KR20100136604A - 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량의 3차원 지형 데이터를 비메모리 방식으로 실시간 가시화할 수 있도록 대용량 DEM을 단계별 계층구조의 지형 메쉬 데이터로 데이터베이스화 하고, 사용자의 시점 이동에 따른 렌더링 레벨(draw level)의 상세도를 조절하여 그에 따른 렌더링을 수행하여 3차원 지형 데이터를 가시화 할 수 있도록 한 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법에 관한 것이다.

본 발명은 사용자 시점을 기준으로 데이터베이스 저장수단에 단계별 계층구조로 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩하되, 레벨 설정수단을 통해 설정된 렌더링 레벨에 따른 부모 노드 또는 자식 노드가 생성되어 렌더링 수행수단을 통해 해당 노드의 메쉬를 상세도에 따라 렌더링을 수행하여 3차원 지형 데이터가 실시간으로 가시화되게 제어하고, 사용자 시점에서 벗어나거나 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 지형 메쉬는 메모리에서 제거하여 사용자의 시점 이동에 따른 메모리의 사용량이 변화없이 3차원 지형을 가시화할 수 있도록 제어 프로그램과 데이터를 지원하는 제어수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 인덱스 연동수단을 통해 인덱스 파일에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터의 정보를 추출하여 데이터베이스 저장수단에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 불러 들여 로딩시키는 데이터 로딩수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 인덱스 파일을 통해 데이터베이스 저장수단에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터의 접근 속도를 최적화시켜 상기 데이터 로딩수단을 통해 인덱스 파일에 해당하는 지형 및 영상 메쉬 데이 터를 로딩시키도록 지원하는 인덱스 연동수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점을 중심으로 렌더링 레벨을 설정하고, 상기 렌더링 레벨에 따른 부모 노드 또는 자식 노드를 생성하여 렌더링을 위한 데이터의 상세도를 준비할 수 있도록 지원하는 레벨 설정수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 절두체에 의해 사용자가 정해준 이동 속도와 회전 각도를 바탕으로 시야 행렬이 구성되게 하여 카메라 이동 위치에 따라 사용자의 시점 조절을 수행하는 시점 조절수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점에 따라 지형 및 영상 메쉬 데이터에 대한 렌더링 레벨이 설정되어 해당 지형 및 영상 메쉬 데이터가 로딩되면, 상기 로딩된 노드의 메쉬 상세도에 따라 렌더링을 수행하는 렌더링 수행수단; 지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보 및 지형 및 영상 메쉬 데이터의 피라미드 구조를 인덱싱하여 저장된 인덱스 파일을 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 인덱스 정보 데이터베이스부와, 상기 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 지형 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 지형정보 데이터베이스부와, 상기 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 영상 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 영상정보 데이터베이스부로 형성된 데이터베이스 저장수단;으로 이루어지는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법에 관한 것이다.

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Description

3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법{Real-time visualization system of 3 dimension terrain image}

본 발명은 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량의 3차원 지형 데이터를 비메모리 방식으로 실시간 가시화할 수 있도록 대용량 DEM을 단계별 계층구조의 지형 메쉬 데이터로 데이터베이스화 하고, 사용자의 시점 이동에 따른 렌더링 레벨(draw level)의 상세도를 조절하여 그에 따른 렌더링을 수행하여 3차원 지형 데이터를 가시화 할 수 있도록 한 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법에 관한 것이다.

일반적으로 GIS(Geographic Information System)시스템은 건물, 도로, 하천, 등고선, 행정구역경계 등과 같이 지형, 지리적으로 관련된 데이터를 수집, 저장, 출력, 분석하기 위한 것으로, 다양한 지리정보를 구축, 유지관리, 편집, 분석 및 프로세싱, 디스플레이 및 출력 등의 과정을 통하여 공간 정보를 얻는 동시에 공간 의사결정에 도움을 주는 시스템에 관한 것이다.

한 가지 응용 사례를 든다면, 최근 들어 차량에 장착된 네비게이션에 탑재하여 운전자에게 다양한 지리정보를 제공하여 타지방이나 지리를 잘 모르는 지역을 주행할 때, 원하는 위치까지 안전하게 안내할 수 있는 장치에도 쓰이고 있다.

상기 GIS는 관계형 데이터베이스의 공간 데이터에 대한 질의 분석을 통해 사용자가 필요로 하는 지리 및 지도정보를 적절한 지도 형태의 이미지로 변환하여 제공하는 시스템으로, 위도, 경도, 주소 등의 위치정보를 손쉽게 검색할 수 있는 장점이 있다.

상기 GIS의 구축에 있어서 가장 기초적인 자료는 수치지도인데, 상기 수치지도는 고전적인 종이지도와 달리 측량지도, 항공사진, 위성영상 등에 의하여 얻어진 각종 지형 자료들을 해석하고 수치 편집하여 제작되며, 이를 색인화하여 파일 형태로 저장함으로써, 상기 수치지도를 이용한 지형정보를 사용자에게 실시간으로 가시화할 수 있도록 제공하고 있다.

최근 지형정보의 가시화 기술은 GIS 응용분야는 물론 게임, 가상현실, 항공 시뮬레이션 및 군사적인 목적 등을 실현하기 위한 중요한 기술로 부각되고 있는데, 대용량 지형 데이터를 실시간으로 처리하여 가시화를 구현하기 위한 메모리의 한계성을 극복하지 못해 아직도 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

이러한 지형정보를 실시간으로 가시화하는 방법으로 컴퓨터 그래픽 분야에서 여러 가지 수단으로 획득된 지형 데이터를 대상으로 다양한 연구가 진행되어 왔는데, 대표적인 지형 실시간 가시화방법으로는 직각 이진 삼각트리(ROAM ; Real-time Optimally Adapting Meshes) 알고리즘과 적응적인 쿼드 트리(Adaptive Quad Tree-based Terrain Triangulation) 알고리즘에 의한 방법이 있다.

상기 직각 이진 삼각트리(ROAM) 알고리즘에 의한 지형 실시간 가시화방법은 직각 삼각형의 재귀적 분할을 기본으로 하는 방법이며, 지형을 삼각형 플롯(작은 삼각형 영역)들로 분할하여 이러한 플롯들의 소유자들을 논리적으로 서로 이웃하는 관계(좌, 우, 이웃 등)로 보는 것으로, 어떤 소유자가 상속을 통해 지형을 주면 이 지형은 두 개의 차일드 사이에서 동등하게 분할되며, 이러한 유추를 더 확장하기 위해 플롯의 원소유자는 이진 삼각형트리의 루트노드가 되고, 다른 원소유자는 그들이 소유한 트리의 루트노드가 되어 플롯들의 원소유자를 추적하고 어떤 플롯이 여기에 속하는 지를 기록한다.

이러한 등록은 부모에서 차일드(Child)까지 모든 상속관계를 기록하는 것으로, 더 많은 차일드를 생성하면 할수록 지형은 좀 더 많이 조사되며, 도7에 도시된 바와 같이 좀 더 근사화가 필요한 영역의 경우 그 영역에서의 인구(child node)를 늘림으로서 원하는 정도의 상세도를 도출해 내는 알고리즘이다(Bryan Turner Gamasutra 2000).

하지만 상기 알고리즘은 트리의 차일드를 생성함에 있어 편차라는 변수에 의존하여 지형을 근사화 시키기 때문에 복셀 렌더링에 제한적이어서 CPU 점유율이 높고, 모델링에 많은 제한을 가하며, 낮은 해상도, 저사양의 컴퓨터의 경우 요구하는 퀄리티(quality)에 도달하기 힘들고, 산악 지형이 많은 국내 지형 렌더링에 효율적이지 못하고, 지형 굴곡의 정도에 따라 편차 변수를 달리 부여해야 하며, 차일드 생성시 모든 플롯에 대해 기하학적인 연산량이 소요되는 문제점이 있다.

상기 Quad Tree 알고리즘에 의한 지형 실시간 가시화방법은 2차원적 4분할방법인 쿼드 트리로 공간 분할하여 분할된 지형 격자에 대해 재귀적으로 분할 여부를 판단하는 방식으로, 재귀적으로 분할되는 4개의 공간에 대해서 사용자에 의해 생성되는 시점 절두체로부터 시점에서 배제되는 영역을 도출해 낼 수 있고, 렌더링 파이프에서 제외시켜서 한 프레임을 완성하고, 또한 도8에 도시된 바와 같이 시점과 공간과의 거리 측량 값이나 높이 값의 조밀 분포를 판단하여 분할 여부를 확인하여 지형 공간영역을 분할하여 상세도를 결정하는 방법으로 지형 실시간 렌더링에 사용되고 있다(Balmelli et al 1999).

하지만 상기 알고리즘은 대용량 지형 표현은 가능하나 2배수 크기의 공간으로 지형을 분할하여야 하며, 블록의 크기가 커질수록 트리의 재귀적 분할이 다수 발생하여 불필요한 메모리 낭비가 일어날 수 있으며, 하나의 공간 분할시 트리구조를 메모리에 모두 상주시켜야 하므로 비메모리 방식의 데이터 처리가 불가능하다는 문제점이 있다.

이에 비메모리 방식의 지형 가시화를 위해 쿼드 트리방식을 응용하여 불필요한 메모리 낭비를 최소화 한 대용량의 지형 데이터를 구축하고, 실시간 비메모리 파일 처리를 통해 지형 데이터를 가시화할 수 있도록 하는 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다.

본 발명은 상기의 종래 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 대규모 지형 데이터의 가시화하기 위해 파일 기반의 쿼드 트리방식을 응용하여 단계별 계층구조로 이루어진 지형 및 영상 메쉬 데이터를 데이터베이스화 함으로써, 인덱스 파일과 연동된 지형 메쉬 데이터가 사용자의 시점에 따라 피라미드식 레벨 상관 관계를 통해 레벨에 따른 렌더링이 수행되어 실시간 비메모리 파일처리를 통해 3차원 지형 데이터를 가시화할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 사용자 시점을 기준으로 데이터베이스 저장수단에 단계별 계층구조로 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩하되, 레벨 설정수단을 통해 설정된 렌더링 레벨에 따른 부모 노드 또는 자식 노드가 생성되어 렌더링 수행수단을 통해 해당 노드의 메쉬를 상세도에 따라 렌더링을 수행하여 3차원 지형 데이터가 실시간으로 가시화되게 제어하고, 사용자 시점에서 벗어나거나 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 지형 메쉬는 메모리에서 제거하여 사용자의 시점 이동에 따른 메모리의 사용량이 변화없이 3차원 지형을 가시화할 수 있도록 제어 프로그램과 데이터를 지원하는 제어수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 인덱스 연동수단을 통해 인덱스 파일에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터의 정보를 추출하여 데이터베이스 저장수단에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 불러 들여 로딩시키는 데이터 로딩수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행 되어 인덱스 파일을 통해 데이터베이스 저장수단에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터의 접근 속도를 최적화시켜 상기 데이터 로딩수단을 통해 인덱스 파일에 해당하는 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩시키도록 지원하는 인덱스 연동수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점을 중심으로 렌더링 레벨을 설정하고, 상기 렌더링 레벨에 따른 부모 노드 또는 자식 노드를 생성하여 렌더링을 위한 데이터의 상세도를 준비할 수 있도록 지원하는 레벨 설정수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 절두체에 의해 사용자가 정해준 이동 속도와 회전 각도를 바탕으로 시야 행렬이 구성되게 하여 카메라 이동 위치에 따라 사용자의 시점 조절을 수행하는 시점 조절수단; 상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점에 따라 지형 및 영상 메쉬 데이터에 대한 렌더링 레벨이 설정되어 해당 지형 및 영상 메쉬 데이터가 로딩되면, 상기 로딩된 노드의 메쉬 상세도에 따라 렌더링을 수행하는 렌더링 수행수단; 지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보 및 지형 및 영상 메쉬 데이터의 피라미드 구조를 인덱싱하여 저장된 인덱스 파일을 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 인덱스 정보 데이터베이스부와, 상기 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 지형 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 지형정보 데이터베이스부와, 상기 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 영상 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 영상정보 데이터베이스부로 형성된 데이터베이스 저장수단;으로 이루어지는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템을 구현하고자 한 것이다.

상기 레벨 설정수단은 사용자 시점에 따른 자식 노드의 렌더링 레벨을 설정하여 해당 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩할 수 있도록 하되, 상기 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 경우에는 해당 노드의 상세도를 느슨하게 조절하여 메모리에서 제거되게 하고, 기준 레벨 미만인 경우에는 해당 노드의 상세도를 높여 자식 노드를 재귀적으로 분할하면서 상세도를 조절되게 구성한다.

위성 촬영 및 항공 측량을 통해 수집된 지형 DEM 데이터의 특성상 발생되는 기하학적인 왜곡현상을 보정하여 지도 좌표와 동일하게 좌표 보정하는 제1단계; 상기 DEM 데이터를 동일한 형태의 파일로 변환하여 일정 크기로 조절된 동일한 지역의 단계별 DEM 파일을 생성하여 전처리과정을 거치는 제2단계; 상기 전처리된 DEM 데이터를 피라미드 형태의 단계별 계층구조로 이루어진 지형 및 영상 메쉬 데이터 형태로 변환하여 좌표상 동일한 메쉬 지역에 해당하는 지형 데이터와 영상 데이터를 별도로 데이터베이스화 하는 제3단계; 상기 계층적 구조의 지형 및 영상 메쉬 데이터는 각각의 피라미드 깊이와 가로 세로 픽셀 수에 대한 정보를 인덱싱하여 데이터베이스화 하는 제4단계; 상기 데이터베이스로 구축된 지형 및 영상 메쉬 데이터는 데이터 로딩수단에 의해 사용자 시점에 해당하는 지형 데이터의 최상위 트리정보를 로딩하는 제5단계; 상기 지형 최상위 노드 구조가 로딩되면, 레벨 설정수단에 의해 사용자 시점을 기준으로 렌더링 레벨을 설정하여 렌더링을 위한 데이터의 조밀도를 준비하는 제6단계; 상기 사용자 시점에 따른 렌더링 레벨이 설정되면, 인덱스 파일에 해당하는 지형 및 영상 메쉬 데이터를 데이터베이스 저장수단으로부터 추출하여 디스플레이 하고, 시점 조절수단을 통해 카메라 이동 위치에 따라 사용자 시점 조절이 수행되는 제7단계; 상기 지형 및 영상 메쉬 데이터가 출력되면, 렌더링 수행수단을 통해 해당 노드의 메쉬를 조밀도에 따라 렌더링을 수행하면서 사용자 시점 이동에 따라 시야에서 벗어나거나 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 지형 및 영상 메쉬는 메모리에서 제거하여 메모리의 사용량의 변화없이 3차원 지형 데이터를 실시간으로 가시화하는 제8단계;로 이루어지는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 방법을 구현하고자 한 것이다.

상기 제4단계의 인덱싱된 파일에는 지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보 및 피라미드 구조가 색인되어 지형 및 영상 메쉬 데이터의 요청시, 해당 데이터의 접근성이 용이하게 하는 구성으로 이루어진다.

상기 제6단계는 로딩된 지형 최상위 트리 노드를 기본적으로 부모 노드로 설정하는 제6-1단계; 사용자 시점에 따른 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상이면, 사용자 시점에서 멀어진 것으로 판단하여 메모리에서 제거하는 제6-2단계; 상기 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 미만이면, 부모 노드를 상속하여 자식 노드가 생성되어 사용자 시점 이동에 따른 렌더링 레벨이 설정되는 제6-3단계;의 구성으로 이루어진다.

본 발명은 단계별 계층구조로 이루어진 지형 및 영상 메쉬 데이터를 데이터베이스화 하고, 사용자 시점 중심으로 렌더링 레벨에 따른 렌더링을 수행하면서 시야에서 벗어나거나 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 경우 메모리 상에서 제거하여 사용자 시점 이동에 따른 메모리의 사용량 변화없이 대용량의 3차원 지형 데이터를 비메모리 방식으로 실시간 가시화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템의 전체 구성도이고, 도2는 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화되는 과정을 도시한 흐름도이고, 도3은 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템의 단계별 DEM 파일이 생성되는 전처리 과정을 도시한 예시도이고, 도4는 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화의 단계별 계층구조로 이루어진 지형 메쉬 데이터를 도시한 예시도이고, 도5는 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화의 33×33 크기의 렌더링 레벨의 지정방식을 도시한 예시도이고, 도6은 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화방법이 적용된 예시도이다.

도시된 바와 같이 전처리 과정을 거친 DEM(Digital Elevation Models) 지형 및 영상 원시데이터를 단계별 계층구조로 생성하되, 메쉬(mesh) 형태의 단계별 지형 블록으로 이루어진 피라미드 지형 데이터를 구축하여 데이터베이스화 하면, 제어수단(10)은 데이터 로딩수단(20)을 실행하여 인덱스 연동수단(30)을 통해 데이터베이스 저장수단(70)에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩하고, 레벨 설정수단(40)은 사용자 시점을 기준으로 디스플레이 할 렌더링 레벨(draw level)을 설정하여 시점 조절수단(50)을 통해 관찰자 시점 제어가 이루어지고, 상기 레벨이 설정되면, 렌더링 수행수단(60)을 통해 데이터베이스 저장수단(70)에 저장된 해당 레벨 의 지형 메쉬 데이터를 3차원 지형 영상으로 실시간 가시화 할 수 있는 구성으로 이루어진다.

상기 제어수단(10)은 사용자 시점을 기준으로 데이터베이스 저장수단(70)에 단계별 계층구조로 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩하되, 레벨 설정수단(40)을 통해 설정된 렌더링 레벨(draw level)에 따른 부모 노드 또는 자식 노드가 생성되어 사용자의 시점과 가까운 노드는 상세도가 높아지면서 렌더링 수행수단(60)을 통해 해당 노드의 메쉬를 상세도에 따라 렌더링을 수행하면서 3차원 지형 영상 데이터가 실시간으로 가시화되게 제어하고, 사용자의 시점에서 벗어나거나 렌더링 레벨(draw level)을 비교하여 메모리상에 존재할 필요가 없는 지형 메쉬 데이터는 메모리에서 제거하여 사용자의 시점 이동에 따른 메모리의 사용량이 변화없이 3차원 지형을 가시화할 수 있도록 제어 프로그램과 데이터를 지원한다.

상기 데이터 로딩수단(20)은 제어수단(10)의 제어신호를 인가받아 실행되어 인덱스 연동수단(30)을 통해 인덱스 파일에 저장된 실제 지형 및 영상 메쉬 데이터의 정보를 추출하여 지형정보 및 영상정보 데이터베이스부(70b,70c)에 저장된 실제 지형 및 영상 메쉬 데이터를 불러 들여 로딩시키도록 한다.

상기 인덱스 연동수단(30)은 제어수단(10)의 제어신호를 인가받아 실행되어 메모리에 상주해 있는 인덱스 파일을 통해 지형정보 및 영상정보 데이터베이스부(70b,70c)에 저장된 실제 지형 및 영상 메쉬 데이터의 접근 속도를 최적화시켜 데이터 로딩수단(20)을 통해 상기 인덱스 파일에 해당하는 지형 및 영상 메쉬 데이터를 실시간으로 로딩시키도록 지원한다.

상기 레벨 설정수단(40)은 제어수단(10)의 제어신호를 인가받아 실행되어 시점 조절수단(50)을 통해 제공되는 사용자의 시점과의 거리 값을 기준으로 렌더링 레벨(draw level)을 설정하여 렌더링을 위한 데이터 상세도를 준비할 수 있도록 하는 수단으로, 사용자 시점에 따른 자식 노드의 렌더링 레벨(draw level)을 설정하여 해당 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩할 수 있도록 하는데, 상기 자식 노드의 렌더링 레벨(draw level)이 기준 레벨 이상 또는 미만인지를 판단하여 기준 레벨 이상인 경우에는 해당 노드의 상세도를 느슨하게 조절하여 메모리에서 제거될 수 있도록 하고, 기준 레벨 미만인 경우에는 해당 노드의 상세도를 높여 상세도의 정도에 따라 자식 노드를 재귀적으로 분할하면서 상세도를 조절할 수 있도록 한다.

상기 시점 조절수단(50)은 제어수단(10)의 제어신호를 인가받아 실행되어 카메라 이동 위치에 따라 사용자의 시점 조절을 수행하는 수단으로, 3차원 공간 상에서 시점 조절은 절두체라고 하는 카메라 앵글에 의해 이루어지는 것으로, 상기 절두체에 의해 사용자가 정해준 이동 속도와 회전 각도를 바탕으로 시야 행렬을 구성하게 되고, 상기 시야 행렬은 3차원 그래픽 응용 규약인 Direct3D, OpenGL 등으로 월드 변환(world transform), 투시 변환(projection transform), 시야 변환(view transform) 되어서 화면상에 3차원으로 표현되고, 상기 시야 행렬은 키보드, 마우스 또는 조이스틱 같은 입력매체를 통해 바뀌게 된다.

상기 렌더링 수행수단(60)은 제어수단(10)의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점에 따라 지형 메쉬 데이터에 대한 렌더링 레벨(draw level)이 설정되어 해당 지형 메쉬 데이터가 로딩되면, 상기 로딩된 노드의 메쉬 상세도에 따라 렌더 링을 수행하여 3차원 지형 영상이 가시화될 수 있도록 한다.

상기 데이터베이스 저장수단(70)은 인덱스 정보 데이터베이스부(70a)와 지형정보 데이터베이스부(70b)와 영상정보 데이터베이스부(70c)로 이루어지는데, 상기 인덱스 정보 데이터베이스부(70a)는 실제 지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보 및 지형 메쉬 데이터의 피라미드 구조를 인덱싱하여 저장된 인덱스 파일을 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장하고, 지형정보 데이터베이스부(70b)는 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 실제 지형 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장하고, 영상정보 데이터베이스부(70c)는 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 실제 영상 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한다.

이상과 같이 본 발명의 일실시예에 의해 구성된 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템의 작용에 대하여 설명한다.

본 발명은 대규모 지형 데이터를 가시화하기 위한 파일 기반의 쿼드 트리(Quad Tree)방식을 응용한 실시간 LOD(level-of-detail) 알고리즘을 이용하여 대용량 DEM의 가시화를 위해 단계별 계층구조의 지형 및 영상 메쉬 데이터로 형성하되, 각각의 단계별 DEM은 작은 단위의 블록으로 분리하여 단계별 블록을 인덱싱(indexing)하여 파일에 적재시켜 비메모리 방식에 의한 데이터의 접근 속도를 최적화할 수 있도록 하고, 사용자의 시점 이동에 따라 메모리에 상주되는 데이터의 양을 조절하기 위해 파라미드식 레벨 상관관계를 통해 레벨에 따른 렌더링이 수행될 수 있도록 한다.

본 발명에 의한 비메모리 방식의 지형 계층구조를 구축하기 위해서는 각각의 트리 깊이와 가로 세로 인덱스는 인덱스 정보 데이터베이스부(70a)에 파일로 저장하되, 상기 인덱스 파일에 실제 지형 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보를 인덱싱하여 지형 메쉬의 요청 처리시 데이터의 접근성을 보장할 수 있도록 하고, 또한 지형 메쉬의 피라미드 구조가 색인되게 구성하고, 실제 지형 메쉬 데이터는 지형정보 데이터베이스부(70b)에 파일로 저장하고, 실제 영상 메쉬 데이터는 영상정보 데이터베이스부(70c)에 저장하되, 피라미드 구조로 이루어진 단계별 계층구조로 상호 연결되게 형성하여 사용자 시점에 따라 해당 단계의 지형 메쉬 데이터를 디스플레이 될 수 있도록 한다.

본 발명에 의한 대규모 지형 데이터의 실시간 가시화를 수행하기 위해서는 먼저 지형 및 영상 메쉬 데이터를 단계별 계층구조로 형성하여 비메모리 저장매체에 적재하고, 생성된 계층 구조의 파일을 사용자 시점에 따라 실시간 메모리에 상주시키도록 해야 하는데, 아래에서는 본 발명에 의해 구현되는 지형 데이터의 실시간 가시화를 위한 지형 데이터를 단계별 계층구조로 구축하여 데이터베이스화 하는 과정을 살펴보도록 한다.

먼저, 위성 영상 지형 데이터와 항공 LiDAR(Light Detection And Ranging) 영상 지형 데이터를 토대로 수집된 고정밀, 대용량 지형 원시데이터는 등고선, TIN(Triangulated Irregular Network), Raster Grid, Lidar 데이터, DTM(Digital Terrain Model), DEM(Digital Elevation Model) 등 다양한 형태로 존재하는데, 지형 데이터를 단계별 계층구조로 형성하기 위해서는 규칙적인 격자 행렬(gridded matrix)을 통해 공간상에 나타나는 지형 기복의 변화를 연속적으로 표현하는 모형인 DEM 데이터를 사용하도록 한다.

상기 위성 촬영 또는 항공측량된 지형 데이터는 특성상 비행 방향에 따라 이동하면서 촬영되기 때문에 촬영장비 방향에 따라 일어나는 기하하적인 왜곡현상이 발생하게 되는데, 이는 일반 지도처럼 정확하게 위에서 바라보는 관점에서 보면, 지도 좌표와 어긋나게 되어 이러한 왜곡현상을 보정하여 지도 좌표와 맞추는 좌표 보정단계를 거치도록 한다(S100).

상기 DEM의 파일 형태는 Arc Grid, Ascii Dem, Generic Binary 등 다양한 파일 형태로 존재하는데, 상기 DEM 파일을 동일한 형태의 파일로 변환하고, 지형 및 영상 메쉬 데이터의 단계별 계층구조를 구축하기 위하여 도3에 도시된 바와 같이 2배수 또는 4배수 크기로 조절된 동일한 지역의 단계별 DEM 파일을 생성하는 전처리 과정을 거치도록 한다(S110).

상기 전처리된 DEM 데이터는 동일한 해상도를 가진 하나의 거대한 지형 덩어리 형태로 존재하게 되는데, 상기 DEM 데이터를 피라미드 형태의 단계별 계층구조로 이루어진 지형 및 영상 메쉬 데이터로 구축하기 위해서는 피라미드 깊이와 피라미드를 이루는 트리 노드상에 존재하는 지형 블록의 픽셀 수를 우선적으로 정의한다.

상기 피라미드 깊이를 계산하기 위해 DEM의 가로, 세로 픽셀 수를 구하여 정해진 최하위 계층의 지형 블록의 셀 개수가 32×32로 생성될 때가지 재귀적으로 2 또는 4배수로 분할하면서 피라미드의 깊이를 구하고, 대용량 지형 렌더링을 위한 레벨별 지형 블록을 분할 압축하여 레벨별 렌더링 단위를 결정 가능하게 하고, 각 레벨의 하위 노드 지형 블록의 로딩 여부를 체크하기 위해 도4에 도시된 바와 같이 계층적 구조의 지형 블록 데이터를 구축한다.

기본적으로 단위 지형 블록의 가로 세로의 픽셀 수는 2의 자승 보다 1이 큰 값으로 정의하여 분할하며, 차후 사용자 시점 이동에 따른 각 지형 블록의 상세도 레벨 조절을 가능하게 하는데, 예를 들면 도5에 도시된 바와 같이 0레벨과 같이 33×33의 지형 블록을 구성하면 0에서 5단계의 상세도 레벨을 사용자 시점에 따라 유기적으로 변화할 수 있게 된다.

그리고 지형의 블록을 분할함에 있어 각각의 계층적인 지형 블록들은 도4에 도시된 바와 같이 단계별 인덱스에 따라 부모 자식의 상속관계를 유지하고, 지형 블록 렌더링시, 사용자 시점에 따라 부모 블록의 상세도 수준을 결정하고, 상세도에 따라 부모 블록을 렌더링 하며, 부모 블록이 일정 상세도 이상이 되면, 자식 블록을 재귀적으로 요청 처리하는 구조로 이루어지고, 상기 상속관계는 지형 블록 노드의 깊이와 가로 세로 인덱스로 재귀적 요청 처리시에 재구성되는데, 예를 들면 도4에서 보는 바와 같이 0레벨의 00레벨의 자식 블록 노드는 1레벨의 00,01,10,11이 되며, 단계의 증가에 따라 재귀적으로 부모 자식의 상관관계를 유지하게 되는 것이다.

상기의 과정을 통해 원시 DEM 데이터를 피라미드 지형 메쉬 데이터 형태로 변환하여 데이터베이스화 하되, 동일한 방식으로 상기 원시 DEM 데이터를 피라미드 영상 메쉬 데이터 형태로 변환하여 데이터베이스화 함으로써(S120), 좌표상 동일한 메쉬 지역에 지형 데이터와 영상 데이터가 별도로 저장되게 하여 지형 메쉬의 영역이 정해지면, 영상은 그 영역 만큼 색상 값을 추출하여 따로 저장하고, 지형 메쉬가 로딩되면, 높이 값 위에 단순히 이미지를 덮어 씌우는 방식, 즉 텍스쳐 맵핑(texture mapping) 방식으로 렌더링될 수 있도록 한다.

상기 계층적 구조의 지형 및 영상 메쉬 데이터는 단계별 블록에 대한 정보, 즉 각각의 피라미드 깊이와 가로 세로 픽셀 수에 대한 정보를 인덱싱(indexing)하여 데이터베이스화 하되(S130), 상기 인덱싱된 파일에는 실제 지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기정보 및 지형 블록의 피라미드 구조가 색인되어 지형 및 영상 메쉬 데이터의 요청시, 해당 데이터의 접근성이 용이하게 하고, 상기 피라미드 구조의 지형 및 영상 메쉬 데이터는 별도로 데이터베이스화 하여 인덱스 파일과 연동되어 사용자 시점에 따른 지형 및 영상 메쉬 데이터가 디스플레이될 수 있도록 한다.

상기 데이터베이스로 구축된 피라미드 지형 및 영상 데이터는 데이터 로딩수단(20)에 의해 사용자 시점에 해당하는 지형 데이터의 최상위 트리정보를 로딩하고(S140), 상기 지형 최상위 노드 구조가 로딩되면, 레벨 설정수단(40)에 의해 사용자 시점과의 거리 값을 기준으로 렌더링 레벨(draw level) 값을 설정하여 렌더링을 위한 데이터 조밀도를 준비할 수 있도록 한다(S150).

상기 레벨 설정수단(40)은 로딩된 지형 최상위 트리 노드를 기본적으로 부모 노드로 설정한 후, 사용자 시점에 따른 자식 노드의 렌더링 레벨을 설정하여 하위 피라미드 데이터의 로딩 여부를 판단하는데, 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 인 2 보다 크거나 같은 경우에는 사용자 시점으로부터 멀어진 것으로 판단하여 메모리에서 제거하여 일정한 메모리 점유율을 유지할 수 있도록 하고, 상기 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨인 2 보다 작은 경우에는 부모 노드를 상속하여 자식 노드가 생성되어 사용자의 시점 이동에 따른 렌더링 레벨이 설정되는데, 사용자의 시점과의 부모 노드의 거리를 고려하여 시점과 가까운 노드는 상세도가 높아지며, 그 상세도의 정도에 따라 그 자식 노드를 다시 생성하는 방법의 재귀적 처리방법으로 실세계와 근사한 실시간 가시화를 이루어지게 된다.

이 때, 본 발명의 경우 단계별 계층인 피라미드의 깊이가 5 정도 되는 것으로 설정하여 기준 레벨인 2 보다 작은 경우 자식 노드를 로딩하는 것으로 되어 있는데, 상기 피라미드 깊이에 따라 자식 노드를 로딩하는 기준 레벨은 변경 가능하며, 상기 기준 레벨이 높아질수록 지형 메쉬의 로딩 빈도가 높아지고, 컴퓨터의 메모리 사용량이 증가하게 되고, 반면에 지형의 상세도는 높아지게 되는 것으로, 상기 지형 데이터의 사용처와 컴퓨터의 메모리 사양에 따라 상기 기준 레벨은 사용자가 다양하게 설정 가능하다.

상기 피라미드 지형 데이터의 실시간 메모리 로딩 알고리즘을 나타내면, 아래와 같다.

루트노드생성()

{

현재 메모리에 있는 캐쉬를 모두 지운다.

for ( 계층 지형 속 루트 개수만큼) do {

사용자 시야와 노드의 크기 공간상의 좌표 기준으로 루트 노드의
drawlevel 설정

자식노드분할( 루트 지형 노드 )

}

}

자식노드분할 ( 지형 노드 )

{

if ( 지형 노드 의 상세도가 2 이하일 경우 ) {

if ( 지형 노드 속 자식노드가 있을 경우 ) {

( child level , child ix, child iy ) = ( parent

level+1 , parent ix x 2, parent iy x 2 )

부모 노드의 인덱스로 자식 노드를 파일에서 로딩한다.

자식 노드의 인접 노드와 merge 한다.

사용자 시점기준 자식 노드의 drawlevel 를 결정한다.

자식노드분할 ( 자식 지형 노드 ) drawlevel <2 이면 다시
자식노드 분할

}

}

}

인접 노드 merge ( 지형 노드 )

{

for ( 자식 노드의 개수만큼 ) do

{

If (자식노드의 하위 노드가 있으면)

인접 노드 merge ( 자식 노드 ) // 재귀 호출

if ( 노드가 인접 노드와 조인될 수 있으면) {

인접 노드와 이웃 관계를 성립

캐쉬 데이터 추가

}

}

}

상기와 같이 사용자의 시점 이동에 따라 렌더링 레벨이 설정되면, 부모 노드에 해당하는 상위 피라미드 레벨이 출력되거나 자식 노드에 해당하는 하위 피라미드가 출력되게 하는데. 이 때 인덱스 연동수단(30)을 통해 인덱스 파일에 해당하는 실제 지형 메쉬 데이터 및 영상 메쉬 데이터를 지형정보 데이터베이스부(70b) 및 영상정보 데이터베이스부(70c)로부터 추출하여 디스플레이될 수 있도록 하고(S160), 시점 조절수단(50)을 통해 카메라 이동 위치에 따라 사용자의 시점조절이 수행될 수 있도록 한다(S170).

상기 시점 조절수단(50)에 의해 사용자 시점에 따른 지형 및 영상 피라미드 데이터를 렌더링할 레벨이 설정되고, 그에 따른 지형 블록 데이터가 출력되면, 렌 더링 수행수단(60)을 통해 해당 노드의 메쉬(mesh)를 조밀도에 따라 렌더링을 실시하되(S180), 상기 레벨 설정수단(40)을 통해 루트 노드 메쉬들의 렌더링 레벨(draw level)이 모두 기준 레벨인 2 이상으로 판단된 경우에는 최상위 노드의 메쉬만 렌더링을 수행하고, 상기 루트 노드 메쉬들의 렌더링 레벨(draw level)이 기준 레벨인 2 미만으로 판단된 경우에는 자식 노드가 존재하면, 자식 노드 4개에 대한 렌더링을 수행하고, 자식 노드가 존재하지 않으면, 부모 노드의 메쉬를 렌더링 할 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명은 데이터베이스화 된 지형 메쉬 데이터를 사용자 시점 중심으로 지형 블록의 상세도를 조절하며, 시야에서 벗어나거나 렌더링 레벨(draw level)이 기준 레벨 이상인 지형 메쉬는 메모리 상에서 제거될 수 있도록 함으로서, 사용자 시점이 이동하더라도 메모리의 사용량은 변화없이 3차원 지형 데이터를 실시간으로 가시화할 수 있도록 하는 것으로, 이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시례 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

도1은 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템의 전체 구성도

도2는 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화되는 과정을 도시한 흐름도

도3은 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템의 단계별 DEM 파일이 생성되는 전처리 과정을 도시한 예시도

도4는 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화의 단계별 계층구조로 이루어진 지형 메쉬 데이터를 도시한 예시도

도5는 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화의 33×33 크기의 렌더링 레벨의 지정방식을 도시한 예시도

도6은 본 발명에 적용되는 3차원 지형 영상 실시간 가시화방법이 적용된 예시도

도7은 직각 이진 삼각트리 알고리즘에 의해 지형 실시간 가시화하는 과정을 도시한 예시도

도8은 쿼드 트리(Quad Tree) 알고리즘에 의해 지형 실시간 가시화하는 과정을 도시한 예시도

*도면의 주요부분에 대한 부호설명*

10. 제어수단 20. 데이터 로딩수단

30. 인덱스 연동수단 40. 레벨 설정수단

50. 시점 조절수단 60. 렌더링 수행수단

70. 데이터베이스 저장수단 70a. 인덱스 정보 데이터베이스부

70b. 지형정보 데이터베이스부 70c. 영상정보 데이터베이스부

Claims (5)

1. 사용자 시점을 기준으로 데이터베이스 저장수단에 단계별 계층구조로 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩하되, 레벨 설정수단을 통해 설정된 렌더링 레벨에 따른 부모 노드 또는 자식 노드가 생성되어 렌더링 수행수단을 통해 해당 노드의 메쉬를 상세도에 따라 렌더링을 수행하여 3차원 지형 데이터가 실시간으로 가시화되게 제어하고, 사용자 시점에서 벗어나거나 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 지형 메쉬는 메모리에서 제거하여 사용자의 시점 이동에 따른 메모리의 사용량이 변화없이 3차원 지형을 가시화할 수 있도록 제어 프로그램과 데이터를 지원하는 제어수단;

   상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 인덱스 연동수단을 통해 인덱스 파일에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터의 정보를 추출하여 데이터베이스 저장수단에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터를 불러 들여 로딩시키는 데이터 로딩수단;

   상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 인덱스 파일을 통해 데이터베이스 저장수단에 저장된 지형 및 영상 메쉬 데이터의 접근 속도를 최적화시켜 상기 데이터 로딩수단을 통해 인덱스 파일에 해당하는 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩시키도록 지원하는 인덱스 연동수단;

   상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점을 중심으로 렌더링 레벨을 설정하고, 상기 렌더링 레벨에 따른 부모 노드 또는 자식 노드를 생성 하여 렌더링을 위한 데이터의 상세도를 준비할 수 있도록 지원하는 레벨 설정수단;

   상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 절두체에 의해 사용자가 정해준 이동 속도와 회전 각도를 바탕으로 시야 행렬이 구성되게 하여 카메라 이동 위치에 따라 사용자의 시점 조절을 수행하는 시점 조절수단;

   상기 제어수단의 제어신호를 인가받아 실행되어 사용자 시점에 따라 지형 및 영상 메쉬 데이터에 대한 렌더링 레벨이 설정되어 해당 지형 및 영상 메쉬 데이터가 로딩되면, 상기 로딩된 노드의 메쉬 상세도에 따라 렌더링을 수행하는 렌더링 수행수단;

   지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보 및 지형 및 영상 메쉬 데이터의 피라미드 구조를 인덱싱하여 저장된 인덱스 파일을 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 인덱스 정보 데이터베이스부와, 상기 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 지형 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 지형정보 데이터베이스부와, 상기 인덱스 파일과 연동되어 접근 가능한 영상 메쉬 데이터를 소정의 분류체계에 따른 카테고리별로 분류하여 저장한 영상정보 데이터베이스부로 형성된 데이터베이스 저장수단;으로 이루어짐을 특징으로 하는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레벨 설정수단은 사용자 시점에 따른 자식 노드의 렌더링 레벨을 설정하여 해당 지형 및 영상 메쉬 데이터를 로딩할 수 있도록 하되, 상기 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 경우에는 해당 노드의 상세도를 느슨하게 조절하여 메모리에서 제거되게 하고, 기준 레벨 미만인 경우에는 해당 노드의 상세도를 높여 자식 노드를 재귀적으로 분할하면서 상세도를 조절되게 구성함을 특징으로 하는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템.
3. 위성 촬영 및 항공 측량을 통해 수집된 지형 DEM 데이터의 특성상 발생되는 기하학적인 왜곡현상을 보정하여 지도 좌표와 동일하게 좌표 보정하는 제1단계;

   상기 DEM 데이터를 동일한 형태의 파일로 변환하여 일정 크기로 조절된 동일한 지역의 단계별 DEM 파일을 생성하여 전처리과정을 거치는 제2단계;

   상기 전처리된 DEM 데이터를 피라미드 형태의 단계별 계층구조로 이루어진 지형 및 영상 메쉬 데이터 형태로 변환하여 좌표상 동일한 메쉬 지역에 해당하는 지형 데이터와 영상 데이터를 별도로 데이터베이스화 하는 제3단계;

   상기 계층적 구조의 지형 및 영상 메쉬 데이터는 각각의 피라미드 깊이와 가로 세로 픽셀 수에 대한 정보를 인덱싱하여 데이터베이스화 하는 제4단계;

   상기 데이터베이스로 구축된 지형 및 영상 메쉬 데이터는 데이터 로딩수단에 의해 사용자 시점에 해당하는 지형 데이터의 최상위 트리정보를 로딩하는 제5단계;

   상기 지형 최상위 노드 구조가 로딩되면, 레벨 설정수단에 의해 사용자 시점을 기준으로 렌더링 레벨을 설정하여 렌더링을 위한 데이터의 조밀도를 준비하는 제6단계;

   상기 사용자 시점에 따른 렌더링 레벨이 설정되면, 인덱스 파일에 해당하는 지형 및 영상 메쉬 데이터를 데이터베이스 저장수단으로부터 추출하여 디스플레이 하고, 시점 조절수단을 통해 카메라 이동 위치에 따라 사용자 시점 조절이 수행되는 제7단계;

   상기 지형 및 영상 메쉬 데이터가 출력되면, 렌더링 수행수단을 통해 해당 노드의 메쉬를 조밀도에 따라 렌더링을 수행하면서 사용자 시점 이동에 따라 시야에서 벗어나거나 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상인 지형 및 영상 메쉬는 메모리에서 제거하여 메모리의 사용량의 변화없이 3차원 지형 데이터를 실시간으로 가시화하는 제8단계;로 이루어짐을 특징으로 하는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제4단계의 인덱싱된 파일에는 지형 및 영상 메쉬 데이터의 파일 위치와 크기 정보 및 피라미드 구조가 색인되어 지형 및 영상 메쉬 데이터의 요청시, 해당 데이터의 접근성이 용이하게 함을 특징으로 하는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 제6단계는 로딩된 지형 최상위 트리 노드를 기본적으로 부모 노드로 설정하는 제6-1단계;

   사용자 시점에 따른 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 이상이면, 사용자 시점에서 멀어진 것으로 판단하여 메모리에서 제거하는 제6-2단계;

   상기 자식 노드의 렌더링 레벨이 기준 레벨 미만이면, 부모 노드를 상속하여 자식 노드가 생성되어 사용자 시점 이동에 따른 렌더링 레벨이 설정되는 제6-3단계;로 이루어짐을 특징으로 하는 3차원 지형 영상 실시간 가시화 방법.

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