KR102670898B1 - Construction Management: Development of 3D engine-based geometric optimization method for Building Information Model Visualization in Augmented Reality - Google Patents
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Abstract
증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법은 3D 엔진 속성을 이용하여 불러온 원본모델의 기하학적 메쉬 정보를 확인하는 단계, 원본모델에서 꼭지점과 삼각형을 확인하는 단계, 원본모델에서 꼭지점을 추출하여 저장하는 단계, 경계확인을 위한 곡률계산 기반 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하는 단계, 감소수치를 설정하는 단계, 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식을 적용하여 새 정점을 생성하여 꼭지점을 감소시키는 단계 및 꼭지점이 감소되어 최적화된 모델을 제공하는 단계를 포함한다.The 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality includes the following steps: checking the geometric mesh information of the original model loaded using 3D engine properties, checking vertices and triangles in the original model, and verifying vertices in the original model. Extracting and saving the triangle mesh, deleting the triangle mesh identified in the original model based on curvature calculation for boundary confirmation, setting the reduction value, and creating a new vertex by applying the triangle center formula based on barycentric coordinates It includes a step of reducing and a step of reducing vertices to provide an optimized model.
Description
본 발명은 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Revit를 이용하여 구축한 모델은 3D엔진과 연동하고, 3개의 점으로 구성된 삼각형 중점 계산 원리를 적용하여, 3D 모델의 삼각형 꼭짓점을 찾아낸다. 그리고 각 꼭짓점을 재구성하여 새로운 Mesh 정보를 생성함으로써 BIM 모델을 최적화한다. 최적화된 BIM 모델은 AR 엔진을 사용해여 AR기기로 클라우드 서버에 접속하여 BIM모델을 증강현실로 시각화 한 것으로 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality. More specifically, the model built using Revit is linked to the 3D engine and uses the principle of triangular midpoint calculation consisting of three points. Apply it to find the triangle vertices of the 3D model. Then, the BIM model is optimized by reconstructing each vertex and creating new mesh information. The optimized BIM model uses an AR engine to connect to a cloud server with an AR device and visualize the BIM model in augmented reality. It is about a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality.
BIM(Building Information Modeling) 기술은 프로젝트가 점점 더 복잡해짐에 따라 협업에 필요한 정보의 디지털 트윈을 중심으로 프로젝트를 병합하도록 발전되었다. BIM은 빌딩 정보 관리의 약자로, 객체와 정보를 생성하고, 정보를 추가 및 공유하고, 설계, 건설 및 유지 관리 전반에 걸쳐 프로세스를 관리하는 작업 및 프로세스를 수행할 수 있다. BIM은 건설 및 토목 분야에서 광범위하게 적용되고 있으며, 건설 전후의 모든 단계에 적용을 시도하고 있다. 기하학적 및 의미론적 데이터가 포함된 BIM을 통해 사용자는 대체 설계를 가상으로 테스트하고, 건설 중 발생할 수 있는 문제를 예측하고, 3차원(3D) 공간에서 각 건물 구성요소와 상호 작용할 수 있다. BIM과 증강 현실(AR)의 통합은 또한 프로젝트 수명 주기의 여러 단계에 대한 시각화를 강화하고 궁극적으로 현장 작업에서 BIM의 적용 가능성을 높일 수 있다. AR과 BIM을 통합하는 수많은 방법이 학자들에 의해 제안되었다. AR은 태블릿이나 홀로렌즈(HoloLens)와 같은 가상 화면에서 디지털 정보와 실제 정보를 결합하여 사용자에게 실제 가상 뷰를 제공하는 기술이다. AR은 특히 건물의 프로젝트, 유지 관리 및 운영 단계에서 실제 물리적 환경에서 BIM 정보의 실시간 시각화를 가능하게 한다.As projects become increasingly complex, Building Information Modeling (BIM) technology has evolved to merge projects around a digital twin of the information needed for collaboration. BIM stands for Building Information Management, which allows you to perform tasks and processes to create objects and information, add and share information, and manage processes throughout design, construction, and maintenance. BIM is widely applied in the construction and civil engineering fields, and attempts are being made to apply it to all stages before and after construction. BIM, with its geometric and semantic data, allows users to virtually test alternative designs, predict problems that may arise during construction, and interact with each building component in three-dimensional (3D) space. The integration of BIM and augmented reality (AR) can also enhance visualization of different stages of the project life cycle and ultimately increase the applicability of BIM in field work. Numerous ways to integrate AR and BIM have been proposed by scholars. AR is a technology that provides users with a real virtual view by combining digital information and real information on a virtual screen such as a tablet or HoloLens. AR enables real-time visualization of BIM information in the actual physical environment, especially during the project, maintenance and operation phases of buildings.
건설업계에서는 수집된 데이터를 효율적으로 관리하기 위해 BIM 모델을 구축하여 활용하고 있다. 건축, 엔지니어링, 건설(AEC) 분야의 대부분의 BIM 모델은 불규칙한 기하학적 구조, 구성 요소의 밀도, 정보의 복잡성으로 인해 스토리지 크기가 크다. 건설 현장 데이터는 BIM 모델을 통해 디지털화되고 있지만 BIM 모델은 방대한 데이터로 인해 웹 기반 플랫폼이나 AR 기기 환경에서 정보를 표현하는 데 많은 어려움이 있다. 또한 건설자동화를 통해 미래 건설산업으로 발전하기 위해서는 현실세계와 가상세계를 연결하는 증강현실 기반 건설정보 시각화가 필수적이다. BIM을 AR로 변환하려면 모델을 3D 엔진으로 가져오기 위해 IFC, FBX 및 OBJ와 같은 중립 파일 형식으로 변환해야 한다. 대용량 BIM 모델을 이러한 중립 파일 형식으로 변환하는 과정에서 데이터 로딩 속도를 향상시키고 시각화 과정에서 현기증을 최소화하며 모델의 실제 크기를 구현하기 위해서는 저장 데이터 크기를 줄여야 한다. 또한, 모델의 순전한 크기와 복잡도는 전송하는 데 오랜 시간이 걸리고 렌더링에 많은 계산 노력이 필요하기 때문에 기하학적 정보를 줄일 수 있는 메쉬 재구성 알고리즘 또는 기술이 필요하다. The construction industry is building and utilizing BIM models to efficiently manage collected data. Most BIM models in the architecture, engineering, and construction (AEC) field have large storage sizes due to their irregular geometry, density of components, and information complexity. Construction site data is being digitized through BIM models, but BIM models have many difficulties expressing information in web-based platforms or AR device environments due to the vast amount of data. In addition, in order to develop into a future construction industry through construction automation, augmented reality-based construction information visualization that connects the real world and the virtual world is essential. Converting BIM to AR requires converting the model to neutral file formats such as IFC, FBX, and OBJ for importing into the 3D engine. In the process of converting large BIM models to these neutral file formats, the storage data size must be reduced to improve data loading speed, minimize vertigo during visualization, and realize the actual size of the model. Additionally, the sheer size and complexity of the model requires a mesh reconstruction algorithm or technique that can reduce geometric information, as it takes a long time to transfer and requires a lot of computational effort to render.
지난 몇 년 동안 BIM은 디지털 형식의 정보 교환 및 상호 운용성을 촉진하고 건물 시설에 대한 데이터를 유지 관리함으로써 프로젝트 관리의 모든 프로세스에서 더 나은 결정을 지원하는 데 사용할 수 있기 때문에 AEC 분야에서 더 많은 관심을 받았다. 전체 프로젝트 AR은 BIM 소프트웨어에서 생성된 3D 모델을 더 잘 시각화하기 위해 AEC 분야에서 널리 적용되었다. AEC 분야에서 AR 기술은 10년 이상 채택되었다. AR은 디지털 데이터를 실제 세계와 병합하여 프로젝트의 더 명확한 시각화, 더 나은 계획 및 의사 결정, 더 나은 조립 구성 요소, 개선된 시설 모니터링을 가능하게 한다. 건축 및 엔지니어링 분야의 AR에는 설계 검토, 구조 분석, 일광 분석이 포함된다. 건설 현장에서 AR은 현장 점검, 건설 시뮬레이션, 안전 관리에 도움이 될 수 있다. 운영 및 유지 보수와 같은 다른 분야의 경우 비상 대피 및 시설 유지 관리를 위해 AR이 구현되었다.In the past few years, BIM has attracted more attention in the field of AEC because it promotes information exchange and interoperability in digital format and maintains data about building facilities, which can be used to support better decisions in all processes of project management. received. Overall Project AR has been widely applied in the AEC field to better visualize 3D models generated in BIM software. AR technology has been adopted in the AEC field for more than 10 years. AR merges digital data with the real world, enabling clearer visualization of projects, better planning and decision-making, better assembly of components, and improved facility monitoring. AR in architecture and engineering includes design review, structural analysis, and daylight analysis. At construction sites, AR can help with site inspections, construction simulation, and safety management. In other areas, such as operations and maintenance, AR has been implemented for emergency evacuation and facility maintenance.
BIM과 AR의 통합은 3D 모델의 시각화를 향상시키기 위해 연구되었다. 건설 산업의 다양한 분야에서 탐구되었다. 연구 분야에는 현장 건설 프로세스 제어, 건설 안전 관리 및 시각화, 건설 협업 및 다중 사용자를 위한 토론이 포함된다. 그러나 모델 전달 및 운영 능력을 향상시키기 위해 기하학적 데이터를 단순화하는 효율적인 모델 최적화 방법은 여전히 부족하다.The integration of BIM and AR has been studied to improve visualization of 3D models. It has been explored in various fields of the construction industry. Research areas include on-site construction process control, construction safety management and visualization, construction collaboration, and multi-user discussion. However, efficient model optimization methods that simplify geometric data to improve model transfer and operation capabilities are still lacking.
특히, BIM에서 AR로 데이터를 전송하는 과정에서 거대하고 복잡한 모델은 더 많은 저장 공간이 필요하고, 렌더링 중 모델 전송 시간과 데이터 처리 작업량이 증가하고, AR 장치를 사용할 때 시각화 효율성이 떨어질 수 있다.In particular, in the process of transferring data from BIM to AR, large and complex models require more storage space, model transfer time and data processing workload increase during rendering, and visualization efficiency may decrease when using AR devices.
따라서 본 발명의 목적은 원본 모델 각각의 부재의 모양, 크기의 왜곡을 발생시키지 않도록 3D 엔진에 삼각형 중점 계산 원리를 적용하여 각 꼭짓점을 재구성하여 새로운 Mesh 정보를 생성함으로써 BIM 모델을 최적화하여 시각화 하는 스마트 건설 관리를 위해 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the purpose of the present invention is to optimize and visualize the BIM model by applying the triangle midpoint calculation principle to the 3D engine to reconstruct each vertex and create new mesh information to prevent distortion of the shape and size of each member of the original model. The goal is to provide a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality for construction management.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법은, 3D 엔진 속성을 이용하여 불러온 원본모델의 기하학적 메쉬 정보를 확인하는 단계; 상기 원본모델에서 꼭지점과 삼각형을 확인하는 단계; 상기 원본모델에서 꼭지점을 추출하여 저장하는 단계; 경계확인을 위한 곡률계산 기반 상기 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하는 단계; 감소수치를 설정하는 단계; 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식을 적용하여 새 정점을 생성하여 꼭지점을 감소시키는 단계; 및 꼭지점이 감소되어 최적화된 모델을 제공하는 단계를 포함한다. 원본모델에서 수축 불가능한 모서리를 제외하고 삭제하여 감소시킴으로써 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하여 기하학적 데이터를 단순화하여 모델 최적화의 효율성이 향상되며, 건설 대용량 BIM 모델을 메쉬 형태로 재구성하여 최적화하고, 시각적인 변화나 오류 없이 최적화된 모델을 시각화 함으로써 건설관리자의 업무 효율성을 높일 수 있다.A 3D engine-based geometric optimization method for visualizing a building information model in augmented reality according to the present invention to achieve the above object includes the steps of checking geometric mesh information of an original model loaded using 3D engine properties; Confirming vertices and triangles in the original model; Extracting and storing vertices from the original model; Deleting the triangle mesh identified in the original model based on curvature calculation for boundary confirmation; Setting a reduction value; Reducing vertices by creating new vertices by applying a centroid formula based on barycentric coordinates; and providing an optimized model by reducing vertices. The efficiency of model optimization is improved by simplifying the geometric data by deleting the triangle mesh identified in the original model by excluding and reducing non-contractible edges in the original model, and reorganizing and optimizing large-capacity construction BIM models in mesh form and visualizing them. Construction managers can increase their work efficiency by visualizing the optimized model without any changes or errors.
여기서, 상기 원본모델에서 꼭지점을 추출하여 저장하는 단계는, 기하학적 및 위상학적 특성에 부합하는 표면을 구성하는 메쉬 구성 정보에서 추출하면 대상 3D 모델의 최적화가 구조물의 형상이 유지된 상태로 진행되므로 부재 변형, 부재 침범, 부재 간 결합 및 삭제 현상이 발생되지 않을 수 있어 바람직하다.Here, the step of extracting and storing vertices from the original model is absent because optimization of the target 3D model is performed while the shape of the structure is maintained when extracted from the mesh configuration information constituting the surface matching the geometric and topological characteristics. This is desirable because deformation, member invasion, and combination and deletion phenomena between members may not occur.
그리고 상기 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하는 단계 이전에 수축 불가능한 모서리는 제외하여 형상 정보를 분리하는 단계를 더 포함하면 원본 모델 각각의 부재의 모양, 크기의 왜곡이 발생되지 않을 수 있어 바람직하다.In addition, it is preferable to further include the step of separating shape information by excluding non-contractible edges before deleting the triangle mesh identified in the original model, as distortion of the shape and size of each member of the original model may not occur. .
여기서, 상기 꼭지점을 감소시키는 단계는, 추출된 포인트 클라우드 세트가 C#을 사용하여 Unity와 같은 3D 엔진에서 이루어지면, BIM 모델 최적화를 통해 데이터를 효율적으로 압축하면서도 원본 모델과 비교하여 높은 수준의 일치율을 보일 수 있어 바람직하다.Here, in the step of reducing the vertices, if the extracted point cloud set is performed in a 3D engine such as Unity using C#, the data can be efficiently compressed through BIM model optimization while maintaining a high level of agreement compared to the original model. It is desirable because it can be seen.
그리고 상기 꼭지점을 감소시키는 단계 이후에 설정된 꼭지점수치가 되면 생성된 꼭지점 정보로 삼각형 메쉬를 재구성하는 단계; 및 재구성된 삼각형메쉬 정보 및 시각화정보를 저장하는 단계를 더 포함하면 건설 현장의 작업 관리에 상용의 스마트 기기를 적극적으로 활용 가능하게 되어 건설 현장 관리 업무의 효율성이 향상될 수 있어 바람직하다.And after the step of reducing the vertices, when the set vertex value is reached, reconstructing the triangle mesh using the generated vertex information; It is desirable to further include the step of storing the reconstructed triangle mesh information and visualization information, as it allows commercial smart devices to be actively used for work management at construction sites, thereby improving the efficiency of construction site management work.
본 발명에 따르면 원본모델에서 수축 불가능한 모서리를 제외하고 삭제하여 감소시킴으로써 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하여 기하학적 데이터를 단순화하여 모델 최적화의 효율성이 향상되며, 건설 대용량 BIM 모델을 메쉬 형태로 재구성하여 최적화하고, 시각적인 변화나 오류 없이 최적화된 모델을 시각화 함으로써 건설관리자의 업무 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the efficiency of model optimization is improved by simplifying the geometric data by deleting the triangle mesh identified in the original model by removing and reducing the non-shrinkable edges in the original model, and by reorganizing the large construction BIM model into a mesh form. It has the effect of increasing the work efficiency of construction managers by optimizing and visualizing the optimized model without visual changes or errors.
또한, 대상 3D 모델의 최적화가 구조물의 형상이 유지된 상태로 진행되므로 부재 변형, 부재 침범, 부재 간 결합 및 삭제 현상이 발생되지 않을 수 있고, 원본 모델 각각의 부재의 모양, 크기의 왜곡이 발생되지 않을 수 있는 효과가 있다.In addition, since the optimization of the target 3D model is carried out while the shape of the structure is maintained, member deformation, member invasion, and combination and deletion phenomena between members may not occur, and distortion of the shape and size of each member of the original model may occur. There are effects that may not work.
또한, BIM 모델 최적화를 통해 데이터를 효율적으로 압축하면서도 원본 모델과 비교하여 높은 수준의 일치율을 보일 수 있고, 건설 현장의 작업 관리에 상용의 스마트 기기를 적극적으로 활용 가능하게 되어 건설 현장 관리 업무의 효율성이 향상될 수 있는 효과가 있다.In addition, through BIM model optimization, data can be efficiently compressed while showing a high level of agreement compared to the original model, and commercial smart devices can be actively used for work management at construction sites, increasing the efficiency of construction site management work. There is an effect that can be improved.
도 1은 증강 현실 시각화를 위한 3D 엔진 기반 지오메트리 최적화의 개념적 프레임워크의 예시도이다.
도 2는 메쉬 최적화 프로세스의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 메쉬 재구성 알고리즘의 순서도이다.
도 4는 알고리즘 단계에 대한 2D 예시도이다.
도 5는 삼각형 중심 공식의 설명 예시도.
도 6은 OOO대교 및 제2공학관 모델링 과정의 예시도이다.
도 7은 기존 모델과 OOO대교의 최적화 모델과 내부 유리구조(Mesh Form) 예시도이다.
도 8은 기존 모델과 OOO대교의 최적화 모델과 내부 원형 기둥 구조(메쉬 형태) 예시도이다.
도 9는 3D 엔진에서 OOO대 강교에 알고리즘 적용 전후 비교한 예시도이다.
도 10은 3D 엔진에서 OOO대학교 공학관에 알고리즘을 적용하기 전과 후 비교한 예시도이다.
도 11은 실험실에서 AR 장치로 최적화된 모델 시각화 테스트 예시도이다.
도 12는 증강 현실(AR) 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화의 개념적 프레임워크 다르 예시도이다.
도 13은 최적화된 모델을 AR 기기에 시각화한 예시도이다.
도 14는 알고리즘 단계에 대한 3D 예시도이다.
도 15는 본 발명에 따른 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법의 흐름도이다.Figure 1 is an example diagram of a conceptual framework of 3D engine-based geometry optimization for augmented reality visualization.
Figure 2 is an example diagram of a mesh optimization process.
Figure 3 is a flowchart of the mesh reconstruction algorithm according to the present invention.
Figure 4 is a 2D illustration of the algorithm steps.
Figure 5 is an illustration of the triangle center formula.
Figure 6 is an example diagram of the OOO Bridge and Engineering Building 2 modeling process.
Figure 7 is an example of the existing model, the optimized model of the OOO Bridge, and the internal glass structure (Mesh Form).
Figure 8 is an example of the existing model, the optimized model of the OOO Bridge, and the internal circular pillar structure (mesh form).
Figure 9 is an example diagram comparing before and after applying the algorithm to the OOO University steel bridge in the 3D engine.
Figure 10 is an example diagram comparing before and after applying the algorithm to the OOO University Engineering Building in the 3D engine.
Figure 11 is an example of a model visualization test optimized with an AR device in a laboratory.
Figure 12 is an exemplary conceptual framework of 3D engine-based geometric optimization for augmented reality (AR) visualization.
Figure 13 is an example of visualizing the optimized model on an AR device.
Figure 14 is a 3D illustration of the algorithm steps.
Figure 15 is a flowchart of a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality according to the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing a building information model in augmented reality according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명에 따른 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법은 3D 엔진 속성을 이용하여 불러온 원본모델의 기하학적 메쉬 정보를 확인하는 단계, 원본모델에서 꼭지점과 삼각형을 확인하는 단계, 원본모델에서 꼭지점을 추출하여 저장하는 단계, 경계확인을 위한 곡률계산 기반 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하는 단계, 감소수치를 설정하는 단계, 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식을 적용하여 새 정점을 생성하여 꼭지점을 감소시키는 단계 및 꼭지점이 감소되어 최적화된 모델을 제공하는 단계를 포함하여 이루어진다.The 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality according to the present invention includes the steps of checking geometric mesh information of an original model loaded using 3D engine properties, checking vertices and triangles in the original model, Extracting and saving vertices from the original model, deleting the triangle mesh identified in the original model based on curvature calculation for boundary confirmation, setting a reduction value, and applying a triangle center formula based on barycentric coordinates to create new vertices. It includes the steps of generating and reducing vertices and providing an optimized model with reduced vertices.
도 15는 본 발명에 따른 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법의 흐름도이다.Figure 15 is a flowchart of a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality according to the present invention.
본 발명의 일 실시 예에 따른 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법은 하기와 같다.A 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality according to an embodiment of the present invention is as follows.
FBX, RVT, OBJ를 이용하여 원본 BIM모델을 가져온다(S1).Import the original BIM model using FBX, RVT, and OBJ (S1).
3D 엔진 속성을 이용하여 불러온 원본모델의 기하학적 메쉬 정보를 확인한다(S2).Check the geometric mesh information of the original model loaded using 3D engine properties (S2).
원본모델에서 꼭지점과 삼각형을 확인한다(S3).Check the vertices and triangles in the original model (S3).
원본모델의 기하학적 및 위상학적 특성에 부합하는 표면을 구성하는 메쉬 구성 정보에서 꼭지점을 추출하여 저장한다(S4).Vertices are extracted and stored from the mesh composition information that constitutes the surface that matches the geometric and topological characteristics of the original model (S4).
수축 불가능한 모서리는 제외하여 형상 정보를 분리한다(S5).Shape information is separated by excluding edges that cannot be contracted (S5).
경계확인을 위한 곡률계산 기반 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제한다(S6).Delete the triangle mesh identified in the original model based on curvature calculation for boundary confirmation (S6).
감소수치를 설정한다(S7).Set the reduction value (S7).
무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식을 적용하여 새 정점을 생성한다(S8).Create a new vertex by applying the triangle center formula based on barycentric coordinates (S8).
추출된 포인트 클라우드 세트가 C#을 사용하여 Unity와 같은 3D 엔진에서 꼭지점을 감소시킨다(S9).The extracted point cloud set is vertex reduced in a 3D engine such as Unity using C# (S9).
설정된 꼭지점수치가 되면 생성된 꼭지점 정보로 삼각형 메쉬를 재구성한다(S10).When the set vertex value is reached, the triangle mesh is reconstructed using the generated vertex information (S10).
재구성된 삼각형메쉬 정보 및 시각화정보를 저장한다(S11).Store the reconstructed triangle mesh information and visualization information (S11).
꼭지점이 감소되어 최적화된 모델을 제공한다(S12). Vertices are reduced to provide an optimized model (S12).
본 발명에서는 대용량 BIM 모델을 시공관리자에게 효과적으로 전달할 수 있도록 BIM 외형정보에 대한 기하학적 최적화 방법을 설계하였다. 이 방법은 BIM 모델에 삼각형 가중 원리를 적용하여 메쉬 정보를 생성한다. 삼각형의 중심 원리에 따르면 삼각형의 세 수직선이 만나는 점을 삼각형의 중심이라고 하고 중심을 세 중선의 교점으로 정의할 수 있다. 중앙값은 삼각형의 한 변의 중점과 반대쪽 꼭짓점을 연결하는 선을 나타내며, 중심은 삼각형 꼭짓점(x, y, z) 좌표의 평균을 취하여 계산할 수 있다.In the present invention, a geometric optimization method for BIM appearance information was designed to effectively deliver large-capacity BIM models to construction managers. This method generates mesh information by applying the triangle weighting principle to the BIM model. According to the principle of the center of a triangle, the point where the three vertical lines of a triangle meet is called the center of the triangle, and the center can be defined as the intersection of the three lines. The median represents the line connecting the midpoint of one side of a triangle and the vertex of the opposite side, and the center can be calculated by taking the average of the coordinates of the vertices (x, y, z) of the triangle.
BIM 모델은 3D 엔진과 연동되며, 이후 게임 엔진 내부에 메쉬 축소 알고리즘이 적용된다. 게임 엔진은 3차원(3D) 및 2차원(2D) 게임은 물론 대화형 시뮬레이션 및 기타 경험을 만드는 데 사용할 수 있는 기술을 제공한다. 실제 공간을 디지털 공간으로 구현할 수 있는 증강현실 환경을 구축할 수 있다. 게임 엔진에서 증강 현실을 구축하기 위해서는 대상 객체에 스크립트를 첨부해야 하며, 스크립트의 코드에 삼각형 중심 원리 알고리즘을 작성하여 모델 메쉬를 재구성한다. 생성된 3D 모델은 AR 엔진 기반의 AR 기기(태블릿, HoloLens)에서 시각화 된다. 시각화 된 3D 모델은 표면 원점 기반 기술을 현실 세계에 적용하여 증강 현실(AR) 환경을 구현하고 3D 모델을 현실 세계에 시각화 할 수 있다. 최적의 BIM 모델 경량화를 통해 데이터를 효율적으로 압축하면서도 원본 모델과 비교하여 높은 수준의 일치율을 보일 수 있다면 건설 현장의 작업 관리에 상용의 스마트 기기를 적극적으로 활용 가능하므로 건설 현장 관리 업무의 효율성은 향상된다. 본 발명에 대한 개념적 틀은 도 1과 도 12와 같다.The BIM model is linked to the 3D engine, and a mesh reduction algorithm is then applied inside the game engine. Game engines provide technology that can be used to create three-dimensional (3D) and two-dimensional (2D) games, as well as interactive simulations and other experiences. You can build an augmented reality environment that can turn real space into a digital space. In order to build augmented reality in a game engine, a script must be attached to the target object, and the triangle center principle algorithm is written in the code of the script to reconstruct the model mesh. The generated 3D model is visualized on an AR device (tablet, HoloLens) based on the AR engine. The visualized 3D model can apply surface origin-based technology to the real world to implement an augmented reality (AR) environment and visualize the 3D model in the real world. If data can be efficiently compressed through lightweighting of the optimal BIM model while showing a high level of agreement compared to the original model, commercial smart devices can be actively used to manage construction site work, improving the efficiency of construction site management work. do. The conceptual framework for the present invention is shown in Figures 1 and 12.
(실험)(Experiment)
1. 모델 최적화 방법1. Model optimization method
다각형 모델링은 다각형 메쉬를 사용하여 표면을 설명하거나 근사화하여 개체를 모델링하는 접근 방식이다. 다각형 모델은 영화, 컴퓨터 게임 및 광고와 같은 컴퓨터 그래픽 분야의 여러 영역에서 광범위하게 사용된다. 폴리곤의 수와 관련하여 이러한 모델의 복잡성은 하드웨어의 컴퓨팅 성능에 큰 문제를 제기한다. AEC 분야에서 사용되는 대부분의 모델은 특히 크고 복잡하다. 하나의 건물 모델에 많은 구성 요소가 있는 것이 일반적이며 여러 건물이 포함된 경우 구성 요소의 수가 필연적으로 더 많아지기 때문에 다각형의 수가 방대해질 수 있다. 최적화 없이 이러한 종류의 모델을 처리하려면 하드웨어에 막대한 계산 작업 부하가 수반된다. 모델 최적화 방법은 하드웨어에서 데이터 처리 작업을 줄일 수 있는 다각형 수를 단순화하여 모델을 단순화하는 솔루션을 개발자에게 제공할 수 있다. 다각형 최적화 방법은 도 2와 같이 복잡한 모델로 어려움을 겪고 있는 개발자를 위한 솔루션을 제공한다. 이러한 기술은 장면의 시각적 내용에 상당한 손실 없이 모델의 중요하지 않은 부분의 다각형 형상을 단순화한다.Polygonal modeling is an approach to modeling objects by describing or approximating their surfaces using a polygonal mesh. Polygonal models are used extensively in many areas of computer graphics, such as movies, computer games, and advertising. The complexity of these models in terms of number of polygons poses great challenges to the computing performance of the hardware. Most models used in the AEC field are particularly large and complex. It is common for a single building model to have many components, and when multiple buildings are included, the number of components inevitably becomes larger, so the number of polygons can become massive. Processing this kind of model without optimization involves a huge computational workload on the hardware. Model optimization methods can provide developers with a solution to simplify the model by simplifying the number of polygons, which can reduce data processing work in hardware. The polygon optimization method provides a solution for developers struggling with complex models as shown in Figure 2. These techniques simplify the polygonal geometry of non-critical parts of the model without significant loss of visual content of the scene.
폴리곤 감소를 위해 다양한 메커니즘이 개발되었으며 네 가지 주요 폴리곤 제거 메커니즘은 정점 병합, 샘플링, 적응형 세분화 및 데시메이션이다. 호페(Hoppe)는 에지 축소, 분할 및 스왑의 세 가지 유형의 메쉬 변환을 정의하여 일반적인 다각형 축소를 위한 최초의 동적 최적화 알고리즘으로 프로그레시브 메쉬를 도입했다. 갈란드(Garland)와 핵버트(Heckbert)에 의해 개발된 표면 단순화 알고리즘은 2차 오류 메트릭을 사용하여 가장자리로 연결할 필요가 없는 임의의 정점 쌍을 축소할 수 있다. 정점 클러스터링 방법은 다각형의 수를 줄이기 위해 모델 위에 3D 그리드를 배치하고 각 셀 내의 모든 정점을 셀 내에서 가장 중요한 정점으로 줄이는 방식으로 접근되었다. 샘플링 및 적응형 세분화와 같은 모델 최적화를 위한 다른 접근 방식도 있다.Various mechanisms have been developed for polygon reduction, and the four main polygon removal mechanisms are vertex merging, sampling, adaptive subdivision, and decimation. Hoppe introduced progressive mesh as the first dynamic optimization algorithm for general polygon reduction by defining three types of mesh transformations: edge reduction, splitting, and swap. The surface simplification algorithm developed by Garland and Heckbert can use a quadratic error metric to collapse arbitrary pairs of vertices that do not need to be connected by edges. The vertex clustering method was approached by placing a 3D grid over the model to reduce the number of polygons and reducing all vertices within each cell to the most important vertices within the cell. There are also other approaches for model optimization, such as sampling and adaptive segmentation.
그러나 대부분의 기존 모델 최적화 방법은 복잡하고 3D 모델의 기본 모양을 유지하면서 메쉬를 적절하게 처리하는 데 한계가 있다. 이 논문에서는 AR 시각화를 위해 특별히 설계된 3D 엔진 기반 메쉬 재구성 방법을 제시한다. 이 방법은 곡률을 따라 누워 있는 동안 가장 적절한 경계 가장자리를 줄일 수 있다는 통찰력을 활용하여 이전 QEM(2차 오류 메트릭) 접근 방식의 단점을 참조한다. 또한 우리의 알고리즘은 정점을 줄이고 삼각형 메쉬를 재구성하기 위해 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 방법을 사용한다.However, most existing model optimization methods are complex and have limitations in properly processing the mesh while maintaining the basic shape of the 3D model. In this paper, we present a 3D engine-based mesh reconstruction method specifically designed for AR visualization. This method addresses the shortcomings of previous quadratic error metrics (QEM) approaches by leveraging the insight that the most appropriate boundary edges can be reduced while lying along the curvature. Additionally, our algorithm uses a barycentric coordinate-based triangle centroid method to reduce vertices and reconstruct the triangle mesh.
이 후에 완전성을 위한 기본 QEM 알고리즘의 기본 사항을 간략하게 설명한다. 그 이후에는 곡률 계산을 사용하여 경계 메쉬를 고려하는 방법을 설명한다.After this, we briefly describe the basics of the basic QEM algorithm for completeness. After that, we explain how to take the boundary mesh into account using curvature calculations.
1-1. 2차 오류 메트릭 방법 갈란드(Garland)와 핵버트(Heckbert)는 QEM 알고리즘을 개발하고 2차 오류 방법을 제안했다. 이 알고리즘은 주로 정점 쌍의 반복적인 축소 과정과 오류 2차 행렬 할당에 중점을 둔다. 정점에서의 오차는 3차원 정점에 대해 v=[vx, vy, vz, 1]T로 정의되며, v의 제곱 거리와 관련 평면(v)의 합이다. 주어진 반복 동안 수행할 수축을 선택하여 수축 비용을 정의하기 위해 각 정점에서 오류를 특성화하려고 시도하기 위해 대칭 4 × 4 행렬 Q를 각 정점과 연결하고 모델의 접는 비용은 2차로 계산된다. 형식 △(v)=vTQv·T 평면은 p=[a b c d]T 로 표시되고 3차원 공간 ax+by+cz+d=0의 방정식으로 정의된다. 여기서 a2+b2+c2=1, d는 상수이다. 이것은 정점 오차를 평면까지의 거리의 제곱의 합으로 정의할 수 있다.1-1. Quadratic error metric method Garland and Heckbert developed the QEM algorithm and proposed a quadratic error method. This algorithm mainly focuses on the iterative reduction process of vertex pairs and the assignment of the error quadratic matrix. The error at a vertex is defined as v = [ v To attempt to characterize the error at each vertex to define the shrinkage cost by choosing which shrinkage to perform during a given iteration, we associate a symmetric 4 × 4 matrix Q with each vertex and the folding cost of the model is computed quadratic. The form △(v)=v T Qv·T The plane is denoted by p=[abcd] T and is defined by the equation of the three-dimensional space ax+by+cz+d=0. Here a 2 +b 2 +c 2 =1, d is a constant. This can be defined as the vertex error as the sum of the squares of the distance to the plane.
△(v)=△([vx, vy, vz 1]T)=∑/p∈pianes(v)(pTv)2 △(v)=△([vx, vy, vz 1]T)=∑/p∈pianes(v)(p T v) 2
여기서 관련 삼각형 집합인 Kp는 p의 기본 오류 2차이다(하기 수식 1 참조).Here, K p , the set of relevant triangles, is the fundamental error quadratic of p (see Equation 1 below).
[수식 1][Formula 1]
꼭짓점 v의 2차 오차 행렬은 하기 수식 2와 같다.The secondary error matrix of vertex v is given in Equation 2 below.
[수식 2][Formula 2]
Q1 + Q2 세 꼭짓점 v'의 2차 오류 행렬로 간주하려면, 여기서 (v^')는 새 꼭짓점 v의 오류 비용이고, 가장자리 접기 작업의 접는 비용은 하기 수식 3과 같다.Q1 + Q2 can be regarded as a quadratic error matrix of three vertices v', where (v^') is the error cost of the new vertex v, and the folding cost of the edge folding operation is given in Equation 3 below.
[수식 3][Formula 3]
. .
1-2. 테두리 메쉬에 대한 곡률 계산 기반 확인 방법1-2. Curvature calculation based verification method for border mesh
더 나은 경계 제약 조건을 얻으려면 경계 곡선의 모양을 고려하는 것이 중요하다. 선형 경계의 정점을 제거하여 내부 표면의 일부 정점에 대한 더 나은 근사값을 유지할 수 있다. 갈란드(Garland)와 핵버트(Heckbert)가 개발한 QEM 알고리즘은 초기화 과정에서 중요한 경계 경계선을 표시하여 보존하기 위한 접근 방식이었지만 자체 제한이 없는 것은 아니다. 그들의 알고리즘은 경계 정점을 축소하기 전에 대부분의 표면 가장자리와 정점을 제거하기 때문에 경계 제약으로 메시를 과도하게 단순화했다. 바히라(Bahirat)는 원래 QEM 메쉬 단순화 접근 방식에서 영감을 받은 곡률 기반 경계 보존을 발전시켰다. 그들은 경계 정점 v1과 인접한 경계 정점 v2 및 v3을 고려했습니다. 모든 경계 정점에는 정확히 두 개의 인접한 경계 정점이 있기 때문이다.To obtain better boundary constraints, it is important to consider the shape of the boundary curve. By removing the vertices of the linear boundary, we can maintain a better approximation of some of the vertices of the interior surface. The QEM algorithm developed by Garland and Heckbert was an approach to mark and preserve important boundary boundaries during the initialization process, but it is not without its own limitations. Their algorithm oversimplifies the mesh with boundary constraints because it removes most surface edges and vertices before collapsing the boundary vertices. Bahirat developed curvature-based boundary preservation inspired by the original QEM mesh simplification approach. They considered boundary vertices v1 and adjacent boundary vertices v2 and v3. This is because every boundary vertex has exactly two adjacent boundary vertices.
접근 방식을 사용하여 정점 v1에서 경계 곡선 k의 곡률을 계산했습니다. 경계 구속 평면의 2차를 경계 모서리의 양 끝점에 추가하면 방정식으로 선형 경계의 일부 꼭지점을 제거하여 표면 모서리에 걸쳐 더 나은 근사를 얻을 수 있다. 여기서 Q(v1) 및 Q(v2)는 관련 2차 행렬 정점 v1 및 v2를 각각 사용합니다. Wb는 사용자 정의 가중치 계수이다. k(v1) 및 k(v2)는 각각 정점 v1 및 v2에서의 경계 곡률입니다. Qbcp는 모서리(v1, v2)에서 경계 구속 평면의 2차이다(하기 수식 4 참조).We used the approach to calculate the curvature of the boundary curve k at vertex v1. By adding the quadratic of the boundary constraint plane to both endpoints of the boundary edge, we can obtain a better approximation across the surface edge by removing some vertices of the linear boundary with Eq. Here Q(v1) and Q(v2) take the associated quadratic matrix vertices v1 and v2 respectively. Wb is a user-defined weight coefficient. k(v1) and k(v2) are the boundary curvatures at vertices v1 and v2, respectively. Qbcp is the quadratic of the boundary constraint plane at edges (v1, v2) (see Equation 4 below).
[수식 4][Formula 4]
2. BIM을 위한 기하학적 모델 최적화2. Geometric model optimization for BIM
기하학적 최적화는 AEC 모델 최적화 과정에서 중요한 단계로 전체 형상에 상대적인 영향을 미치는 모델의 메쉬를 삭제하거나 수정하는 것을 말하며, 원래의 형상을 유지하면서 모델의 크기를 줄이는 것을 목표로 한다. 모델을 3D 엔진으로 가져오려면 중립 파일 형식(예: IFC, FBX, OBJ)이 필요하며, 대부분의 AEC 모델은 BIM 소프트웨어로 생성되므로 중립 파일 형식으로 내보낼 수 있다. 3D 엔진(Unreal Engine, Unity 등)의 BIM 모델은 BIM 소프트웨어의 경계 표현(B-Rep) 및 건설적인 솔리드 기하학(CSG). 가져온 모델의 파일 형식은 3D 엔진의 BIM 모델 표현에 영향을 미치지 않는다. 3D 엔진으로 가져온 후 전송 파일 형식에 관계없이 모델이 다각형 메쉬로 표현되기 때문이다. 이는 3D 엔진에서 사용되는 삼각형 기반 다각형 메쉬로 구성된 BIM 모델의 메쉬 재구성에만 초점을 맞춘다.Geometric optimization is an important step in the AEC model optimization process. It refers to deleting or modifying the model's mesh that has a relative impact on the overall shape, and aims to reduce the size of the model while maintaining the original shape. Importing models into a 3D engine requires a neutral file format (e.g. IFC, FBX, OBJ), and since most AEC models are created in BIM software, they can be exported to a neutral file format. BIM models in 3D engines (Unreal Engine, Unity, etc.) use BIM software's Boundary Representation (B-Rep) and Constructive Solid Geometry (CSG). The file format of the imported model does not affect the 3D engine's representation of the BIM model. This is because after importing into a 3D engine, the model is expressed as a polygonal mesh regardless of the file format transmitted. It focuses only on mesh reconstruction of BIM models composed of triangle-based polygonal meshes used in 3D engines.
2-1. 메쉬 재구성 방법2-1. Mesh reconstruction method
메쉬 재구성 알고리즘은 3D 엔진에서 사용하는 BIM 모델의 다양한 속성을 고려한 후 3D 모델의 로우 폴리 버전을 효과적이고 정확하게 생성하도록 설계되었다. 제안된 알고리즘은 갈란드(Garland)와 핵버트(Heckbert)가 개발한 기본 QEM 방법을 사용하여 확장되었다. 메쉬 재구성 방법의 전체 프로세스는 도 3에 나와 있다. 제안된 접근 방식은 정점을 추출하고 메쉬의 삼각형을 재구성하여 메쉬 형상의 최적화에만 집중한다. 알고리즘은 다음 단계에 따라 작동한다.The mesh reconstruction algorithm is designed to effectively and accurately generate a low-poly version of the 3D model after considering various properties of the BIM model used by the 3D engine. The proposed algorithm was extended using the basic QEM method developed by Garland and Heckbert. The overall process of the mesh reconstruction method is shown in Figure 3. The proposed approach only focuses on optimizing the mesh shape by extracting vertices and reconstructing the triangles of the mesh. The algorithm works according to the following steps:
(a) 3D 엔진 속성을 사용하여 가져온 원본 모델의 기하학적 메쉬 정보를 확인하고 모델의 꼭짓점 및 삼각형 개수를 계산하고,(a) Use 3D engine properties to check the geometric mesh information of the imported original model and calculate the number of vertices and triangles in the model;
(b) 기하학적 특성과 위상 특성에 부합하는 면을 구성하는 메쉬 구성 정보 중 점군 집합(꼭지점)만을 추출하여 형상 정보를 분리하고, 수축이 불가능한 모서리는 제외하고,(b) Separate the shape information by extracting only the point cloud set (vertex) from the mesh composition information constituting the surface that matches the geometric and topological characteristics, excluding edges that cannot be shrunk.
(c) 원래 삼각형 메쉬를 삭제하고 곡률 계산 및 Quadrics 오류 측정 방법에 따라 삭제된 삼각형 메쉬를 확인하고,(c) delete the original triangle mesh and check the deleted triangle mesh according to the curvature calculation and Quadrics error measurement methods;
(d) 추출된 포인트 클라우드 세트가 C#으로 3D 엔진(예: Unity) 코드에서 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식을 적용하여 새로운 정점을 생성하도록 기존 정점을 축소하고,(d) the set of extracted point clouds is reduced to existing vertices to generate new vertices by applying barycentric coordinate-based triangle centroid formula in 3D engine (e.g. Unity) code in C#;
(e) 감소 수치를 조정합니다(ex~90%). 설정된 감소값을 기준으로 과정을 반복하고,(e) Adjust the reduction value (ex~90%). Repeat the process based on the set reduction value,
(f) 축소 수치가 충분히 만족되면 새로 생성된 정점 정보로 삼각형 메쉬를 구성 및 재구성하고,(f) If the reduction value is sufficiently satisfied, construct and reconstruct the triangle mesh with the newly created vertex information,
(g) 최적화된 모델을 시각화하고 내보냅니다. 알고리즘 단계의 샘플 형태에 대한 설명은 도 4에 나와 있다.(g) Visualize and export the optimized model. A description of a sample form of the algorithm steps is shown in Figure 4.
무게중심 좌표 기반의 삼각형 중심 공식에 기반한 재구성 기법으로 개발된 제안 알고리즘을 적용하면 모델의 기하학적 정보와 데이터 저장을 크게 줄일 수 있다. 삼각형 꼭짓점의 x좌표, y좌표, z좌표의 평균을 구하는 계산을 통해 무게중심 좌표 기반 삼각형 중심 원리를 이용한 제안 알고리즘은 적어도 세 개의 삼각형을 하나의 삼각형으로 병합할 수 있다. 2-2에서는 제안하는 방법에 사용된 공식에 대해 자세히 설명한다.Applying the proposed algorithm developed as a reconstruction technique based on the barycentric coordinate-based triangular center formula can significantly reduce the geometric information and data storage of the model. The proposed algorithm using the barycentric coordinate-based triangle center principle can merge at least three triangles into one triangle by calculating the average of the x-coordinate, y-coordinate, and z-coordinate of the triangle vertices. 2-2 explains in detail the formula used in the proposed method.
2-2. 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식2-2. Triangle center formula based on barycentric coordinates
삼각형의 중심은 도 5와 같이 삼각형 중심선의 교차점에 있다. P1 P2 P3을 유클리드 n-공간 Rn에서 꼭짓점 P1 P2 P3을 갖는 삼각형이라고 하고, n=2에 대해 그림 5에 설명된 것처럼 C를 삼각형 중심이라고 한다. 그런 다음, C는 다음 방정식에 의해 집합 {P1, P2, P3}에 대한 무게 중심 좌표(S1:S2:S3)로 제공된다(하기 수식 5 참조).The center of the triangle is at the intersection of the triangle center lines, as shown in Figure 5. Let P1 P2 P3 be a triangle with vertices P1 P2 P3 in Euclidean n-space R n , and let C be the center of the triangle, as illustrated in Figure 5 for n=2. Then, C is given as the barycentric coordinate (S 1 :S 2 :S 3 ) for the set {P1, P2, P3} by the following equation (see Equation 5 below).
[수식 5][Formula 5]
여기서 P_3의 무게 중심 좌표 m1, m2 및 m3은 아래 수학식 9에서 결정됩니다. 변 P1 P2의 중점은 다음과 같이 주어진다(하기 수식 6 참조).Here, the center of gravity coordinates m1, m2, and m3 of P_3 are determined from Equation 9 below. The midpoint of sides P1 P2 is given as follows (see Equation 6 below).
[수식 6][Formula 6]
따라서 점 S(P1 P2) 및 P3을 통한 선 L123의 방정식은 하기 수식 7과 같다.Therefore, the equation of line L123 through points S(P1 P2) and P3 is as follows:
[수식 7][Formula 7]
라인 매개변수 t1 ∈R.Line parameter t1 ∈R.
선 L123(t1)은 삼각형 P1 P2 P3의 세 중선 중 하나를 포함한다. 순환성을 호출하여, 각각 3개의 삼각형 중앙값을 포함하는 라인 L123, L231 및 L312의 방정식은 인덱스 순환 순열에 의해 상기 수식 7에서 획득된다.Line L123(t1) contains one of the three medians of triangle P1 P2 P3. Invoking circularity, the equations of lines L123, L231 and L312, each containing three triangle medians, are obtained from Equation 7 above by index circular permutation.
[수식 8][Formula 8]
여기서 t1, t2,t3∈R.Here t1, t2,t3∈R.
도 5에서 삼각형 중심 C는 위의 방정식(수식 8)에서 세 선의 동시점이다. 이 동시성 지점은 다음 방정식을 풀어서 결정된다.In Figure 5, the triangle center C is the simultaneous point of the three lines in the above equation (Equation 8). This point of concurrency is determined by solving the following equation:
여기서 L123(t1)=L231(t2)=L312(t3)는 미지 t1, t2,t3∈R에 대해 t1 t2=t3=2/3이 된다. 따라서 C는 하기 수식 9로 주어진다.Here, L123(t1)=L231(t2)=L312(t3) becomes t1 t2=t3=2/3 for the unknowns t1, t2, t3∈R. Therefore, C is given by Equation 9 below.
[수식 9][Formula 9]
수식 9와 수식 5를 비교하면 집합 {P1,P2,P3}에 대한 C의 특별한 무게 중심 좌표(s1,s2,s3)가 s1=s2=s3=1/3으로 주어진다. . 따라서 C의 편리한 무게 중심 좌표(s1:s2:s3)는 아래 수식 10과 같이 주어질 수 있다.Comparing Equation 9 and Equation 5, the special center of gravity coordinates (s1, s2, s3) of C for the set {P1, P2, P3} are given as s1=s2=s3=1/3. . Therefore, the convenient center of gravity coordinates (s1:s2:s3) of C can be given as Equation 10 below.
[수식 10][Formula 10]
제안된 메시 재구성 알고리즘은 개발 프로세스를 용이하게 하고 Unity 3D 엔진에 적용하기 위해 스크립트 형식으로 재정의되었다. 스크립트는 Unity가 이해할 수 있는 특정 언어로 작성되며 Unity에서 사용하는 언어를 C#(C-sharp)이라고 한다.The proposed mesh reconstruction algorithm was redefined in script format to facilitate the development process and apply to the Unity 3D engine. Scripts are written in a specific language that Unity can understand, and the language used in Unity is called C# (C-sharp).
3. 실험3. Experiment
제안하는 방법의 효율성, 신뢰성, 품질을 검증하기 위해 두 가지 모델 실험을 수행하였다.Two model experiments were performed to verify the efficiency, reliability, and quality of the proposed method.
3-1. 테스트베드 사양 및 3D 모델링3-1. Testbed specifications and 3D modeling
두 가지 시험모델 중 첫 번째 모델은 제1공학관 23호와 제2공학관 25호 사이에 위치한 철골 유리구조 교량(길이=34m, 높이=5m, 폭=2m)이고, 두 번째 모델은 제2공학관이다. 2 엔지니어링 빌딩. 두 테스트 모델 모두 OOO대학교에 있으며 제안된 방법의 타당성을 입증하기 위해 선택되었습니다. 기존 2차원 도면을 사용하여 Autodesk Revit으로 모델링하고 Unity Reflect 프로세스를 사용하여 Unity 3D 엔진으로 내보냈다. Unity Reflect는 BIM 소프트웨어인 Autodesk Revit의 플러그인으로 활용될 수 있으며 Revit에서 실시간 3D 경험으로 모델을 전송할 수 있다. 두 개의 테스트 모델에 대한 모델링 과정은 도 6과 같다.Of the two test models, the first model is a steel-framed glass structure bridge (length = 34m, height = 5m, width = 2m) located between Engineering Building 1 23 and Engineering Building 2 25, and the second model is Engineering Building 2. . 2 Engineering Building. Both test models are from OOO University and were selected to demonstrate the feasibility of the proposed method. It was modeled in Autodesk Revit using existing two-dimensional drawings and exported to the Unity 3D engine using the Unity Reflect process. Unity Reflect can be used as a plug-in for Autodesk Revit, a BIM software, allowing models to be transferred from Revit to a real-time 3D experience. The modeling process for the two test models is shown in Figure 6.
3-2. 교량 메쉬 재건 공법 검증3-2. Verification of bridge mesh reconstruction method
제안된 메쉬 재구성 알고리즘은 특히 곡선 구성 요소에 대해 알고리즘을 검증하기 위해 브리지 모델과 함께 테스트되었다. 도 7과 같이 제안된 방법을 이용하여 다양한 구조물을 포함하는 교량 전체를 최적화하였으며, 전체 모델의 형상이 절대적으로 동일한 것을 확인할 수 있다. 비교를 위해 직관적으로 축소 효율을 나타낼 수 있는 해당 메쉬의 꼭짓점과 삼각형의 수와 모델의 파일 크기를 포함하여 3개의 항목을 고려했다. 하기 표 1은 테스트 브리지 모델에 대해 제안된 메쉬 재구성 방법의 결과를 보여준다. 정점과 삼각형의 개수는 각각 56.7%, 67.9%, 파일 크기도 73.4% 줄었다. The proposed mesh reconstruction algorithm was tested with a bridge model to verify the algorithm especially for curved components. As shown in Figure 7, the entire bridge including various structures was optimized using the proposed method, and it can be confirmed that the shape of the entire model is absolutely the same. For comparison, we considered three items, including the number of vertices and triangles of the corresponding mesh and the file size of the model, which can intuitively indicate the reduction efficiency. Table 1 below shows the results of the proposed mesh reconstruction method for the test bridge model. The number of vertices and triangles was reduced by 56.7% and 67.9%, respectively, and the file size was reduced by 73.4%.
표 1은 모델(브리지)의 꼭짓점, 삼각형 및 크기에 대한 최적화된 백분율 결과이다.Table 1 shows the optimized percentage results for the vertices, triangles, and sizes of the model (bridge).
3-3. 건축물을 위한 Mesh Reconstruction 공법 검증3-3. Verification of mesh reconstruction method for buildings
제안된 알고리즘의 무제한 성능을 검증하기 위해 건물 모델을 테스트했다. 도 8은 제안된 알고리즘이 전체 건물과 관련 시설을 성공적으로 최적화할 수 있으며 최적화 후에도 건물 구성 요소의 전체 모양이 크게 변경되지 않았음을 보여준다. 이 모델은 또한 비교를 위해 세 개의 항목을 고려했으며 건물 비교의 통계 결과는 표 2와 같다. 꼭짓점과 삼각형의 수가 각각 46.6% 및 58.6% 감소했으며 파일 크기도 66% 감소했다.A building model was tested to verify the unrestricted performance of the proposed algorithm. Figure 8 shows that the proposed algorithm can successfully optimize the entire building and related facilities, and the overall shape of the building components did not change significantly after optimization. The model also considered three items for comparison, and the statistical results of the building comparison are shown in Table 2. The number of vertices and triangles was reduced by 46.6% and 58.6%, respectively, and the file size was also reduced by 66%.
표 2는 모는(건물)의 꼭짓점, 삼각형 및 크기에 대한 최적화된 백분율 결과이다.Table 2 shows the optimized percentage results for the vertices, triangles, and sizes of the model (building).
3-4. 최적화된 모델의 AR 시각화 테스트3-4. AR visualization testing of optimized models
제안된 방법을 사용하여 모델을 최적화한 후, AR 플랫폼에서 시각화를 위해 원본 모델과 최적화된 모델을 모두 테스트했다. 그 결과 도 9와 10과 같이 3D 엔진에서 확인할 수 있는 것처럼 전체 모델뿐만 아니라 내부 구성 요소도 시각적으로 크게 다르지 않다. 결과는 도 11과 같이 AR 장치로 성공적으로 가져올 수 있다. After optimizing the model using the proposed method, both the original model and the optimized model were tested for visualization on the AR platform. As a result, as can be seen in the 3D engine as shown in Figures 9 and 10, not only the overall model but also the internal components are not visually significantly different. The results can be successfully imported into the AR device as shown in Figure 11.
4. 결론4. Conclusion
AEC 산업에서는 BIM과 AR 기술이 도입되고 있지만, BIM에서 AR로 데이터를 효율적으로 전송할 수 있는 장치가 부족한 실정이다. 복잡한 3D 모델은 시각화 효율성을 감소시키고 기여하면서 계산 작업을 증가시킬 수 있으며 AR 장치를 사용할 때 더 많은 저장 공간이 필요할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 AR 장치를 사용할 때 고성능 시각화를 위한 3D 엔진 기반 메쉬 재구성 방법을 개발한다. 이 새로운 접근 방식은 BIM 모델의 모양 보존을 개선하여 모델을 가능한 한 높은 품질로 재구성한다. 본 연구는 메쉬 재구성 알고리즘을 이용하여 모델의 기하학적 정보를 최적화하여 메타데이터로 BIM 모델을 효과적으로 가시화하고 건설관리자의 의사결정 및 프로젝트 처리 효율성을 향상시키는 것을 목적으로 하였다. 개발된 방법의 전반적인 성능을 평가하기 위해 두 가지 다른 유형의 모델이 사용되었다. 제안된 방법은 BIM 기하학적 모델을 크게 최적화하고 모델의 파일 크기를 줄이며 AR 장치에서 고품질로 BIM 모델을 시각화할 수 있다.Although BIM and AR technologies are being introduced in the AEC industry, there is a lack of devices that can efficiently transmit data from BIM to AR. Complex 3D models can increase computational effort while reducing and contributing to visualization efficiency and may require more storage space when using AR devices. Therefore, in this paper, we develop a 3D engine-based mesh reconstruction method for high-performance visualization when using AR devices. This new approach improves shape preservation of BIM models, reconstructing the models to the highest quality possible. The purpose of this study was to optimize the geometric information of the model using a mesh reconstruction algorithm to effectively visualize the BIM model with metadata and improve construction managers' decision-making and project processing efficiency. Two different types of models were used to evaluate the overall performance of the developed method. The proposed method can significantly optimize the BIM geometric model, reduce the file size of the model, and visualize the BIM model with high quality on AR devices.
이 연구에서는 대용량 AEC 프로젝트에 BIM을 적용할 때 저장, 전송 및 기하학적 데이터 표시에 작용하는 문제를 해결했다. 모델 저장 최적화 및 표시를 위한 솔루션의 기반은 새로운 정보 저장 및 아키텍처를 관리하여 구축되었다. 이 아키텍처에는 무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 수식을 활용하여 원래의 QEM(Quad-ric-Error-Metric) 접근 방식을 확장하는 메시 재구성 방법을 사용한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화가 포함된다. 두 종류의 서로 다른 대형 모델을 사용하여 제안된 방법의 테스트가 성공적으로 수행되었으며 모델의 파일 *?*크기를 의미하는 저장 데이터의 양을 품질에 영향을 주지 않고 각각 73.4% 및 66% 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 시각적 성능. 이러한 수준의 달성에 대한 주요 기여는 표면 분할, 누적 오류 측정 및 삼각형 메쉬 재구성의 도입과 함께 이전 QEM 기반 메쉬 최적화 방법에 도입된 개선 사항이었다. 이러한 개선 사항은 토폴로지를 유지하면서 메시의 삼각형 수를 크게 줄이는 데 도움이 되었다. 제안된 방법은 성공적으로 테스트되었으며 메쉬 수를 크게 줄였으며 건설 관리자의 의사 결정 및 프로젝트 처리 효율성을 높일 수 있는 매우 우수한 품질의 모델을 표시했다.In this study, issues affecting storage, transmission, and geometric data presentation when applying BIM to large-capacity AEC projects were addressed. The foundation of the solution for model storage optimization and display was built by managing a new information storage and architecture. This architecture includes 3D engine-based geometric optimization using a mesh reconstruction method that extends the original Quad-ric-Error-Metric (QEM) approach by leveraging barycentric coordinate-based triangular centroid formulas. Tests of the proposed method using two different types of large models were successfully performed and showed that the amount of stored data, meaning the file *?* size of the model, can be reduced by 73.4% and 66%, respectively, without affecting the quality. It was found that Visual performance. The main contribution to achieving this level was the improvements introduced to previous QEM-based mesh optimization methods with the introduction of surface segmentation, cumulative error measurements, and triangle mesh reconstruction. These improvements helped significantly reduce the number of triangles in the mesh while maintaining topology. The proposed method was successfully tested and displayed a very good quality model that significantly reduced the mesh number and could increase construction managers' decision-making and project processing efficiency.
향후 작업을 위해 메쉬 재구성에서 더 나은 정확도를 달성하기 위해 더 다양하고 복잡한 AEC 모델 테스트도 수행될 것이다. 또한, 최적화된 모델뿐만 아니라 시맨틱 데이터 시각화도 건설 현장 관리를 위한 AR 장치에서 실험될 수 있다.For future work, more diverse and complex AEC model tests will also be performed to achieve better accuracy in mesh reconstruction. Additionally, not only the optimized model but also semantic data visualization can be experimented with AR devices for construction site management.
상기의 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법으로 인하여, 원본모델에서 수축 불가능한 모서리를 제외하고 삭제하여 감소시킴으로써 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하여 기하학적 데이터를 단순화하여 모델 최적화의 효율성이 향상되며, 건설 대용량 BIM 모델을 메쉬 형태로 재구성하여 최적화하고, 시각적인 변화나 오류 없이 최적화된 모델을 시각화 함으로써 건설관리자의 업무 효율성을 높일 수 있다.Due to the 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality, the model is optimized by simplifying the geometric data by deleting the triangle mesh identified in the original model by excluding and reducing non-contractible edges in the original model. The efficiency of construction is improved, and the work efficiency of construction managers can be increased by reorganizing and optimizing large-capacity BIM models in mesh form and visualizing the optimized model without visual changes or errors.
또한, 대상 3D 모델의 최적화가 구조물의 형상이 유지된 상태로 진행되므로 부재 변형, 부재 침범, 부재 간 결합 및 삭제 현상이 발생되지 않을 수 있고, 원본 모델 각각의 부재의 모양, 크기의 왜곡이 발생되지 않을 수 있다. BIM 모델 최적화를 통해 데이터를 효율적으로 압축하면서도 원본 모델과 비교하여 높은 수준의 일치율을 보일 수 있고, 건설 현장의 작업 관리에 상용의 스마트 기기를 적극적으로 활용 가능하게 되어 건설 현장 관리 업무의 효율성이 향상될 수 있다.In addition, since the optimization of the target 3D model is carried out while the shape of the structure is maintained, member deformation, member invasion, and combination and deletion phenomena between members may not occur, and distortion of the shape and size of each member of the original model may occur. It may not work. Through BIM model optimization, data can be efficiently compressed while showing a high level of agreement compared to the original model, and commercial smart devices can be actively used to manage construction site work, improving the efficiency of construction site management work. It can be.
Claims (5)
3D 엔진 속성을 이용하여 불러온 원본모델의 기하학적 메쉬 정보를 확인하는 단계;
상기 원본모델에서 꼭지점과 삼각형을 확인하는 단계;
상기 원본모델에서 꼭지점을 추출하여 저장하는 단계;
경계확인을 위한 곡률계산 기반 상기 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하는 단계;
감소수치를 설정하는 단계;
무게 중심 좌표 기반 삼각형 중심 공식을 적용하여 새 정점을 생성하여 꼭지점을 감소시키는 단계; 및
꼭지점이 감소되어 최적화된 모델을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 꼭지점을 감소시키는 단계는,
추출된 포인트 클라우드 세트가 C#을 사용하여 Unity와 같은 3D 엔진에서 이루어지며,
상기 꼭지점을 감소시키는 단계 이후에 설정된 꼭지점수치가 되면 생성된 꼭지점 정보로 삼각형 메쉬를 재구성하는 단계; 및
재구성된 삼각형메쉬 정보 및 시각화정보를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법.
In a 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality,
Confirming geometric mesh information of the original model loaded using 3D engine properties;
Confirming vertices and triangles in the original model;
Extracting and storing vertices from the original model;
Deleting the triangle mesh identified in the original model based on curvature calculation for boundary confirmation;
Setting a reduction value;
Reducing the vertices by creating new vertices by applying a triangular center formula based on barycentric coordinates; and
A step of reducing vertices to provide an optimized model,
The step of reducing the vertex is,
A set of extracted point clouds is created in a 3D engine such as Unity using C#,
After reducing the vertices, when the set vertex value is reached, reconstructing the triangle mesh using the generated vertex information; and
A 3D engine-based geometric optimization method for visualizing building information models in augmented reality, further comprising the step of storing reconstructed triangle mesh information and visualization information.
상기 원본모델에서 꼭지점을 추출하여 저장하는 단계는,
기하학적 및 위상학적 특성에 부합하는 표면을 구성하는 메쉬 구성 정보에서 추출하는 것을 특징으로 하는 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법.
According to claim 1,
The step of extracting and storing vertices from the original model is,
A 3D engine-based geometric optimization method for building information model visualization in augmented reality, characterized by extracting from mesh composition information that constitutes a surface conforming to geometric and topological properties.
상기 원본모델에서 확인된 삼각형 메쉬를 삭제하는 단계 이전에 수축 불가능한 모서리는 제외하여 형상 정보를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증강 현실에서 빌딩 정보 모델 시각화를 위한 3D 엔진 기반 기하학적 최적화 방법.
According to claim 1,
A 3D engine-based geometric optimization method for visualizing a building information model in augmented reality, further comprising the step of separating shape information by excluding non-contractible edges before deleting the triangle mesh identified in the original model.
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Kanchan Bahirat, at al., "Designing and Evaluating a Mesh Simplification Algorithm for Virtual Reality", ACM Transactions on Multimedia Computing, Communications, and Applications Volume 14, 2018.06.27. 1부.* |
Marie-Julie Rakotosaona, et al., "Differentiable Surface Triangulation", Computer Vision and Pattern Recognition, 2021.09.22. 1부.* |
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