건설환경연구소논문집 ( 제 6 권제 2 호 ), pp.67~74 2011 年 12 月 31 日 67 Google Sketchup 을이용한건물 3D 모델링의정확도시뮬레이션 The Accuracy Simulation of 3D Building Modeling Using Google Sketchup 박하진 * 김기홍 ** Park, Ha-Jin * Kim, Gi-Hong ** ABSTRACT Recently 3D models have been constructed in various fields and numerous related studies are in progress. Such device as terrestrial laser scanner can acquire high accuracy data for 3D modeling while it is expensive and inconvenient for field work and its software is too technical to general users. Google Sketchup, which uses only a digital image for performing 3D modeling, is easy to use and widely being used. But only an image is not enough for accurate 3D coordinates. This paper verifies the positional accuracy of Google Sketchup's 3D model through comparing a 3D model of a building from Google Sketchup and its actual measurement values. Six parts of the building were measured. The result shows that Google Sketchup can perform 3D building modeling with maximum error of 50cm. Keywords : google sketchup, auto CAD, digital camera, 3D modeling 요약최근들어다양한분야에서 3차원모델이구축되었고이와관련된많은연구가진행되고있다. 지상레이저스캐너와같은장비를이용하면 3차원모델링을위한매우정확한데이터의취득이가능하나, 현장작업이불편하고장비가고가이며소프트웨어가전문적이라일반사용자가활용하는데는한계가있다. 현장에서촬영한디지털영상을이용하는 Google Sketchup 은사용법이간단하여최근건물에대한 3D 모델을구축하는데있어서활용성이커지고있다. 그러나사진만을이용하기때문에정확한 3차원좌표를얻는데는다소문제가있다. 본연구에서는 Google Sketchup 을이용한건물의 3D 모델링을수행하고건물형상에대해실측길이와비교함으로서위치정확도를검증하였다. 총 6개의부재에대해검증한결과, 최대오차 50cm 이내의정확도로건물모델링이가능한것을알수있었다. 핵심용어 : google sketchup, 오토캐드, 디지털카메라, 3D 모델링 9) 1. 서론 지난수십년간다양한분야에서자연적인 * 강릉원주대학교토목공학과석사과정 ** 강릉원주대학교토목공학과교수, 교신저자 대상물뿐만아니라인공적인대상물에대한 3 차원위치데이터취득에대한요구가증가되어왔으며이러한역할수행하기위해사진측량이많이활용되었다. 디지털사진기와컴퓨터를이용한디지털사진측량기술이발전하면서보다쉽게사용자들이활용할수있게발
68 건설환경연구소논문집 ( 제 6 권제 2 호 ), pp.67~74 2011 年 12 月 31 日 전되어왔으나아직까지도사진측량은전문적인지식과숙련된기술과경험이있어야성과가유용하였다. 전통적으로사진측량은대상물의재현에있어주로의지하는기술이었다. 1) 지상라이다 (LiDAR) 는사진측량보다매우정확한 3차원측량성과를제공하며작업설계자는많은측점군을시각화하고처리함으로써실세계를표현할수있다. 또한지상라이다는레이저빔을현장이나대상물에발사하여수백만점의 3차원좌표 (X, Y, Z) 측정값들을추출할수있으며전문화된소프트웨어나 Auto CAD 등과같은일반적인소프트웨어에서그성과를활용할수있다. 국내의경우활용사례를살펴보면, 건물모델링, 구조물이나철근보의변위계측및안전성모니터링, 암반사면과댐체의특성및안정성평가에활용되고있으며문화재복원, 안전진단및정밀실측등의문화재관리, 또골프장및건설공사등의설계에사용되고있다. 그러나지상라이다는장비가억대가넘는고가이며작업시간이소요되고장비의이동과조작에번거로움이있다. 또한자료처리에전문적인소프트웨어와지식이필요하다. 본연구는기숙사건물을연구대상으로디지털카메라를이용하여영상을취득하였고각각의취득한데이터를이용하여 Google Sketchup 및 Auto CAD 를이용해 3차원모델링을실시하였다. 또한검증을위해무타겟토탈스테이션을이용하여현장에서측량성과를취득하고좌표를관측하였다. 이를통하여실측거리와모델링결과의정밀도를비교하였다. 주변장애물과측량에오차범위를줄이기위하여부지가넓은기숙사건물을연구대상으로선정하였으며연구대상은 12층정도의건물로바닥면은 20m 9m과 25m 12m의두부분으로되어있다. 그림 1과 2는대상건물의정면화후면모습을보여준다. 그림 1. 건물정면 2. 연구방법 2.1 연구대상 그림 2. 건물후면
Google Sketchup 을이용한건물 3D 모델링의정확도시뮬레이션 69 2.2 토탈스테이션을이용한측량검증을위한건물형상의정확한 3차원좌표를취득하기위해기숙사건물을무타겟토탈스테이션을이용하여측량하였다. 일반적으로거리는전자파거리측정기로, 각은트랜싯 (Transit) 으로측정하여왔으나, 최근에토탈스테이션으로거리와각을동시에관측할수있으며좌표취득및제도에까지일괄하여처리할수있다 2). 본연구에서사용한무타겟토탈스테이션은반사경을이용할수없는경우에도대상물까지의거리를관측할수있는장비로서펄스레이저를사용하는 TOF(Time Of Flight) 측정법과위상변이 (Phase Shift) 측정법을이용한다. Time of Flight(TOF) 기법은시간정보를정확하게측정하여거리를계산한다. EDM은망원경을통하여타겟으로전송되는적외선또는광펄스를생성하고, 이러한펄스는타겟으로반사되어각광펄스의왕복시간이전자적으로결정되는기계로돌아온다. 매질을통한빛의속도가정확하게측정되기때문에왕복시간을측정하여기계와타겟간의거리를계산할수있다. 각펄스는직접적인거리관측으로서측정이이루어지는동안초단위로수천, 수만개의펄스가보내어진다면비교적빠르게양호한결과의값을취득할수있다. 일반적으로무타겟측정모드에서는매초 20,000개의펄스화된레이저측정이이루어진다. 그리고이것은정확한거리측정값으로산정될수있다. 3) 위상변이 (Phase Shift) 측정법은관측신호를연속되는반송파신호에변조 (modulation) 시켜발사하는방법으로 EDM의반송파가광파장인것을제외하고는라디오방송을변조시 키는것과같은원리이다. 기계로부터발사된신호가타겟에반사되어돌아올경우발사된신호와수신된신호간의위상오프셋 (constant phase shift) 을측정한다. 4) 본연구에서사용한무타겟토탈스테이션은그림 3과같으며 TOF 측정방식으로측정거리 1,200m 까지가능한기기이다. 12,000점의측정데이터와 24,000점의측량데이터가저장가능하며단거리, 즉 1km 이하에서 4mm - 5mm 정도의오차를보인다. 측정방식 정 도 무타겟거리장거리무타겟정밀 / 트래킹 / 코스 각도측정 그림 3. 무타겟토탈스테이션 표 1. 관측장비제원 프리즘모드 무타겟모드 장거리모드 TOF ±(2mm + 2pm) m.s.e 1.5 ~ 25m : +(10mm) / 25m이상 : ±(5mm) ±(10mm + 10ppm) m.s.e 1.5 ~ 250m 5 ~ 1200m 1.2/ 0.4/ 0.7 sec 최소독취치 1 / 5 정도 2 틸팅센서양면 : 2축 / 단축 : 1축
70 건설환경연구소논문집 ( 제 6 권제 2 호 ), pp.67~74 2011 年 12 月 31 日 2.3 Google Sketchup 구글스케치업 (Google SketchUp) 은 3D 모델링기술에독자적인기술을가진 Last Software 에서만든소프트웨어로 Google 이인수하면서 Google Earth 와호환이가능해진 3D 모델링도구이다. 전문가가아닌일반사용자가쉽게 3D 모델을만들수있으며, Google Earth 에서 3D 모델로구현하고싶은지역의좌표와지표, 지표의굴곡등을가져옴으로써현재모습에가장가까운모습을그려볼수있는기능을제공한다. 5) 또한건축, 인테리어, 조경외에도프레젠테이션용 3D 그림들을그리는데도사용이가능하기때문에다양한용도로활용이가능하며간단한튜토리얼을통해비교적사용자가쉽게프로그램을사용할수있으며만들어진데이터는평면이미지 (2D 도면혹은 JPG, GIF, TIF같은 Bitmap 이미지 ) 뿐만아니라 3차원형태 (DWG, DXF, 3DS) 로변환할수있다. 그리고완성된 3D Model 은 Google Earth 와호환이가능하여지도상에 3D 형태로나타내고표현할수있다. 물의테두리를나타내는부분위주로취득을하였고건물의외형을가장잘표현할수있는몇개의대표점을선정하여 3차원모델링을하였다. 대표점은정면의 20 포인트후면의 18 포인트를사용하여그림 4와 5처럼 Auto CAD 에표현하였다. 표 2. 건물정면측량성과 번호 N E Z 1 475782.589 364880.764 88.671 2 475782.55 364880.766 65.635 3 475778.011 364884.944 88.655 : : : : 244 475776.729 364910.369 83.515 245 475776.732 364910.371 84.818 표 3. 건물후면측량성과 번호 N E Z 1 475789.371 364907.359 75.392 2 475785.645 364903.172 75.272 3 475789.163 364905.459 75.472 : : : : 67 475784.823 364911.459 70.194 68 475784.823 364911.458 73.468 3. 건물 3D 모델구축 3.1 Auto CAD 이용한 3D 모델구축 무타겟토탈스테이션을이용하여건물을측량하였다. 정면에서 245포인트와후면에서 68 포인트를취득하였으며절대좌표로표현하기위해 GPS를통해기준점을사용하였으며취득한좌표는 GRS 80 타원체를사용했으며 TM 좌표계의중부원점을기준으로아래의좌표를취득하였고측점데이터의예는표 2, 3 과같다. 취득한데이터는기둥및창문등건 그림 4. 평면도그림 5. 측면도 3.2 Google Sketchup를이용한 3D 구축 Google Sketchup의 Photo Match 기능을사용하여현장에서촬영한그림 6과같은기숙사건물의사진 2장을모델링하였다. 먼저정
Google Sketchup 을이용한건물 3D 모델링의정확도시뮬레이션 71 면을촬영한영상을불러오면 3개의선이나타나게되는데하늘을가리키는파란색선과소실점을표시하는녹색과적색선이표시된다. 격자형태로망점이생성되며이는사용자가지정한간격대로표시된다. 모델링을하기위해가장먼저원점의위치를지정해주어야하는데원점은 2장의사진이모두포함하고있는부분을선택하여작업을진행한다. 녹색조절점과적색점을대상물의모서리및직선상에수평하게일치시켜그림 7과같은 3차원형태의구성을시작하게된다. 하늘을가리키는파란색선과소실점을나타내는녹색, 적색선이고정된상태에서 Line 기능을이용하여기준점을지정하고기준점과연결된수직점을클릭한다. 건물의면부분을따라서이와같은작업을실시하고그면을이용하여그림 8과같이볼륨감을삽입한다. 그림 8. 입체모델링볼륨감을준대상물에그림 9과같은사진투영기능을이용하여본래의건축물의모습과일치하도록하였으며기숙사건물의창문및베란다부분은투영된사진위에 Line 기능을이용하여표현하였다. 촬영하지못한지붕은모델링을하는데있어제약사항으로작용하였으며사진투영을마친상태에서무타겟토탈스테이션을이용한모델링과비교하기위해 3D Model 기능을이용하여그림 10과 11처럼 DXF파일로변환하였다. 완성된도면은상대좌표로모델링되어실제건물의길이와는많은차이를보인다. 이에건물의실측거리와 Sketchup 상의거리를비교하여축척을구하고도면에적용하여야한다. 그림 6. 연구대상건물 그림 7. 3 차원구성 그림 9. 사진투영모델링
72 건설환경연구소논문집 ( 제 6 권제 2 호 ), pp.67~74 2011 年 12 月 31 日 그림 10. 모델링정면 그림 11. 모델링뒷면 축척을구하기위해 6개의부재를선택하였다. 부재는건물의수평및수직거리를측정하여부재의실측거리와 Sketchup 상에서구한거리를이용하여축척을구하였으며축척산정에쓰인각부재는그림 12-14에표현하였다. 구해진축척은표 4와같이 1/4.36-1/4.52 의분포를보였다. Sketchup 상에서모델링된건물의축척보정을위해 6개부재의축척을평균한 1/4.41의축척을이용하였다. 수평축과수직축에서축척이차이가있는지확인하기위해수평축부재와수직축부재에대하여각각의축척을분석한결과축에따른축척차이는없는것으로판단되었다. 최종적으로연구대상건물정면과뒷면의영상을통해 Google Sketchup 으로 3차원모델링한결과에축척을보정하여 DXF파일로제작하였으며무타겟토탈스테이션으로관측한 3차원데이터를실측거리로보고비교하고정확도검증을실시하였다. 그림 13. 축척보정을위한부재 (2) 그림 14. 축척보정을위한부재 (3) 무타겟토탈스테이션으로관측한실측거리와 Sketchup 으로모델링된거리에대해오차를구한결과표 5와같은결과를얻을수있었다. 평균제곱근오차는 0.34m이며최대 0.50m의오차가발생할수있다는것을확인할수있었다. 표 4. 건물부재에따른축척 그림 12. 축척보정을위한부재 (1) 부재 실측거리 (m) Sketchup(m) 축척 비고 1 37.61 8.44 1/4.46 수직축 2 32.62 7.48 1/4.36 수직축 3 21.27 4.71 1/4.52 수평축 4 10.54 2.48 1/4.25 수평축 5 9.49 2.14 1/4.43 수평축 6 8.99 2.03 1/4.43 수평축
Google Sketchup 을이용한건물 3D 모델링의정확도시뮬레이션 73 표 5. 실측거리와부재의오차 부재 실측거리 (m) 축척보정된거리 (m) 오차 (m) 1 37.61 37.22 0.39 2 32.62 32.99-0.37 3 21.27 20.77 0.50 4 10.54 10.94-0.40 5 9.49 9.44 0.05 6 8.99 8.95 0.02 4. 결론 본연구에서는디지털카메라로촬영한 2장의연구대상사진을 Google Sketchup 의 Photo Match 기능을이용해촬영한영상을불러와 3 차원모델링을하였다. 모델링에앞서하늘을가리키는파란색선과소실점을표시하는녹색과적색선이표시되는데이는모델링을하기위한원점의위치및 X, Y의좌표축을나타내게된다. 본작업에서원점및좌표축지정이어긋나거나잘못될경우정확한모델링및사진과의매칭이되지않아모델링을하는데중요한요소로판단된다. 가장먼저원점은 2장의사진이모두포함하고있는부분을선택하여작업을진행하고녹색조절점과적색점을대상물의모서리및직선상에수평하게위치하도록한다. 하늘을가리키는파란색선과소실점을나타내는녹색, 적색선이고정 된상태에서 Line 기능을이용하여기준점을지정하고기준점과연결된수직점을이용하여건물의면부분을그리고면을생성하여두께를표현하여모델링을한다. 모델링한후사진투영기능을이용해 3D로표현하였으며오토캐드의 DXF 파일로생성하였다. Sketchup 의 3D 모델링결과는사진을이용하여단순히사용자가형상만을표현하는것으로실제축척과는일치하지않는상대좌표로표현된다. 따라서적어도한개이상의 실측거리와비교하여축척을구해야하며이를캐드상에서보정하면실제축척에맞는 3 차원모델을생성할수있다. 축척보정된 3차원좌표에대하여무타겟토탈스테이션으로측량한결과와비교하여그위치정확도를비교검증하였다. 정확도를분석한결과실측거리와의평균제곱근오차는 0.34m로나타났으며최대오차는 0.50m였다. 또한수평축과수직축에따른차이는없는것으로확인되었다. 따라서건물에대한정밀한 3D 데이터는지상라이다같은장비를이용해구축해야그러나, 높은정확도가필요하지않다면디지털카메라와 Google Sketchup을이용하여정형화된모양의건물은비교적간편하고효율적으로 3D 데이터구축이가능한것으로사료된다. 감사의글본논문은국토해양부첨단도시개발 - 지능형국토정보기술혁신사업과제의연구비지원 (07국토정보C04) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 1) 한승희, 이진덕, " 건물의일반화및지상 LiDAR측량을이용한 3D 모델링 ", 대한토목학회정기학술대회 CIVIL EXPO, 2007, pp.48 6~489. 2) 이인수, 이기부, 박운용, RTK GPS측량과토탈스테이션에의한교내평면도제작, 한국지형공간정보학회지, 제10권제4호, 2002, pp.69~76. 3) Hoglund, R. & Large, R, "Direct Reflex EDM Technology for The Surveyor and Civil Engineer", Trimble Survey, Westminster, Colorado, USA, 2005, pp.2~4.
74 건설환경연구소논문집 ( 제 6 권제 2 호 ), pp.67~74 2011 年 12 月 31 日 4) 이종출, 김희규, 최철웅, 노태호, " 교량변위측정을위한무프리즘토탈스테이션적용 ", 대한토목학회정기학술대회, 2006, pp.4626~4629. 5) 이미지, 임완수, 고준환, 최윤수, Google Earth와 Sketch Up을이용하여지역개발과정에서 Public Participation을가능하게하는 Web Portal Site의발전모델연구, 한국GIS 학회춘계학술대회논문집, 2007, pp.430~435. 6) 이미지, "Google Earth를이용한 3D 홍수지도모델개발 ", 서울시립대학교, 석사학위논문, 2008, pp.9~11. 7) 박경식, 이현직, 함창학, " 시설물측량에서의무프리즘토털스테이션활용성연구 ", 한국측량학회지, 제21권제2호, 2003, pp.155~164. 접수일 (2011 년 10월 14일 ) 심사종료일 (2011 년 11월 09일 ) 게재확정일 (2011 년 12월 07일 ) 3인익명심사필