建築空間構造의 多次元的 分析모델에 關한 硏究 = A Study on the Multi-Dimensional Space Analysis Model using 3D Graphic Engine

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Humans live in architectural environment. The first function of archi- tectural space is a shelter to protect humans. Architectural space satisfies functional, structural and aesthetic needs of humans. People perceive the environment, are stimulated by it, and react to it. Most of stimulation and perception rely on the vision. Information necessary to perceive space is obtained through visual perception. Therefore, analytical theories and evaluation standards for space are based on visual properties.
The analysis of space structure does not have a long history. In the past, qualitative evaluation was used mostly. However, as the society be- comes more diversified and the relationships between members of society become more complex, more objective and quantitative space evaluation systems that could create social consensus are needed. And the necessity of such analytical methods become more urgent with the coming of in- dustrial society.
The conceptual framework for such quantitative analytical methods began to be proposed in the 1970s. The analytical methods can be divided into the statistical theory and graph theory, As the latter allows estimation in advance and presents intuitive results, it has drawn a lot of attention recently.
However, the graph theory remained as a theory only because an anal- ysis using it involved complex correlations between space elements and practical analysis was difficult. In this situation, the emergence of com- puter graphic technology in the mid 1970s enabled complex computation and visualization, which facilitated research in this field. However, the range of its application is still limited because most of the analytical theo- ries are concerned with the analysis of visual properties of the plane and the viewpoint is fixed. Moreover, the architectural space is becoming more complex and the trend of three dimensional space composition, such as division between floors and ambiguous visual relationship in space, be- comes more prevalent, and the existing two dimensional analytical theo- ries reveal their limits. Therefore, an appropriate three dimensional ana- lytical theory is needed more than ever.
The limits of the existing graph analysis theory related to visual space structure analysis can be summarized as the limit of two dimensional anal- ysis method and the limit of fixed viewpoint. This study proposes a method to analyze the visual structure of space by solving these two problems.
The first problem, the problem of two dimensional analysis method, is a problem related to the analysis of visual properties. This study pres- ents a method to expand the analysis model to a three dimensional analysis method based on most frequently used isovist and visibility graph analy- sis(VGA). In addition, based on existing evaluation indices. basic indices including 3ICD, 3IBD, VFg, and VF,, and partial analysis indices including LD, SD, ID, PVD, and VDC, which are applied indices for the relationship between the basic indices, are used.
Furthermore, this study proves that it is possible to produce the pro- posed indices through a three dimensional structure analysis of space by making an analysis tool to find out the possibility of analysis. And, the validity of results obtained is verified by comparing the results obtained from existing tools and the possibility of finding out the characteristics of three dimensional space analysis is proven.
The technical mechanism of three dimensional analysis is realized through the polygon decomposition of the model set in the virtual space and eye ray collision detection algorithm. And through data interchange with CAD system, statistical analysis, production of indices, and deriving of characteristics become possible.
When the three dimensional analysis tool is applied to the example model, it is possible to analyze the difficult to interpret areas in the same context with the existing theory, and it is possible to obtain more detailed data from previously analyzable areas.
The second problem is the problem of fixed viewpoint. The possibility of applying its solution to actual research projects is examined by propos- ing two expansion indices of VF, and VFf, and applying path simulation and vision simulation to the examples.
VF_(p) is a nondirectional theory that does not point to the target and it is produced through path simulation. The possibility of its application is examined by applying it to the models of interior space and outside com- plexes through measurement of visual accessibility of space, measurement of space openness, selection of effective patrol path, selection of the loca- tion of visual installation, and analysis of the characteristics of sky blockage,
VF_(f) is a directional theory that points to the target and it is produced through vision simulation. The possibility of its application is examined by applying it to examples through acquisition of space information on view path, evaluation of blockage ratio of landscape management ele-ments, and creation of the diagram of sunshine distribution in the complex.
When measuring VFg, this study proposes and examines cVF that gives weight to the frequency of expected space use. The analysis of sunshine distribution is supplemented by the amount of sunshine per unit area data. Through such experiment and review of the theory, it is found that it can be used for the visual interpretation of various spaces.
This study proposes a theory that overcomes the two dimensional limit of existing visual analysis of space and improves the applicability to actual situation by using multiple viewpoints for analysis. This study is mean- ingful because it has created a computer model that can be applied to vari- ous space analysis applications. It is a leading study that utilized the game engine, which has drawn a lot of attention in the architectural field as a next generation virtual reality media. It is important because it has ex- panded the virtual reality technique, which was in the expression stage in the study of architecture, to processing area.
It is expected that the results of this study will illuminate the visual structure analysis of space again and they will be applied to various areas with the development of improved analysis methods.

국문 초록 (Abstract)

인간은 건축 환경 속에 살고 있다. 건축공간은 인간을 보호하기 위한 쉘터로서 그 기능이 시작되었으며, 기능적, 구조적, 미적 요소들을 충족시켜주면서, 그 환경으로부터 자극받고 지각하며 이에 대한 반응(reaction)을 취하면서 삶을 영위하고 있다. 이러한 자극과 지각은 상당부분 시각에 의존하고 있으며, 시지각을 토대로 공간을 인지하는데 필요한 대부분의 정보를 취득한다. 그러므로 공간에 대한 분석이론과 평가기준은 대부분 시각적 속성에 기반하고 있다.
공간구조에 대한 분석은 그 역사가 그리 길지는 않지만 과거에는 건축전문가들에 의한 정성적 평가가 주류를 이루어 왔다. 그러나 사회가 다변화되고 구성원간의 관계가 복잡해지면서 사회적 공감대를 형성할 수 있는 객관적이며, 정량화된 공간평가시스템이 요구되게 되었으며, 이러한 분석기법의 필요성은 산업사회로 접어들면서 더욱더 절실해졌다.
이러한 정량적 분석기법의 개념적 틀은 1970년대에 들면서 본격적으로 제안되기 시작하였다. 분석기법은 크게 통계이론과 그래프이론으로 대별될 수 있는데, 이 중에서 그래프이론은 통계이론에 비하여 사전에 예측이 가능하고 직관적인 결과물을 제시하기 때문에 최근 들어 매우 주목받는 이론이 되고 있다.
그러나 그래프이론에 의한 분석은 공간요소의 상관관계가 복잡하여 실질적인 분석에 한계가 있는 이론적인 수준에 머물러 왔다. 이러한 상황에서 70년대 중반 컴퓨터그래픽스 기술이 등장함에 따라 복잡한 연산과 시각화가 가능해져 이 분야의 연구가 활기를 띄기 시작하였다. 그러나 분석이론들은 대부분 평면을 기준으로 하는 시각적 속성의 분석이 주류를 이루고 있으며, 시점의 설정이 고정적이기 때문에 적용의 폭이 좁았다. 더욱이 인간과 사회의 필요에 의하여 건축공간은 갈수록 복잡해지고, 층간구분이나 공간내의 시각적 관계성이 모호해지는 등 입체적 공간구성의 성향이 두드러지고 있는 관계로 기존의 2차원 분석이론은 더욱더 한계를 드러낼 수밖에 없게 되었다. 이러한 측면에서 3차원 분석이론의 필요성은 더욱더 더 강조되고 있다.
시각적 공간구조분석에 관련한 기존의 그래프 분석이론의 한계는 평면적 분석방법의 한계와 고정화된 시점의 한계로 요약되며, 본 연구에서는 이 두 가지 문제점을 보완한 공간의 시각구조 분석방법을 제시하였다.
첫 번째 문제인 평면적 분석방법의 문제는 시각적 속성과 관련한 분석으로서 가장 많이 연구, 적용되고 있는 가시장이론(isovist)과 가시성그래프이론(VGA)에 기반하여 분석모델을 3차원적으로 확장하는 방법을 제안하였다. 기존의 평가지표들을 토대로 가시체적도(3ICD), 가시한계도(3IBD), 순수가시연결도(VFg), 유효레벨가시연결도(VFe)와 같은 기초지표와, 기초지표들의 관계를 파악한 응용지표로서 레벨변위(LD)와 공간편차(SD), 피감시도(ID), 부분가시연결도(PVD), 가시성분포도(VDC)와 같은 국지적 분석지표로 정리하였다.
그리고 분석의 가능함을 파악하기 위한 분석도구를 구현하여 공간의 입체적 구조분석을 통해 제안된 지표들의 산출이 가능함을 증명하였으며, 기존의 도구와 비교하여 결과데이터의 유효성을 검증하고 3차원 공간분석의 특성을 정량적으로 파악할 수 있음을 입증하였다.
3차원 분석의 기술적 메커니즘은 3차원 그래픽스기반의 게임엔진을 이용하여 가상공간에 설정된 모델의 폴리곤 분해와 시선광선(視線光線)의 충돌판정 알고리즘을 통해 구현하였으며, 캐드시스템과의 데이터 호환으로 통계분석 및 지표의 산출, 특성도출 등을 가능토록 하였다.
3차원 분석도구를 예시모델에 적용한 결과 해석되지 못했던 많은 부분들이 기존의 이론과 같은 연장선상에서 분석이 가능했으며, 분석이 가능했던 부분들도 더욱 세밀한 데이터를 얻어낼 수 있었다.
두 번째 문제인 고정시점의 문제의 해결은 경로가시연결도(VFp)와 시야가시연결도(VFf)라는 두 가지 확장지표의 제안과 이를 도출하기 위한 패스 시뮬레이션과 비전 시뮬레이션의 예제의 적용을 통해 실제 연구 프로젝트에 적용가능성을 검토하는 과정으로 이루어졌다.
패스 시뮬레이션을 통해 산출되는 경로가시연결도(VFp)는 목표점을 지정하지 않는 비지향성이론으로서 실내공간과 외부단지의 예시모델에 적용하여 공간의 시각적 접근성 측정, 공간 개방도 측정, 효과적인 순찰경로 선정, 시각적 설치물의 입지선정, 천공차폐특성 분석 등의 예제를 수행하여 적용가능성을 검토하였다.
또한 비전 시뮬레이션을 통해 산출되는 시야가시연결도(VFf)는 시점이 목표점을 지향하는 시지향성 이론으로서 관람경로상의 공간정보취득, 경관관리요소에 대한 차폐도 평가, 단지의 일조분포도(日照分布圖) 작성 등의 예제를 수행하여 적용가능성을 검토하였다.
모든 가시연결도를 측정함에 있어서 공간 이용예측빈도를 가중한 수정가시연결도(cVF)를 제안, 검토하였으며, 일조도 분포분석에서는 단위면적당 일조량을 이용하여 데이터를 보정하였다. 이러한 이론의 실험과 검토를 통해 현실적인 적용이 가능한 다양한 공간의 시각적 해석의 가능함이 파악되었다.
본 연구는 기존의 공간의 시각적 분석의 2차원적인 한계를 극복하고, 분석을 다시점화(多視點化)하여 현실적인 상황에 대한 적용력을 향상시킨 이론이며, 다양한 공간분석 어플리케이션에 적용시킬 수 있는 전산모델을 개발하였다는데 의의가 있다. 또한 건축분야에서 차세대 가상현실 미디어로 주목받고 있는 게임엔진을 활용한 선도적 연구이며, 건축학에서 주로 표현단계에 머무르고 있는 가상현실 기법을 프로세싱 영역으로 확대하였다는데도 의미가 크다.
이러한 연구의 결과를 통해 지금까지 수행해오던 공간의 시각적구조분석 기술에 대한 새로운 재조명과 함께 향후 개선된 분석방법들을 발전시켜 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서론 = 1
• 1.1. 연구의 배경 및 필요성 = 1
• 1.2. 연구의 목적 = 3
• 1.3. 연구의 방법 = 5
• 1.4. 연구의 범위 및 대상 = 7
• 1.5. 논문의 구성 및 내용 = 8
• 1.6. 용어 및 지표의 정의 = 11
• 제2장. 공간구조분석의 이론적 배경 = 15
• 2.1. 공간구조와 시각적 인지 = 15
• 2.2. 공간구조 분석이론 = 25
• 2.3. 시각적 속성과 관련된 공간구조 분석이론 = 32
• 2.4. 그래프 분석이론의 한계 = 68
• 2.5. 3차원 분석을 위한 기초지표의 제안 = 71
• 2.6. 소결 = 79
• 제3장. 3차원 공간분석도구의 구현 = 81
• 3.1. 분석도구 구축기술의 이론적 배경 = 81
• 3.2. 기능설계와 사용자 인터페이스 디자인 = 92
• 3.3. 분석도구의 제작을 위한 알고리즘 = 98
• 3.4. 어플리케이션 설계와 구조 = 106
• 3.5. MDVC_Calculator의 클래스 설계 = 116
• 3.6. 모델러 데이터 전환 및 프리젠테이션 = 154
• 3.7. 소결 = 162
• 제4장. 분석도구의 검증과 3차원 공간분석의 특성 = 164
• 4.1. 가시장이론과 비교검증 = 164
• 4.2. 3차원 가시체적도의 특성 = 167
• 4.3. 3차원 가시한계비의 특성 = 176
• 4.4. 복합화된 공간의 적용 = 182
• 4.5. 가시그래프(Visibility Graph)이론과 비교검증 = 189
• 4.6. 3차원 가시연결도의 특성 = 199
• 4.7. 응용지표의 산출 = 226
• 4.8. 복합공간의 분석 = 233
• 4.9. 가중치를 이용한 복합공간분석의 보정 = 241
• 4.10. 소결 = 252
• 제5장. 공간구조의 동적(動的) 분석 = 254
• 5.1. 시지각 구성요소의 옵션 = 254
• 5.2. 이동시점에 의한 패스시뮬레이션 = 256
• 5.3. 패스시뮬레이션의 적용성 분석 = 264
• 5.4. 시야각체 적용을 통한 시지향성 시뮬레이션 = 293
• 5.5. 비전 시뮬레이션의 적용성 분석 = 303
• 5.6. 소결 = 316
• 제6장. 종합 및 결론 = 318
• 6.1. 연구의 종합 = 318
• 6.2. 연구의 의의 = 320
• 6.3. 향후 연구과제 = 320
• 참고문헌 = 323
• Appendix = 333
• Abstract = 410