이 글은 BIM(Building Information Modeling) 포맷 중 하나인 IFC 파일을
Cesium 플랫폼에 3D tiles로 가시화하는 방법을 간략히 설명한다. 아울러, 마지막 부분에 3D tiles 개념과 구조를 간략히 나눔한다. Cesium에서 개발된 3D tiles는 3D 고속 렌더링을 위한 모델 구조와 렌더링 메커니즘을 제공한다. 이 기술은 현재 공간정보산업표준을 담당하는 OGC(Open Geospatial Consortium)와 유기적 협력을 통해 발전하고 있다.
Cesium 3D tiles 가시화 모습 예시
참고로, 최근 릴리즈된 IFC 직접 로딩하는 기술은 향후에 사용기를 정리하여 공유할 것이다( 아직, IFC를 직접 Cesium으로 임포트하는 기능은 완전하지 않다). 관심있는 분들은 다음 링크를 참고하길 바란다.
개요
Cesium은 구글 어스와 유사한 지구 스케일의 디지털트윈 플랫폼이다. 이를 이용하면, 도시 차원에서 분석하고, 실내 건물을 탐색하는 등의 유스케이스를 개발할 수 있다. 국내 대부분의 3차원 도시 플랫폼 기반 서비스에서 Cesium이 사용되고 있다. Cesium은 디지털트윈 모델을 다루기 위한 저작도구도 함께 제공한다. 개발자는 서비스에 필요한 메뉴 기능, 데쉬보드에 표출한 데이터 처리에만 신경을 쓰면 된다.
공간정보 기술을 연구하다 보면, 가끔 BIM 파일 포맷 중 하나 인 IFC(Industry Foundation Classes)를 Cesium위에 가시화해야 하는 경우가 종종 발생할 때가 있다. 하지만, Cesium은 IFC를 직접적으로 지원하지 않는다.
Cesium은 IFC를 포함한 모든 3D 모델파일을 3D tiles로 변환해 업로드하도록 하고 있다. 이는 무거운 3D 모델의 가시화 성능을 고려한 것이다.
3D tiles은 웹에서 가시화하기에 무거운 3D 파일을 공간인덱싱 기법을 이용해 Octree형식으로 표현하고, 각 노트에 분할된 3D 모델의 부분을 담아둔다. 메쉬 간략화 기법을 이용해, 카메라가 모델을 비추는 거리에 따라 적절한 LoD(Level of Detail)의 메쉬를 보여준다. 이는 게임에서 FPS 성능을 올리기 위해 개발된 기법과 매우 유사하다.
glTF 20은 3D 타일의 기본 형식이다.
glTF 2.0 기능(3차원 점군, 텍스쳐, 모델 지원 예시)
Cesium은 다양한 샘플 코드를 sandcastle이란 플랫폼으로 제공하여, 편리한 개발을 지원하고 있다.
3D tile 모델 변환 및 업로드
먼저, 다음 링크를 방문해 Cesium ion 에 가입한다.
이후, 세슘의 API, 어셋(asset)을 관리하는 클라우드, Javascript 기반 예제 등을 무료로 사용할 수 있다. 여기서 어셋이란 플랫폼에서 사용하는 GIS, BIM 등 모든 파일 및 데이터셋을 의미한다. 가입 후, 아래를 클릭해 어셋을 추가해 보자.
Cesium은 3D 모델을 3차원 타일 형식으로 내부 표현한다. 이 형식을 지원하는 파일 포맷은 다음과 같다.
IFC를 fbx와 같은 형식으로 변환한 후, My Assets 메뉴(
My Assets | Cesium ion)를 이용해 데이터를 추가한다. 추가된 데이터는 고유의 Asset ID가 부여된다. 다음 그림에서 첫 행의 어셋인 2716386은 어셋 ID를 보여준다. 현재 세슘은 5GB 무료 어셋 저장소를 제공한다.
참고로, IFC파일을 다른 형식으로 변환하기 위해서는 Revit 등 상용 모델러를 사용하거나,
Blender와 같은 오픈소스 도구에 IFC import 애드인을 설치하고, fbx 포맷 등으로 저장하면 된다.
Blender에서 IFC to FBX 변환 모습
3차원 모델은 좌표 원점에 표시되므로, 모델의 원점과 각도를 재조정해야 한다.
다음과 같이 MyAssets 메뉴에 Adjust Tileset Location 메뉴를 클릭한다.
참고로, 만약 모델 원점이 0.0.0이 아니면, 다음 그림과 같이 재조정하기 어렵다. 모델링 할 때 원점을 맞추고 진행한다.
3D Tile Location Editor에서 모델의 위치, 방향을 수정한 후 저장버튼을 클릭한다. 참고로, Click position 버튼을 클릭하면, 현재 커서 위치의 지표면에 맞춰 타일 모델 위치를 자동 입력한다.
앱 서비스 개발
특정 서비스에 3D tile을 사용하고 싶다면, 단순히 primities.add 함수를 사용하여 3D tile을 추가할 수 있다. API를 사용해야 하므로, API 토큰을 생성 한다.
API 키 토큰 생성 예시
다음 링크를 참고해, API 키 토큰을 생성하고, 이 문자열을 코드의 Token에 할당한다.
HTML를 만들어, 다음 같이 자바스크립트 파일을 입력한다. 어셋 ID를 이용해 fromAssetID에서 어셋을 가져온다.
Cesium.Ion.defaultAccessToken = '';
var viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer', {
animation: false,
homeButton: true,
navigationHelpButton: true
});
const tileset = viewer.scene.primitives.add(
new Cesium.Cesium3DTileset({
url: Cesium.IonResource.fromAssetId(1378646),
})
);
이와 관련해 구현된 상세 코드 예시는 다음 github 링크를 참고하길 바란다.
웹 서비스에서 코드 호출한 결과는 다음과 같다. 3D tile이 잘 가시화되는 것을 확인할 수 있다.
이런 방식으로 디지털트윈 플랫폼의 도시 건물 정보 가시화하는 기능을 구현할 수 있다.
3D tile 구조
Cesium의 3D Tiles 데이터 구조는 대규모 3D 지리 데이터를 효율적으로 스트리밍하고 시각화하기 위해 설계되었다. 3D Tiles 구조는 오픈소스로 다음 깃허브 링크에 공개되어 있다.
타일 데이터셋은 다음과 같다.
Tileset.json 파일이 3D 타일의 상위 구성 파일 역할을 하며, 타일 계층 구조와 데이터 위치 정보를 담고 있다. 이 파일은 전체 타일셋의 메타데이터와 루트 타일에 대한 참조를 제공한다.
{
"transform": [
4.843178171884396, 1.2424271388626869, 0, 0,
-0.7993325488216595, 3.1159251367235608, 3.8278032889280675, 0,
0.9511533376784163, -3.7077466670407433, 3.2168186118075526, 0,
1215001.7612985559, -4736269.697480114, 4081650.708604793, 1
],
"boundingVolume": {
"box": [
0, 0, 6.701,
3.738, 0, 0,
0, 3.72, 0,
0, 0, 13.402
]
},
"geometricError": 32,
"content": {
"uri": "building.b3dm"
},
"extensions": {
"VENDOR_collision_volume": {
"box": [
0, 0, 6.8,
3.8, 0, 0,
0, 3.8, 0,
0, 0, 13.5
]
}
}
}
타일 계층은 루트 타일에서 시작해 더 작은 타일로 분할되며, 쿼드트리나 옥트리 구조를 사용한다. 타일들은 자신보다 작은 자식 타일들을 가지며, 각각의 해상도가 다르다.
루트 타일은 대략적인 모델 데이터를 제공하고, 자식 타일은 줌 인할 때 더 높은 해상도를 제공한다.
Bounding Volume (경계 볼륨)은 각 타일이 포함하는 공간 영역을 정의한다. 이 경계는 카메라의 위치에 따라 타일을 로드할지 결정하는 데 사용된다.
Geometric Error (기하학적 오차)는 타일의 해상도와 관련된 값으로, 클라이언트가 어떤 타일을 로드할지 선택하는 데 도움을 준다.
타일은 다양한 형태의 3D 데이터를 포함할 수 있다.
Batched 3D Model (B3DM)은 여러 개의 3D 객체를 포함한 배치된 모델이다.
Instanced 3D Model (I3DM)은 동일한 3D 모델을 여러 위치에 인스턴스화하여 사용한다.
Point Cloud (PNTS)는 점군 데이터를 포함한다.
Composite (CMPT)는 다양한 콘텐츠를 하나의 타일에 혼합할 수 있다.
3D Tiles는 LOD(세부 수준)에 따라 계층 구조를 가지며, 줌 수준에 따라 더 높은 해상도의 타일을 로드하거나, 멀리 있는 객체는 낮은 해상도를 유지함으로써 성능을 최적화한다.
Cesium의 3D Tiles는 데이터를 압축하여 전송 속도와 메모리 효율성을 높인다.
Draco 압축을 사용하여 기하학 데이터를 압축하고 파일 크기를 줄인다.
이처럼 Cesium의 3D Tiles 구조는 대규모 지리 데이터를 효율적으로 처리하고 동적으로 로드하여 성능을 극대화한다.
다음은 앞의 구조를 표현한 그림이다.
이 그림에서 보면, 솔리드 모델, IFC와 같이 3D 모델 형상 정보는 메쉬 형태로 Vertices, Texels 로 변환된다. 이는 동일한 인스턴스를 스케일, 위치, 방향만 다르게 해서 렌더링하는 객체를 GPU 인스턴스로 등록하고(가속 렌더링을 위해), 나머진 형상(FEATURE)로 등록한다. 이 피쳐는 타일 컨텐츠로 등록된다.
각 타일 컨텐츠는 타일 트리(일종의 공간 인덱싱을 통해 카메라의 거리, 방향에 따라 타일에 포함된 인스턴스의 상세 렌더링 수준을 사전 계산, 결정. 이를 통해, 타일이 보여질 때 가시화 속도를 높이는 역할)에 등록된다. 이때 각 타일은 LoD(Level of detail)을 계산하는 데, 보통, Mesh Simplication 이란 게임엔진에서 사용된 방법을 이용한다.
각 LoD처리된 타일은 속성정보를 포함하고 있어, 카메라 각도, 거리에 따라 적절한 LoD의 타일 형상과 정보가 보여질 수 있다. 이를 모아 Tileset이라 한다.
마무리
오늘은 BIM IFC 파일을 Cesium 디지털트윈 플랫폼에 3D tiles로 가시화하는 방법과 구조를 간략히 알아보았다. Cesium은 디지털트윈 뿐 아니라 도시 시뮬레이션 가시화 등 많은 곳에서 사용된다.
개인적으로는 Cesium 오픈 플랫폼의 개발자이자 개발 최고 책임자인 패트릭 코지(Patrick Cozzi)가 30대 초부터 꾸준히 이 기술을 발전시키고 공유하는 모습이 참 인상적이다. 그는 펜실베니아 주립대를 졸업한 후, 석사를 한 UPen에서 9년간이나 컴퓨터 그래픽스 기술을 가르치며, Cesium 을 개발해 공유했다. 그의 석사 논문은 Cesium의 기본 개념이 담겨 있다.
Patrick Cozzi 석사 논문 일부(2008, UPen. Cesium 3D Tiles 기술 컨셉이 설명됨) 논문을 살펴보면 그가 OpenGL과 컴퓨터 그래픽스에 얼마나 깊은 이해를 하고 있는 지 알수 있다. 일종의 이 분야 오타구로 보여지는 데, 그는 여기서 그치지 않고, 본인이 도시와 같은 대용량 모델을 실시간으로 가시화할 수 있는 기술을 개발해 사람들이 편리하게 사용할 수 있도록 하는 데까지 나아가려 했다.
그는 2010년대 부터 컴퓨터 그래픽스에 대한 퍼듀 자문, 크로노스 협회 glTF 표준화 기여, 메타버스 협회 창립 이사를 거친다. 2024년에는 그가 개발을 시작해 창립한 Cesium이 벤틀리에 합병되어 플랫폼 개발 최고 책임자가 된다.
그의 발자취를 살펴보면, 막대한 국가 R&D를 통해 살림하고 있는 국내 그 수많은 SW 정보 기술 관련 협회, 조직에서 제대로 된 오픈소스 하나 산업계에 꾸준히 공유 발전시킨 적이 있는 지, 그 조직에 이런 전문가들이 있기나 한 것인지 생각해 보지 않을 수 없다. 국내 기술 산업이 아직 선진기술 패키징하는 상황에서 이런 문제가 산업 생태계와 국가 시스템의 문제인지, 아니면, 개인의 문제인지 다시 한번 생각하게 된다.
부록: glTF 구조도
다음 그림은 3D 타일 공식 포맷인 glTF 2.0의 구조와 개념을 상세히 보여준다.
레퍼런스
