KR102115945B1 - 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법, 이를 저장하는 컴퓨터 판독가능 기록 매체, 및 이 매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면으로 구성되는 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 관한 것으로서, 초기 메쉬로부터 하부분할함으로써, 상기 터널형 도로를 쿼드 메쉬를 이용해 모델링하는 단계; 상기 터널형 도로의 도로면 상에 도로 진행 방향을 따르는 소정의 커브를 입력하는 단계; 각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기 소정의 커브로부터 해당 메쉬 면의 중심을 잇는 직선의 방향을 법선 방향으로 하는 xy 평면을 생성하고 x축의 방향을 상기 도로 진행 방향과 정렬하여, 해당 메쉬 면을 정의하는 4 개의 메쉬-점들 및 4 개의 메쉬-선들을 재정렬하는 단계; 및 각각의 메쉬-면들에 대하여 재정렬된 메쉬-선들로부터, 특정 순서에 있는 메쉬-선들을 추출하여 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결하여 상기 횡방향 구조체들을 추출하는 단계를 포함한다. 이로써, 모델링 과정에서 변경된 데이터 순서를 재정렬함으로써, 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이할 수 있다.

Description

쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법, 이를 저장하는 컴퓨터 판독가능 기록 매체, 및 이 매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램{Geometry extraction method from noise barrier tunnels using quad meshes, computer-readable recording medium on which the method is stored, and computer program stored on the medium}

본 발명은 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모델링 과정에서 변경된 데이터 순서를 재정렬함으로써, 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이할 수 있는, 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 관한 것이다.

도시화가 진행될수록 도시는 더 많은 인구와 교통을 수용하게 된다. 고층의 공동주택단지와 입체적인 도로의 공존은 시민들의 도시 중심부로의 접근성을 높이는 한편, 이로 인해 발생하는 도로교통소음은 시민 개인의 신체적, 정신적, 사회적 기능을 저하시킨다.

이러한 도로교통소음을 줄이기 위한 가장 일반적인 도로시설물은 방음시설인데, 보통 방음시설은 방음벽(noise barrier wall)과 방음터널(noise barrier tunnel) 2 종류로 분류될 수 있다. 특히 소음원을 완전히 둘러싸서 수신 측까지의 전달을 근본적으로 차단하는 방음터널은, 아파트 10 층 높이에 해당되는 30 m 이상에서는 방음효과가 없는 5 내지 6 m 높이의 방음벽에 비해 방음에 효과적이다.

최근에는 방음터널을 포함한 교통 인프라 분야에 있어서도, 다차원 공간과 설계 정보를 기반으로 계획 단계에서부터 설계, 시공, 유지관리 단계 등 전 생애 주기 동안 다양한 분야에서 적용되는 모든 정보를 생산하고 관리하는 기술인, BIM(Building Information Modeling)을 도입하고 있다.

이러한 BIM 모델은 2D 도면 뿐만 아니라, 3D 모델을 제공하는 동시에, BIM 모델 내에 부재 명이나 재질 등의 속성정보를 가지고 있어, 부재나 재질이 같거나 또는 다른 것을 인식하여 설계와 시공, 유지관리에 이르기까지 다양한 데이터 처리를 자동화할 수 있는 장점이 있으나, 직교좌표계를 취하는 건축 그리드에 특화되어 있기 때문에 3차원 도로 선형을 따르는 터널형 방음벽 설계에는 한계가 있다.

한편, 방음터널의 모델링은 도로 중심선을 따라 터널 단면을 배열하는 방식으로 설계되는 지중터널 설계 프로그램을 차용할 수 있다. 그러나, 두 도로가 만나는 접속부를 가지는 방음터널의 경우에 있어서, 복수의 도로 중심선에 배열된 터널 단면은 도로별로 개별적으로 통제되기 때문에, 접속부에서 자연스럽게 연결되기가 어려울 수 있다.

이로써, 형상 재현에 있어서 위상기하학적인 한계를 가지지 않아 프리폼 건축 설계에 활용되고 있는 폴리곤 메쉬 중 쿼드 메쉬를 터널형 방음벽 설계에 도입할 수 있다. 이 때는 모델링 과정에서 그 데이터 순서가 변경되어, 사용자가 시각적으로 이해하는 구조와 그 데이터 순서가 일치하지 않고 이로써 모델링 과정에서 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이하지 않은 문제점이 있다.

KR 10-1803485 B1

이로써, 본 발명의 목적은 모델링 과정에서 변경된 데이터 순서를 재정렬함으로써, 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이할 수 있는, 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 터널형인 두 도로가 접속부에서 자연스럽게 연결될 수 있는, 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 접속부를 가지는 터널형 도로 설계에 있어서 이에 기초하여 최적화 설계 방안을 제안함으로써, 터널형 도로의 성능을 유지 또는 개선하는 동시에 건설에 투입되는 자원을 절약할 수 있는, 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법, 컴퓨터 판독가능 기록 매체, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명의 일 측면에 따라, 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면으로 구성되는 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 있어서, 이때 상기 터널형 도로의 벽과 지붕은, 그 각각이 조인트로 연결되는 구조체 요소들로 구성될 수 있는, 복수의 횡방향 구조체들 및 복수의 종방향 구조체들, 및 패널들로 구축되고, 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면은 각각 조인트, 구조체 요소, 및 패널에 대응하고, 초기 메쉬로부터 하부분할함으로써, 상기 터널형 도로를 쿼드 메쉬를 이용해 모델링하는 단계; 상기 터널형 도로의 도로면 상에 도로 진행 방향을 따르는 소정의 커브를 입력하는 단계; 각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기 소정의 커브로부터 해당 메쉬 면의 중심을 잇는 직선의 방향을 법선 방향으로 하는 xy 평면을 생성하고 x축의 방향을 상기 도로 진행 방향과 정렬하여, 해당 메쉬 면을 정의하는 4 개의 메쉬-점들 및 4 개의 메쉬-선들을 재정렬하는 단계; 및 각각의 메쉬-면들에 대하여 재정렬된 메쉬-선들로부터, 특정 순서에 있는 메쉬-선들을 추출하여 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결하여 상기 횡방향 구조체들을 추출하는 단계를 포함하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 모델링 단계 후, 하나의 메쉬-점에서 만나는 메쉬-선의 개수가 5인 2 개의 메쉬-점들을 기준으로, 또는 가우시안 혼합 모델을 활용하여, 상기 터널형 도로를 주도로와 부도로로 구분하는 단계를 더 포함하고, 상기 커브 입력 단계, 상기 재정렬 단계, 및 상기 추출 단계는, 상기 주도로 및 상기 부도로에 대하여 각각 독립적으로 수행된다.

이때, 상기 소정의 커브는 복수로 구성될 수 있고, 상기 재정렬 단계는, 각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기 복수의 소정의 커브 중에서 메쉬-면의 중심으로부터 가장 가까운 커브를 선택하여 재정렬하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 재정렬 단계는, 각각의 xy 평면에 극좌표를 적용하여 재정렬하는 것이 바람직하다.

또한, 본 방법은, 상기 추출된 횡방향 구조체들을 상기 도로 진행 방향으로 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다.

나아가, 본 발명은, 상기 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 도로 진행 방향으로 정렬된 조인트들을 추출하는 단계, 및/또는 상기 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 종방향 구조체들을 추출하는 단계, 및/또는 상기 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 패널들을 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 목적은, 본 발명의 다른 측면에 따라, 상기에서 언급된 방법들 중 적어도 하나를 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록 매체에 의해 달성된다.

상기 목적은, 본 발명의 또 다른 측면에 따라, 상기에서 언급된 방법들 중 적어도 하나를 하드웨어와의 결합을 통해 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 달성된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 따르면 모델링 과정에서 변경된 데이터 순서를 재정렬함으로써, 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명의 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 따르면 터널형인 두 도로가 접속부에서 자연스럽게 연결될 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명의 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 따르면 접속부를 가지는 터널형 도로 설계에 있어서 이에 기초하여 최적화 설계 방안을 제안함으로써, 터널형 도로의 성능을 유지 또는 개선하는 동시에 건설에 투입되는 자원을 절약할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면으로 구성되는 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법의 대략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모델링 단계 및 도로 구분 단계를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 도로 구분 단계를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 매쉬-점 재정렬 단계 및 형상 정보 추출 단계를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 방법에 따른 실험 예에 있어서 모델링 단계 및 도로 구분 단계를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 방법에 따른 실험 예에 있어서 매쉬-점 재정렬 단계 및 형상 정보 추출 단계를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 방법에 따른 실험 예가 최적화에 적용된 활용 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 방법에 따른 실험 예가 최적화에 적용된 다른 활용 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 방법에 따른 실험 예가 최적화에 적용된 또 다른 활용 예를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 방법에 따른 실험 예가 최적화에 적용된 또 다른 활용 예를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 명세서에서는 방음터널을 터널형 도로의 일 예로 하여 기술한다. 방음을 목적으로 도로 상부 공간을 터널로 완전히 둘러쌀 수 있을 뿐만 아니라, 그 외의 목적으로 얼마든지 방음터널과 같은 벽과 지붕을 갖는 터널형 구조를 선택할 수 있기 때문이다. 본 발명에 있어서의 터널형 도로의 모델링은 도로 상부 공간을 둘러싸고 있는, 벽과 지붕을 갖는 터널형 구조에 한정하여 설명한다.

방음터널은, 도로를 따라 일정한 간격으로 배치되는 프레임의 구조체들과, 프레임과 프레임 사이에 설치되어 방음에서 핵심적인 역할을 수행하는 패널로 구축된다. 여기서 프레임은 그 각각이 조인트로 연결되는 구조체 요소들로 구성될 수 있는, 복수의 횡방향 구조체들 및 복수의 종방향 구조체들로 정의될 수 있다. 물론, 프레임, 조인트 및 패널의 재료는 스틸, 알루미늄, 플라스틱, 유리 등으로 한정되지 않으며, 그 목적에 따라 강도, 탄성 등의 물성이 적합한 어떠한 재료라도 사용될 수 있다.

한편, 폴리곤 메쉬는, 컴퓨터 그래픽스에서 단순한 다각형 셀의 조합으로 복잡한 오브젝트를 표현하는 방법이고, 오브젝트는 면들의 집합과 점들의 집합으로 표현된다. 이때 다각형 셀의 형태가 사각형인 것이 쿼드 메쉬이다. 메쉬-면은 반시계방향으로 조합된 메쉬-점들의 인덱스로 구성되고, 메쉬-면들이 맞닿아 생기는 두 개 이상의 동일한 좌표를 가지는 메쉬-점들은 하나의 메쉬-점으로 융합될 수 있다.

이로써, 방음터널을 쿼드 메쉬를 이용해 모델링할 때, 쿼드 메쉬를 구성하는 메쉬-점, 메쉬-선, 메쉬-면은, 방음터널의 부재들, 즉 조인트, 구조체 요소, 및 패널을 배치하는 기초적인 형상정보로 활용될 수 있다.

본 발명은, 쿼드 메쉬를 이용해 모델링된 방음터널 모델에서, 예를 들어, 방음터널의 구조상 동일한 부재가 사용되어야 하는 구조체 요소 전체 또는 일부, 즉 횡방향 구조체들 전체 또는 일부, 종방향 구조체들 전체 또는 일부를, 직관적으로 및/또는 한번에 선택하는 것을 용이하게 해주는 알고리즘을 제안하고자 하는 것이다.

특히 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)와 고급의 메쉬 편집 기능을 지원하며, 시각적 프로그래밍 언어(Visual Programming Language, VPL)를 활용할 수 있는 3D 모델링 프로그램을 활용하여 쿼드 메쉬의 인덱스를 정렬하는 알고리즘을 제작하고자 한다. 특히, 본 발명에서는 Rhino 3D와 Grasshopper(Rhino 3D의 VPL)가 활용되었다.

이로써, 방음터널 건설에 있어서 부재 배치 및 최적화가 설계자가 조작하기 용이한 방식에 따라 달성되게 된다.

본 발명에 따른 방법에 대응하는 알고리즘은, 하드웨어와 결합하여 실행될 수 있는, 소프트웨어인 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있으며, 이러한 컴퓨터 프로그램은, 다양한 컴퓨팅 장치를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령(instruction) 형태로 구현되어 컴퓨터 판독가능한 기록 매체에 저장될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면으로 구성되는 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법의 대략적인 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은, 먼저 초기 메쉬로부터 하부분할함으로써, 터널형 도로를 쿼드 메쉬를 이용해 모델링하는 단계(S10); 터널형 도로의 도로면 상에 도로 진행 방향을 따르는 소정의 커브를 입력하는 단계(S40); 각각의 메쉬-면들에 대하여, 소정의 커브로부터 해당 메쉬 면의 중심을 잇는 직선의 방향을 법선 방향으로 하는 xy 평면을 생성하고 x축의 방향을 도로 진행 방향과 정렬하여, 해당 메쉬 면을 정의하는 4 개의 메쉬-점들 및 4 개의 메쉬-선들을 재정렬하는 단계(S50); 및 각각의 메쉬-면들에 대하여 재정렬된 메쉬-선들로부터, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 단계(S60)를 포함한다.

여기서, 형상 정보 추출 단계(S60)는, 특정 순서에 있는 메쉬-선들을 추출하여 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결하여 횡방향 구조체들을 추출하는 단계; 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 도로 진행 방향으로 정렬된 조인트들을 추출하는 단계; 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 종방향 구조체들을 추출하는 단계; 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 패널들을 추출하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

보다 상세하게 살펴보면, 먼저 모델링 단계(S10) 내지 도로 구분 단계(S30)는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2를 참조하면, 초기 메쉬(도 2의 (1))로부터 하부분할(도 2의 (2))함으로써, 주도로(Main tunnel) 및 부도로(Sub tunnel)를 가지는 터널형 도로가 쿼드 메쉬를 이용해 모델링된다(S10). 즉, 부도로가 주도로에 연결되는 접속부를 가지는 터널형 도로는 캣뮬-클라크(Catmull-Clark) 알고리즘을 활용하여 쿼드 메쉬를 하부분할함으로써 패널의 크기 및 구조체의 간격이 조정된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 쿼드 메쉬의 메쉬-선은 구조체 요소에, 메쉬-면은 패널에 각각 대응한다.

본 발명의 방법은, 접속부를 가지는 경우에 있어서 쿼드 메쉬를 도로별로 분할하여 각각의 도로에 대하여, 이하의 단계들을 수행할 필요가 있다. 따라서, 접속부가 있는지 여부를 판단하여(S20) 도로를 구분한 후(S30), 커브 입력 단계(S40), 메쉬-점 재정렬 단계(S50), 및 형상정보 추출 단계(S60)를, 주도로 및 부도로 각각에 대하여 독립적으로 수행하게 된다.

도로의 구분은, 수작업으로, 또는 메쉬 분할 알고리즘에 의해 달성될 수 있다.

수작업에 의한 도로의 구분에 대해서 살펴보면, 다음과 같다.

상기의 모델링 후, 부도로가 주도로에 연결되는 접속부에서 하나의 메쉬-점에서 만나는 메쉬-선의 개수가 5(Valence 5 참조)인 2 개의 메쉬-점들을 기준으로, 터널형 도로를 주도로와 부도로로 구분한다(도 2의 (3) 참조). 상기의 2 개의 메쉬 점들을 기준으로, 벽과 지붕으로 구분될 수도 있다(도 2의 (4) 참조). 메쉬-선은 상기에서 언급된 바와 같이, 도로 진행 방향을 기준으로 횡방향 구조체와 종방향 구조체로 나눠질 수 있고, 주도로 및 부도로의 벽의 종방향 구조체의 개수는 동일하지만, 주도로 및 부도로의 지붕의 종방향 구조체의 개수는 상이할 수 있다(도 2의 (5) 참조).

다음으로 메쉬 분할 알고리즘에 의한 도로의 구분에 대해서 살펴보면, 다음과 같다.

쿼드 메쉬는 인접한 요소들끼리 비슷한 형상 정보를 가지기 때문에 클러스터링에 의해 분류될 수 있다. 상기의 모델링 후(도 3의 (1) 참조), 소프트 클러스터링의 하나인 가우시안 혼합 모델(Gaussian Mixture Model, GMM)을 활용하여(도 3의 (3) 참조) 메쉬 분할을 수행한다(도 3의 (4) 참조).

가우시안 혼합 모델은 트레이닝 입력, 가중치, 클러스터의 수를 입력값으로 하는데, 여기서 클러스터의 수는 도로의 갯수이고, 도 3의 예에서는 2이다. 모든 트레이닝 입력은 그것의 가중치가 높을수록 클러스터링 결과에 큰 영향을 미치게 되는데, 도 3의 예에서는 가중치를 조정하는 대신, 메쉬-면의 중심과 가까운 임의의 커브의 기하학적 관계를 트레이닝 입력으로 활용하여, 설계자가 클러스터링 결과가 만족스러울 때까지 임의의 커브를 움직여 트레이닝 입력을 제어한다.

다시 말하면, 도 3의 예에서는 메쉬-면의 면적, 메쉬-면의 중심과 가장 가까운 커브 상의 점의 x, y, z 값 각각, 메쉬-면의 중심과 가장 가까운 커브 상의 점의 커브 도메인 파라미터, 총 5 개의 트레이닝 입력에 대하여 가중치, 2, 1, 1, 1, 1을 부여하여 클러스터링을 수행한다(도 3의 (2) 참조).

다음으로, 커브 입력 단계(S40) 내지 형상정보 추출 단계(S60)는, 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 횡방향 구조체들을 추출하는 방법은, 다음과 같다.

횡방향 구조체가 도로 진행 방향을 따라 정렬되어 있고, 또한 횡방향 구조체 각각을 구성하는 구조체 요소도 좌에서 우로, 또는 그 반대로 정렬되어 있다면, 형상정보를 추출하고 활용하기에 편리할 것이다.

상기에서 언급한 바와 같이, 메쉬-면은 반시계방향으로 조합된 메쉬-점들의 인덱스로 구성되고, 이 인덱스의 순서에 따라 하나의 메쉬-면을 구성하는 메쉬-선의 순서도 결정된다. 그러나, 상기의 모델링 단계(S10) 후의 메쉬-면들은, 메쉬-점들의 첫번째 순서가 가지는 상대적 위치가 다르기 때문에 특정 방향의 구조체들이 한번에 선택될 수 없다. 다시 말하면, 동일한 인덱스 순서들을 가지는 메쉬-선들이 모두 종 또는 횡인, 특정 방향의 구조체들에 포함되지 않아, 동일한 특성을 가질 개연성이 큰 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이하지 않다.

따라서, 먼저 동일한 인덱스 순서들을 가지는 메쉬-선들이 모두 종 또는 횡인, 특정 방향의 구조체들에 포함되도록, 즉 메쉬-점들의 첫번째 순서가 가지는 상대적 위치를 일치시키도록 해주어야 한다(도 4의 (1) 참조).

이를 위해, 터널형 도로의 도로면 상에 도로 진행 방향을 따르는 소정의 커브를 입력한다(S40). 이때 도로의 폭이 변화되거나 도로 가장자리가 다른 곡률을 가지는 경우에 있어서, 보다 더 정확한 정렬 결과를 얻기 위해, 설계자는 복수의 소정의 커브를 입력할 수 있고, 하기의 메쉬-점 재정렬 단계는, 각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기의 복수의 소정의 커브 중에서 메쉬-면의 중심으로부터 가장 가까운 커브의 통제를 받도록 할 수 있다.

다음으로, 각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기에서 선택된 소정의 커브로부터 해당 메쉬 면의 중심을 잇는 직선의 방향을 법선 방향으로 하는 xy 평면을 생성하고 x축의 방향을 상기 도로 진행 방향과 정렬시켜, 해당 메쉬 면을 정의하는 4 개의 메쉬-점들 및 4 개의 메쉬-선들을 재정렬한다(S50). 이때 4 개의 메쉬-점들은, 각각의 xy 평면에 극좌표를 적용하여, 즉 x축을 기준으로 그 회전각이 커지는 순서대로, 재정렬된다.

예를 들어, 도 4의 (1)을 참조하면, 메쉬-점들은, 반시계방향으로 배열되어 있고, 고유의 인덱스를 가진다. 메쉬-면 Q{137;43;79;195}는 메쉬-점 인덱스 137, 43, 79, 195가 순서대로 연결되어 있다. 이를 선택된 소정의 커브로부터 해당 메쉬 면의 중심을 잇는 직선의 방향을 법선 방향으로 하는 xy 평면을 생성하고 x축의 방향을 상기 도로 진행 방향과 정렬하면, 메쉬-점 인덱스가 두 개씩 밀려 Q{79;195;137;43}이 된다. 개별 메쉬-면을 구성하는 메쉬-점의 연결 순서만 바뀌었으므로 쿼드 메쉬의 전체 형상에는 영향을 주지 않는다.

그후, 각각의 메쉬-면들에 대하여 재정렬된 메쉬-선들로부터, 특정 순서에 있는 메쉬-선들을 추출하여 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결하여 상기 횡방향 구조체들을 추출한다(S60)(도 4의 (2) 참조).

메쉬-점들이 정렬됨에 따라, 메쉬-선들 또한 자동으로 정렬되므로, 특정 인덱스 순서에 의해 횡방향 구조체들이 추출될 수 있게 된다.

예를 들어, 하나의 메쉬-면에서 추출된 4개의 메쉬-선들은 하나의 리스트 내에서 순서대로 배열되어 있다. 따라서 인덱스 순서 0, 1, 2, 3 중 0과 2는 종방향 구조체 요소, 1과 3은 횡방향 구조체 요소에 대응할 수 있다.

이와 같이 추출된 횡방향 구조체 요소들에 해당되는 메쉬-선들의 방향을 일치시킨 후 (통상적으로 도로 진행 방향을 기준으로 좌에서 우로), 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결함으로써, 복수의 횡방향 구조체들이 추출될 수 있다. 이때 인덱스 순서 1 또는 3 중 어느 하나만 이용할 수 있고, 1 및 3 모두를 이용할 수 있다. 1 및 3 모두를 이용하는 경우에는, 중복된 횡방향 구조체들을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 제거 단계는, 추출된 횡방향 구조체 요소들을 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결하기 전에 수행될 수 있다.

이와 같은 방식으로 복수의 횡방향 구조체들이 추출되기는 하였으나, 구조체들 사이의 정렬은 이루어지지 않은 상태일 수 있다. 따라서, 추출된 횡방향 구조체들을 도로 진행 방향으로 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, NURBS를 이용해 이 단계를 수행하는 경우에 있어서, 횡방향 구조체들 사이의 정렬은, 도로 진행 방향에 나란한 도로 중심선의 커브 도메인이 절대 좌표를 가지고 있고, 또한 각각의 횡방향 구조체들도 커브 도메인에 매핑시킬 수 있으므로(예를 들어, 횡방향 구조체의 중심점의 커브 도메인에의 투사 등을 이용해), 이러한 커브 도메인을 기준으로 정렬될 수 있을 것이다( 도 4의 (2) 참조). 이로써, 구조체 요소들이 특정 방향으로 정렬되어 있고 또한 횡방향 구조체들은 도로 진행 방향으로 정렬되게 되어, 설계자가 선택하고자 하는 횡방향 구조체들 전부 또는 일부를 용이하게 추출할 수 있게 되었다.

다음으로, 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 도로 진행 방향으로 정렬된 조인트들을 추출할 수 있다(도 4의 (3) 참조).

예를 들어, NURBS를 이용해 이 단계를 수행하는 경우에 있어서, NURBS에서의 커브는 제어점으로 구성되고 이 제어점들은 커브의 방향을 따라 하나의 리스트 내에서 순서대로 인덱스를 가지며 이 리스트들은 도로 진행 방향으로 정렬될 수 있다. 따라서 커브와 횡방향 구조체를 대응시키고, 제어점들에 조인트들을 대응시키면, 다수의 꼭지점들을 가진 폴리라인으로 도시되는 커브의 꼭지점들이 정렬된 조인트로서 활용될 수 있다. 이로써 조인트들도 도로 진행 방향으로 정렬되게 되어, 설계자가 선택하고자 하는 조인트들 전부 또는 일부를 용이하게 추출할 수 있게 되었다.

또한, 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 종방향 구조체들을 추출할 수 있다(도 4의 (3) 참조).

예를 들어, NURBS를 이용해 이 단계를 수행하는 경우에 있어서, 상기의 커브의 리스트 구조의 행과 열을 전치(transpose)시킴으로써, 동일한 인덱스 순서에 상대적으로 동일한 위치를 가지는 종방향 구조체 요소들이 배치될 수 있도록, 또한 하나의 종방향 구조체가 하나의 리스트를 구성하도록 변환될 수 있다. 이로써, 종방향 구조체들도 도로 진행 방향으로 정렬되게 되어, 설계자가 선택하고자 하는 종방향 구조체들 전부 또는 일부를 용이하게 추출할 수 있게 되었다(도 4의 (3) 참조).

또한, 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 패널들을 추출할 수 있다(도 4의 (3) 참조).

예를 들어, NURBS를 이용해 이 단계를 수행하는 경우에 있어서, 상기의 커브를 분해(explode) 및 로프트(loft)하여 용이하게 패널 표면들을 생성하여, 이를 패널들에 대응시킬 수 있다. 이로써, 패널들도 도로 진행 방향으로 정렬되어 있어, 설계자가 선택하고자 하는 패널들 전부 또는 일부를 용이하게 추출할 수 있게 되었다.

한편, 도 4의 하단 부분을 참조하면, 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이할 수 있도록, 상기와 같이, 본 발명의 정렬 방법에 의해 도로 진행 방향으로 정렬된 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면들 전체에 인덱스를 재부여할 수도 있다.

상기의 단계들은, 구분된 도로들, 주도로 및 부도로에 각각 독립적으로 적용가능하다. 다만, 주도로와 부도로가 연결되는 접속부에서의 형상 정보는 활용 목적에 따라 중복되지 않도록 어느 한 쪽을 제거할 수 있다.

상기와 같이 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체, 종방향 구조체, 조인트, 및/또는 패널에 대응하는 형상 정보들은, 리스트 내의 동일한 인덱스 순서가 동일한 상대적 위치를 갖는 부재에 대응하기 때문에, 설계자의 직관적인 구조 이해를 바탕으로 용이하게 선택이 가능하며, 또한 이러한 형상 정보는 최적화 알고리즘과 결합하여 각종 성능 분석에 따른 최적화 설계가 가능하게 해준다.

본 발명에 따른 방법에 해당되는 알고리즘을, 도로 폭 40미터인 8차선 주도로에 도로 폭 8 미터인 1차선 부도로가 합류하는 도로 상에 설치되는 방음터널 설계에 적용한 실험 예를 들어, 그 활용 예를 살펴본다.

상기 실험 예는, NURBS 기반의 CAD 프로그램인 Rhino 3D이고, 본 발명에 따른 방법에 해당되는 알고리즘은 Rhino 3D의 VPL인 grasshopper로 작성되었다.

도 5를 참조하면, 먼저, 초기 메쉬(도 5의 (1)로부터 하부분할하여 횡방향 구조체 간격이 5 m인 방음터널을 모델링한다(도 5의 (2) 참조). 도로 구분을 위한 커브는 각 터널별로 1개씩 입력되었으며, 100% 정확도의 도로 구분이 달성될 때까지 커브를 조정한다(도 5의 (3) 참조). 메쉬-점 재정렬을 위한 커브는 각 터널별로 2 개씩 입력되었다(도 5의 (4) 참조).

도 6을 참조하면, 주도로의 쿼드 메쉬에 대하여, 메쉬-점들, 메쉬-선들, 및 메쉬-면들을 재정렬하고, 이에 따라 인덱스를 재부여한 결과, 조인트들, 16 개의 횡방향 구조체들, 25 개의 종방향 구조체들, 및 패널들을 포함하는, 성능 분석에 필요한 정렬된 형상 정보를 획득할 수 있음을 알 수 있다.

이렇게 도출된 형상 정보에 기초하여 수행된 성능 최적화에 대한 결과는 다음과 같다.

(1) 패널 평면화

방음패널의 경제적인 시공을 위해 쿼드 메쉬를 최대한 많은 평면 또는 실질적으로 평면에 가까운 메쉬-면을 가지도록 변형하여 조정한다.

총 512 개의 메쉬-면 중 곡률 변화가 심한 지점의 메쉬-면 108 개를 추출하여, 각기 다른 평면화 강도에 대해서 평면화를 수행하였다. 일정 수준 이하의 평면도(planarity)를 가지는 메쉬-면을 평면으로 간주하였다(p≤0.01).

		평면화 전	평면화 후
평면화 강도		0	1.5	2.0	2.5	3.0
전체 패널 (개수)		108	108	108	108	108
비평면 패널(개수)	p>0.01	71	71	60	37	19
평면 패널(개수)	p≤0.01	37	37	48	71	89
메쉬-점의 최대 변위(m)		0	2.24	2.66	3.00	3.53

표 1 및 도 7에서 보는 바와 같이, 평면화 강도가 커질수록 평면에 가까운 패널의 개수는 증가하지만, 쿼드 메쉬의 전체적인 왜곡이 심화되어 주도로와 부도로가 만나는 접속부의 높이가 낮아지는 경향이 있었다, 이를 고려하여 평면화 강도 2.5의 결과를 선택하였다.

(2) 구조적 최적화

구조체는 동일한 조건에서 부재의 처짐을 일정 이하로 만족하면서 물량을 최소화하는 방향으로 최적화될 수 있다. 본 실험 예에서는, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 정렬된 메쉬-점들을 활용하여 쿼드 메쉬로는 표현될 수 없는 주도로의 도로 중심선 상의 중앙 기둥을 추가적으로 생성하였다.

	최대 변위 [cm]	구조체 물량 [kg]	주도로터널			부도로터널
			T	L	C	T	C
최적화 전	9.98	163439.78	HEA300	HEA120	HEA200	HEA260	HEA120
최적화 후	9.98	145308.71	HEA300	HEA100	HEA120	HEA200	HEA100

T: Transversal beams

L: Longitudinal beams

C: Central columns

HEA100: 96*100*5.0*8.0

HEA200: 190*200*6.5*10.0

HEA300: 290*300*8.5*14.0

HEA120: 114*120*5.0*8.0

도 8 및 표 2에서 보는 바와 같이, 최대 처짐은 최적화 전후에서 9.98 cm로 동일하나, 최적화 후의 구조체 물량은 18131.07 kg의 구조체 물량이 절감되었다.

(3) 패널 배치 최적화

일조 및 도로 안전에 상대적으로 유리한 투명 방음판은 불투명 방음판에 비하여 상대적으로 가격이 높기 때문에 그 수를 최소화하면서 요구되는 성능을 충족하도록 배치되어야 한다.

정렬된 메쉬-면들을 활용하여 여러 가지 패턴으로 투명 방음판 및 불투명 방음판의 배치를 변형하면서 최적화시켰다. 이때 방음판의 배치 방식은 운전자의 시각적 편안함을 고려하여 종방향으로 제한하였고, 투명 방음판 열 및 불투명 방음판 열에 랜덤 알고리즘을 적용하였다.

최적화 결과, 도 9에서 보는 바와 같이, 총 512 개의 패널들 중 264 개의 투명 방음판을 가진 2 개의 방안이 도출되었다. 평균 일조시간은 패턴 A가 7.22 시간으로 패턴 B(7.10 시간)보다 약간 더 길었다. 그러나, 패턴 B가 패턴 A에 비하여 방음터널 지붕 전체에 균일하게 투명 및 불투명 방음판들이 배치되어 균질한 내부 조도를 제공하므로 최적안으로 선택되었다.

(4) BIM 모델링

도 10은 상기의 세 종류의 최적화 결과를 반영한 BIM 호환 모델을 보여준다. 패널 평면화로 변형된 쿼드 메쉬에 최적화된 구조 및 투명/불투명 패널들이 매핑되어 있음을 볼 수 있다.

이와 같이, 모델링 과정에서 변경된 데이터 순서를 재정렬함으로써, 부재의 배치 및 성능 분석을 위한 조작이 용이할 수 있는, 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법 및 실시예가 제시되었다.

본 발명의 실시예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨팅 장치를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령(instruction) 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 기록될 수 있다.

상기 프로그램 명령 형태는, 소프트웨어로 통칭될 수 있고, 이는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로 (collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨팅 장치상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

일반적으로 본 명세서에서 사용된 용어는, 특히 청구항에서(예를 들어, 청구항의 본문) 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도된다(예를 들어, "포함하는"은 "포함하나 이에 제한되지 않는"으로, "가지다"는 "적어도 그 이상으로 가지다"로, "포함하다"는 "포함하나 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 함) 도입된 청구항 기재에 대하여 특정한 개수가 의도되는 경우, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 기재되며, 이러한 기재가 부재하는 경우 이러한 의도는 존재하지 않는 것으로 이해된다.

본 발명의 특정 특징만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었으며, 다양한 수정 및 변경이 당업자에 대하여 발생할 수 있다. 그러므로 청구항은 본 발명의 사상 내에 속하는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해된다.

S10: 모델링 단계 S30: 도로 구분 단계
S40: 커브 입력 단계 S50: 메쉬-점 재정렬 단계
S60: 형상정보 추출 단계

Claims (10)

1. 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면으로 구성되는 쿼드 메쉬를 이용해, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법에 있어서, 이때 상기 터널형 도로의 벽과 지붕은, 그 각각이 조인트로 연결되는 구조체 요소들로 구성될 수 있는, 복수의 횡방향 구조체들 및 복수의 종방향 구조체들, 및 패널들로 구축되고, 메쉬-점, 메쉬-선, 및 메쉬-면은 각각 조인트, 구조체 요소, 및 패널에 대응하고,
   초기 메쉬로부터 하부분할함으로써, 상기 터널형 도로를 쿼드 메쉬를 이용해 모델링하는 단계;
   상기 터널형 도로의 도로면 상에 도로 진행 방향을 따르는 소정의 커브를 입력하는 단계;
   각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기 소정의 커브로부터 해당 메쉬 면의 중심을 잇는 직선의 방향을 법선 방향으로 하는 xy 평면을 생성하고 x축의 방향을 상기 도로 진행 방향과 정렬하여, 해당 메쉬 면을 정의하는 4 개의 메쉬-점들 및 4 개의 메쉬-선들을 재정렬하는 단계; 및
   각각의 메쉬-면들에 대하여 재정렬된 메쉬-선들로부터, 특정 순서에 있는 메쉬-선들을 추출하여 공유되는 메쉬-점들을 기준으로 연결하여 상기 횡방향 구조체들을 추출하는 단계;
   를 포함하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 모델링 단계 후, 하나의 메쉬-점에서 만나는 메쉬-선의 개수가 5인 2 개의 메쉬-점들을 기준으로, 또는 가우시안 혼합 모델을 활용하여, 상기 터널형 도로를 주도로와 부도로로 구분하는 단계를 더 포함하고,
   상기 커브 입력 단계, 상기 재정렬 단계, 및 상기 추출 단계는, 상기 주도로 및 상기 부도로에 대하여 각각 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 소정의 커브는 복수로 구성될 수 있고,
   상기 재정렬 단계는, 각각의 메쉬-면들에 대하여, 상기 복수의 소정의 커브 중에서 메쉬-면의 중심으로부터 가장 가까운 커브를 선택하여 재정렬하는 것을 특징으로 하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 재정렬 단계는, 각각의 xy 평면에 극좌표를 적용하여 재정렬하는 것을 특징으로 하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 추출된 횡방향 구조체들을 상기 도로 진행 방향으로 정렬하는 단계를 더 포함하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 도로 진행 방향으로 정렬된 조인트들을 추출하는 단계를 더 포함하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 종방향 구조체들을 추출하는 단계를 더 포함하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 도로 진행 방향으로 정렬된 횡방향 구조체들에 기초하여, 상기 패널들을 추출하는 단계를 더 포함하는, 터널형 도로의 형상 정보를 추출하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법을 하드웨어와의 결합을 통해 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
    
    
    

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