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ISSN : 1225-8857(Print)
ISSN : 2288-9493(Online)
Journal of Korean Society of Rural Planning Vol.19 No.4 pp.177-189
DOI : https://doi.org/10.7851/ksrp.2013.19.4.177

무료 Web GIS와 보급형 게임엔진을 이용한
다중플랫폼 3차원 인터랙티브 농촌경관 시뮬레이터 개발

이성용, 김태곤, 이지민* , 서교
서울대학교 농업생명과학대학 생태조경∙지역시스템공학부, 농업생명과학연구원, 그린바이오과학기술연구원
* 서울대학교 농업생명과학대학 연수연구원

Development of Multi-platform 3D Interactive Rural Landscape Simulator with Low-cost Web GIS and Game Engine

Kyo Suh, Lee SungYong, Kim Taegon, Lee Jimin*
Department of Landscape Architecture and Rural Systems Engineering, Seoul National University
* College of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University

Abstract

3D modeling and rendering technologies are getting more attention from landscape planners and architects because thevirtual reality based on 3D graphic technology could give more realistic experience to landscape simulation users and boostpromotional effects. The 3D landscape simulation, however, not only requires a lot of cost and time in production, but also demandsefforts to distribute to consumers due to various computing environment of them. The purpose of this study is to suggest a processfor developing an interactive 3D landscape simulator with low-cost, which can support multi-platform functionality in high qualitythrough reviewing related current software and web services. We select GIMP for 2D image texturing, SketchUpfor 3D modeling,Unity for real-time rendering, and Google Earth for terrain modeling considering price and workability and apply the developedprocess for Windows, Web, and Android versions to test the applicability for Sangji-ri, Gosam-myeon, Gyeonggi-do, Korea.

I. 서 론

1. 연구의 필요성

 경관시뮬레이션은 경관의 중요성에 대한 인식확대와 함께 그 적용분야가 넓어지고 대중화되고 있다. 경관개선사업의 설계과정 및 의사결정단계에서 사업 전후 및 다양한 대안 설계에 대한 비교분석을 위해 경관시뮬레이션을 이용하고 있을 뿐만 아니라(권니아와 임승빈, 2008 김진효 등, 2012), 시공단계나 사업 후에도 일반인들을 대상으로 홍보효과를 증대하기 위해 경관시뮬레이션을 이용하고 있다. 또한 조경학∙건축학적 관점에서 사람들이 느끼는 인지적∙주관적 심리적 요소와 경관특성간의 관계를 분석하는 데에도 사용되고 있다(정성관 등, 2012 천현진과 김성균, 2010). 이처럼 다양한 분야에서 경관시뮬레이션이 사용되고 있으며, 가장 보편적인 방법은 실제 경관사진에 컴퓨터 그래픽작업을 함으로써 가상의 경관사진을 작성하고 이를 사람들에게 보여주는 방법이다.

 그러나 합성된 경관사진을 슬라이드로 보여주는 방법은 실제 인간이 환경 안에서 자유롭게 받아들이는 많은 인지작용을 제한하기 때문에 실질적인 평가를 기대하기 어려우며, 이러한 문제는 농촌경관의 경우 더욱 두드러지게 된다. 박광수(2000), 장문현(2005) 등은 경관시뮬레이션의 결과가 조망점에 따라 현저하게 달라지는 경우가 많은데, 대부분의 경우 작성자의 의도나 편의에 의해 조망점이 결정되기 때문에 객관적이며 다각적인 경관평가 가 어렵다고 지적하였다. 특히 드라이브 코스와 같이 실제 환경에서는 관찰자의 시점이 계속 움직이는 경우, 정지된 사진으로 작성된 경관시뮬레이션으로 경관평가를 하는 것이 합리적이지 않다는 지적도 있다(김충식과 이인성, 1999). 실제 환경에서 경관을 관찰∙감상하는 사람은 경관요소에 대한 관심에 따라 초점을 옮기거나 시야를 옮기는 등의 능동적인 행동을 통해 경관과 상호작용을 하는데 비해, 슬라이드를 보여주었을 때는 이러한 행동들이 제약되기 때문이다. 이러한 한계는 도시경관에 비해 넓은 공간에 펼쳐진 전원농촌 경관을 평가할 때 더욱 차이가 극명해질 수 있다.

 최근 수십년 사이에 급속도로 발전된 하드웨어와 소프트웨어 기술은 3차원 그래픽 기술에도 이어져 더욱 첨단화되고 대중화 되었다. 게임업계에서는 이러한 기술진보를 가장 예민하게 받아들여, 향상된 이동통신 속도와 대중화된 모바일 앱 시장을 발판으로 게임시장의 규모와기술을 확대해 나가고 있다. 이로 인해 과거 주로 데스크탑에서 이루어지던 3차원 모델 렌더링 작업이 PC에서 뿐만 아니라 안드로이드 기기, 아이폰, 태블릿 등의 다양한 모바일 기기나 인터넷 브라우저 상에서도 원활하게 이루어지면서, 요즘의 사용자들은 이들 기기에서도 가상현실을 체험하기를 기대하고, 버퍼링이나 끊김현상을 느끼지 못할 정도의 즉각적인 반응속도를 원한다. 이처럼 변화한 사용자의 요구 비추어 볼 때 기존의 데스크탑 환경에서의 경관시뮬레이션은 제한된 사용자 경험을 제공한다는 한계를 갖고 있다. 그러나 이처럼 높아진 연구자 및 사용자들의 기대를 한정된 비용과 시간으로 만족시킬 수 있도록 경관시뮬레이션을 3차원 가상현실로 구현하는 것은 쉽지 않은 일이다.

2. 연구동향

 기존 경관시뮬레이션이 갖고 있는 한계를 보완하고 다양한 분야로 적용시키기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 장문현(2005)은 Web 3D GIS 기술을 이용하여 3차원 경관시뮬레이션을 인터넷 브라우저 상에서 가능하도록 구현함으로써 사업대상지구의 주민들이 설문에 참여할 수 있도록 하였다. 박미정 등(2008)은 구글에서 제공하는 구글어스, 구글스케치업, 구글 3DWarehouse, Panoramic 등의 웹서비스와 오토캐드를 이용하여 농촌경관을 시각화하고 공유하는 방법에 대해 연구하였다. 김석태(2012)는 도시차폐요소를 평가하기 위하여 3차원 미디어를 활용한 총체적 경관평가시스템을 개발하였다. 이들의 연구는 가상현실 기술을 이용하여 경관을 구현함으로써 사용자가 가상 경관을 체험할 수 있도록 했다는 점에서 의의가 있다. 그러나 위의 연구 결과물은 사용자의 입력에 대해 빠른 반응속도를 갖지 않기 때문에 실시간으로 동적인 시뮬레이션을 하기는 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 노력이 가상현실 기술을 이용하는 것이며, 이에 따라 최근에는 박근혜 대통령인수위원회에서도 자신들이 주창하는 창조경제의 예로 3차원 가상체험 기술을 언급할 정도로 이에 대한 필요성을 인식하고 있다(김은표, 2013 이도형, 2012).

 이러한 시대적 요구를 충족시키기 위해 경관시뮬레이션 분야에서는 실시간 렌더링 기술을 탑재하고 있는 게임엔진을 이용하는 연구도 진행되었다. Herwig와 Paar(2002)는 GIS툴인 ArcView와 언리얼 게임엔진을 이용한 경관시뮬레이션을 제안하였으며, Herrlich(2007)는 크라이 게임엔진과 GIS데이터를 이용하여 경관시각화를 하는 방법을 제시하였다. 그러나 위의 방법으로 3차원 인터렉티브 경관시뮬레이터를 구축할 경우, 제작 비용 및 시간, 디바이스 제약에 따른 배포의 어려움 등의 문제가 따른다. 더불어 경관시뮬레이션을 구현함에 있어 더 정확하고 높은 품질의 결과물을 만드는 것은 언제나 지향해야 할 목표이지만 항상 비용과 작업량의 문제가 뒤따르게 된다. Groat과 Wang은 경관시뮬레이션을 구현할 때 비용(cost)과 작업성(workability)을 고려해야 한다고 주장했으며(Groat & Wang, 2002), Al-Kodmany(1999)역시 경관시뮬레이션 구현의 중요 요소 중 하나로 비용을 꼽았다. 이처럼 게임엔진을 이용한 경관시각화 방법을 제안한 많은 연구들은 가격이 매우 고가이며 그 사용방법을 익히는 데에도 상당시간의 훈련시간이 필요한 전문가용 프로그램과 데이터를 사용하고 있어 대규모의 사업비와 전문인력을 갖추지 못한 개인 혹은 소규모 단체들이 선택할 수 없는 경우가 많다.

 또한 과거 윈도우로 국한되던 컴퓨팅 환경과 달리 최근에는 IT기술의 발전으로 윈도우, 맥, 유닉스는 물론 안드로이드, iOS등의 모바일 환경까지 보편적으로 이용되고 있다. 이는 사용자의 편의를 위해 다양한 기기와 운영체제에서 구동이 가능하도록 배포해야 한다는 것을 의미하는데, 과거의 방법으로는 기술적으로 어렵다는 한계가 있다.

3. 본 연구의 목적

 따라서 본 연구에서는 경관시뮬레이터를 사용자와 상호작용한 가상현실로 구현하되 다양한 디바이스에서 구동이 가능하도록 다중플랫폼을 지원하며, 구현과정에서 무료소프트웨어와 인터넷 위성자료를 이용하여 비용을 절감하는 조건을 만족시키고자 하였다. 이를 통해 기술적 어려움과 높은 개발비용과 시간 등의 문제로 인해 3차원 가상현실에 기반한 경관시뮬레이터의 진입장벽을 낮추고자 하였다.

 이를 통해 3차원 게임엔진의 실시간 렌더링 기술을 이용하여 사용자의 조작에 따라 실시간으로 사실적인 경관을 표현하면서도 기존의 동영상이나 슬라이드를 보여 주는 방식에 비해 관찰자의 자유도를 높일 수 있도록 하였다. 또한 안드로이드, iOS 등의 모바일기기, 윈도우, 유닉스, 맥 등의 퍼스널 컴퓨터에서 구동이 가능하고, 인터넷 접속만으로 브라우저 상에서 실행할 수 있도록 하였다.

II. 연구방법

1. 관련기술 분석

가. 2D 그래픽 소프트웨어

 경관시뮬레이션에 2D 그래픽 소프트웨어는 필수적인 요소이다. 일반적으로 사진 합성을 해서 2차원 이미지를 만드는 일반적인 방법에서는 물론, 3D로 모델링을 하는 방법에서도 물체의 표면 텍스처링을 위해 필요하기 때문이다. 다양한 2D 그래픽 소프트웨어가 존재하나, 전문적인 작업을 할 수 있는 소프트웨어 중 가장 대표적인 제품은 어도비사의 포토샵과 자유소프트웨어인 GIMP를 비교 분석하였다.

Table 1 포토샵과 GIMP의 비교

 어도비사의 포토샵은 상업용 소프트웨어이고 GIMP는 100% 무료로 제공되고 소스코드까지 공개되어 있는 자유소프트웨어이다. 포토샵은 버전에 따라 그 가격이 상이하나, 최신버전인 CS7은 매년 25만원 이상을 납부하여 임대하는 형식으로 라이선스 정책이 바뀌었고, 완전구입이 가능했던 CS6의 경우 145만원 이상의 고가였다. 이에 비해 GIMP는 100% 무료로 사용할 수 있는 자유소프트웨어임에도 포토샵에서 지원하는 대부분의 기능을 수행할 수 있다는 큰 장점이 있다 (Solomon, 2009).

 사진 보정이나 그리기 도구 중 전문적인 Add-on은 포토샵과 GIMP 모두 추가할 수 있는데, 포토샵 쪽이 좀더 다양한 편이다. 그러나 그 가격이 고가에 책정되어 있어, 무료 혹은 저렴한 가격에 추가할 수 있는 GIMP와 대조를 이룬다. 색상관리(Color management)의 측면에서는 포토샵이 32bit를 지원하여 16bit만을 지원하는 GIMP에 비해 확실한 우위를 갖고 있다. 이 우위는 초고화질의 사진을 대형으로 출력하는 경우 그 차이가 발생할 수 있는데, 2013년 현재 TV 혹은 모니터 등 최고사양의 디스플레이 기기도 10bit 이상의 색상을 구현하지 못하기 때문에 디스플레이 기기를 이용해야 하는 본 연구에서는 그 차이가 무의미하다. 소프트웨어 설치 및 구동시 필요한 하드웨어 자원의 측면에서는 GIMP 쪽이 적어 유리하므로 저사양의 컴퓨터에서도 무리없이 구동할 수 있다는 장점이 있다.

나. 3D 모델링 및 렌더링 소프트웨어

 경관시뮬레이션을 3차원 가상현실 기반으로 구현하기 위해서는 결과물에 사용될 건물, 조형물, 시설물 등 다양한 경관요소들이 3차원 객체로 모델링 되어야 한다. 현재 3차원 모델링 분야에서 가장 널리 이용되고 있는 소프트웨어는 오토데스크사의 오토캐드, 3D max와 GNU 프로젝트의 일환으로 개발되고 있는 블렌더, 구글과 Trimble사에 의해 배포되고 개발되고 있는 스케치업 등이 있다.

Table 2 3차원 그래픽 툴 비교(3D Max, Blender와 Sketchup)

 3D Max는 오토데스크사에서 개발한 소프트웨어로서 3D 모델링과 텍스처링, 렌더링, 리깅(Rigging) 등 3D 애니메이션 제작에 특화된 소프트웨어이다. 이 소프트웨어는 600만원 이상의 전문가용 고가제품이다. 이에 비해 Blender는 GNU 소프트웨어를 지향한다. 따라서 무료로 다운로드 받아서 자유롭게 이용할 수 있으며, 3D Max에서 수행할 수 있는 모델링, 텍스처링, 렌더링, 리깅(Rigging) 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.

 스케치업은 블렌더나 3D max에 비해 렌더링 시 품질이 좋지 않고, 모델의 관절을 만들어 애니메이션 효과를 부여하는 등의 리깅 작업에는 적절하지 않다는 약점이 있다. 그러나 경관시뮬레이터에서 필요한 작업은 캐릭터작업보다는 건축물, 지형지물 등의 경관요소가 주가 되므로 이러한 리깅작업은 불필요하며, 고품질의 렌더링기술은 게임엔진을 이용하기 때문에 이러한 약점들이 큰 문제가 되지 않는다. 이에 비해 훨씬 적은 학습 시간만으로 경관시뮬레이션을 구축하는데 필요한 기본적인 기술들을 익힐 수 있고 특히 다른 소프트웨어들과 달리 구글어스의 지형정보를 불러와서 곧바로 작업할 수 있어 작업시간과 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

다. 게임엔진

 게임시장의 성장으로 수많은 게임이 개발되어 장르화되면서 게임 개발과정에서 공통적으로 필요한 요소들이 정형화 되었다. 이에 따라 게임개발을 하는 데에 공통적으로 필요한 기술적 요소를 집적한 소프트웨어, 즉 게임엔진을 전문적으로 만들어 개발사 및 개발자들에게 판매∙공급하는 전문업체들이 등장하였다. 이를 통해 게임제작사는 이들 게임엔진을 이용하여 스토리나 캐릭터, 애니메이션 등 게임 컨텐츠 자체에 집중할 수 있게 되었다. 이러한 게임엔진의 장점을 이용하면 우리가 목표로하는 경관시뮬레이션을 첨단기술을 이용하여 더욱 사실적이면서도 사용자와의 상호작용을 가능하도록 구현할 수 있다. 현재 시장에서 인정받는 대표적인 게임엔진 중 무료 사용이 가능한 것은 유니티와 UDK가 있다.

Table 3 무료 게임엔진의 비교(유니티와 UDK)

 유니티와 UDK는 무료 게임엔진임에도 불구하고 높은 수준의 그래픽 구현이 가능하다. 지원 플랫폼은 두 엔진 모두 Adobe Flash, iOS, Android, Mac, Windows와 다양한 콘솔 게임기까지 다양하다는 공통점이 있다. 그러나 유니티가 좀 더 배우기 쉽고, 다양한 형식의 3차원 모델, 사진파일, 오디오 파일을 지원한다는 점에서 장점이 있다. 특히, 유니티는 C#, Javascript 등의 언어를 지원하는데 비해 UDK는 uScript라는 전용 언어를 사용해야 한다는 한계가 있다. 이는 여타 연구 목적으로 작성된 소스코드를 이용하고자 할 때, 유니티는 바로 이용이 가능한데에 비해 UDK는 다시 uScript로 코딩을 해야한다는 문제점으로 작용할 수 있다.

라. Web GIS

 3차원 경관시뮬레이션을 구현하는 과정에서 위성자료를 이용하면 작업 과정의 효율성과 결과의 정확성을 높일 수 있다. 고도자료를 3차원 모델로 변환한 뒤, 위성사진(혹은 항공사진)을 그 3차원 모델에 텍스쳐링 함으로써 지형을 구현할 수 있기 때문이다. 이렇게 텍스쳐링까지 한 지형은 그 자체만으로 사실적일 뿐만 아니라, 보다 정교한 결과물을 위해 다른 3차원 경관요소들을 배치할 때 중요한 참고자료가 된다. 다양한 업체에서 인터넷 위성자료 서비스를 제공하고 있으나, 이들 중 본 연구의 목적에 부합하는 서비스로 ‘구글어스’와 다음 커뮤니케이션의 ‘다음 3D 지도’를 선정하여 비교 분석하였다.

 구글 어스(Google Earth)는 고도자료, 위성사진 등의 위성자료와 건축물 등의 3D 모델, 지도 정보 등을 담고있는 무료 웹GIS 서비스이다. 2000년대 중반부터 서비스되기 시작한 구글어스는 API 공개를 통해 지도 서비스인 구글맵, 사진 공유 서비스인 파노라미오, 3차원 모델링 소프트웨어인 스케치업 등 다양한 형태로 재가공하고 공유할 수 있는 방법으로 진화하였다. 많은 연구자들도 구글맵과 구글어스의 API를 이용한 연구결과를 내놓고 있으며(Boulos, 2005 Lozano-Fuentes et al., 2007 Lozano-Fuentes et al., 2008 Yamagishi et al., 2010), 구글어스를 이용하여 경관시뮬레이션을 하는 방법도 활발히 연구되고 있다(Wolk, 2008 Wu et al., 2010 박미정 등, 2008). 뉴욕이나 런던 같은 유명도시의 경우 위성사진이나 항공사진의 품질이 매우 높아 평균 수미터에 불과한 높은 해상도를 보이고, 도시의 건축물도 3차원 모델링으로 많이 구축되어 있어 구글어스만으로 도시의 스카이라인은 물론 건물의 형태를 확인할 수 있을 정도이다. 그러나 해외 기업인만큼 국내에 대한 자료는 많이 부족한 상태이다. 특히 비도시지역의 경우 건물의 3차원 모델링은 거의 되어 있지 않고, 위성사진의 해상도도 많이 떨어진다는 단점이 있다.

 국내 3D Web GIS 서비스를 제공하는 기업은 다음과 네이버가 대표적이다. 이 중 다음3D지도는 항공사진을 이용하여 지형을 텍스쳐링하여 구글어스에 비해 높은 해상도를 보여주고 있다. 또한 국내 주요 유적이나 건물은 정밀하게 3D 모델링 및 텍스쳐링이 되어 있고, 일반 주택이나 아파트, 학교 등의 건물들도 3차원으로 형상을 만들어놓았다는 점에서 국내 자료에 대해서는 구글어스보다 강점이 있는 것으로 판단된다. 그러나 웹브라우저상에서 플래시를 통해 보여주는 서비스에 그칠 뿐, 아직 구글어스처럼 지형이나 건물3차원 모델을 다운받는다거나, API가 공개되어 다른 연구나 서비스에 응용할 수는 없다는 점이 약점이다. 현 시점에서 다음 3D지도를 이용하는 것은 어려우나, 국내 3차원 경관정보가 가장 잘 구축되어있고, 다음의 여타 지도 관련 서비스들의 API 공개도 충실히 했던 점을 고려하면 추후에는 활용범위가 넓을 것으로 판단된다.

마. 소프트웨어 선정

 위의 분석결과를 바탕으로 저비용으로 다양한 디바이스 및 환경에서 실행가능한 인터렉티브 경관시뮬레이션을 구현하기 위해 필요한 소프트웨어와 서비스를 선정하였다. 우선 경관시뮬레이션에서 필요한 사진합성과 텍스쳐 이미지 편집을 위한 2D 그래픽 소프트웨어는 높은 성능을 가졌으면서도 자유소프트웨어라 비용부담이 없는 GIMP를 선택하였다. 3D모델링 소프트웨어는 구글에서 무료로 다운 받을 수 있고 건물 등의 모델링을 간편하게 할 수 있는 구글스케치업을 택했다. 특히 구글 스케치업은 구글어스의 지형자료와 3차원 건물 모델을 다운받아 곧바로 연동하여 모델링할 수 있다는 점에서 장점이 있다. 이에 따라 Web GIS 서비스도 구글어스를 선택하는 것이 유리하다고 판단하였다.

 게임엔진은 언리얼, 크라이, 유니티 모두 프로버전의 경우 수백에서 수억원에 달하기 때문에 교육적, 비상업적 사용에 대해서는 무료로 사용할 수 있는 UDK, Cry Free SDK와 유니티 프리버전을 이용할 수 있다. 이 중 유니티는 윈도우, 맥, unix, 웹, iOS, 안드로이드 등 다양한 환경에서 구동이 가능하도록 배포하기가 쉽고 사용자들의 커뮤니티도 잘 구성이 되어 있어 문서화가 잘 되어 있다. 또한 다른 게임엔진의 유료버전 가격이 매우 고가에 책정되어 있는 것에 비해, 유니티의 유료버전의 가격은 165만원(2013년 8월 기준) 정도로 저렴한 편이기 때문에 무료버전으로 경관시뮬레이터를 프로토타입으로 작성한 이후 더 높은 수준의 품질을 원할 경우, 유료버전을 구입하여 최신의 3차원 그래픽 기술을 이용할 수 있는 장점을 가진다.

2. 경관시뮬레이터의 구현

 위에서 선정한 소프트웨어와 웹GIS자료를 이용하여 Figure 1의 과정을 따라 경관시뮬레이터를 구현할 수 있다. 먼저 지형과 세부경관요소를 3차원 모델링하고, 모델링한 가상의 경관 내에서 사용자가 걸어 다니며 관찰할 수 있도록 캐릭터를 생성하여 캐릭터의 움직임 혹은 카메라의 조작이 가능하도록 프로그래밍 한 뒤, 원하는 타겟 디바이스와 OS에 따라 결과물을 출력하여 배포하였다.

Figure 1 경관시뮬레이터의 구현과정

가. 3D 모델링
구글어스의 위성자료를 게임엔진 지형으로 변환

 Web GIS 서비스인 구글어스의 지형정보를 이용하면 더욱 사실적이고 정확한 3차원 지형모델을 만들 수 있다. 구글 스케치업을 이용하여 구글어스의 지형정보와 위성사진을 곧바로 불러와 3차원 모델로 변환하였다.

 이렇게 만든 3차원 지형은 그래픽적인 요소만 부여된 것이기 때문에, 유니티 게임엔진에서 사용하기 위해서는 물리적 성질을 부여해야 한다. 사용자는 스크린 상의 가상의 지형 위를 걸어 다니며 사람의 눈높이에서 경관을 관찰할 수 있도록 할 것이므로 지형이 물리적으로 사용자의 캐릭터를 지탱할 수 있도록 해야 하기 때문이다. 유니티에서는 스케치업 파일형식을 지원하지 않으므로 지형 3D모델을 colladae형식으로 추출하여 사용하였다.

 유니티에서는 자체적인 지형 형식과 지형 편집 도구를 갖추고 있어 이를 이용하면 편리하게 식생이나 도로, 강 등을 모델링 할 수 있다. 따라서 위성자료를 이용해 작성한 3차원 모델을 유니티의 지형정보로 변환하는 것이 필요하였으며, Eric Haines의 "Object2Terrain"이라는 자바스크립트 소스를 사용하였다 (Haines). 따라서 위성자료로 작성한 지형모델을 유니티로 불러온 다음, 유니티에서 지형 객체를 생성하고, 이 소스코드를 이용하여 유니티의 지형 객체를 불러온 지형모델의 형상과 같아지도록 수정한다. 이렇게 생성된 유니티 지형은 텍스쳐가 적용되어 있지 않기 때문에 회색으로 남아있으므로, 해당 위치의 위성사진이나 항공사진을 이용해 텍스쳐링 해주면 그 자체만으로 개략적인 모습을 표현할 수 있으며, 추후 건물이나 식생을 모델링하고 배치시킬 때 큰 도움이 된다.

세부 경관요소 모델링

 경관 시뮬레이션 및 시각화에 대한 많은 연구들은 도시경관의 주된 요소인 건축물이나 주요 시설물의 모델링 과정을 단순화하거나 자동화하는데 초점을 맞추고 있다. 이에 비해 산림이나 초목 들은 2차원 텍스쳐로 간략하게 표현하는 경우가 많다. 그러나 농촌경관은 산림, 초목, 강 등의 자연적 요소들이 주를 이루고 있어 이러한 자연적 요소들을 어떻게 묘사하는가에 따라 시각화의 품질이 크게 좌우하게 된다.

 특히 본 연구에서는 3차원 가상현실로 사용자와의 상호작용을 할 수 있도록 경관시각화를 구현하고자 하기때문에 더 높은 수준의 표현이 필요하다(Muhar, 2001). 따라서 나무나 풀과 같은 요소들도 3차원으로 묘사하고 배치해야 할 필요가 있다. 유니티의 지형도구는 이들 초목을 대규모로 생성하고 배치시킬 수 있는 방법들을 제공하고 있으며, 유니티의 앱스토어에서 다양한 종류의 3차원 초목 모델을 무료로 다운받거나 구입할 수 있도록되어 있다. 이들 도구 및 모델 등을 이용하여 도로, 잔디, 산림과 같이 상세한 지형 경관 개체를 표현하기 위하여 기본 지형 경관 표면을 고해상도의 사진으로 텍스쳐링하여 가까이에서 지형을 관찰하더라도 사실적인 질감을 느낄 수 있도록 가상공간을 구축하였다. 특히 숲이 우거지거나 나무가 심어져 있는 부분은 라이브러리로 제공되는 다양한 3차원 나무 모델을 배치시켜 현실감을 느낄 수 있도록 하였다.

 건축물 역시 중요한 경관요소 중 하나로서 앞서 제시한 다양한 3D 모델링 소프트웨어를 이용해 구성할 수 있다. 건물을 모델링하기 위해서는 그 건물을 표현한 3차원 모델과 표면의 텍스쳐로 이용할 사진이 필요하므로 본 연구에서는 구글 스케치업을 이용하여 항공사진을 바탕으로 건축물을 3차원 모델로 구성하고, 편의상 다음 로드뷰를 이용하여 텍스쳐로 사용할 사진을 확보하였다.

 경관시뮬레이션이 더욱 사실적으로 보이게 하기 위해서는 적절한 위치에 조명을 배치하고, 사용자의 조작에 따라 하늘이 자연스럽게 렌더링 되도록 구현해야 한다. 이에 따라 유니티에서 자체적으로 지원하는 조명 기능을 이용하였고 그 중에서 "Directional Light"를 여러 개 다른 각도와 강도로 배치시켜 자연스러운 태양광을 묘사하도록 하였다. 또한 하늘은 조명의 밝기에 맞춰 적절한 하늘 텍스쳐를 렌더링하도록 구현하였다.

나. 사용자 캐릭터 및 카메라 구현

 가상으로 구현된 경관시뮬레이션 상에서 사용자는 입력기기를 통해 자신의 위치를 이동시키고 시야를 결정할 수 있도록 설계하였다. 컴퓨터를 이용해 본 경관시뮬레이션을 실행시킨 경우 방향키를 이용해 앞, 뒤, 좌, 우로 이동할 수 있게 하였으며, 마우스를 움직이면 자신이 보고 싶은 방향으로 시야를 옮길 수 있도록 C#언어를 이용하여 개발하였다. 빠르게 이동하고 싶은 경우 왼쪽 시프트 키를 누르면 더 빠른 속도로 이동할 수 있도록 하였다.

 사용자가 조종하고 있는 캐릭터가 보이지 않는 1인칭 시점과 사용자가 조종하고 있는 캐릭터가 보이는 3인칭 시점 두 가지로 구현하고 경관시뮬레이션 구현 목적에 맞게 선택할 수 있도록 하였다. 1인칭 시점의 경우 자기 자신의 모습은 보이지 않으므로 연구나 사업효과 분석 등의 목적으로 사용할 수 있을 것으로 기대되며, 3인칭 시점은 자기 자신의 모습을 보여줌으로써 흥미를 유발하고 사업 홍보 및 전시에 이용될 수 있을 것이라고 판단하였다. 1인칭 시점의 캐릭터는 카메라에 보이지 않으므로 원통형으로 단순하게 구현하고 사용자의 입력에 따라 위치만 이동하도록 하며 눈높이에 카메라가 위치하도록하여 가상의 공간을 지면으로부터 170cm 높이에서 볼 수 있도록 하였다. 3인칭 시점은 사용자가 조종하고 있는 캐릭터가 보여야 하기 때문에 175cm의 3차원 캐릭터 모델을 이용하고 걷고 달리는 모습이 자연스럽게 묘사되도록 걷기, 달리기, 방향 전환 등 여러 가지 애니메이션 효과를 추가하여 구현하였으며 카메라가 사용자 캐릭터의 움직임에 따라 어깨 너머에 계속 위치하도록 하고 카메라가 너무 급속하게 움직여 경관시뮬레이션 본래의 목적을 달성하지 못할 가능성이 있어 부드럽게 움직이도록 댐핑효과를 부여하였다. 이때 애니메이션은 유니티에서 자체 제공하고 있는 Mecanim툴을 이용하였다.

 지형과 건물에 대한 모델링이 끝난 이후에는 가상공간 상에서 사용자의 입력에 따라 움직일 캐릭터에 대한 모델링 작업이 필요하다. 캐릭터의 외형은 Figure 2과 같이 라이브러리로 제공되는 모델 중 선택하여 활용하였으며, 사용자의 조작에 따라 캐릭터의 움직임 및 카메라의 이동, 회전에 관한 로직은 C#언어를 이용하여 프로그래밍하였다..

Figure 2 사용자의 캐릭터와 카메라 스크립팅

다. 사용자 행동이력 기록

 이렇게 구현된 3차원 가상현실 공간에서 매 프레임마다 사용자의 위치와 방향을 기록할 수 있으며, 이를 통해 다양한 사용자들이 자유롭게 경관시뮬레이션을 구동함에 따라 그들의 위치와 조망방향이 파일에 기록되도록 프로그래밍할 수 있다. 이를 이용하면 경관시뮬레이션 구현 및 제공자는 이 데이터를 축적하여 공간성 분석, 경로분석, 조망방향 분석 등을 수행할 수 있어, 기존의 경관시뮬레이션에서 얻을 수 없는 정보들을 얻을 수 있다.

 본 연구에서는 사용자의 캐릭터에 C#을 이용하여 행동이력을 기록하도록 프로그래밍하였다. 매 프레임마다 기록이 가능하지만, 디바이스 환경에 따라 초당 프레임수가 다르기 때문에 2초마다 한번씩 기록하게 하였으며, 사용자는 캐릭터를 몸을 돌려 좌우로 회전시킬 수 있고, 고개를 들어 상하로 움직일 수 있으므로 사용자의 위치를 x, y로, 사용자의 조망방향을 p(정면 축), q(측면축), r(수직축)로 기록하도록 하였다.

라. 실행파일 작성

 상기의 과정을 통해 가상현실을 구현한 후 시연 및 배포를 위해서는 윈도우, 맥, 리눅스, iOS, 안드로이드, 웹 등 다양한 환경에서 구동이 가능하도록 결과물을 실행파일로 작성해야 한다. 또한 컴퓨터 성능에 따라 적절한 해상도와 초당 프레임 수를 갖도록 설정할 수 있어야 어떠한 환경에서도 원활하게 진행할 수 있다. 유니티에서는 위의 환경을 모두 지원하는 형태로 결과물을 실행 파일을 출력할 수 있으며, 실행파일을 구동하면 컴퓨터 성능에 맞게 해상도와 초당 프레임 수를 설정할 수 있도록 되어 있다.

 본 연구에서는 윈도우 환경에서 구동이 가능하도록 exe파일로 추출하는 방법과, 인터넷 브라우저 상에서 실행할 수 있도록 html파일 추출하는 방법을 구현하였으며, 또한 모바일 환경에서의 테스트를 위해 안드로이드 버전을 제작하여 테스트하였다.

 예시로 개발한 경관시뮬레이션 환경을 실행한 모습은 Figure 3과 같으며, 키보드 방향키와 마우스 조작을 통해 사용자가 원하는 조망점에서 원하는 방향의 경관을 실시간으로 렌더링하여 보여준다. 경관 시뮬레이션 환경은 1인칭 시점과 3인칭 시점의 2가지 체험 기능을 제공하도록 설계하였다. 1인칭 시점은 사용자가 가상공간 내에서 직접 움직이는 것처럼 느끼게 함으로써 체험 효과를 높이고, 가상현실 체험헬멧과 같이 가상체험 기기와 접목하여 활용하기에 유리한 장점이 있다. 반면 3인칭 시점은 가상공간 내에서 움직이는 캐릭터를 조정함으로써, 경관 요소의 상대적 크기, 길이에 대하여 객관적으로 인지하기 쉽다는 장점이 있다.

Figure 3 1인칭 시점(a)과 3인칭 시점(b) 실행 장면

III. 경관시뮬레이터의 농촌경관 적용

 개발한 경관시뮬레이터를 경기도 안성군 고삼면 쌍지리의 경관에 적용하였다. 고삼면은 총 면적 27.79㎢의 면적에 쌍영산, 쌍령산, 경수산 등이 둘러싸고 있고, 계곡의 평야지대에는 논농사가 주를 이루는 가운데, 농가와 축사가 뒤섞여 있는 근래의 전형적인 농촌마을이다. 이 지역은 인근 봉산리의 꽃뫼마을 사업 이후, 쌍지리에서는 산문마을이라는 이름으로 어메니티 증진 사업을 꾀하고 있는 지역으로 향후 지역주민들의 의견 공유와 참여가 필요한 지역이다.

 Figure 4는 고삼면 쌍지리의 지형정보를 모델링하여 게임엔진의 객체로 변환한 모습이며, Figure 5는 그 지역을 모델링하여 사용자의 조작에 따라 실시간으로 렌더링 될 수 있도록 구현하여 구동하는 장면이다. 근경에서는 바람에 따라 벼 등의 작물들이 흔들리는 것을 관찰할 수 있고, 쌍영산, 쌍령산, 경수산 등의 산림도 구글어스의 지형정보를 이용하여 모델링 하였다는 것을 알 수 있다.

Figure 4 안성시 고삼면 쌍지리의 지형자료 모델링 (유니티 엔진에서의 모습)

Figure 5 안성시 고삼면 쌍지리 적용 모습

 Figure 5의 시뮬레이션 결과는 특정 위치에 가면 벌레들이 날아오르고, 바람에 흔들리는 수풀과 나무의 모습이 동적으로 구현되어 있으며, 벌레나 바람소리 등이 재생되도록 되어 있으나, 지면을 이용해야하는 한계로 인해 이들 요소를 다 표현하고 있지는 못하다.

 본 연구에서는 데스크탑 운영체제인 윈도우용으로 실행파일을 생성하여 경관시뮬레이션을 시험하였으며, 연구 결과를 체험할 수 있도록 웹 브라우저용 및 안드로이드 버전으로도 제작하였다. 웹으로 배포한 연구결과는 Figure 6(a)와 같으며, 연구결과를 업로드 해둔 웹서버(http://asse.snu.ac.kr/3d_sim/)에 접속하면 누구나 이용할 수 있다. Figure 6 (b)는 동일한 결과물을 윈도우에서 실행할 수 있도록 exe파일을 생성하여 실행시킨 모습으로, 인터넷 주소만으로 배포할 수 있는 웹버전에 비해 복잡하다는 단점이 있으나, 더욱 매끄럽고 고품질의 영상을 제공한다는 장점이 있다.

Figure 6 웹버전(a)과 윈도우 앱 버전(b) 실행 장면

 경관시뮬레이터의 안드로이드 버전은 2.1 이상에서 작동하도록 작성하였으며, 이를 안드로이드 4.0.4가 설치되어 있는 갤럭시 노트 10.1에서 테스트 하였다. Figure 7과 같이 사용자는 화면을 터치하고 드래그하는 방식으로 조망점과 조망방향을 움직일 수 있어 앞서 테스트한 웹버전이나 윈도우 버전과 같은 방식으로 사용할 수 있다. 이를 통해 스마트폰이나 태블릿에서 이 결과물을 구동하였다.

Figure 7 안드로이드 버전 실행장면(a)와 캡쳐이미지(b)

 본 연구는 인터렉티브한 경관시뮬레이션을 3차원 가상현실로 구축하고 이를 윈도우, 맥, 스마트폰, 웹 브라우저 등 다양한 컴퓨팅 환경에서 실행할 수 있도록 구현하는 데에 목표를 두고 있다. 농촌경관 요소들을 모델링하는 과정은 기존의 3차원 모델링 방법과 유사하나, 게임기술을 접목하는 후처리 작업을 통하여 몇가지 이점을 취할 수 있다. 제안한 모델을 통해 기존의 경관시뮬레이션 방법에서 수동적인 역할만을 부여 받았던 평가자가 자신의 의지대로 조망점과 조망방향을 조정해가며 능동적인 참여를 할 수 있으며, 배포자 입장에서도 다수의 참여자를 확보할 수 있다는 이점을 갖게 된다. 이처럼 사용자를 수동적으로 경관을 감상하는 입장에서 벗어나 스스로 행동할 수 있도록 함으로써, 경관시뮬레이션을 구현하고 제공하는 측에서는 기존의 방법으로 얻어낼 수 없는 사용자와 경관간의 상호작용을 기록할 수 있게 된다. 본 연구에서는 사용자의 행동이력(위치 좌표 및 조망방향)이 사용자가 이용하고 있는 디바이스에 저장되어 쉽게 열람이 가능하다.

 또한 본 결과물을 구현하는 과정에서 공개소프트웨어와 무료 웹 서비스 위주로 사용했기 때문에, 인터렉티브한 3차원 경관시뮬레이터 구축에 있어서, 비용의 제약을 받을 수밖에 없는 개인, 학교, 소규모 연구실 등에서 연구 및 교육 목적으로 이용하는 데 도움이 될 것이다. 향후 ‘살고 싶고 가보고 싶은 농촌마을 100선’, 전통테마마을, 농촌체험마을 등과 같이 그린투어리즘과 연계하여 사업효과를 진작시키는 방안으로 연구 영역을 넓힐 수 있다고 사료된다.

IV. 결 론

 본 연구는 날로 적용분야가 확대되고 있는3차원 가상현실 경관시뮬레이션을 위성자료와 게임엔진 등의 무료 소프트웨어를 이용하여 구현하고 웹, 스마트폰, 태블릿, 윈도우, 맥 등 다양한 환경에서 시연이 가능한 형태로 만드는 방법을 제시하였다. 이를 통해 경과시각화를 더욱 정확하고 간편하게 구현함으로써 작업효율을 높이고자 하였으며, 사용자가 가상으로 구현된 경관을 인터렉티브하게 감상할 수 있도록 함으로써 경험을 증대시키고 흥미를 유발할 수 있기를 기대하였다. 또한 더 많은 사용자들이 기기나 컴퓨팅 환경에 제약을 받지 않고 경관 시뮬레이션 결과에 접근할 수 있도록 다양한 컴퓨터 운영체제나 모바일 운영체제, 웹브라우저 등을 통해 시연이 가능하도록 구현하고자 하였다.

 이러한 경관시뮬레이터를 구현하기 위해서는 2D 그래픽 소프트웨어, 3D모델링 및 렌더링 소프트웨어, 게임엔진, 인터넷 위성자료가 필요하였다. 관련 기술, 서비스 및 소프트웨어를 분석을 통해 그 성능, 사용성 등을 고려하되 무료로 사용할 수 있는 공개소프트웨어를 우선적으로 선택하여 개인이나 소규모 연구실에서도 저비용으로 구현할 수 있도록 하였다. 선정된 무료소프트웨어 및 서비스는 GIMP, 스케치업, 유니티, 구글어스, 다음로드뷰이다. 

 본 연구에서 개발한 방법을 이용하여 경기도 안성군 고삼면 쌍지리의 경관을 시뮬레이션하였으며, 웹과 데스크탑, 스마트폰 환경에서 1인칭과 3인칭 시점으로 인터렉티브 경관 시뮬레이션이 가능한 가상 환경을 개발하였다. 사용자는 자신의 의지에 따라 조망점과 조망방향을 변경하는 능동적인 행동을 통해 경관을 파악할 수 있다. 그러나 이 장점이 경관시뮬레이션을 구현하는 입장에서는 단점으로 작용할 수 있다. 보여주고 싶은 부분만 고품질로 모델링 하면 되었던 것에 비해 광활한 공간 전체를 높은 수준으로 모델링해야 하므로 시간과 비용이 많이 소모되기 때문이다. 또한 본래 의도한 경관시뮬레이션의 목표를 관찰자에게 명확하게 전달하기 어려울 수도 있다. 따라서 사용자의 행동반경과 시야를 적절하게 제한하는 방법과 정도는 더 연구되어야 할 것이다.

 본 연구에서 제안하고 있는 경관시뮬레이터는 사진 합성기법으로 제작한 슬라이드를 보여주거나 동영상을 상영하는 기존 경관시뮬레이션 방법의 한계에서 벗어나 관찰자의 능동적인 행동을 유발할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 동영상을 제작하여 상영하는 경우 필수적으로 소모되었던 장시간의 렌더링 과정을 거치지 않고 게임엔진을 이용한 실시간 렌더링이 가능하기 때문에 수정 및 보완이 더욱 용이하다는 장점이 있다. 이러한 장점들을 농촌마을종합개발사업, 농촌리모델링 사업 등에 이용하면 설계 단계에서부터 주민 및 이해관계자들의 적극적인 참여를 유도하고 즉석에서 수정사항들을 반영하고 다각도에서 검토하는 것이 가능해진다. 완성된 시안 혹은 사업결과는 이후 추가보완을 거쳐 다양한 일반인들에게 배포되어 홍보용 목적으로 사용될 수 있으며, 공모전, 전시회 등에서도 터치스크린 혹은 조이스틱, 마우스와 키보드 등 다양한 입력기기를 통해 관람객의 참여를 유도하여 그 효과를 높일 수 있다.

 본 논문은 농촌진흥청 연구사업(과제번호 PJ009134)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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