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3D그래픽 엔진을 이용한 다차원, 다시점 공간가시구조 분석기법에 관한 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 3D그래픽 엔진을 이용한 다차원, 다시점 공간가시구조 분석기법에 관한 연구 | 2007 Year | 김석태(인제대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number G00030
Year(selected) 2007 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2009년 05월 18일
Year type 결과보고
Year(final report) 2009년
Research Summary
  • Korean
  • 사회의 산업화와 함께 객관적 공간평가를 위한 공간분석이론의 필요성이 대두되었다. 초기에는 정성적 공간구조분석이 주류를 이루었지만 1970년대에 이르러 통계학적 방법과 그래프이론에 의한 방법과 같은 정량적 분석이 점차 주목받기 시작하였다. 그 중에서 그래프 이론은 가상적인 모델을 통해 디자인과정에 직접적으로 적용이 가능한 직관적 시뮬레이션으로 더욱 주목받고 있다. 그러나 최근 들어 건축공간의 활용이 입체적이고 실(室)간의 경계가 모호해지고 있는 추세에서 현존하는 그래프 이론들은 아직까지 평면적 분석범위를 벗어나지 못하고 있으며, 특히 고정적인 시점분석 방식에 국한됨은 이 이론적 근원적 한계에 직면하고 있는 원인이 되고 있다.
    본 연구에서는 기존의 시각적 속성에 기반한 정량적 공간분석이론들을 바탕으로 공간구조의 3차원화와 다시점 분석모델을 비롯한 3차원 그래픽 엔진을 이용한 분석도구를 개발하여 기존이론에 의한 분석결과와 비교하여 그 유효성을 검증토록 하였다.
    또한 기존의 이론들이 목표점(Target point)과 시야각을 인정하지 않아서 발생하는 문제를 보완한 지향성 이론을 추가적으로 제안함으로서 그래프를 이용한 공간구조분석 방법에 새로운 가능성을 제시하고자 하였다.
  • English
  • 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.
Research result report
  • Abstract
  • 정량적 분석기법의 개념적 틀은 1970년대에 들면서 본격적으로 제안되기 시작하였다. 분석기법은 크게 통계이론과 그래프이론으로 대별될 수 있는데, 이 중에서 그래프이론은 통계이론에 비하여 사전에 예측이 가능하고 직관적인 결과물을 제시하기 때문에 최근 들어 매우 주목받는 이론이 되고 있다.
    그러나 그래프이론에 의한 분석은 공간요소의 상관관계가 복잡하여 실질적인 분석에 한계가 있는 이론적인 수준에 머물러 왔다. 이러한 상황에서 70년대 중반 컴퓨터그래픽스 기술이 등장함에 따라 복잡한 연산과 시각화가 가능해져 이 분야의 연구가 활기를 띄기 시작하였다. 그러나 분석이론들은 대부분 평면을 기준으로 하는 시각적 속성의 분석이 주류를 이루고 있으며, 시점의 설정이 고정적이기 때문에 적용의 폭이 좁았다. 더욱이 인간과 사회의 필요에 의하여 건축공간은 갈수록 복잡해지고, 층간구분이나 공간내의 시각적 관계성이 모호해지는 등 입체적 공간구성의 성향이 두드러지고 있는 관계로 기존의 2차원 분석이론은 더욱더 한계를 드러낼 수밖에 없게 되었다. 이러한 측면에서 3차원 분석이론의 필요성은 더욱더 더 강조되고 있다.
    시각적 공간구조분석에 관련한 기존의 그래프 분석이론의 한계는 평면적 분석방법의 한계와 고정화된 시점의 한계로 요약되며, 본 연구에서는 이 두 가지 문제점을 보완한 공간의 시각구조 분석방법을 제시하였다.
    첫 번째 문제인 평면적 분석방법의 문제는 시각적 속성과 관련한 분석으로서 가장 많이 연구, 적용되고 있는 가시장이론(isovist)과 가시성그래프이론(VGA)에 기반하여 분석모델을 3차원적으로 확장하는 방법을 제안하였다. 기존의 평가지표들을 토대로 가시체적도(3ICD), 가시한계도(3IBD), 순수가시연결도(VFg), 유효레벨가시연결도(VFe)와 같은 기초지표와, 기초지표들의 관계를 파악한 응용지표로서 레벨변위(LD)와 공간편차(SD), 피감시도(ID), 부분가시연결도(PVD), 가시성분포도(VDC)와 같은 국지적 분석지표로 정리하였다.
    그리고 분석의 가능함을 파악하기 위한 분석도구를 구현하여 공간의 입체적 구조분석을 통해 제안된 지표들의 산출이 가능함을 증명하였으며, 기존의 도구와 비교하여 결과데이터의 유효성을 검증하고 3차원 공간분석의 특성을 정량적으로 파악할 수 있음을 입증하였다.
    3차원 분석의 기술적 메커니즘은 3차원 그래픽스기반의 게임엔진을 이용하여 가상공간에 설정된 모델의 폴리곤 분해와 시선광선(視線光線)의 충돌판정 알고리즘을 통해 구현하였으며, 캐드시스템과의 데이터 호환으로 통계분석 및 지표의 산출, 특성도출 등을 가능토록 하였다.
    3차원 분석도구를 예시모델에 적용한 결과 해석되지 못했던 많은 부분들이 기존의 이론과 같은 연장선상에서 분석이 가능했으며, 분석이 가능했던 부분들도 더욱 세밀한 데이터를 얻어낼 수 있었다.
    두 번째 문제인 고정시점의 문제의 해결은 경로가시연결도(VFp)와 시야가시연결도(VFf)라는 두 가지 확장지표의 제안과 이를 도출하기 위한 패스 시뮬레이션과 비전 시뮬레이션의 예제의 적용을 통해 실제 연구 프로젝트에 적용가능성을 검토하는 과정으로 이루어졌다.
    패스 시뮬레이션을 통해 산출되는 경로가시연결도(VFp)는 목표점을 지정하지 않는 비지향성이론으로서 실내공간과 외부단지의 예시모델에 적용하여 공간의 시각적 접근성 측정, 공간 개방도 측정, 효과적인 순찰경로 선정, 시각적 설치물의 입지선정, 천공차폐특성 분석 등의 예제를 수행하여 적용가능성을 검토하였다.
    또한 비전 시뮬레이션을 통해 산출되는 시야가시연결도(VFf)는 시점이 목표점을 지향하는 시지향성 이론으로서 관람경로상의 공간정보취득, 경관관리요소에 대한 차폐도 평가, 단지의 일조분포도(日照分布圖) 작성 등의 예제를 수행하여 적용가능성을 검토하였다.
    모든 가시연결도를 측정함에 있어서 공간 이용예측빈도를 가중한 수정가시연결도(cVF)를 제안, 검토하였으며, 일조도 분포분석에서는 단위면적당 일조량을 이용하여 데이터를 보정하였다. 이러한 이론의 실험과 검토를 통해 현실적인 적용이 가능한 다양한 공간의 시각적 해석의 가능함이 파악되었다.
    본 연구는 기존의 공간의 시각적 분석의 2차원적인 한계를 극복하고, 분석을 다시점화(多視點化)하여 현실적인 상황에 대한 적용력을 향상시킨 이론이며, 다양한 공간분석 어플리케이션에 적용시킬 수 있는 전산모델을 개발하였다는데 의의가 있다. 또한 건축분야에서 차세대 가상현실 미디어로 주목받고 있는 게임엔진을 활용한 선도적 연구이며, 건축학에서 주로 표현단계에 머무르고 있는 가상현실 기법을 프로세싱 영역으로 확대하였다는데도 의미가 크다.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구에서는 기존의 공간구조분석 이론들의 개념과 기술적 방법론을 고찰하였으며, 그래프 분석의 이론적 기반이 되고 있는 가시장(isovist)이론과 가시성 그래프(VGA)이론을 바탕으로 하여 3차원 분석을 위한 기초지표와 응용지표를 제안하였다.
    기초지표로는 가시장이론을 입체적으로 확장한 가시체적도(3ICD)를 비롯하여, 가시성 그래프이론을 확장하여 공간 전체영역에서 전체영역에 대한 가시성을 파악하는 순수가시연결도(VFg)와 인간의 시점이 위치하는 레벨에서 전체영역에 대한 가시성을 파악하는 유효레벨가시연결도(VFe)를 제안하였다. 또한 기초지표를 통해 산출되는 응용지표로 레벨편차(LD)와 공간편차(SD), 피감시도(ID), 부분가시연결비(PVD)와 부분가시한계비(PBD)등을 제시하였다.
    이러한 3차원 공간분석이론의 지표의 산출은 공간분석 어플리케이션(MDVC_Calculator)의 구현을 통해, 공간의 입체적인 구조분석이 가능함을 규명하였다. 이러한 공간의 입체적인 분석방법은 가상환경 속의 분석모델을 폴리곤으로 분해하여 공간 내에 매트릭스 형태로 데이터베이스화된 시점노드에서 대상노드간의 충돌감지를 통해 가시성을 판정하는 방법으로 구현이 가능하였다. 따라서 분석어플리케이션은 3차원 분석모델은 벡터방식으로, 가시성 분석을 위한 노드는 래스터방식으로, 분석결과의 프리젠테이션은 벡터방식으로 설계되었다.
    어플리케이션은 3차원 그래픽스에 기반을 둔 게임엔진을 이용하여 개발하였으며, 게임엔진에서 제시하는 다양한 프리젠테이션 기법을 이용하여 3차원 분석결과를 다양한 각도와 옵션에 의해 파악할 수 있도록 하였다. 가시성 판정 어플리케이션에서 산출된 각 노드의 결과데이터는 ASCII형식으로 다른 어플리케이션으로 전송하여 추가적인 통계분석과 범위별 추출을 가능하도록 하였으며, 또한 캐드시스템에서 결과 데이터를 재현하여 기초지표를 정량화하고 응용지표들을 산출할 수 있도록 하였다.
    검증실험에서는 평면적인 차폐물을 갖는 예시모델을 이용하여 2차원 분석의 결과데이터와 비교하여 기초지표들을 검증하였으며, 수직적인 형태의 변위를 갖는 단위공간을 예시모델로 하여 3차원 분석의 효과를 파악하였다.
    분석결과 3차원 분석은 기존의 2차원 분석에서 불가능했던 공간의 입체적 분석을 가능하게 해주었으며, 2차원 분석에서 산출되었던 불완전 차폐요소나 볼륨의 변화가 있는 공간의 가시도를 더욱 정밀하게 산출해 낼 수 있었다.
    차폐요소가 복합화된 공간의 분석을 통해 실제 건축공간의 적용성을 파악하였으며, 공간이용예측빈도를 가중치로 적용한 수정가시연결도를 산출함으로서 공간의 시각적 구조분석의 이론적 타당성을 향상시키고자 하였다.
    이러한 기초지표들의 검증과 특성파악을 통해 얻은 결과를 바탕으로 분석시점을 동적 개념으로 개선시킨 패스시뮬레이션과 비전시뮬레이션에 의한 경로가시연결도(VFp)와 시야가시연결도(VFf)를 제시하여 연구 목적에 따른 실효성 있는 시각구조 분석 및 프로젝트 적용성을 파악하였다.
    패스시뮬레이션에 대한 예시 프로젝트로 공간의 내외적 개방도 측정과 경로이동에 따른 시각적 구조의 변화, 동일한 길이를 갖는 순찰로에 대한 대안선정, 외부(단지)공간에 대한 건물별 시각적 접근성, 시각적 설치물의 입지선정, 천공개방도의 특성파악에 대한 분석 등을 수행하였다. 또한 각 분석들에서는 공간의 이용 예측빈도를 가중치로 반영하기 위하여 공간구문론의 광역적 지표와 지역적 지표가 실험적으로 적용되었다.
    비전시뮬레이션에 대한 예시 프로젝트로는 동일한 경로를 갖는 순찰로에 대한 비교검증, 경관관리요소에 대한 공동주택의 차폐도, 도시(단지)의 일조분포도 작성 등이 수행되었으며, 일조분포도 작성에서 가중치는 시간별 면적당 일조량이 적용되어 수정시야가시연결도(cVFf)를 산출하였다.
  • Index terms
  • 공간구조분석, 시각적 속성, 공간인지, 3D그래픽, 가상현실, 공간구문론
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