한 것과 같이 복수의 3차원 모델에 대해 순차적으로 평면도를 작도하고 이를 중첩 사진 이미지에서 확인하는 방법으로 건축물의 3차원 모델의 생성이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 건축물의 역설계 또는 3차원 모델링 등의 작업 진행에 있어서 시간과 노력을 비약적으로 절감할 수 있고 결과적으로 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

또한 본 발명은 다수의 사진을 촬영하여 고밀도 점군 데이터(point cloud data)를 획득하고 이를 바탕으로 방대한 계산을 하지 않으면서, 쉽고 편리하면서도 저비용으로 건축물 역설계를 가능하게 하는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 종래의 다른 방법에 비해 매우 빠르면서도 신뢰할 수 있는 정확도의 역설계 데이터를 얻을 수 있는 장점이 있다.

한편, 상술한 바와 같은 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법에 의한 건축물의 3차원 모델 데이터는 일차적으로는 상대 좌표의 형태로 계산되고 저장되지만 간단한 방법으로 스케일을 적용함으로써 절대 좌표로 변환 가능하다. 절대 좌표로 변환할 수 있는 스케일을 입력받아 적용할 수도 있고, 사진 이미지에 표시된 특정 치수의 절대값을 입력받아 적용할 수도 있다. 경우에 따라서는 절대 거리를 알 수 있는 마크를 건축물에 표시한 상태에서 건축물을 촬영하여 사진 이미지를 획득하고 사진에 표시된 마크 사이의 상대 거리를 계산하여 스케일을 반영할 수도 있다.

이상 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 앞에서 기준점 모듈(600)에 의해 기준점(M)을 지정 받고 그 좌표를 계산하여 평면도에 표시한 후 이를 이용하는 것으로 설명하였으나, 기준점 모듈(600)을 이용하지 않는 형태의 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치 및 방법을 실시하는 것도 가능하다.

또한, 앞에서 본 발명은 카메라에 의해 촬영된 사진 이미지들을 이용하는 것으로 설명하였으나, 이미지들을 획득하는 수단은 일반적인 디지털 카메라에 한정되는 것은 아니다. 3차원 스캐너에 의해 촬영된 이미지들을 이용하여 본 발명을 실시하는 것도 가능하다. 3차원 스캐너는 디지털 카메라와 마찬가지로 촬영 대상물의 이미지를 얻고, 해당 이미지의 픽셀마다 해당 지점의 깊이(depth)를 측정하는 방법으로 3차원 대상물의 형상 정보를 확보한다. 이와 같이 3차원 스캐너에 의해 측정된 3차원 정보의 경우 면과 면이 만나는 모서리 부분 등에서 형상이 뭉개진 형태로 구성되므로, 3차원 모델링 정보를 얻는 데에 많은 비용과 노력이 필요하고 그 계산 결과가 정확하지 않을 수 있다. 이때, 3차원 스캐너에 의해 확보된 이미지 정보에 대해 본 발명을 적용하면 쉽고 편리하게 건축물의 역설계 모델링 정보를 얻을 수 있다. 즉, 본 발명은 3차원 스캐너의 결과물에 대해 보조적으로 또는 대안적으로 사용되어 건축물의 모델링 정보를 얻는 용도로 사용될 수 있다.

또한, 앞에서 건축물의 바닥면과 평행한 평면에 대해 2차원 도면을 작성하고 이를 이용하여 3차원 모델링 정보를 생성하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 경우에 따라서는 건축물의 바닥면에 수직한 평면 등 다양한 각도의 평면을 기준으로 2차원 도면을 작성하고 이를 이용하여 3차원 모델링 정보를 생성하는 형태로 본 발명을 실시하는 것도 가능하다.

100: 사진 이미지 모듈 200: 카메라 정보 모듈
300: 2차원 작도 모듈 400: 3차원 변환 모듈
500: 3차원 표시 모듈 600: 기준점 모듈

Claims (17)

1. (a) 건축물을 촬영한 복수의 사진 이미지들(photo images)을 사진 이미지 모듈이 입력받아 저장하는 단계;
   (b) 상기 복수의 사진 이미지들을 촬영한 방향에 해당하는 카메라 방향과 투영 중심점의 좌표에 해당하는 카메라 위치를 카메라 정보로서 카메라 정보 모듈이 획득하는(achieving) 단계;
   (c) 상기 건축물 내 객체를 모사하기 위한 2차원 도면을 2차원 작도 모듈이 입력 장치를 통해 입력받아 평면도로 표시 장치에 표시하는 단계;
   (d) 상기 (c) 단계에서 상기 2차원 작도 모듈이 표시한 상기 2차원 도면을 3차원 변환 모듈이 3차원 모델로 변환하는 단계;
   (e) 상기 카메라 정보를 이용하여 카메라 투영면에 투영(projection)된 상기 3차원 모델의 이미지를 상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 하나에 중첩하여 3차원 표시 모듈이 상기 표시 장치에 표시하는 단계; 및
   (f) 상기 (e) 단계에서 상기 3차원 표시 모듈이 표시한 중첩 이미지를 이용하여 상기 (c) 단계의 2차원 도면을 보정하는 2차원 도면을 상기 2차원 작도 모듈이 상기 입력 장치를 통해 입력받아 상기 (c) 단계, (d) 단계 및 (e) 단계를 다시 수행하는 단계;를 포함하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   상기 카메라 정보 모듈이 컴퓨터 비전 SfM(Structure from Motion) 방법을 이용하여 상기 복수의 사진 이미지들에 대응하는 상기 카메라 정보를 계산하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   상기 카메라 정보 모듈이 상기 복수의 사진 이미지들의 촬영시에 함께 저장된 관성 측정 센서(IMU; Inertial Measurement Unit)의 측정값을 이용하여 상기 복수의 사진 이미지들에 대응하는 상기 카메라 정보를 계산하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
4. 제1항에 있어서,
   (g) 상기 (c) 단계에서 2차원 도면을 작도하는 데에 이용할 수 있는 기준점의 좌표를 기준점 모듈이 입력받는 단계;를 더 포함하고,
   상기 (c) 단계는, 상기 2차원 작도 모듈이 상기 기준점을 2차원 평면에 투영하여 상기 표시 장치에 표시하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 (g) 단계는,
   (g-1) 상기 기준점 모듈이 상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 2개의 사진 이미지에 표시된 상기 기준점의 각 사진 이미지 상의 좌표를 이미지 좌표로서 입력받는 단계;
   (g-2) 상기 기준점 모듈이 상기 복수의 사진 이미지들에 대응하는 카메라 정보에 따라 배치된 카메라의 투영면에 상기 기준점이 표시되는 위치에 해당하는 투영점의 좌표를 상기 이미지 좌표를 이용하여 계산하는 단계;
   (g-3) 상기 기준점 모듈이 상기 복수의 사진 이미지들의 각 투영점과 상기 카메라 정보의 카메라 위치를 연결하는 투영 직선들을 각각 계산하는 단계; 및
   (g-4) 상기 기준점 모듈이 상기 투영 직선들에 대한 거리가 최소화되는 영역 내의 점의 좌표를 상기 기준점의 3차원 좌표로 결정하는 단계;를 포함하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 (g-4) 단계는,
   상기 기준점 모듈이, 상기 투영 직선들 중에서 2개씩 선택된 투영 직선에 대한 거리가 각각 같으면서 각 투영 직선에 대한 거리가 최소가 되는 점들의 좌표를 이용하여 통계적 기준에 따라 상기 기준점의 3차원 좌표로 결정하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 (g-4) 단계는,
   상기 기준점 모듈이, 상기 투영 직선들 중에서 2개씩 선택된 투영 직선에 대한 거리가 각각 같으면서 각 투영 직선에 대한 거리가 최소가 되는 점들의 좌표의 평균값을 상기 기준점의 3차원 좌표로 결정하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 (g) 단계는, 상기 복수의 사진 이미지들 중 상기 표시 장치가 표시한 적어도 2개의 사진 이미지들에 공통적으로 표시된 지점을 입력 장치를 통해 상기 기준점으로 지정받는 방법으로 상기 기준점 모듈이 상기 기준점의 좌표를 입력받는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 방법.
9. 건축물을 촬영한 복수의 사진 이미지들(photo images)을 입력받아 저장하는 사진 이미지 모듈;
   상기 복수의 사진 이미지들을 촬영한 방향에 해당하는 카메라 방향과 투영 중심점의 좌표에 해당하는 카메라 위치를 카메라 정보로서 획득하는(achieving) 카메라 정보 모듈;
   상기 건축물 내 객체를 모사하기 위한 2차원 도면을 입력 장치를 통해 입력받아 평면도로 표시 장치에 표시하는 2차원 작도 모듈;
   상기 2차원 작도 모듈이 표시한 상기 2차원 도면을 3차원 모델로 변환하는 3차원 변환 모듈; 및
   상기 카메라 정보를 이용하여 카메라 투영면에 투영(projection)된 상기 3차원 모델의 이미지를 상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 하나에 중첩하여 상기 표시 장치에 표시하는 3차원 표시 모듈;을 포함하고,
   상기 2차원 작도 모듈은, 상기 3차원 표시 모듈이 표시한 중첩 이미지를 이용하여 상기 2차원 도면을 보정하는 명령을 상기 입력 장치를 통해 입력받아 보정된 평면도로 상기 표시 장치에 표시하고,
   상기 3차원 변환 모듈과 3차원 표시 모듈은, 상기 2차원 작도 모듈에서 보정된 평면도를 이용하여 다시 3차원 모델로 변환하고 상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 하나에 중첩하여 상기 표시 장치에 표시하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
10. 삭제
11. 제9항에 있어서,
    상기 카메라 정보 모듈은, 컴퓨터 비전 SfM(Structure from Motion) 방법을 이용하여 상기 복수의 사진 이미지들에 대응하는 상기 카메라 정보를 계산하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
12. 제9항에 있어서,
    상기 카메라 정보 모듈은, 상기 복수의 사진 이미지들 촬영시에 함께 저장된 관성 측정 센서(IMU; Inertial Measurement Unit)의 측정값을 이용하여 상기 복수의 사진 이미지들에 대응하는 상기 카메라 정보를 계산하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
13. 제9항에 있어서,
    상기 2차원 작도 모듈에 의해 2차원 도면을 작도하는 데에 이용할 수 있는 기준점의 좌표를 입력받는 기준점 모듈;을 더 포함하고,
    상기 2차원 작도 모듈은, 상기 기준점을 2차원 평면에 투영하여 상기 표시 장치에 표시하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 기준점 모듈은,
    상기 복수의 사진 이미지들 중 적어도 2개의 사진 이미지에 표시된 상기 기준점의 각 사진 이미지 상의 좌표를 이미지 좌표로서 입력 받고,
    상기 복수의 사진 이미지들에 대응하는 카메라 정보에 따라 배치된 카메라의 투영면에 상기 기준점이 표시되는 위치에 해당하는 투영점의 좌표를 상기 이미지 좌표를 이용하여 계산하고,
    상기 복수의 사진 이미지들의 각 투영점과 상기 카메라 정보의 카메라 위치를 연결하는 투영 직선들을 각각 계산하여,
    상기 투영 직선들에 대한 거리가 최소화되는 영역 내의 점의 좌표를 상기 기준점의 3차원 좌표로 결정하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 기준점 모듈은, 상기 투영 직선들 중에서 2개씩 선택된 투영 직선에 대한 거리가 각각 같으면서 각 투영 직선에 대한 거리가 최소가 되는 점들의 좌표를 이용하여 통계적 기준에 따라 상기 기준점의 3차원 좌표로 결정하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
16. 제14항에 있어서,
    기준점 모듈은, 상기 투영 직선들 중에서 2개씩 선택된 투영 직선에 대한 거리가 각각 같으면서 각 투영 직선에 대한 거리가 최소가 되는 점들의 좌표의 평균값을 상기 기준점의 3차원 좌표로 결정하는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.
17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준점 모듈은, 상기 복수의 사진 이미지들 중 상기 표시 장치에 표시된 적어도 2개의 사진 이미지들에 공통적으로 표시된 지점을 입력 장치를 통해 상기 기준점으로 지정받는 방법으로 상기 기준점의 좌표를 입력받는 사진 이미지를 이용한 3차원 건축물 모델 역설계 장치.

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