선박 정도관리에서의 증강현실 기술 적용을 위한 비정형 선체 블록 인식 및 3차원 형상 정보 활용에 관한 연구 :A Study on Recognition of Unstructured Hull Block and Utilization of 3D Shape Information for Application of Augmented Reality in Ship Accuracy Control

남병욱

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자료유형: 학위논문

저자정보: 남병욱 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이경호

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

선박 정도관리에서의 증강현실 기술 적용을 위한 비정형 선체 블록 인식 및 3차원 형상 정보 활용에 관한 연구

남병욱 조선해양공학과 2021.01 학위논문

2019

조선소 블록 정도관리를 위한 경량화 측정 장비 및 증강현실 기반의 스마트 정도관리 시스템 개발

남병욱 , 이경호 , 이원혁 외 2명 한국전산구조공학회논문집 2019.01 학술저널

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선박의 생산 효율 향상 및 공정 기간 단축을 위하여 선박 건조 기간 동안 생산되는 선박 구성 요소의 정확도 평가는 필수적이다. 블록의 정도관리는 선박 공정 기간 단축 및 생산 비용 절감, 선박 품질 향상에 있어서 중요한 의미를 갖는다. 일부 조선소를 중심으로 이를 위한 시스템을 연구, 개발하여 활용하고 있지만 아직까지 많은 조선소에서 블록을 대상으로 줄자·추, 광파기를 사용하여 계측 및 관리하며, 작업 환경이나 작업자의 숙련도에 따라 계측 결과에 영향을 미친다. 계측 위치 파악을 위하여 종이 도면을 활용하고 있고 계측 결과에 대하여 수기로 기록하거나 모바일 디바이스 내 기록을 통해 기록 데이터를 정도 관리 시스템에서 관리하며, 이 과정에서 측정 결과 작성 누락이나 정도관리 시트에 대한 관리 부재 등이 발생하게 되고 시스템 내 결과 입력 및 정도 확인 과정으로 인한 이중 작업으로 효율 측면에서의 비용 손실이 발생한다.
현재까지 제시되고 있는 선박 블록의 정도관리에서는 곡 블록이나 평 블록의 가공 평가에 대해 계측 좌표를 바탕으로 설계 형상과의 비교에 초점이 맞추어 있으며, RANSAC 알고리즘을 통하여 형상을 정의하거나 색상 필터 등을 이용하여 배관을 대상으로 한 제한적인 증강현실 적용 방안에 대한 연구가 진행되어 왔다. 증강현실 기술에서 현실 세계에서 존재하는 물체의 위치나 자세 정보는 필수적인 요소로서 선박 설계에 따라 크기와 형태를 달리하는 블록을 대상으로 하여 기존 연구에서 사용된 영상에서 물체를 인식하기 위한 방법을 적용하는데 한계가 있기 때문에 이를 인식하기 위한 추가적인 프로세스가 요구된다. 본 논문에서는 선박 정도관리에서의 증강현실 기술을 적용하기 위한 방법에 대하여 연구를 진행하였으며, 연구 범위는 비정형 선체 블록을 대상으로 한정하였다. 증강현실 기술을 정도관리에 적용하기 위하여 RGB-D 데이터로부터 비정형 선체 블록 인식 방법에 대하여 연구를 하였고 선박 설계 시스템으로부터의 3차원 형상 정보를 분석하여 Mesh 기반의 증강현실 모델 및 증강현실에서의 정합을 위한 포인트 클라우드 데이터 생성을 위한 파라미터를 정의한 후 정합에 필요한 데이터를 최소화 할 수 있도록 포인트 클라우드 데이터를 생성하였다. 마지막으로 인식된 비정형 선체 블록과 3차원 형상 정보의 정합을 통해 선체 블록의 정도관리를 위한 증강현실 기술 적용 프로세스를 정립하였으며, 이를 위한 간단한 프로토타입을 통하여 활용성을 검토하고자 하였다.
본 논문에서 제시하고 있는 선박 정도관리에서의 증강현실 적용에 대한 비정형 선체 블록 인식 및 3차원 형상 정보 활용 기술은 기존 정도관리에서 분산되어 활용하고 있는 정도관리에 필요한 데이터를 현장의 엔지니어에게 효과적으로 제공할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 블록의 정도에 대한 피드백을 신속하게 제공하는데 기여할 수 있을 것이다.

In order to shorten the process period and improve production efficiency in shipbuilding, it is essential to evaluate the accuracy of ship components produced during the ship construction period. The accuracy control of ship blocks has important meaning for shortening the ship production period, reducing production costs, and improving ship quality. Some shipyards are researching and developing systems for this purpose. However, many shipyards still perform accuracy control by relying only on measuring instruments such as tape measure and weight, or optical equipment, such as optical waves. The measurement result will have an effect depending on the work environment or the skill level of the operator. In addition, paper drawings are used to determine the measurement location, and measurement data is manually recorded in the drawing without any additional equipment, or some of it is recorded on a mobile device and managed by the accuracy control system. Accordingly, in terms of measurement result management, human error occurs in the case of omission of measurement result creation and lack of accuracy control sheet management. There is a cost loss in terms of efficiency due to the double operation time required by inputting result data in the system.
In the accuracy control of ship blocks presented so far, the focus is on the comparison with the design shape based on the measurement coordinates for the processing evaluation of the curved block or flat block. Research has been conducted on restrictive augmented reality applications for pipes by defining pipe shapes through RANSAC algorithms or using color filters. In augmented reality technology, information on the position or posture of an object existing in the real world is an essential element. Since there is a limitation in applying the method for recognizing objects in images used in the existing research targeting blocks of different sizes and shapes according to the ship design, an additional process for recognizing them is required. In order to apply augmented reality technology to accuracy control, a study was conducted on a method of recognizing unconstructed hull blocks from RGB-D data. After analyzing the 3D shape information from the ship design system and defining the parameters for generating the mesh-based augmented reality model and point cloud data for matching in augmented reality, the point cloud in a direction that minimizes the data required for registration. Finally, the process of applying augmented reality technology for the accuracy control of the hull block was established through the matching of the recognized unconstructed hull block and 3D shape information, and the usability was examined through a simple prototype for this purpose.
In the application of augmented reality for ship accuracy control proposed in this paper, the technology for recognizing unstructured hull blocks and utilizing 3D shape information has the advantage of being able to effectively provide the data necessary for accuracy control, which is distributed and utilized in the existing accuracy control, to engineers in the field. It could contribute to quickly providing feedback on the accuracy of the block.

1. 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 선박 블록 정도관리 6
2. 관련연구 14
2.1. 증강현실 기술 14
2.2. 증강현실 정합 적용 연구 사례 20
2.3. 기존 연구 한계점 및 연구방향 28
3. 선체 블록 정도관리에서의 증강현실 기술 32
3.1. 선체 블록 정도관리를 위한 증강현실 기술 구성 32
3.2. 선체 블록 정도관리를 위한 증강현실 프로세스 34
4. 비정형 선체 블록 인식 및 3차원 형상 정보 활용 기술 36
4.1. RGB-D 데이터에서의 비정형 선체 블록 형상 검출 36
4.2. 2D-3D 데이터 캘리브레이션 62
4.3. 3차원 형상 정보 활용을 위한 REV 형상 포맷 분석 67
4.4. 3차원 형상 정보로부터 증강현실 모델 생성 72
4.5. 증강현실 정합을 위한 포인트 클라우드 데이터 생성 76
4.6. 비정형 선체 블록의 증강현실 정합 기술 86
4.7. 정도관리 데이터 정합 및 정도관리 방법 91
5. 비정형 선체 블록 인식 및 3차원 형상 정보 활용 기술 기반 증강현실 구현 결과 94
5.1. 증강현실 기술 구현 환경 94
5.2. 증강현실 기술 구현 결과 95
6. 결론 101
참고문헌 103
Appendix A. 정확도 평가 115
감사의 글 119

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