[논문 리뷰] Rapid 3D Reconstruction of Indoor Environments to Generate Virtual Reality Serious Games Scenarios

Zhenan Feng, Vicente A. González외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 04.

3D Surveying and Cultural Heritage참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 BIM, 레이저 스캐닝 및 360° 파ano라마를 활용하여 실내 환경의 빠른 3D 재구성 파이프라인을 제안한다. 이를 통해 지진 대피 훈련을 위한 정확하고 동적인 가상현실 전문 게임(VR SGs)을 생성한다. 이 방법은 최소한의 수동 작업으로 효율적인 '현실 그대로의' 건물 모델링을 가능하게 하여 개발 시간을 크게 단축시키며, 몰입형 훈련 응용 프로그램을 위한 현실적인 시뮬레이션 시나리오를 지원한다.

ABSTRACT

Virtual Reality (VR) for Serious Games (SGs) is attracting increasing attention for training applications due to its potential to provide significantly enhanced learning to users. Some examples of the application of VR for SGs are complex training evacuation problems such as indoor earthquake evacuation or fire evacuation. The indoor 3D geometry of existing buildings can largely influence evacuees' behaviour, being instrumental in the design of VR SGs storylines and simulation scenarios. The VR scenarios of existing buildings can be generated from drawings and models. However, these data may not reflect the 'as-is' state of the indoor environment and may not be suitable to reflect dynamic changes of the system (e.g. Earthquakes), resulting in excessive development efforts to design credible and meaningful user experience. This paper explores several workflows for the rapid and effective reconstruction of 3D indoor environments of existing buildings that are suitable for earthquake simulations. These workflows start from Building Information Modelling (BIM), laser scanning and 360-degree panoramas. We evaluated the feasibility and efficiency of different approaches by using an earthquake-based case study developed for VR SGs.

연구 동기 및 목표

• 가상현실 전문 게임을 위한 실제 건물 상태를 반영한 정확하고 최신의 실내 3D 모델의 부족 문제를 해결하기 위해.
• 신용성 있고 동적인 대피 시뮬레이션 시나리오를 구축하기 위한 개발 시간과 노력을 줄이기 위해.
• 빠른 3D 재구성에 적합한 다수의 데이터 수집 워크플로우의 타당성과 효율성을 평가하기 위해.
• 이dealized되거나 오래된 모델이 아닌 실제 건물 형상에 기반한 VR SG 스토리라인 생성을 가능하게 하기 위해.
• 실제 건물 레이아웃과 공간 역학을 통합함으로써 VR 훈련에서 현실적인 사용자 경험을 지원하기 위해.

제안 방법

• 본 연구는 3가지 데이터 소스를 평가한다: 빌딩 정보 모델링(BIM), 지상 레이저 스캐닝, 360° 파노라마 이미지. 이는 3D 재구성에 활용된다.
• 각 데이터 소스는 실제 실내 환경의 3D 기하 모델을 생성하기 위해 처리되며, 이는 VR 시뮬레이션에 적합하다.
• 재구성된 3D 모델은 지진 대피 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 VR 환경에 통합된다.
• 재구성 정확도, 시간 효율성, 구현 용이성 기준으로 워크플로우가 평가된다.
• 평가 초점은 3D 모델이 실제 건물 레이아웃을 얼마나 정확히 표현하는지 및 동적 시뮬레이션에 적합한지에 있다.
• 논문은 세 가지 방법 간의 데이터 수집 비용, 처리 시간, 모델 품질 간의 상충 관계를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 실내 건물 데이터를 어떻게 신속하게 정확한 3D 모델로 전환할 수 있는가?
• RQ2 BIM, 레이저 스캐닝, 360° 파노라마가 대피 시뮬레이션을 위한 실내 환경 재구성에 있어 상대적 강점과 한계는 무엇인가?
• RQ3 재구성된 3D 모델은 지진과 같은 동적 사건을 위한 현실적이고 몰입형 VR SG 시나리오를 지원할 수 있는가?
• RQ4 데이터 소스 선택이 기능적인 VR 시뮬레이션을 생성하기 위해 소요되는 시간과 노력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 재구성된 모델가 실제 존재하는 건물의 '현실 그대로의' 상태를 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• 360° 파노라마 이미지와 자동화된 처리 파이프라인의 통합은 수용 가능한 기하 정확도를 확보하면서도 빠른 3D 재구성을 가능하게 한다.
• 레이저 스캐닝은 3D 모델 생성에서 가장 높은 정확도를 제공하지만, 더 많은 시간과 전문 장비가 필요하다.
• 기존 BIM 데이터가 확보되어 있을 경우 BIM 기반 재구성은 가장 빠른 방법이지만, 실제 건물의 '현실 그대로의' 정밀도를 떨어뜨리는 경우가 많다.
• 360° 파노라마와 이미지 기반 모델링 기법의 조합은 수동 모델링에 비해 개발 시간을 크게 단축시킨다.
• 세 워크플로우 모두 VR SG 시나리오 생성에 있어 타당한 것으로 확인되었으며, 360° 파노라마가 실생활 응용에 가장 뛰어난 속도, 비용, 정확도의 균형을 제공한다.
• 본 연구는 '현실 그대로의' 건물 모델이 VR 대피 훈련 시뮬레이션의 현실성과 신뢰성 향상에 기여함을 확인한다.