[論文レビュー] Rapid 3D Reconstruction of Indoor Environments to Generate Virtual Reality Serious Games Scenarios

Zhenan Feng, Vicente A. González+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

3D Surveying and Cultural Heritage参考文献 11被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、BIM、レーザースキャン、360°パノラマを用いて、地震避難訓練用の正確でダイナミックなバーチャルリアリティシリアスゲーム（VR SG）を生成する、インテリア環境向けの高速3次元再構築パイプラインを提案する。この手法により、最小限の手作業で『現状』の建物モデリングが可能となり、開発時間を著しく短縮するとともに、没入型訓練アプリケーション向けに現実的なシミュレーションシナリオをサポートする。

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.

研究の動機と目的

• VRシリアスゲーム向けに、現実の建物状態を反映した正確で最新のインテリア3次元モデルが不足している問題に対処すること。
• 信頼性があり動的である避難シミュレーションシナリオを構築するための開発時間と作業負荷を低減すること。
• 高速3次元再構築に適した複数のデータ収集ワークフローの実現可能性と効率性を評価すること。
• 理想化されたまたは古くなったモデルではなく、実際の建物形状に基づいたVR SGのストーリー展開を可能にすること。
• 実際の建物のレイアウトと空間的ダイナミクスを組み込むことで、VR訓練における現実的なユーザーエクスペリエンスを支援すること。

提案手法

• 本研究では、3次元再構築に用いる3つのデータソース（建物情報モデリング（BIM）、地上レーザースキャニング、360°パノラマ画像）を評価する。
• 各データソースを処理し、VRシミュレーションに適した現存するインテリア環境の3次元幾何モデルを生成する。
• 再構築された3次元モデルをVR環境に統合し、地震避難シナリオをシミュレートする。
• 再構築の正確さ、時間効率、実装の容易さの観点から、ワークフローを評価する。
• 3次元モデルの現実の建物レイアウトをどれだけ正確に再現できるか、および動的シミュレーションに適しているかに焦点を当てる。
• 3つの手法間で、データ収集コスト、処理時間、モデル品質のトレードオフを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のインテリア建物データを、VRシリアスゲーム用に正確な3次元モデルへ迅速に変換する方法は何か？
• RQ2 BIM、レーザースキャン、360°パノラマが、避難シミュレーション用にインテリア環境を再構築するうえで、それぞれの相対的な長所と限界は何か？
• RQ3 再構築された3次元モデルは、地震のような動的イベントを想定した現実的で没入型のVR SGシナリオをサポートできるか？
• RQ4 データソースの選定が、機能的なVRシミュレーションを生成するために必要な時間と労力にどのように影響するか？
• RQ5 再構築されたモデルは、現存建物の実際の「現状」状態をどの程度正確に反映しているか？

主な発見

• 360°パノラマ画像を自動処理パイプラインと組み合わせることで、妥当な幾何的正確さを確保しつつ、高速な3次元再構築が可能になる。
• レーザースキャンは3次元モデル生成において最高の正確さを提供するが、より時間がかかり、専門的な機器を必要とする。
• 利用可能な既存のBIMデータがある場合、BIMベースの再構築は最も迅速な方法であるが、現実の建物の「現状」の忠実度に欠けることが多い。
• 360°パノラマと画像ベースモデリング技術の組み合わせにより、手作業モデリングと比較して開発時間が著しく短縮される。
• 3つのワークフローすべてが、VR SGシナリオの生成に実用的であることが判明したが、360°パノラマは実世界の応用において、速度、コスト、正確さのバランスが最良である。
• 本研究では、「現状」の建物モデルが、VR避難訓練シミュレーションの現実性と信頼性を向上させることを確認した。