3D 그래픽엔진을利用한動的視覺構造分析에관한基礎硏究 Fundamental Study on Analysis of Dynamic Visual Structure by using 3D Graphic Engine 1) 김석태 * 전한종 ** Kim, Suk-Tae Jun, Han-Jong Abstract With the social industrialization, the necessity on a theory of a space analysis has been raised to objectively evaluate a space. Although the qualitative analysis on a space structure became a main stream at an early stage, the quantitative analysis such as a statistical method and a method by way of a graph theory began to be gradually highlighted in 1970s. In this regard, the graph theory is more highlighted with its intuitive simulation possible to be directly applied to a design process through a virtual model. However, under the current trend where a utilization of an architectural space is three-dimensional and the boundary between rooms is vague, the existing graph theories has, still, not overcome a plane analytic scope. In particular, a limitation to a type analyzing a fixed point of time has become a cause of encountering a theoretical and fundamental limitation. Based on theories of quantitative space analysis founded on the existing visual property, this study developed an analytic tool by using a 3 dimensional graphic engine as well as a realization of a space structure into 3 dimension and an analytic model in multiple points of view, compared it with a result of analysis by way of the existing theory, and verified the validity. In addition, by additionally proposing a directivity theory which supplemented the issue occurring since the existing theories did not recognize a target point and a visible angle, this study tried to present a new possibility in terms of a method of an analysis on space structure by using a graph. 키워드 : 공간구조분석, 시각적속성, 공간인지, 3D그래픽, 가상현실, 공간구문론 Keywords : Space Configuration Analysis, Visibility, Spatial Cognition, 3D Graphics, Virtual Reality, Space Syntax 1. 서론 1.1 연구의배경및필요성인간은건축환경속에살고있다. 건축공간은인간을보호하기위한쉘터로서그기능이시작되었으며, 기능적, 구조적, 미적요소들을충족시켜주면서, 인간은그환경으로부터자극받고지각하고교감하면서생활을영위하고있다. 이러한자극과지각은대부분시각에의존하고있으며, 시지각을토대로공간을인지하는데필요한정보를취득한다. 그러므로공간에대한평가는대부분시각적속성에기반하고있다. 공간에대한평가는그역사가그리길지는않지만과거에는건축전문가들에의한정성적평가가주류를이루어왔다. 그러나사회가다변화되고구성원간의관계가 * 인제대학교디자인학부 / 디자인연구소부교수, 공학박사 ** 한양대학교건축학부부교수, 건축학박사본연구는이논문은 2005년정부 ( 교육인적자원부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구임 (KRF-2007-327-G00030) 복잡해지면서객관적이며, 정량화된공간평가시스템이요구되게되었으며, 정량적분석기법의필요성은산업사회로접어들면서더욱절실해졌다. 이러한분석기법의개념적틀은 1970년대에들면서본격적으로제안되기시작하였다. 분석기법은크게통계이론과그래프이론으로대별될수있는데, 특히그래프이론은통계이론에비하여사전에예측이가능하고직관적인결과물을제시하기때문에최근들어상당히주목받는이론이되고있다. 그러나그래프이론에의한분석은공간요소의상관관계가복잡하여실질적인분석에한계가있는이론적인수준에머물러왔다. 이러한상황에서 70년대중반컴퓨터그래픽스기술이등장함에따라복잡한연산과시각화가가능해져이분야의연구가활기를띄기시작하였다. 그러나분석이론들은대부분평면을기준으로하는시각적속성의분석이주류를이루고있으며, 시점의설정이고정적이기때문에적용의폭이좁았다. 더욱이인간과사회의필요에의하여건축공간은갈수록복잡해지고, 층간구분이나공간내의시각적관계성이모호해지는등입체적공간구성의성향이두드러지는상황때문에기존의 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월 145
김석태 전한종 2차원분석이론은더욱더한계를드러낼수밖에없게되었다. 이러한상황에서 3차원분석이론의필요성이점점더강조되고있다. 1.2 연구의목적앞서기존의그래프이론이 2차원적이라는점과분석시점이고정적이라는두개의문제를지적하였다. 따라서 3차원으로의확장과분석의다시점화가연구의주요쟁점이된다. 본연구는시각적속성에기반한그래프분석이론들을토대로하여 3차원공간분석기법과그응용방안을제시한다는측면에서이러한기존의연구와흐름을같이한다. 또한 3차원그래픽엔진을이용한 3차원확장이론에대한연구를토대로하여더나아가동적시점 ( 이동시점 ) 에대한시뮬레이션이론을제안하는것까지를목적으로하고있다. 1.3 연구의방법및범위시각적속성과관련된그래프이론으로가장주류를이루고있는기존의 2차원분석이론인가시장이론과공간구문론, 가시성그래프이론을고찰하여분석매커니즘을파악한후이를바탕으로 3차원지표를설정하였다. 이지표들은 3차원적이고다시점적인관점에서설정하였으며, 가중치를적용한이론적보정지표로확장하여제안하였다. 이러한지표를분석하기위하여분석도구를제작하였다. 분석도구는게임엔진을이용하여모델을가상공간에구축하고모델을이루는폴리곤을분해하여시점으로부터의충돌판정을하는방법으로각노드간의시각적연결을판별하는방법을사용하였다 1). 분석어플리케이션의적용성을파악하기위하여매명 ( 埋名 ) 2) 의모델을설정하여기존의 2차원분석이론과비교하였다. 이를통해 3차원다시점분석이론의구현의효과를검토하였다. 2. 시각적그래프분석이론과 3 차원화 2.1 공간구문론 (space syntax) 국내에이미많이소개되고실험되고있는공간구문론은공간의가시성 (visibility) 과접근성 (accessbility) 이라는관계를이용하여사회학적관점에서공간의구조를분석 1) 게임엔진은 3차원공간구조분석프로그램의기본적틀을제공하고분석대상모델과분석메서드가 3차원가상공간을바탕으로동작하게하는효과적인개발환경을제공한다. 또한분석결과의 3차원프리젠테이션을쉽게구현할수있는다양한기능을가지고있다. 2) 이는유명건축작품을예시모델로삼았을때, 논문의논점이시각적구조와관계없이작품성이나의미론으로흐를수있고, 건축작품이다른무명의건축작품보다 3차원분석의효과가반드시높다고볼수없기때문에기존의분석이론과의차이점이나 3차원분석이론의우수성등의명확한관계성을파악하기용이한모델을제시하는것이낫다고판단하였기때문이다. 하는거시적인분석이론이다. 이이론은분석대상공간을단위공간으로분할하고각단위공간의연결방식에의하여동선통제의강도를결정한다. 이과정은공간조직연결도 (justed graph) 를이용하여분석되어질수있는데, 단위공간의분할은시각적으로연결되어있는공간을각각의단위공간 ( 노드 ) 로정의하고노드간의위상도를작성함으로서공간전체의구조와속성을파악해낸다. 공간구조의개념은개별공간이가지는개체적특성보다는공간조직전체로서의개념과공간상호간의위상학적 (topological) 관계성에의해서분석되어져야한다고주장하고이러한공간의위상학적관계성을포괄하는의미로공간구조 (spatial structure) 라는용어를사용한다. 3) 이러한위상관계를나타내는그래프를이용하여연결도 (connectivity), 통제도 (control value), 공간의총깊이 (total depth), 평균깊이 (mean depth), 상대적비대칭도 (relative asymmetry) 와실질적비대칭도 (real relative asymmetry: RRA), 통합도 (integration) 등의지표를산출해낼수있다. 특히통합도는공간구문론에서매우중요한의미를가지고있는데, 공간전체의구성에서각단위공간의통합관계를나타내는것으로서위상의중심적역할과주변공간에대한공간의이용도등을함축적으로나타내고있다. 2.2 가시성그래프이론공간구문론에의한공간분석에서의노드정의에큰영향을미친이론으로서베네딕트 (Benedikt) 에의해제안된가시장이론 (isovist field) 이있다. 이이론은공간의중심에서인지가가능한영역을하나의심리적단위공간으로정의하여각공간의공간적개방도와인접공간의예측력을가늠하기위한척도들을제공한다. 가시그래프 (Visual Graph Analysis, 이하 VGA) 이론은이러한가시장이론과공간구문론을결합한좀더구체적인공간분석이론으로서기존의공간구문론이하나의가시장내에놓인공간을단위공간으로하여파악하는벡터방식의해석방법을제시한반면에 VGA는단위공간을래스터방식의소자 ( 素子 ) 로세분화하여시각적속성에기반한공간의구조를분석해내는방법을사용한다. 그러므로공간구문론에비하여공간전체에대한예측력은다소떨어질수있지만단위공간에내부의세밀한속성분석이가능하다. VGA가공간구문론과가장크게차별되는점은볼록공간도 (convex space map) 나축선도 (axial map) 와같은비등차 ( 非等差 ) 단위를사용하는것이아닌배티가제안한 ISOVIST와같은등차 ( 等差 ) 의노드셀 (cell) 을사용한다는점이다. 이셀이 2차원매트릭스를이루고셀과셀간의시각적연결관계를이용하여지표를산출해낸다. 3) 김찬주, 동선연결성을고려한공간구성체계도연구, 대한건축학회논문집 ( 계획계 ), 제22권 3호, 2005.10, p.140 146 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월
3D 그래픽엔진을利用한動的視覺構造分析에관한基礎硏究 2.3 가시연결도의 3차원화본연구에서는선행연구에서제안된분석방법을 3차원으로확장하고, 동적개념 ( 다시점, 다차원 ) 을추가하여다음과같은지표를제시하고자한다. (1) 가시체적도이지표는베네틱트가 1979년에최초로가시장이론의개념적토대를마련하였을당시가시장의가시영역도는공간의중심에서보여질수있는차폐물의각꼭지점과그꼭지점과시점과의연장선에의해구성되는 2차원적폐곡선을의미하였다. 이후 2001년에배티 (batty) 는래스터 (2D Matrix) 분석으로가시장이론의분석을재해석하였다. 가시체적도는이러한래스터기반의분석방법을 3 차원으로확장한것이다그러므로이그래프는 3차원매트릭스를 3차원가상공간내에설치하고 3차원모델에의해차폐되고연결되는가시여부판정에의하여가시권을분석해내는것이다. 이를통해 2차원적으로파악해내지못한세세한부분의분석이가능하여질수있다 (1) 여기에서 는공간내에존재하는 3차원배열의모든점으로서개수 이고시각적접속이조건없이발생하므로빈도는항상 1이될것이다. (3) 유효레벨가시연결도 - :Effective level Visibility Frequency; 유효레벨 전체점순수가시연결빈도가공간의모든점에대한분석을하므로모든 Z축에존재하는모든점에대한분석도수행하게된다. 그러므로유도사인, 방범카메라, 보안등설치위치등을계획하는데참고지표로활용될수있다. 그러나이러한관찰행위는수직적으로도자유롭게이동이가능한경우에만가능한것이다. 공간의실제관찰은인간을중심으로이루어지므로인간과관련된가시영역분석은시점대상을모든점으로설정하는것이아닌인간의눈높이가존재하는특정레벨 (Z 값 ) 을대상으로했을때더욱유효한데이터를얻을수있을것이다. 본연구에서는인간이서있는자세에서평균눈높이로 1,600을설정하였다. 5) 유효레벨가시연결도는 (2) 식과같이정의될수있으며, 시점 은특정레벨에한정되어좌표군이 2차원매트릭스를이루기때문에판정개수 가된다. (2) 그림 1. 기존의벡터기반가시영역도 그림 2. 3 차원가시체적도의평면도 그림1과그림2는공간내에설치된창 (windows) 과문 (door) 에대하여기존의가시영역도와 3차원으로분석된가시체적도를비교한것이다. 그림2를보면 2차원분석은문과창의구분이되지않는반면 3차원분석은높이방향의변위에따른공간의가시영역을명확하고정밀하게파악해낼수있음을알수있다. (2) 순수가시연결도 -; Visibility Frequency; 전체점 전체점순수가시연결빈도는분석대상공간내의모든점에서모든점으로의시각적연결도를총합한값으로서공간내각지점의관찰용이성을파악할수있다. 그러므로이지표는공간내의모든점에서모든점을대상으로하는 VGA의가시성그래프 (visibility graph) 를 3차원으로확장한것과같다. 다시말해모든격자를 3차원의배열로할당하여배열에존재하는모든좌표에서모든지점으로의가시판정을하여시각적으로연결된횟수를파악한것이다. 이를수학적으로정의하면관찰이가능한영역내에있는모든시점 에서목표점 로광선을발사했을때순수가시연결빈도는수학적으로 (1) 식과같이표현될수있다. 4) 3. 이동시점이론과지표의제안 3.1 비지향성이론 (1) 경로가시연결도 - : Applicative Visibility Frequency; 경로 전체점공간을평면적으로볼때모든장소를균등하게사용하는것은아니다. 다시말해공간내에인간이이용하는패턴과이동경로에따라많이사용하는지점들이정해질수있다. 그러므로특정경로에서공간전체를관찰할때시각적으로연결되는지점은공간이목표를가지고활용될때의유효한분석데이터를제시할것이다. 그러므로유효가시연결도가정적이라면경로가시연결도는동적개념의지표라고볼수있다. 이지표를통해사인물, 표지판, 랜드마크의위치설정, 대피안내와같은동적상황에대한효과적인데이터를제시할것이다. 그러므로이지표는패스의설정이선행되어야하므로, 특정한실험이나시뮬레이션을통해공간내이동경로를파악해내야만분석이가능하다. 경로점은 1차원적인선형의스크립트또는 2차원매트릭스형태로지정된다. 경로점의정밀도가 4) 함수P는 C(Camera) 에서 T(Target) 를바라볼때가시적으로보이는가를판정하는확률 (Probability) 를의미하는함수이다. 5) 가상현실언어인 VRML에서아바타시선높이의기본값 (default) 이 1,600으로맞추어져있다. 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월 147
김석태 전한종 결과데이터의정밀도에영향을주게되며 의최고값은정점의수가된다. (3) (2) 수정경로가시연결도 - : Corrective Path Visibility Frequency ( 경로 전체점 ) 가중치유효레벨가시연결도나경로가시연결도가특정경로에대한공간의시지각분석을수행할때, 모든공간이나경로를동일한값으로간주하는것이다. 그러나공간이나경로는공간의위계에따라활용도가다르기때문에시각적연결도가동일하게취급되는것이문제시될경우도있다. 수정경로가시연결도는이러한문제점을보완하기위하여각시점의가시연결도에가중치를부여하여실제값에가깝도록보정한것이다. 본연구에서는단위공간의위계와통합정도를공간구문론의분석지표를이용하였다. 공간의이용가능성이높음에따라지점에대한경로가시연결도는그만큼비례적으로상승하기때문에경로의각지점마다공간구문론에의해산출된통합도나통제도를가중하여좀더실질적인연결가시빈도를시뮬레이션해볼수있다. 그러므로 (4) 식과같이가중치로통합도를사용할경우 를, 통제도를사용할경우 를반영한값으로보정하는것이다. (4) (5) (3) Z변위 2차원분석과는달리 3차원분석에서는입면방향으로의건축적요소에의해변위가발생한다. 변위는평면적으로동일한지점에있는입면상의모든점의분산값또는편차값을의미한다. 그러므로공간에서입면적으로변화가큰부분은 Z변위가크게나타나고, 시각적으로다른레벨에있는건축요소를얼마나인지해낼수있는가를파악해볼수있는지표로활용될수있다. 3.2 지향성이론 (1) 시야가시연결도 - : Field Visibility Frequency; 경로 시야내전체점인간의개체적특성을고려하면시각적인지범위가한정되어있다. 이러한인지적범위를시야 (field of range) 라고한다. 인간은환경을받아들이는과정속에서도시각은중심적인역할을부담한다. 인간은들어오는빛이라는정보에대하여안구의망막에비치는상을단순히그대로보고있는것이아니다. 움직임에의한모습의변화, 경험등여러가지것을단서로하여 3차원의공간을지각, 인지한다. 그과정에서인간의눈으로구별되는능 력에는한계가있거나그시력이충분히발휘되는범위에서도한계가있거나한다. 그러한시각에의한공간의지각특성에의해디자인의대상이되는인간중심의 3차원적공간의위치관계, 치수가의미를갖게된다. 또한인간이어떻게공간을인지하고기억하며그려내는가라고하는문제가공간의형태및공간구성과관련되어진다. 6) 그러므로경관관리나랜드마크관리를위한시뮬레이션의경우조망점에서바라보는경관이미지는인간의시각구조를이용하여제한하여야한다. 경로가시연결도가지향하는목표점 (Target Point) 이없이전체점을조망하는비지향성이론인데반하여시야가시연결도는목표점과시야각, 가시한계라는속성을갖는지향성이론이라할수있다. (2) 수정시야가시연결도 - : Corrective Field Visibility Frequency ( 경로 시야내전체점 ) 가중치수정경로가시연결도와같이공간과경로의통합도에따라가중치를부여한지표이다. 4. 어플리케이션의구축 4.1 어플리케이션의원리전장에서제안된지표들을계산하고프리젠테이션하기위하여구축된어플리케이션을 MDVC 7) _Calculator로명명하였다. MDVC_Calculator는기본적으로 3차원공간 ( 분석대상공간범위 ) 에 x,y,z축방향으로그리드를형성하고그안에건축모델을설치하여특정지점에서 3차원의각좌표로시각적연결이되어있는가를판정하는방법을사용하였다. 8) 어플리케이션의핵심부분인시각적연결 (Network) 판정여부는시점 ( 카메라지점 ) 에서탄환을발사하여타겟지점 ( 좌표 ) 을맞출수있는가의여부를반복적으로연산하는방법으로게임과유사한알고리즘을갖고있다. 3차원매트릭스에의한분석에서는 2차원환경과는달리몇가지문제가발생한다. 첫번째문제는판단해야하는노드의개수가기하급수적으로발생한다는점이다. 각노드의가시적연결도는컴퓨터메모리에저장시키게되 지만목표점이되는노드들의좌표는그래픽메모리에저장시켜야원활한분석이가능하다. 그러나각좌표의위치를변수화시키게되면데이터의폭증으로인하여그래픽카드가가지고있는메모리의부족 (overflow) 현상이자주발생하게된다. 그러므로 MDVC Calculator에서는분석할때마다좌표를재연산시키는방법을사용하여해결하였다. 6) 高橋鷹志, 長澤泰저, 정무웅, 정혁진역, 환경과공간, 태림문화사, 2001, p.9 7) Multi-Dimensional Visibility Connectivity 8) 본연구에서는이러한가상환경을 Direct3D환경에서의 3D그래픽엔진을이용하여구축하였다. 148 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월
3D 그래픽엔진을利用한動的視覺構造分析에관한基礎硏究 두번째문제는 3차원연산은 2차원연산과달리기하급수적인긴연산시간을요구하게된다는점이다. 이러한문제로인하여어플리케이션은빠른연산을가능케하는저수준의언어로코딩되어야하며, 연산도중의실행상황을실시간으로전달해줘야한다. 그러므로 C++ 언어를이용하여어플리케이션을코딩하였으며, 연산부분의스레드 (thread) 를분할하여연산과정을표시할수있도록하였다. 9) 그림 4. 전체모듈의기능과관계 그림 3. 2 차원가시영역도와 3 차원가시체적도분석의비교 세번째문제는결과가시각적으로재현 (presentation) 되지만결과데이터가 3개의축을갖고있기때문에일목요연한프리젠테이션이어렵고, 결과값이통계패키지와같은타 ( 他 ) 어플리케이션과데이터호환이힘들다는점이다. SPSS나 Excel과같은분석도구들도대부분 2차원을기반으로하는로우데이터를받기때문에본어플리케이션에서는 ASCII형태로데이터를 export하여 CAD로데이터를보내 CAD상에서분석을할수있도록별도의분석어플리케이션을제작하였다. 10) 4.2 어플리케이션의구축전장에서도간략히언급한바와같이 MDVC_Calculator 는 Direct3D기반의 API를이용하여프로그래밍되었다. 그러나시점의이동이나충돌판정, 화면의구성등을모두구현하기에는기술적어려움이많다. 본연구에서는 3 인칭적네비게이션 (examination) 과탄환의충돌판정등동작원리가게임과유사하기때문에게임엔진을이용하였다. 게임엔진은 I대학교게임디자인연구실에서제작된 LEGO엔진을사용하였으며, 키보드에의한데이터입출력을담당하는 Key Input & Menu Interface모듈, 가시여부판정시중간결과를출력하는 Calculating Thread, 모델과결과노드를화면에출력하는 Display Module, 노드를관리하는 Visible Node Management Module, X포맷 11) 의모델화일을입력하는 Model Mesh Module로구성되어있다. 각모듈간의관계는그림4과같으며정의된클래스간의관계는그림5와같다. 9) 본연구에서는 Microsoft Visual Studio.NET과 DirectX 9.0c 환경에서제작되었다. 10) CAD는 Autodesk사의 AutoCAD2007이사용되었으며 CAD 상에서동작되는통계어플리케이션은 Autolisp에의하여제작되었다. 11) Direct3D는 ASE화일포맷을사용해왔으나 DirectX8.0부터는전용포맷인 X화일을제공하고있다. 그림 5. 전체프로그램클래스관계도 4.3 인터페이스의구성분석과정은총 4단계로이루어지며, MDVC_Calculator 의인터페이스도분석과정 4단계와이에부가되는옵션부분으로구성되어있다. 1단계는분석하고자하는대상을어플리케이션으로불러들이는부분이며 12), 2단계는노드를정의하는과정이다. 본분석방법은래스터방식이므로격자의간격 ( 노드의수 ) 에따라분석하고자하는대상의정밀도를조절할수있다. 13) 3단계는공간의시각적해석을위한연산을처리하는부분으로각지표별로 6가지방법 14) 의연산을수행하게되어있다. 4단계는연산된결과를저장, 불러오기를하는부분이며, 저장된데이터는 CAD로불러들여재구성 (representation) 하거나 3차원의분산값, 표준편차를구하는통계처리를할수있도록되어있다. 이외에모델을투사하는방식 (solid, wireframe, transparency) 과모델의클리핑 (clipping) 정도, 노드의표시방식 ( 포인트크기 ), 데이터표시범위, 색상 / 흑백전환, 높이방향 12) X화일은 3DS화일을변환하거나 3DSMax의플러그인형식으로출력이가능하다. 13) 연구의범위를벗어나있지만특정부분의가시성분석 (spot분석 ) 을위해스크립트노드를불러들이는방법을추가적으로제공한다. 그러므로그리드의간격을입력해서 3차원매트릭스를생성하는방법과 CAD상에표시된노드스크립트를불러들여 spot분석을할수있도록하는방법으로이원화되어있다. 14) 1. 특정점 전체점, 2. 전체점 전체점, 3. 유효레벨 전체점, 4, 특정레벨 특정레벨, 5. 패스 전체점, 6. 시야패스 전체점, 가중치를적용한수정가시연결빈도는카메라노드스크립트에서정의한다. 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월 149
김석태 전한종 으로한줄씩보기 ( 단층분석 ) 와같은옵션을제공하게되어있다. 메뉴의배치는그림6에서보여지는것과같이좌측에는분석과정과우측에는옵션이위치하고있다. 그리고 MDVC_Calculator를이용하여동일한모델에대한분석을수행하였으며, 그결과단층의 ( 평면적인 ) 공간에서는유사하게나타나던결과가 3차원으로분석함에의하여상당히상이하게나타나는것을알수있었다. 계단측면의시각적연결도가 3차원적으로보면실제로는그리낮지않다는점을알수있었으며, 개구부주변에서시각적연결도가높게나타나는것은공통된결과지만개구부의형태에따라연결도의분포가다르게나타난다는점등을파악할수있었다. 또한기존의 2차원 VGA가중층이나입면적변위에대한분석이불가능했던반면 3차원분석은 Z축으로의건축적요소들의상호관계를파악할수있었다. 그림10은 3차원 MDVC_Calculator를분석한결과데이터를 CAD에서 2차원적으로투영한결과이다. 16) 그림 6. 데이터입력창의인터페이스 그림 9. 가시그래프를이용한 2 차원시각적연결도분석 그림 7. 분석창의인터페이스 5. 어플리케이션을이용한 3 차원시각분석실험 5.1 실험모델의설정및 2차원분석과의비교실험은그림8과같은계단개소를포함한중층구조건축공간의부분모델을이용하여수행되었다. 그림 10. MDVC_Calculator 를이용한 3 차원시각적연결도분석 그림8. 실험에사용된 3차원공간우선어플리케이션의성능평가를위해기존의시각적연결도 (visibility) 분석방법인가시그래프이론 (VGA) 를적용하여그림9와같은 2차원적인결과그래프를얻어내었다. 15) 15) 분석프로그램은영국바틀렛건축학교가상현실연구센터에서개발된 DepthMap이사용되었다. (Turner, A., UCL Depthmap 7: from isovist analysis to generic spatial network analysis. In New Developments in Space Syntax Software, 2007, p.43~p.51) 16) 표시되는원의지름이클수록시각적연결도가높고, 동심원의수가많을수록 Z방향으로변위가큰것이다. 150 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월
3D 그래픽엔진을利用한動的視覺構造分析에관한基礎硏究 3차원분석과정에지적된문제점중의하나는 2차원분석과는달리일목요연한프리젠테이션이어렵다는점이었다. 그러므로 MDVC_Calculator에서는단층분석과표시범위 (range) 의조정등의기능을제공하도록되어있다. 순수가시연결도 () 분석에서시각적인접속 (network) 이취약한영역을추출한결과그림11( =30~8366) 과같이나타났다. 이영역은공간의활용에있어서눈에잘띄지않는지역을의미한다. 그러므로감시카메라의설치나순찰경로의설정등이고려될수있는지역이며, 반면에사인이나기타표식물을설치했을경우인지가잘되지않는지역으로판단해볼수있다. 그러나이결과는공간전체점에서전체점으로의시각적접속을계산해낸것이므로실제사람이인식하는것과는개념적으로차이가있다. 그러므로실제사람의시선이이동하는점에서전체점에대한유효레벨가시연결빈도를파악하는것이실질적인데이터가될것이다. 5.2 가중치의적용 -수정경로가시연결빈도( ) 유효레벨가시연결도분석은각실의활용빈도가동등하다는전제조건하에서분석된것들이다. 만약에공간사용빈도예측에따른연결빈도계산과정에보정이된다면좀더정확한결과를도출해볼수있을것이다. 17) 이에각공간을이루는단위공간별로공간의접근성이나활용성을고려하여보았다. 본연구에서는공간구문론에의해산출되는통합도 (integration) 를공간활용도의예측값으로사용하여보았다. 우선그림13과같이분석대상공간의볼록공간도를작성하여공간구문론에의한통합도를산정하고 ( 표1) 이를그림14와같이 2차원매트릭스형태의경로스크립트를생성하여가중치로적용하였다. 18) 그결과그림15와그림 16과같이가시연결빈도상위지역과하위지역을예측해볼수있다. 가중치가적용되지않은유효레벨가시빈도와비교하여보았을때총체적결과는크게차이는크지않았지만일부공간에서근소한차이가나타났다. 계단하부의가시연결빈도는실제보다높게나타났으며, 2개층으로분리된이면공간의가시연결빈도는떨어지는것으로나타났다. 이러한공간의가중치적용은가시연결도이론의개념적신뢰성을올릴수있을것이다. 그림 11. 순수가시연결도하위 40% 영역 그림12는공간의유효레벨 (1층, 2층, 계단바닥면으로부터 1600높이의인간의시선이점유가능한부분 ) 에대한분석결과중시각적연결도가낮은취약영역을한정하여표시한것이다. 그결과순수가시연결도보다 Z축방향으로변위가크게나타났으며, 2층의좁은방일수록시각적연결도 ( 빈도 ) 가떨어지는것으로나타났다. 또한구조체에밀착한부분에서도부분적으로연결도가낮아짐을알수있다. 그림 13. 분석대상지의볼록공간도 표 1. Space syntax 분석에의해산정된통합도 ID Conn C.V. Int. Int. r3 11 5 0.83 0.46 0.33 12 6 1.50 0.69 0.73 13 3 0.83 0.85 1.15 14 4 1.25 1.22 1.48 15 4 1.58 1.83 1.83 16 2 0.42 1.10 1.10 17 2 0.58 1.10 1.27 18 3 1.33 0.92 1.38 19 2 0.67 0.85 1.15 20 3 1.00 1.22 1.48 그림 12. 유효레벨에대한시각적노출하위 40% 영역 17) 경로스크립트를생성함에있어가중치 ( 빈도 ) 를전부 1로주었다는의미이다. 18) 스크립트의텍스트는 AutoCAD에서 text형식으로정의되며이좌표와가중치데이터는 Autolisp를이용해자동생성하도록하였다. 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월 151
김석태 전한종 고있다. 개구부나계단의위치와같이높이방향으로건축적요소가많은곳과단층으로넓은공간보다는중층으로협소한공간일수록분산값이커짐을알수있다. 반면에가중치가적용되었을때의변위변동은미미한것으로나타났다. 이는실험공간의크기가작아서단위공간의위계가단순하기때문인것으로생각된다. 20) 또한가지흥미로운사실은 1층의레벨에서만측정된공간분석임에도불구하고변위그래프를통해 2층의윤곽을알수있다는것이다. 시각적으로단서를얻을수있는건축요소들은그단서를조합하면인식적으로하나의형태로재구성할수있음을반증하는결과라볼수있다. 그림 14. 통합도가정의된경로스크립트 그림 17. Z 축변위 ( 유효레벨가시연결도 ) 그림 18. Z 축변위 ( 수정유효레벨가시연결도 ) 그림 15. 수정경로연결가시도상위 30% 영역 5.4 패스에의한경로가시연결빈도의분석공간전체를동일하게사용하지않고일정한패턴에의하여사용하게될경우공간의가시적인지에상당한영향을미치게될것이다. 예를들어그림19와같이동일한공간을두가지방법으로순찰한다고했을때, 시각적으로습득되어지는시각데이터에는큰차이가있을것이다. 그림 19. 두가지순찰경로의예시 그림16. 수정경로가시연결도하위 50% 영역 5.3 Z축변위에대한테스트유효레벨가시연결빈도와수정유효레벨가시연결빈도에대하여높이방향 (Z축) 으로의변위를측정하여보았다. 19) 그림17과그림18은높이방향데이터의분산을각각계산하여그래픽으로재현한것으로안쪽검은색도트의크기가표준편차이며바깥쪽동심원이분산값을나타내 19) MDVC_Calculator분석결과를저장한데이터를캐드로불려들여 lisp으로평면상같은위치에있는모든 Z방향의데이터의분산과표준편차를계산하였다. A와 B, 두개의탐색경로는모두 26M의동일한길이이지만그림20, 그림21과같이발생하는시각적연결구조는다르게나타나며효율도다르게나타난다. B안은 A안에비하여공간내가시연결빈도의취약지역이적게나타나며, 아울러공간전체를균질하게탐색할수있다. 반면에 A안은관찰이힘든음영지대가많이발생하므로만약이러한경로로보안순찰을한다면음영지역에는감시카메라와같은보조설비가필요할것이다. 20) 평면의복층부분의작은실의변위가매우크게나타나지만이유는명확하게설명되지않았다. 152 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월
3D그래픽엔진을利用한動的視覺構造分析에관한基礎硏究있다. MDVC_Calculator는시각뿔체를이용한가시권판정기능을포함하고있으며, 이기능을이용하여전절에적용한순찰경로에시야각및시야한계선의속성을추가반영하여비젼시뮬레이션을수행해보았다. 그림24와그림25는수직수평각 22) 을그림22와같이 90도로설정하고, 실험공간이작으므로한계거리는제한하지않고시뮬레이션해본결과이다. 그결과시야각의제한을두지않았을경우와비교하여큰차이를보였다. 이는공간을탐색하는방법에따라공간의정보를습득하는양과구조의차이가크다는것을의미한다. 그림 20. A 안의순찰로 그림 23. 시야구조를반명한순찰경로의예시 그림 21. B 안의순찰로 5.5 시야각을고려한시뮬레이션현재까지의언급된 3차원가시연결빈도측정시뮬레이션은한점에서공간전체에대한시각적연결도를측정하는방식이지만실제인간은이동과정에서인지되는시각적범위가제한되어있다. 그것은인간의시각특성에의한것으로서시야에눈과머리의움직임을포함하여, 물체의크기, 위치, 특히물체와인간과의거리, 위치관계에사람에게있어서의의미가생기게되고, 3차원공간내에인간의눈을중심으로한범위가한정된다. 21) 그림 24. A 안의결과 그림 22. 인간의시야 그러므로분석의성질과목표에따라시야각과가시권의한계라는두가지속성의추가적인반영이필요할수 그림 25. B 안의결과 21) 高橋鷹志, 長澤泰저, 앞의책, p.10 22) 가로세로비 (aspect ratio) 를 1:1 로하였다. 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월 153
김석태 전한종 6. 결론 참고문헌 인간의공간인지과정에서시지각은매우중요한의미를가지고있으며, 이러한시각적속성에기반한그래프분석이론이활발히연구되고있다. 그러나기존의분석방법은 2차원적이며, 고정적인시점설정으로인하여평면적이라는한계가있었다. 3차원분석의필요성이점점더강조되고있는시점에서본연구에서는게임엔진을이용한가상모델에의한 3 차원분석방법을제안하였다. 가상모델을이용한분석은공간을가상모델로정의하고이를구성하는폴리곤과시선의충돌판정을통해래스터로구성된가시노드의연결도를연산하고, 동일한엔진을통해효과적인프리젠테이션이이루어지도록하였다. 또한캐드시스템으로데이터를전환하여국지적인응용지표들을산출할수있도록하였다. 그결과기존의이론과같은선상에서 3차원적확장을성공적으로해낼수있었다. 이는 2차원분석에서불가능하던많은공간의시각구조를해석할수있었으며, 가능했던분석은더욱세밀하게정량화시킬수있었다. 또한 ( 비지향성 ) 경로가시연결도나 ( 지향성 ) 시야가시연결도와같은동적해석방법을제안하고예시모델을이용해적용성을검토하였다. 이기법을응용하면경관분석, 효율적인경로선택, 시각적설치물의입지선정등에효과적으로적용될것으로예상된다. 본연구는가상현실을프리젠테이션단계에적용한기존의연구를넘어서서프로세싱단계에가상현실을도입하였다는점과 2차원분석의한계를극복한다는단순개념이상의적용성이강한 3차원전산모델의구축을이루었다는점에서큰의의를갖는다고생각된다. 이러한시도는시각적분석을이용한기존의많은연구들을재조명시키고향후수많은발전적분석방법들을파생시킬것으로기대된다. 1. 김석태, 전한종, 다시점가시영역분석도구설정에관한기초연구, 한국실내디자인학회논문집, 16(5), 2007.10 2. 김충식, 이인성, Isovist의 3차원기능확장을통한도시경관의가시성분석기법의개발, 국토계획 40(2), 2005.4 3. 김민석, 공간의가시성에기반한 ERAM모델, 서울대학교대학원건축학과, 공학석사학위논문, 2006.2 4. 구희정, 5. 김용승, 공간구조와길찾기효율성에관한분석, 대한건축학회논문집, 2002.07 6. Dalton, N. S., Webmap At Home. In New Developments in Space Syntax Software, 2007 7. Turner, A., UCL Depthmap 7: from isovist analysis to generic spatial network analysis. In New Developments in Space Syntax Software, 2007 8. O'Sullivan, D. and Turner, A., 2001, Visibility graphs and landscape visibility analysis. International Journal of Geographical Information Science 15, 2001 9. Turner, A., Doxa, M., O'Sullivan, D. and Penn, A., 2001, From isovists to visibility graphs: a methodology for the analysis of architectural space. Environment and Planning B: Planning and Design, 28, 2001 ( 接受 : 2008. 2. 28) 154 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 9 호 ( 통권 239 호 ) 2008 년 9 월