KR20020041387A - 2차원 공간정보를 활용한 솔리드모델 타입의 3차원 공간정보구축 자동화방법 및 3차원 공간정보 운용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 GIS공간 DATA구축에 관한 것으로서 기존에 구축된 LINE과 POLYGON 형태의 2차원적 GIS데이터를 활용하여 Solid-Model형태의 3차원 GIS 공간 DATA를 실시간으로 자동 생성하는 법과 이러한 방법으로 생성된 대량의 데이터에 게임 알고리즘을 적용하여 저장, 운용하는 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 3차원 GIS 공간 DATA 자동구축방법은 2차원 형태의 GIS데이터를 분석하여 3차원 구축에 필요한 기본정보를 추출한 후 이를 딜로니 삼각분할과 공간형성과정을 거처 다량의 2차원적 데이터를 단시간에 Solid-Model형태로 3차원화 시키고 이를 색과 이미지기준으로 FACE단위로 압축하고 이를 공간분할 알고리즘을 적용하여 기존의 데이터 저장방식이 아닌 3차원 데이터 저장방식을 통해 메모리에 입체적으로 저장시키고 이렇게 구축된 3차원 데이터를 이용자가 보고자하는경우 이용자의 시야에 들어오는 3차원 오브젝트만 추출하여 화면에 랜더링하는 3차원 지리정보의 DB구축 및 관리에 관한 전반적인 내용이다.

Description

2차원 공간정보를 활용한 솔리드모델 타입의 3차원 공간정보구축 자동화방법 및 3차원 공간정보 운용방법 {Solid-Model Type's third dimension GIS DB construction automation method and third dimension Space DB use method to take advantage of second dimensions space information}

본 발명은 3차원 지리정보의 구축 및 운용에 관한 것으로, 특히 기 구축된 2차원 지리정보를 활용하여 3차원 공간데이터 생성을 자동화하고 이를 게임기법을 사용하여 표현하고 관리하는 방법에 관한 것이다.

3차원 GIS는 지형이나 지세를 수치상으로 표현하는 디지털 엘리베이션 모델(DEM)이나 디지털 테레인 모델(DTM) 자료에 실제의 지상시설물과 지하매설물을 동시에 표현하고 이에 대한 정보를 DB로 저장할 수 있어 지상 시설물이나 매설물의 위치정보를 지속적으로 관리할 수 있게 해준다.

특히 3차원 GIS기술은 현실세계가 궁극적으로 3차원이라는 전제 아래 최근 지상시설물이나 지하매설물의 위치 검색, 수정은 물론 도시경관계획, 재해관리시스템, GPS 등의 일반 영역에 이르기까지 그 적용 대상도 점차 확대되고 있다.

그러나 기존에 상용화된 제품들의 3차원 가시화 방법은 Hypsographic(elevation) tinting, Pictorial Relief, Shaded Relief, Shaded Perspective View등에 국한되어 있다. 이러한 방법들은 각각 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 공통적으로 실제 사람이 생활하는 공간속의 시야보다는 항공정찰의 시야개념에 속한 시점이동의 한계가 있다. 또한 그래픽 관련 업체들이 가상현실개념의 Viewer들을 많이 개발하고 있지만 대부분좌표, 위상관계등의 GIS적 요소가 결여된 한계를 보인다.

오늘날 Digital 기술의 발전은 3차원 가시화에서도 비약적인 발전을 이루고 있다. 그러나 다른 분야에 배해 3차원 GIS는 더딘 진행을 보이고 있는 이유는 GIS가 가지는 다양한 OBJECT TYPE과 복잡한 공간적인 관계 그리고 매우 큰 데이터 량 때문이다. 그리고 무엇보다도 3차원 지형데이타를 구축하는데 많은 시간과 비용이 투입되는데 큰 이유가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고 지형과 건물등 각각의 공간데이타를 하나의 Volume으로 취급하는 Solid-modeling형태로 표현하는 진정한 의미의 3차원 공간 DB를 생성하는데 있어 2차원 공간객체를 활용하여 자동화함으로써 3차원 GIS 공간 데이터 구축에 비용과 시간을 줄이는 방법을 제공하고, 이를 통해 구축된 데이터를 게임 알고리즘을 활용해서 관리 표현하는 위상학적 처리가 가능한 3차원 공간DB 관리방법을 통해 사용자에게 실제와 거의 동일한 시야와 정보를 제공하는 3차원 GIS 시스템 구성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 2차원 GIS DB를 활용한 Solid-Model형태의 3차원 GIS DB 생성과정의 총괄도

도 2는 라인 타입의 2차원 오브젝트를 3차원화 시키기 위한 초기단계로 디스크 생성 과정도

도 3은 도 2에서 두점에 근거해 생성된 디스크 사이를 연결하여 하나의 3차원 오브젝트로 생성 과정도

도 4는 폴리곤 형태의 2차원 오브젝트를 3차원화 시키기 위한 단계 세부도

도 5는 생성된 3차원 오브젝트에 이미지맵핑을 하는 과정도

도 6은 단위 3차원 오브젝트의 내부구조와 압축내부구조도

도 7은 랜더링 속도 향상을 위해 내부 저장구조를 구성하는 단계를 그린 과정과 그 실시도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

D : 디스크 형태로 변환된 삼각형 리스트

F : 단일 방향성을 가진 삼각형의 모임으로 면 또는 FACE로 표기

O : Solid-Model 형태로 변환된 단위 3차원 오브젝트

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 Solid_Modeling형태의 3차원 공간 DB 구축하고 관리하는 방법은 2차원 GIS 공간 DB를 바탕으로 각 대상 오브젝트별 좌표를 추출하여 3차원 Solid-Model을 자동으로 생성하는 것을 특징으로 한다.

여기서 자동 생성된 Solid-Model은 한번의 다량의 2차원 오브젝트를 동시에 3차원으로 생성하는 것을 특징으로 한다.

여기서 생성된 3차원 오브젝트는 삼차원 편집 소프트웨어에서 범용 적으로 사용될 수 있도록 삼각 분할되어 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 생성된 3차원 오브젝트는 각면을 대상으로 이미지 맵핑이나 컬러링이 가능할 수 있도록 FACE 단위로 구성되어 있으며 이는 각 오브젝트의 실제 이미지를 입히므로 인해 오브젝트의 리얼리티를 높이는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 3차원 오브젝트는 랜더링 시간의 단축을 위해 동일 이미지 동일 색 동일 방향을 가진 FACE들 끼리 압축하여 저장하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 3차원 오브젝트들을 저장함에 있어 쿼드트리(quad-tree) 옥트리(octree)알고리즘을 사용하여 공간분할을 통해 각각의 오브젝트들의 분류체계를 공간적으로 분할하여 저장하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 저장된 3차원 오브젝트들을 사용자에게 제공할 경우 보여질 시야에 따라 프로젝션(Projection)값을 적용하여 시야내의 오브젝트만 추출하여 랜더링 하여 속도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본발명의 내용을 상세히 설명하겠다

먼저, 본 발명에 자주 언급되는 몇가지 용어를 설명하면 다음과 같다.

"Rendering"(랜더링)이라함은 정밀 묘화라는 뜻으로 컴퓨터 그래픽에서 3차원 형태의 정보를 2차원 평면의 화면에 표현하기 위하여 사용하는 방법을 말한다. Rendering은 물체의 그림자를 표현한다거나 여러 가지 다른 입체감을 주는 방법을 사용하여 사람들이 마 치 3차원처럼 느낄 수 있도록 하는 소프트웨어적 과정이며, "옥트리"는 게임에서 자주 쓰는 용어로 내부 처리 과정 특히 검색이나 충돌처리의 속도를 향상시키기 위해 생성하는 자료구조의일종, "오브젝트"는 책상,걸상,파이프,등 주변의 사물중 개별 단위로 정의 내려 질수 있는 것을 의미한다. 또 맵핑이라 함은 오브젝트의 특정면에 이미지를 붙이는 작업을 의미한다.

도1은 전체 진행과정을 나타내는 도면이다.

입력된 2차원 GIS DB를 사용하여 각 단위 오브젝트의 좌표값을 추출하여 딜로니 삼각분할법에 의거하여 3차원적 표현이 가능하도록 삼각분할을 실시한다. 삼각분할후 생성된 3차원 Solid-Model은 디지털 카메라로 촬영한 이미지를 각 면에 맵핑하여 실물과 유사한 형태로 제 가공한다. 이렇게 가공된 면단위 자료는 실시간 랜더링에 많은 속도 저하 요인으로 작용하므로 이를 압축하여 실시간 랜더링이 가능하도록 동일 이미지, 색, 방향백터를 가진 면끼리 통합한다. 이렇게 작성된 3차원 공간 DB는 단위 공간을 8등분하는 공간분할 방법에 의해 분류시키고 이를 저장하여 사용자 질의시 검색 속도를 향상 시킬수 있도록 공간DB를 재구성한다.

도 2를 참조하면, 라인이나 폴리라인 형태의 2차원 GIS데이타가 삼차원 Solid-Model로 변경되는 과정을 묘사한 것이다. 2차원 라인의 시작점(P1)과 종점(P2)를 잇는 백터의 노멀백터(N)를 계산하고 P1과 N의 선형조합으로 구해진 R과 S를 활용하여 다음과 같이 시작점P1에서 N백터 방향에 수직인 디스크좌표 Qx,Qy,Qz(Qx = P1x + r cos(theta) Rx + r sin(theta) Sx,Qy = P1y + r cos(theta) Ry + r sin(theta) Sy,Qz = P1z + r cos(theta) Rz + r sin(theta) Sz, 단 for 0 <= theta <= 2 pi )를 구할수 있다. 이를 삼각형 구조로 변경하면 평면 구조의 디스크(F1)가 생성된다.

도 3을 참조하면, 상기와 같이 생성된 라인의 두점에 생성된 디스크(D)를 연결하는 면을구성하면 실린더 형태의 Solid-Modeling이 생기게 되며 실린더의 반경과 시작점과 종료점의 깊이값을 입력받아 생성한다.

도 4를 참조하면, 폴리곤 형태의 2차원 GIS데이타가 삼차원 Solid-Model로 변경되는 과정을 묘사한 것이다. 각 폴리곤의 좌표를 2차원 GIS 데이터로부터 입력받아 방향성(시계방향)을 CHECK한후 폴리곤의 내부로 삼각형을 구성하기 위한 딜로니 삼각분할을 실시한다. 이렇게 생성된 삼격형 리스트로부터 3차원 엔진에서 랜더링 가능한 하나의 평면(F)을 구성한다. 변경된 자료가 도로나 인도등으로 사용될 경우 여기서 변환작업을 완료하고, 건물로 사용될 경우 폴리곤의 좌표 리스트에서 두 점씩 추출하여 벽면에 해당하는 평면을 구성한다. 벽면구성이 완료되면 벽면 높이 부분에 천장을 덮어 건물 형태를 구성한다. 3차원 자료로 변경하기 전에 2차원 GIS 데이터의 특정 필드에 건물의 높이값을 입력해 놓고 이를 활용해 3차원 생성시 건물의 높이를 계산하여 삼각형을 구성한다.

도 5를 참조하면, 작성된 3차원 Solid-Model에 사실감을 부여하기 위해 실제 이미지와 결합하는 작업을 해야 한다. 실제 이미지는 디지털 카메라를 이용해 촬영하거나 사진을 스캔받은 자료를 이용하여 작성한다. 단위 3차원 오브젝트는 Solid-Model은 같은 방향(노멀백타)를 갖는 FACE단위로 분류되어 있다 각 FACE에 하나의 이미지를 결합시킴으로 인해 사실적인 랜더링 화면을 제공할수 있다. 이런 이미지를 입히기 위해선 FACE의 각 점과 이미지의 점(이미지 전체를 가로,세로 1의 크기로 계산)을 링크시키는 작업을 해 주어야 하며 각 과정은 FACE의 각점을 원점 이동 시킨후 최대점을 1로 축약시켜 상호 대입하는 방법으로 자동화 시킨다.

도 6을 참조하면, 사실감을 위해 각면에 이미지를 입혀진 3차원 GIS 오브젝트를 실시간 랜더링 하여 사용자에게 제공할 경우 면 단위로 랜더링하기 때문에 상당한 시간이 소요된다. 이를 개선하기 위해 단일 오브젝트 내여 같은 이미지과 같은 색을 가진 면을 하나의 면으로 압축하여 랜더링 할 경우 각 단위 오브젝트별 면의 개수가 최대 70%정도 축소되며 이는 속도에 직접적인 영향을 주어 상당한 속도 개선의 효과를 가지게 된다. 추후 편집을 위해 압축할 당시 압축해제를 위한 자료를 저장시켜 오브젝트 단위면에 이미지맵핑이나 색변경같은 편집작업을 할 경우에 압축을 풀어 편집하고 작업이 끝나면 다시 압축하는 방식을 사용하여 속도를 향상 시킨다.

도 7을 참조하면, 위와 같이 2차원 GIS DB를 활용하여 변경된 3차원 오브젝트들을 랜더링함에 있어 개체가 1만건을 넘어설 경우 상당한 시간이 소요된다. 이를 해결하기 위해선 사용자가 보고자 하는 시야에 들어오는 오브젝트만 대상으로 채택하여 랜더링하는 방식을 사용해야 한다. 이를 위해선 생성된 3차원 오브젝트들이 OCT-TREE라는 특별한 구조로 저장되어 있을 필요성이 있다. 생성된 모든 3차원 오브젝트들을 포함하는 정육면체를 생성하고이를 다시 8개의 정육면체로 분할한다. 분할된 정육면체에 포함되는 오브젝트들을 검색하여 각각의 정육면체에 소속시킨다 다시 분할된 각각의 정육면체에 대해 똑같은 과정을 되풀이하여 더 이상 분할된 정육면체에 포함되는 오브젝트가 없을때까지 분할을 계속한다. 이렇게 분할된 데이터를 저장할 경우 사용자가 보고자 하는 시야각(Projection)을 기준으로 게임에서의 평면 충돌 알고리즘을 활용하여 시야내부에 들어오는 정육면체를 가려내고 선택된 정육면체에 소속된 3차원 오브젝트들만 랜더링해서 속도를 향상시킨다.

구분	일반	Face 압축	Face 압축+OCT-Tree
전체 오브젝트 갯수	45800	45800	45800
렌더링 횟수	366400	137400	1200
시야내 3차원 Object	400	400	400

표1 FOV(시야각)45'인 45800RODML 입체들에대한 OCT-TREE깊이 5단계 테스트 결과

이상과 같이 본 발명에 의하면, 2차원 GIS DB를 사용하여 간단한 조작에 의해 각 오브젝트들이 3차원 Solid-Model형태로 자동 생성시키고 생성된 다량의 자료를 관리할수 있는 압축, 분할 방식을 사용함으로써 적은비용과 적은인력으로 광범위한 지역을 대상으로 하는 3차원 GIS데이타를 구축할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 3차원 지리정보 DB를 생성하고 이를 관리하는 방법에 있어서, 기존에 구축된 2차원 GIS DB를 활용하여 자동으로 Solid-Model형태의 3차원 공간DB 생성
2. 제 1항에 있어서, 상기 3차원 Solid-Model 생성방법에 있어 라인과 폴리곤 타입의 2차원 오브젝트의 내부 좌표값과 필드값을 활용하여 3차원 공간상으로 변환하는 과정 및 방법론
3. 제 1항에 있어서, 상기 3차원 공간DB의 Solid-Model과 이미지를 결합하기위한 FACE-FACE단위의 내부구조구성 방안과 리얼리티 향상을 위한 이미지 및 컬러 맵핑 방법
4. 실시간 랜더링 속도를 향상시키기 위해 각 3차원 단위 오브젝트의 내부 FACE중 이미지와 컬러가 같은것끼리 FACE를 통합하여 관리하고 이를 실시간으로 압축,압축해제하여 편집을 가능하게 하면서 랜더링 속도를 향상시키는 방법
5. 제 4항에 있어서, 상기 3차원 공간DB의 랜더링 속도 향상을 위해 압축방법외 생성된 3차원 오브젝트들을 단순 연결구조가 아닌 OCT-TREE구조의 3차원 공간형태로 저장함으로 인해 사용자가 보고자 하는 부분만 빠르게 추출하여 랜더링하는 기법