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1 한국측량학회지, 제 26 권제 6 호, pp. 599~609(2008 년 12 월 31 일 ) 무안경식입체모니터를이용한지형공간데이터의디스플레이기법 Geospatial Data Display Technique for Non-Glasses Stereoscopic Monitor 이선근 1) 이동천 2) Lee, Seun Geun Lee, Dong Cheon Abstract Development of computer and electronic technology leads innovative progress in spatial informatics and successful commercialization. Geospatial information technology plays an important role in decision making in various applications. However, information display media are two-dimensional plane that limits visual perception. Understanding human visual processing mechanism to percept stereo vision makes possible to implement three-dimensional stereo image display. This paper proposes on-the-fly stereo image generation methods that are involved with various exterior and camera parameters including exposure station, viewing direction, image size, overlap and focal length. Collinearity equations and parameters related with stereo viewing conditions were solved to generate realisitc stereo imagery. In addition stereo flying simulation scenery was generated with different viewing locations and directions. The stereo viewing is based on the parallax principle of two veiwing locations. This study implemented anaglyphic stereogram, polarization and lenticular stereo display methods. Existing display technology has limitation to provide visual information of three-dimensional and dynamic nature of the real world because the 3D spatial information is projected into 2D plane. Therefore, stereo display methods developed in this study improves geospatial information and applications of GIS by realistic stereo visualization. Keywords : 3D geospatial data, Auto stereoscopic monitor, Stereo visualization 초 록 전자및디스플레이기술의진보에따라공간정보분야는급속히발전되고있으며, 다양한공간정보콘텐츠의 3 차원입체화가기술이상용화되고있다. 공간정보기술은여러분야에서의사결정에중요한역할을하고있지만, 3 차원데이터및결과물은 2 차원평면상에서시각화되고있다. 그러나실세계공간에존재하는지형지물등다양한 3 차원객체들을 2 차원평면에서시각화한결과를기반으로의사결정에활용하는것은한계가있다. 그러므로본연구에서는 3 차원의객체를실감적이고입체적으로디스플레이하기위하여가상의 3 차원공간좌표계를형성하였다. 입체디스플레이를위한공간좌표계상에서관측자의위치, 방향, 영상의크기및중복도, 축척등을동적으로설정할수있도록공선조건식을적용하여관측자의동적인시점을고려하여신속하게입체영상을생성하고디스플레이할수있는방법을개발하였다. 생성된 3 차원대상물의회전, 이동및축척변화에대응되는다양한관측자시점에서실시간입체영상을생성하였으며, 또한 flying-trough 및 walking-trough 를시뮬레이션할수있는입체동영상제작알고리즘을구현하였다. 3 차원대상물을입체로디스플레이하기위해서는양안시차의원리에의해대상물을좌안및좌측영상으로분리하고무안경식, 편광식, 여색방식등의입체시기법을적용하여동시에디스플레이하여야한다. 본연구는입체모니터상에서실감적입체디스플레이기법을구현하여실세계에존재하는 3 차원대상물을효율적이고실감적으로생성하므로써지형공간데이터의입체시각화를향상시킬수있다. 특히차세대모니터인무안경식입체모니터에디스플레이할수있는지형공간데이터의입체콘텐츠제작방법을개발하여무안경식모니터의 GIS 분야에서의활용가능성을연구하는데목적이있다. 핵심어 : 3 차원공간데이터, 자동입체모니터, 3 차원시각화 1) 세종대학교대학원지구정보공학과박사과정 ( sglee@sju.ac.kr) 2) 교신저자 정회원 세종대학교대학원지구정보공학과교수 ( dclee@sejong.ac.kr)

2 1. 서론 GIS분야에서활용되는컴퓨터테크놀로지로서영상은 2차원혹은 3차원으로표현하지만대부분의영상을포함하는모니터, 스크린, TV 등의정보전달매체는 2차원평면에표현되고있다. 3차원그래픽데이터의구조는 3차원의구조를가지고있다고하여도 2차원의공간에서다루어지므로평면화면에구현하는것에지나지않는다. 실제투영된것은 2차원으로실제적으로사람이인지하기에는 2차원으로인지하는한계를지니고있다. 현대의기술에의해우리가입체를지각하는방법을인간공학적입장에서파악하게되면 3차원의입체로구현가능할뿐만아니라 3차원입체동영상의구현도가능하게된다. 이러한기반이구축되면컴퓨터라는수단을이용해우리의눈이지각하는방법과같이 3차원정보를가지면서실제공간에대한가상현실구현이가능한것이다. 이러한지형공간정보에서이점을갖는컴퓨터그래픽은 3차원으로구축하였음에도불구하고일반적으로 2차원의화면에디스플레이된다. 입체시각원리에의해서두개의영상이나객체를영상면에투영해서왼쪽영상은왼쪽눈에서보이게하고오른쪽영상은오른쪽눈에서만보이도록좌우영상을분리하여 3차원객체를입체감을획득하게된다 ( 손태진, 2004). 입체시각을구현하여 3차원위치정보를획득하기위한원리는기계식및해석식도화기와수치도화기 (DPW) 에서이미오래전부터적용되어왔다. 본연구는 3차원지형공간데이터를입체적으로시각화하는것을목적으로하며, 이를위하여 3차원좌표값으로이루어진지형공간데이터를영상이촬영되는기하학적조건인공선조건식을적용하여입체영상을생성하였다. 생성된입체영상은다양한입체시각화기법을이용하여실감적으로디스플레이하는기법을제시하였다. 관측자시점, 즉관측위치와방향이변함에따라실시간으로입체영상을효율적으로생성하는방법을개발하였으며, 현재까지개발된입체시각화방법인여색입체시, 편광입체시및무안경입체시에적용하였다. 일반적으로대상물의입체시를위해서는좌측영상과우측영상을획득하여야하며이를위해서다른위치또는방향에서촬영하여시차가발생된입체사진을이용하여야한다. 그러므로다양한관측시점및관측방향에대하여모든입체영상을획득하는것은한계가있으며, 대용량저장매체가필요하다. 또한관측시점을변경하거나 대상물을이동, 회전, 축소및확대할경우영상에왜곡이발생하는문제점이있다. 그러므로본연구는기존의입체시각화방법의한계를극복하고 GIS의주요데이터인 3차원수치지도의효과적인입체시각화및디스플레이를위하여관측시점과방향을결정하기위한구면좌표계를설정하고구면좌표와지상직교좌표계사이의변환을통하여동적으로관측시점을실시간으로결정하여다양한입체디스플레이모니터에적용함으로써기존의 2.5D 로표현되는공간정보를완전한입체시각화하였다. 본연구에서개발한방법은다양한분야에활용이가능하며특히지형공간정보, GIS 및실감적 3차원디스플레이가요구되는응용분야에핵심기술이될것이다. 입체영상에대한기술과활용은사진측량학이그시초이며 3차원공간데이터를원천적으로수집하고다양한분야에서활용할수있도록가공처리하는기술을기반으로하고있다. 그동안입체시각화를위한기법은기술의진보에따라광학식입체측정시스템인기계식및해석식도화기, 전자식입체디지털시스템인 DPW 등에서다양한방법이개발되었다. 최근에는세계적으로차세대모니터인무안경식입체모니터의개발이본격적으로진행됨에따라향후입체시가요구되는시스템에서는무안경식입체모니터의사용이예측되며, 이를위하여차세대모니터를기존의시스템에적용할수있는기반디스플레이기술및콘텐츠생성기술개발이시급한실정이다. 이에본연구는다양한입체디스플레이기술과지형공간정보의기반이되는 3차원수치지도데이터의입체시각화알고리즘을개발하고차세대입체모니터에적용할수있는소프트웨어를구현하였다. 2. 국내외차세대입체디스플레이기술 21세기의세계적인 10대핵심기술및상품목록중에는차세대무안경식입체디스플레이모니터가선정되었으며, 국내의주요디스플레이기업에서도신기술개발과상용화계획을발표한바있다. 원래의계획에의하면 2000년도중반경에는차세대입체모니터상용화에성공하여야하는데, 여러가지여건상시제품수준에머물러있는실정이다. 일본및유럽등선진외국의경우에는이미상용화에성공하여여러제품들이출시되고있으며, 다양한입체콘텐츠제작기술개발에중점을두고있으며, 여러활용분야중에서 GIS 및지형공간정보분야

3 에서의입체디스플레이콘텐츠가점점활성화되고있다. 국내의입체디스플레이에관한연구로는, 윤창옥등 (2007) 은 3차원모델링도구에서양안의카메라를생성하고사용자가주시거리와주시각을조절하면서실시간으로입체감을확인할수있는입체영상제작시스템을제안하였다. 이적식 (2003) 은인간의시각체계에기반한교차시각스테레오카메라모델을사용하여교차시각에서획득한스테레오영상을고정점에대해서 4개의영역으로구분하고사분면형태의영역분할을인간의시각체계측면에서그타당성을연구하였다. 안진호등 (1995) 은안경을착용하지않는렌티큘라방식의 3차원영상디스플레이시스템을고안하였고, 입력된좌우영상을실시간으로분리하기위한디지털영상마스킹방법을제안하였다. 또한렌티큘라방식 3차원영상의입체시야각을확장시키기위한방법으로관찰자의위치를파악하여좌우영상을조정하는방식을사용하였다. 이남호등 (1996) 은안경식입체디스플레이의단점인특수안경착용의문제점을극복하기위하여 parallax barrier를이용한무안경식자동입체디스플레이에대한연구를수행하였다. 최근삼성, LG, 대우, 현대, KBS등대기업및연구소에서는멀티미디어산업의급속한발전에따라기존의 LCD 디스플레이기술이후의차세대첨단기술분야로서입체영상생성및디스플레이개발이진행되고있다. 2006년 KINTEX에서개최된한국전자전에출시된국내의무안경식입체모니터는파버나인사에서개발하여상품화한무안경식입체모니터인 17인치및 19인치 DIMEN, LG전자의 42인치입체모니터시제품및삼성전자의 17인치입체모니터시제품등이있다. 차세대디스플레이시장점유를위해각업체들의상품화기술개발은계속되고있다. 입체영상기술은 LCD와 PDP 등평면디스플레이의시장확대와함께차세대멀티미디어정보산업분야의핵심기술이되고있으며, 응용분야로서는개인용모니터, 게임기, 의료기, 산업계측기등이있으며, 현재여러연구기관및산업계에서입체영상기술에대한기초연구를수행하는단계이며, 향후입체모니터의세계적인시장확보와국제경쟁력강화를위하여독자적인원천및핵심기술의확보와상용화에많은연구와투자를하고있다. 국외의차세대입체모니터기술로는 Peterka 등 (2006) 은 35개의패널조각을이용하여경제적인 3차원자동입체품질을제공하는무안경식 parallax barrier 디스플레 이를설계및제작하였다. Shan 등 (2006) 은사진측량목적으로개발된수치도화기 (DPW) 에기존의편광입체모니터대신에무안경식입체모니터를사용하여항공영상을이용하여 3차원측정의정확도를평가하였으며, 실험결과 3차원좌표측정의정확도는기존의편광입체모니터와비교하여대략 75% 정확도수준임을발표하였다. 향후차세대입체모니터기술의발전이예상되고있으므로, 무안경식입체모니터를이용항 3차원측정의정확도가획기적으로향상될것으로기대하고있다. Sharp사는 parallax barrier 방식을적용하여무안경방식의입체시모니터를개발하였다. Sharp사가초기에개발한입체모니터는보급형저가무안경식입체모니터로서최초로상용화에성공한제품으로알려져있다. 그러나초기의모니터는입체관측시야각이좁으며, 관측위치에따라역입체시가발생하는단점이있다. 최근에는이를보완하고대형의입체모니터를개발하여본격적인양상체제에들어갔다. Philips사는 lenticular 방식을적용한다시점무안경식자동입체모니터 (Multi-view Autostereoscopic display monitor) 를개발하여입체관측시야각이획기적으로향상된상품화에성공하였다. 특히 Philips는 WOWvx 기술에기반한 3D 지적디스플레이기법 (Intelligent display solution) 을개발하여전세계적으로차세대입체모니터로각광을받고있다. Susami 등 (2005) 은눈의피로를절감시키기위해일본의 TAO (Telecommunication Advancement Organization) 가최근개발한초다안 (Super multi-view) 입체디스플레이방식과그실험연구결과를소개하였다. 그림 1은무안경식입체모니터의종류를보여주고있다. 3. 연구방법및범위본연구는대상물의좌측영상및우측영상을취득하여대상물을임의의방향에서바라본입체영상을실시간으로생성함에있어, 대상물의좌측영상및우측영상을취득하기위하여카메라및대상물의실물은필요없고단지대상물의공간좌표와가상의카메라 ( 보다정확하게는카메라의내부, 외부표정요소 ) 만이필요하고, 공선조건식에의해관측자의시선 ( 즉, 관측방향 ) 이동에따른대상물의좌우측영상이실시간으로제작되어입체영상이생성되고, 대상물의입체영상이보다정확하고신속하게생성될수있는실시간입체영상생성방법을연구함을목적

(a) DIMEN (b) LG (c) Sharp (d) SeeReal (e) DTI (f) Philips 그림 1.

본연구의실시간입체영상생성방법은대상물을임의의방향에서바라본입체영상을동적으로생성하기위해

좌표계변화단계에서가상의구표면위의임의위치에서구의중심을투영중심으로하여대상물의영상을취득하기위한관측시점의외부표정요소를실시간으로취득하며,

Z축회전단계에서카메라가구의수평방향 ( 즉, 구의 XY면 ) 으로이동한위치는대상물을

4 (a) DIMEN (b) LG (c) Sharp (d) SeeReal (e) DTI (f) Philips 그림 1. 무안경식차세대입체모니터의종류 으로한다. 본연구의실시간입체영상생성방법은대상물을임의의방향에서바라본입체영상을동적으로생성하기위해 3차원공간데이터를입력하여대상물의한점이가상의구중심에위치하는대상물 3차원공간좌표를취득하고, 좌표계변화단계에서가상의구표면위의임의위치에서구의중심을투영중심으로하여대상물의영상을취득하기위한관측시점의외부표정요소를실시간으로취득하며, 외부표정요소중카메라가구의수직방향 ( 즉, 구의 XZ면또는 YZ면 ) 으로이동한위치는관측자의위치좌표로부터취득된다. Z축회전단계에서카메라가구의수평방향 ( 즉, 구의 XY면 ) 으로이동한위치는대상물을 Z축으로회전시켜변경된대상물의공간좌표로취득하고중복도및수렴각단계에서구의수직방향으로이동한카메라의위치좌표를양안시차의원리에의해좌측좌표와우측좌표로분리하고수렴각을설정하여관측방향을결정한다. 좌측영상과우측영상생성단계에서공선조건식을적용하여좌 측영상과우측영상의화면좌표 (x,y) 를획득한다. 마지막으로무안경식입체디스플레이장치에출력하여입체효과를확인한다. 4. 실험방법 4.1 실험데이터및무안경식입체모니터공간정보데이터로부터 3차원객체를입체적으로디스플레이하기위하여, 항공사진으로부터입체도화한도화원도로부터생성한청주지역의 3차원수치지도데이터를사용하였다 ( 그림 2 참조 ). 본연구에서는 3차원입체효과의식별이명확한건물과지표면을대상으로하였다. 건물은도화원도의건물레이어로부터추출하였으며, 3 차원지표면데이터는등고선레이어로부터생성한수치지형모델 (DTM) 데이터이다. 무안경식디스플레이모니터는 Sharp사의 LL-151-3D 를이용하여실험하였다. Sharp사의입체디스플레이기술은그림 3과같이 TFT(Thin film transistor) LCD 패널

그림 2. 도화원도로부터생성된 3차원수치지도왼쪽눈오른쪽눈 TFT LCD 패널 Parallax barrier 배경빛 (a) 입체모니터의 parallax barrier (b) Interlaced 방식그림 3.

2 3차원영상과입체시대상물을현실에서실제로보는형상은 3차원이지만, 이대상물을 TV, 영화, 컴퓨터등을통해화면으로볼때는화면의평면성으로인해통상 2차원 ( 또는원근감이표현된 2.5차원 ) 이다. 그러나최근에는평면 (2D) 의화면을통해서도대상물을입체적 (3D) 으로보고자하는시도가적극적으로행해지고있다.

이와같이 2D 화면에서대상물을 3D로보기위해서는양안시차의원리에의해대상물을좌안으로관측한 2D의좌측영상과우안으로본 2D의우측영상을화면에동시에디스플레이하고무안경식 (Interlace), 편광입체방식 (Side-by-Side) 기법을통해관측자에게좌측영상은좌안으로우측영상은우안으로분리하여디스플레이하여입체시를제공한다. 4.

5 그림 2. 도화원도로부터생성된 3차원수치지도왼쪽눈오른쪽눈 TFT LCD 패널 Parallax barrier 배경빛 (a) 입체모니터의 parallax barrier (b) Interlaced 방식그림 3. Parallax barrier 입체모니터원리와디스플레이방식뒤에 parallax barrier 장치를설치하여입체영상을관측자의왼쪽및오른쪽눈에분리하여디스플레이하는 interlaced 입체시각원리를채택하고있다. Parallax barrier의현재기술은시야각범위및관측자위치에따른제한이있으며, 이를극복하기하여보다넓은시야각과다중시점에서입체시가가능한기술이개발되고있다 차원영상과입체시대상물을현실에서실제로보는형상은 3차원이지만, 이대상물을 TV, 영화, 컴퓨터등을통해화면으로볼때는화면의평면성으로인해통상 2차원 ( 또는원근감이표현된 2.5차원 ) 이다. 그러나최근에는평면 (2D) 의화면을통해서도대상물을입체적 (3D) 으로보고자하는시도가적극적으로행해지고있다. 일반적으로 3차원을표현하는입체영상은두눈을통한스테레오시각의원리에의존하는데, 두눈의시차즉, 약 65mm 정도떨어져존재하는두눈사이의간격에의한양안시차는입체감의가장중요한요인이라할수있다. 인간의좌우눈이각각서로연관된 2D 영상을볼경우에이들두영상이망막을통해뇌로전달되면뇌는이를서로융합하여본래 3차원영상의깊이감과실재감을재생하게된다. 이와같이 2D 화면에서대상물을 3D로보기위해서는양안시차의원리에의해대상물을좌안으로관측한 2D의좌측영상과우안으로본 2D의우측영상을화면에동시에디스플레이하고무안경식 (Interlace), 편광입체방식 (Side-by-Side) 기법을통해관측자에게좌측영상은좌안으로우측영상은우안으로분리하여디스플레이하여입체시를제공한다. 4.3 기존입체시기법대상물을관측자가원하는방향에서실시간으로바라본입체영상을생성하는방법에관한것으로, 대상물을모든방향에서본좌측영상및우측영상이필요하며, 대상물의좌측영상과우측영상을획득하는방법중의하나는일정거리로이격되어있는두개의카메라로대상물을직접모든방향에서촬영하는방법이다. 이방법은좌측영상및우측영상을획득하기는쉬우나, 대상물이실물로존재하고카메라가대상물을직접촬영해야하는번거로움이있고, 대상물을모든방향에서촬영한영상데이터를저장해야하므로대용량이필요하고, 관측자가시시각각으로관측방향을변경시에그에맞는좌우측영상을불러오기위해서는복잡한연산과정이필요하다 차원지형공간데이터의입체시각화공선조건식은한쌍의스테레오이미지를가지고입체영상을생성하는것에사용되어왔다. 3차원공간데이터를이용하여동적인입체영상을표현하기위해선공선조건식의외부표정요소인사진기의위치나촬영방향을동

그림 4. 3 차원지형공간데이터의입체시각화과정 결정한후좌측영상과우측영상을생성하여무안경식입체디스플레이모니터에디스플레이한다. 그림 5. 대상물을투영하기위한영상면과구면좌표계적으로계산하여표현해야만동적입체영상, 비행시뮬레이션등의입체영상이만들어진다.

6 그림 4. 3 차원지형공간데이터의입체시각화과정 결정한후좌측영상과우측영상을생성하여무안경식입체디스플레이모니터에디스플레이한다. 그림 5. 대상물을투영하기위한영상면과구면좌표계적으로계산하여표현해야만동적입체영상, 비행시뮬레이션등의입체영상이만들어진다. 외부표정요소를동적으로변경하기위해가상의구를설정하고구면좌표계의원점과지상좌표계의원점을일치시키고좌표계변환을통하여사진기의위치와촬영방향을결정한다. 또한, 구면좌표계를통하여회전, 수렴각등을쉽게결정할수있는시스템을구축한다. 그림 4의 3차원지형공간데이터의입체시각화과정은실세계의효과를반영하는입체영상을만들기위하여가상의구면을생성하고구면을따른촬영점위치, 회전, 영상크기, 중복도, 사진기초점거리, 수렴각등을이용하여공선조건식에대입되는좌우영상의외부표정요소를 4.5 좌표계변환과공선조건식좌표계변환 ( 구좌표계에서직교좌표계로의변환 ) 을통하여공선조건식의외부표정요소중카메라의위치 (x, y, z) 값을결정할수있다. 그림 5는대상물을촬영하는카메라를도시한것으로서, 그림 5에서보는바와같이대상물의어느한점은가상의구중심에위치하고, 카메라는반지름이 r인가상의구표면에위치한다. 수직방향으로이동한각도 와수평방향으로이동한각도 에임의의값을대입하여카메라의위치 (x, y, z) 를결정한다. 그러나공선조건식은세개의각으로회전각을결정하기때문에수직방향으로이동한각도 와수평방향으로이동한각도 가공선조건식외부표정요소중회전각 (X 축회전 ), (Y축회전 ), (Z축회전 ) 에대응되지않으므로수직방향으로이동한각도 만을이용하여좌표계변환을실행한다. 수평방향으로이동한각도 는대상물의회전을통해반영한다. 즉, 는임의로설정가능이가능하며, 는 0도로설정하여각을고정시킨다. 이와같이카메라가구의수직방향으로이동한위치만을카메라의촬영위치로하는것은공선조건식에의해대상물의좌측영상및우측영상의제작하는연산속도를높이기위한것이다. 이를보

7 다구체적으로설명하면, 식 (5) 와식 (6) 에서보는바와같이공선조건식에적용되는파리미터에는카메라의위치좌표 또는 와카메라의촬영각도 가필요하다. 여기서 는카메라가각각 X축, Y축, Z축으로회전한각도를나타내는것으로서카메라의촬영위치를나타내는각도 와관계는있지만같은값을갖지는않는다. 따라서카메라가구의수직방향과수평방향으로모두이동된위치를카메라의촬영위치좌표로사용하는경우에는카메라의촬영각도 는 로부터직접적으로구할수없고카메라의투영중심이구의중심을향한다는조건을부가시켜복잡한수식을통해구해진다. 그러나카메라가구의수직방향으로이동한위치만을카메라의촬영위치좌표로사용 ( 즉, =0) 하고, 카메라가구의수평방향으로이동한위치는대상물을회전시켜변경된공간좌표를사용하는경우에는카메라의촬영각도는 ( =, =0, =0) 이된다. 즉, 이때는카메라의촬영각도셋중하나는카메라가구표면에서수직으로이동한각도와같아지고나머지둘은 0도가됨으로카메라의촬영각도 를별도로구할필요가없다. 구의반지름 r은입체영상의축적을결정한다. 즉, 반지름 r이크면입체영상으로생성되는대상물은작게표현되고, 작으면대상물은크게표현된다. 반지름 r 은임의로설정하며실시간으로변경이가능하다. 그리고카메라는가상의구표면에서이동하여대상물을촬영하며, 그투영중심은구의중심을향한다. 카메라의모든촬영위치 (X, Y, Z) 는그림에서알수있듯이카메라가구의수직방향 ( 즉, 구의 XZ면또는 YZ면 ) 으로이동한각도 와카메라가구의수평방향 ( 즉, 구의 XY 면 ) 으로이동한각도 로표현가능하고, 카메라의촬영위치 (x, y, z) 를결정함에있어, 식 (1) 은카메라가구의표면을따라수직방향으로이동한수직관측위치를결정하는데사용된다 (Wang, 1990). Z Y ' ' ' ' P( x, y, z ) 그림 6. 대상물의회전 P( xyz,, ) 대상물의공간좌표를변경시켜간접적으로결정된다. 대상물의공간좌표회전은아래의식 (2) 에의해수행된다. (2) 여기서 (x, y, z) 는회전된후대상물의공간좌표이고, (x', y', z') 는회전되기전대상물의공간좌표이고, 는 Z 축으로의회전각도로서 =이다. 4.7 중복도에의한시차적용양안시차의원리에의해영상면이구의수직방향으로이동한위치좌표 (X, Y, Z) 를좌측좌표 와우측좌표 로분리한다. 양안시차원리는사람의좌우안이직선상에일정거리이격되어있고, 좌우안이보는영역중일부는중복 ( 공유 ) 된다는것을적용한것으로서, 카메라가구의수직방향으로이동한초기위치 (X, Y, Z) 에서카메라를좌우측으로일정거리이동시키는것으로서, 카메라의 X좌표가변한다. 좌우측으로각각이동된두카메라의간격 는아래의식 (3) 으로부터구해진다. X (1) (3) 4.6 대상물회전그림 5의입체영상면이구의수평방향으로이동한수평관측위치는그림 6의대상물을 Z축을축으로회전시켜 b는카메라가촬영하는대상물이포함된영역 ( 즉, 영상 ) 의한변의길이, f는카메라의초점거리, Z O 는카메라에서영상의바닥면까지의수직거리로서통상가상의구반지름 r에상응한다. 그리고 Z는영상의바닥면에서돌출

그림 7. 인간의입체시원리와수렴입체영상 O Y Z (X o, Y o, Z o ) L 좌측영상 O L Y (X,C,C ) (C X,C Y,C Z ) φ φ C X O R (X o, Y o, Z o ) R 우측영상 그림 8. 수렴각결정된대상물의최고높이이고, P는작업자 ( 관측자 ) 가임의로선택하는좌측영상과우측영상의중복도로서그값은 60~90% 인것이바람직하다.

8 그림 7. 인간의입체시원리와수렴입체영상 O Y Z (X o, Y o, Z o ) L 좌측영상 O L Y (X,C,C ) (C X,C Y,C Z ) φ φ C X O R (X o, Y o, Z o ) R 우측영상 그림 8. 수렴각결정된대상물의최고높이이고, P는작업자 ( 관측자 ) 가임의로선택하는좌측영상과우측영상의중복도로서그값은 60~90% 인것이바람직하다. 카메라가구의수직방향으로이동한초기위치좌표 (x, y, z) 와좌우측으로각각이동된두카메라의간격 로부터좌측좌표는 (X L, Y L, Z L)=(X- /2, Y, Z), 우측좌표는 (X R, Y R, Z R)=(X+ /2, Y, Z) 로결정된다. 물론, 좌측좌표는 (X L, Y L, Z L)=(X, Y, Z), 우측좌표는 (X R, Y R, Z R) =(X+, Y, Z) 로결정해도된다. 4.8 수렴각결정입체영상카메라의주요구성법은소실점이평행한평행식과소실점이수렴각을유지하며교차하는교차식이 있다. 평행식은가장기본적인형식이지만실제로는수렴영상에의한교차식을사용하면인간의입체시각원리에의하여입체효과가향상된다 ( 그림 7 참조 ). 그림 8의 (X O, Y O, Z O) 는카메라의위치를나타내며, 구의중심을지나는 X축에직각으로수선을내린 (X O, C Y, C Z) 방향을향하고있는카메라의촬영각에 만큼가감연산을하여중심을향하도록결정한다. 중심을향하는각 () 은식 (4) 를통해도출되었으며, 각 () 를식 (6) 의 Y축회전 () 각에대입하여교차식카메라를구현하였다. 식 (4) 를통해서얻어진결과는카메라의촬영각도 ( 시선방향 ) 가구의중심을향하도록설정된다. (4) 결과적으로장면이화면을기준으로밖으로나오는상이거나들어가는상이거나또는완전중복을이뤄서화면중앙에위치하는사진으로결정된다. 구의중심을향하는각 () 을고려한좌우수렴영상이교차되어대상지역의입체영상이화면을중심으로모니터의화면안으로들어가고밖으로돌출하는영상이모두표현되는입체영상이생성된다. 4.9 공선조건식에의한입체디스플레이앞에서설명한과정에의하여관측자의관측위치변화

9 (6) 그림 9. 공선조건식을적용한수렴입체영상의생성 에따른카메라의좌측좌표 (X L, Y L, Z L) 및우측좌표 (X R, Y R, Z R), 그리고대상물의변경된공간좌표 (X O, Y O, Z O) 를계산한후, 식 (5) 의공선조건식에적용하여수렴좌측영상과우측영상을제작한다 (Schenk, 1999; Wolf and Dewitt, 2000; Moffitt and Mikhail, 1980; Slama, 1980; Mikhail 등, 2001; McGlone, 2004; Atkinson, 2001). 그림 9는 3D 벡터데이터인지형공간데이터에공선조건식을적용하여수렴좌측영상과우측영상을생성하여최종적으로 3D 입체모니터에디스플레이한다. 전술한바와같이임의의관측위치에대하여구의표면에서수직방향으로이동한수직관측위치는카메라가각도 만큼회전한카메라의위치의좌표로구하고, 구의표면에서수평방향을이동한수평관측위치는대상물을 Z 축을축으로각도 (=-) 만큼회전시켜변경된대상물의공간좌표로구한다. 수렴각은중심을향하는각 () 로결정하므로, 식 (6) 의 에각각 (,, 0) 을적용하면식 (5) 와식 (6) 은식 (7) 과식 (8) 과같이단순해진다. (7) (5) 여기서, (i L, j L) 은좌측영상의픽셀이고, (i R, j R) 은우측영상의픽셀이다. 그리고 r 11~r 33 은카메라의촬영각도에관련된것으로서아래의식 (6) 과같다. 여기서, (8) 좌측영상및우측영상을생성하여입체디스플레이하기위해서는일반적으로 interlace 방식, side-by-side 방식, anaglyph 방식을적용하여대상물의입체영상을생성한다. 본연구에서적용한 interlace 방식은무안경방식으로,

좌측영상과우측영상을일정거리로이격시켜서좌우측영상간의거리를조절하면서디스플레이하는방식이며. 입체영상의생성과정, 즉 3차원공간좌표를갖는대상물의어느한점이가상의구중심에위치하도록대상물의공간좌표를변환시켜서대상물의좌측영상및우측영상을제작하고, 이들좌우측영상을일정거리이격시켜배치하거나겹치도록배치하는과정은컴퓨터상에서수행된다.

작업자가마우스를좌우로이동시키면그이동거리에비례하여수직관측위치를나타내는 의각도가변하여카메라의위치좌표가실시간으로연산되고, 작업자가마우스를모니터상에서이동하여상하로움직이면이동거리에비례하여수평관측위치를나타내는 의각도가변하여대상물의회전된공간좌표가실시간으로연산된다.

10 좌측영상과우측영상을일정거리로이격시켜서좌우측영상간의거리를조절하면서디스플레이하는방식이며. 입체영상의생성과정, 즉 3차원공간좌표를갖는대상물의어느한점이가상의구중심에위치하도록대상물의공간좌표를변환시켜서대상물의좌측영상및우측영상을제작하고, 이들좌우측영상을일정거리이격시켜배치하거나겹치도록배치하는과정은컴퓨터상에서수행된다. 구의반지름 r, 카메라의초점 f, 좌우측영상의중복도 P, 좌우측영상의한변의길이 b는작업자 ( 관측자 ) 가직접결정하여컴퓨터에입력시키고, 변수의성격을갖는대상물의관측위치를결정하는카메라가구의수직방향으로이동한수직관측위치 와, 카메라가구의수평방향으로이동한수평관측위치 는작업자가컴퓨터의모니터에서이동시키는마우스의이동거리에의해실시간으로연산된다. 작업자가마우스를좌우로이동시키면그이동거리에비례하여수직관측위치를나타내는 의각도가변하여카메라의위치좌표가실시간으로연산되고, 작업자가마우스를모니터상에서이동하여상하로움직이면이동거리에비례하여수평관측위치를나타내는 의각도가변하여대상물의회전된공간좌표가실시간으로연산된다. 마우스의이동방향에따라카메라의위치좌표와대상물의공간좌표가연산되면, 그와동시에대상물의좌측영상및우측영상이제작되고, 제작된좌측영상과우측영상은모니터에디스플레이되어대상물의입체영상이생성된다. (a) 입체디스플레이소프트웨어 (b) 무안경식모니터에디스플레이결과그림 10. 무안경식 interlace 방식의입체시결과 5. 결과 6. 결론 공선조건식은하나의입체영상을생성할수는있으나, 동적인표현의한계때문에좌표계변환을통해서반영된데이터를공선조건식에실시간반영함으로써동적인페이지생성이가능해진다. 3차원공간좌표 (X, Y, Z) 로생성된대상물을입체영상의회전및이동에따른관측자의다양한시점에서동적입체영상을생성하고, 또한이동하는시점및방향에따라입체 flying through 및 walk through 시뮬레이션을생성하였다. 그림 10은본연구를통하여개발한무안경식입체영상생성및디스플레이소프트웨어와 interlaced 방식의무안경식입체모니터에디스플레이한결과를보여주고있다. 기존의디스플레이기술은 3차원공간상에존재하는다양하고동적인현상과정보를 2.5D로평면상에서표현하므로정보의레벨과입체시각적효과가저하될수밖에없다. 따라서본연구는기존의입체시각화방법의한계를극복하고 GIS의주요데이터인 3차원수치지도의효과적인입체시각화및디스플레이를위하여관측시점과방향을결정하기위한구면좌표계를설정하고구면좌표와지상직교좌표계사이의변환을통하여동적으로관측시점을실시간으로결정하여무안경식입체디스플레이모니터에적용함으로써기존의 2.5D로표현되는공간정보를완전한입체시각화하였다. 이를위해관측하고자하는대상물의공간좌표만이필요하고, 대상물을임의의방향에서본좌우측영상은양안

11 시차의원리와공선조건식에의해실시간으로생성되므로관측자의시선이동에따른대상물의입체영상이생성된다. 관측자의관측방향즉, 입체영상의외부표정요소는입체시각화를위한가상의구좌표계에서수직으로이동한수직관측위치는카메라의위치좌표로구성되고, 가상의구표면에서수평방향으로이동한수평관측위치는카메라는이동되지않고대상물이회전되어변경된대상물의공간좌표로구성됨으로써, 좌우측영상이제작을위한연산속도가빨라지고입체영상의소실점이실제와다른방향에생기는것이방지된다. 그러나현재까지개발된무안경식입체모니터는기술적인한계로인하여완전한입체시는불가능하다. 관측자시점의위치에따라좌우영상이역전되는역입체시와관측자와화면간의거리, 대상물의거리등의변화에따라불완전한입체시가생성된다. 이러한문제를해결하기위하여선진국에서는차세대입체모니터기술에대한연구가진행되고있으며, 가까운장래에보다완벽한입체모니터가상용화될것으로기대하고있다. 향후 GIS 및사진측량분야에서다양한 3차원공간정보의실감적콘텐츠생성및디스플레이를위하여차세대입체모니터의역할이클것으로판단된다. 감사의글 본연구는서울시산학연협력사업 (10540) 의연구비지원으로수행되었으며, 이에깊은감사를드립니다. 참고문헌 손태진 (2004), 假想現實建築에서立體映像을이용한사이버공간구현에관한연구, 大韓建築學會論文集構造系, Vol. 20, No. 4, pp 안진호, 권용무, 이제호, 오봉환, 김상국, 박상희 (1995) 렌티큘라방식에의한실시간입체영상표시시스템설계, 1995 대한전자공학회학술대회논문집 ( 신호처리합동 ), Vol. 8, No. 1, pp 윤창옥, 윤태수, 이동훈 (2007), 3 차원모델링도구에서의대화식입체영상저작시스템, 한국콘텐츠학회, 한국콘텐츠학회 2007 춘계종합학술대회눈문집, Vol. 5, No. 1, pp 이남호, 박순용, 이용범, 이종민 (1996), 무안경식입체영상디스플레이연구, 대한전자공학회, 대한전자공학회학술대회논문집, Vol. 19, No. 1, pp 이적식 (2003), 인간시각체계에기초한교차시각스테레오영상의깊이추출, 한국통신학회논문지 02-2, Vol. 27, No. 4A, pp Atkinson, E. (2001), Close Range Photogrammetry and Machine Vision, Whittles Publishing, p McGlone, J. (2004), Manual of Photogrammetry Fifth Edition, the American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, p Mikhail, E., Bethel, J., and McGlone, J. (2001), Introduction to Modern Photogrammetry, John Wiley & Sone, p Moffitt, F., and Mikhail, E. (1980), Photogrammetry Third Edition, Harper & Row, p Peterka, T., Sandin, D., Ge, J., Girado, J., Kooima, R., Leigh, J., Johnson, A., Thiebaux, M., and DeFanti, T. (2006), Personal Barrier: Autostereoscopic virtual reality display for distributed scientific visualization, Future Generation Computer Systems, 22, pp Schenk, T., (1999), Digital Photogrammetry, Volume I, Terra Science, p Shan, J., Fu, C., Li, B., Bethel, J., Kretsch, J., and Mikhail, E. (2006), Principles and Evaluation of Autostereoscopic Photogrammetric Measurement, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol. 8, No. 4, pp Slama, C. (1980), Manual of Photogrammetry Fourth Edition, American Society of Photogrammetry, p Wang, Z. (1990), Principles of Photogrammetry with Remote Sensing, House of Surveying and Mapping, Beijing, p Wolf, P., and Dewitt, B. (2000), Elements of Photogrammetry with Applications in GIS 3rd edition, McGraw-Hill, p ( 접수일 , 심사일 , 심사완료일 )

14.이동천교수님수정

14.이동천교수님수정 28 6 2010 12 pp 547~554 3D Stereo Display of Spatial Data from Various Sensors 1) 2) 3) 4) Abstract Visualization requires for effective analysis of the spatial data collected by various sensors. The best