A virtual reality system frequently requires a virtual environment of existing urban area, and the urban model should be updated as consistent with the real urban environment which keeps changing. We need a method of modeling urban environment, which can utilize the geo-spatial information that is updated periodically.
This thesis describes a method of modeling and representing urban environment which utilizes characteristics of geo-spatial information. It allows modeling real world urban environment based on geo-spatial information with small resource and easy update. A bi-layered displacement mapping is proposed, which is composed of a global displacement mapping which utilizes the digital elevation map and a local displacement mapping which utilizes the National Geographic Information System of Korea.
The global displacement mapping represents the shape of terrain and the local displacement mapping represents the detail of urban buildings. The proposed method can model large urban environment with simple pre-processing which prepares the height map from the GIS data. Previous polygonal approaches usually omit to represent numerous buildings in the distance.
In order to represent the detail and the silhouette of protruded shape, this thesis proposes a protruded displacement mapping and applies it to the local displacement mapping of the bi-layered displacement mapping. Previous approaches for image-based displacement mapping can represent only shapes depressed from the polygon surface. The proposed technique can represent shapes protruded from the underlying surface in real-time. It can represent not only smooth displacement of protruded shape, but also steep displacement such as perpendicular protrusion by means of adding the supplementary texture information to the steep surface of protruded shape. By per-pixel instructions on the programmable GPU this approach can be executed in real-time. It provides an effective solution for the representation of protruded shape such as high-rise buildings in an urban area.
The bi-layered displacement mapping and the protruded displacement mapping proposed in this thesis are applied to geo-spatial information and the effectiveness has been verified through modeling experiments of real urban environment.
가상현실 시스템은 실제 존재하는 도시의 가상환경을 필요로 하며, 지속적으로 변화하고 있는 도시환경과 최대한 일치하는 도시 모델을 유지하여야 한다. 따라서 주기적으로 갱신되는 지형공간정보를 활용할 수 있는 도시 모델링 방법이 요구된다. 기존의 폴리곤 기반 가상환경 모델링 방법은 제작에 많은 인력과 시간이 필요하여 도시 가상환경의 모든 건물을 표현하지 못하고, 주기적으로 갱신되는 지리정보시스템의 활용에 적합하지 않다.
지형공간정보를 이용하여 실제로 존재하는 도시 환경을 비교적 적은 노력으로 모델링하고, 변화하는 도시 환경에 따라 주기적인 갱신이 용이하도록, 지리정보의 특성에 적합한 가상환경 모델링 및 표현 방법을 제시한다. 이를 위하여 수치표고모델을 이용한 지표면의 변위 매핑과, 국가지리정보시스템을 이용한 건물의 돌출 변위 매핑으로 구성되는 이중 변위 매핑 방법을 제안한다.
이중 변위 매핑 방법은 순수한 지형의 형상을 표현하는 전역 변위 매핑과 건물의 상세를 표현하는 지역 변위 매핑으로 이루어져, 지형공간정보의 활용과 갱신이 효율적으로 이루어진다. 제안된 방법은 건물의 높이 맵을 만드는 간단한 전처리 과정만으로 대규모 도시환경을 모델링 할 수 있어, 기존의 폴리곤 기반의 모델링 방법이 대규모 도시 가상환경에서, 멀리 있는 수많은 건물의 표현을 생략하였던 문제점을 개선하였다.
지역 변위 매핑에서는 돌출된 형상의 상세와 외곽선을 정확하게 표현 할 수 있는 돌출 변위 매핑을 제안하고, 실제 건물과 이중 변위 매핑에 적용하였다. 기존의 이미지 기반 변위 매핑 방법이 기준면에서 함몰된 형상만을 표현할 수 있는 것과 달리, 기준면에서 수직방향으로 돌출된 높이를 표현하여, 표면에서 돌출된 형상의 상세를 실시간으로 표현한다. 또한 폴리곤의 경계에서 시점에 따라 수직인 면을 추가하여, 기준면의 경계 외부로 초과하는 픽셀의 변위를 표현하였다. 이로써 경계부분의 돌출 형상에 대한 정확한 외곽선을 표현할 수 있다. 제안된 방법은 부드러운 돌출 형상의 표현과 더불어, 돌출 형상의 급격한 경사면에 텍스처 정보를 추가하여, 수직 돌출 형상을 포함한 급격한 경사면을 표현할 수 있다. 이 방법은 GPU 에서 수행 가능한 픽셀 단위 계산으로 이루어져 실시간으로 가시화가 가능하며, 경계부위의 정확한 외곽선의 표현과 급격한 돌출 형상의 표현이 가능하여, 고층 건물과 같이 기준면에서 돌출된 형상의 상세 표현에 사용된다.
본 논문에서 제안된 돌출 변위 매핑 방법을 실제 지형공간정보에 적용하여, 돌출된 형상 및 외곽선의 정확한 표현, 급격한 경사면의 이미지 왜곡 보정 및 상세정보 표현, 하드웨어 가속을 이용한 렌더링을 검증하였다. 또한 도시 가상환경에 적용하는 실험을 통해 제안된 이중 변위 매핑 방법을 검증하였다.
실제로 돌출된 형상에 대한 이미지 기반 표현과, 평탄한 표면에서의 돌출 형상의 경계에 대한 외곽선 표현은, 본 논문에서 제안한 돌출 변위 매핑 방법을 통하여 처음 시도 되었으며, 폴리곤 기반의 모델과 병행 및 하드웨어 가속이 가능한 장점이 있다.
