KR100338083B1 - 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용영상색인 및 검색방법 - Google Patents

검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용영상색인 및 검색방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법에 관한 것으로서, 정보를 추출할 대상 영상의 크기에 맞게 로젯 패턴을 정의하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 정의된 로젯 패턴에 의해 상기 대상 영상의 정보를 추출하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 추출한 영상 정보를 메모리에 저장하는 단계(c); 사용자가 정보 검색을 위해 질의 영상을 제공할 경우, 상기 질의 영상에 대해 상기 단계 (a)~(b)를 반복하는 단계(d); 및 상기 단계(c)에서 저장된 정보들과 상기 단계(d)에서 추출된 질의 영상의 정보의 유사도를 계산하여 검색을 수행하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 방법에 의하면, 로젯 주사 패턴을 이용해 적은 픽셀수로도 효과적으로 영상의 정보를 저장하고 검색할 수 있는 장점이 있다. 또한 검색 효율에 있어서도 일반적인 히스토그램 분포를 이용한 방식보다 높으며, 적은 픽셀 수를 사용하게 되므로 색인에 필요한 메모리 공간도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

Description

검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법{Method for Image Indexing and Image Retrieval Using the Rosette Scan Pattern for Improvement of Retrieval Efficiency and Retrieval Performance}
본 발명은 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주사가 영상의 중심 부분에 집중되는 로젯 주사패턴을 이용하여 영상 정보를 저장하고, 사용자가 검색을 요구하는 질의 영상에 대해서도 로젯 패턴을 이용해 영상 정보를 추출하고 저장된 영상 정보와 질의 영상의 그레이 히스토그램 분포를 통해 유사도를 계산하고 검색하는 영상 검색 방법에 관한 것이다.
최근 영상 압축 및 통신 기술이 급속히 발전함에 따라서 인터넷, VOD, 디지털 전자도서관 등 여러 분야에 걸쳐 디지털 영상 정보의 활용이 폭발적으로 증가하고 있으며, 이를 효과적으로 관리하고 검색하기 위한 방법이 활발히 연구되고 있다. 또한, 효율적인 데이터의 관리 및 검색 등을 위하여 정보의 특징 내용을 가지고 대상을 표현하고자 하는 MPEG-7 표준 작업도 현재 진행 중에 있다.
한편, 영상의 특정 정보를 추출하기 위해서는 먼저 입력 영상을 받아들여 읽어들이는, 즉 주사하는 과정이 선행되어야 한다. 기존의 주사 방법으로 순차 주차 패턴(progressive scan pattern)이나 비월 주사 패턴(interlaced scan pattern), 혹은 압축에 주로 이용되는 지그재그 주사 패턴(zigzag scan pattern) 등이 있는데 이들 모두는 영상을 구성하는 전체 픽셀 정보를 읽어들이는 방식이다.
순차 주사 패턴은 화소를 순차적으로 보내는 패턴으로서, 즉, 화면의 좌상부에서 시작한 주사선이 우하부까지 한번에 주사하는 방식으로서 주사선이 선명하고 깜박거림 현상이 없기 때문에 대부분의 모니터가 이 방식을 사용한다.
비월 주사 패턴은 주사선을 1라인씩 건너 뛰어 주사하는 패턴이고, 지그재그식 주사 패턴은 화소를 순서대로 읽지 않고, 사선으로 화소를 읽어나가는 방식이다.
순차 주사 방식이나 비월 주사 방식의 경우에는 영상의 중요 부분에 관계없이 영상을 구성하는 전체 픽셀 정보를 모두 읽어들어야 하므로 메모리 측면에서 비효율적이고, 지그재그식 방식의 경우에는 별도의 변환 과정을 거쳐야 하므로 처리시간이나 계산과정이 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명은 인간 시각의 특성상 영상의 외곽 부분보다는 중심 부분에서 보다 신경이 민감한 점에 착안하여, 영상 중심 부분에 주사가 집중되는 특성을 지닌 로젯 주사 패턴(rosette scan pattern)을 이용하여 영상의 내용을 읽어들이고 이로부터 특징 정보를 추출하여 데이터베이스의 색인 정보를 저장한 후, 입력되는 질의(query) 영상에 대하여 사용자가 원하는 유사 영상을 제시하는 영상 검색 방법을 제공하고자 한다.
도 1은 N1, N2및 ΔN에 따라 생성된 로젯 패턴의 모양을 도시한 것,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로젯 패턴을 이용한 영상 검색 방법의 순서도,
도 3은 대상 영상에 적용하도록 로젯 패턴을 정의하는 일 실시예를 도시한 것,
도 4(a)는 대상 영상, 도 4(b)는 대상 영상에 대해 로젯 패턴을 적용시킨 영상, 도 4(c)는 대상 영상의 그레이 히스토그램 분포, 도 4(d)는 로젯 패턴을 적용한 영상의 그레이 히스토그램 분포를 도시한것.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법은 정보를 추출할 대상 영상의 크기에 맞게 로젯 패턴을 정의하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 정의된 로젯 패턴에 의해 상기 대상 영상의 정보를 추출하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 추출한 영상 정보를 메모리에 저장하는 단계(c); 사용자가 정보 검색을 위해 질의 영상을 제공할 경우, 상기 질의 영상에 대해 상기 단계 (a)~(b)를 반복하는 단계(d); 및 상기 단계(c)에서 저장된 정보들과 상기 단계(d)에서 추출된 질의 영상의 정보의 유사도를 계산하여 검색을 수행하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명에 적용되는 로젯 주사 기법에 대해서 설명한다.
로젯 주사 기법은 레이더, 적외선 신호 처리 및 의료 진단 장치에 주로 사용되는 기법으로서, 로젯 패턴은 두 개의 광학계를 일정한 비율로 서로 반대 방향으로 회전시킴으로써 이루어진다. 이에 근간하여 컴퓨터 상에서 구현할 경우 즉 회전 주파수 f1과 f2로 회전시킬 때 형성되는 로젯 패턴의 자취 방정식를 극좌표계로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.
상기 회전 주파수인 f1, f2의 비에 의해 주사 속도, 총 잎사귀의 수, 잎사귀의 넓이 및 인접한 잎사귀와의 교차점들의 위치 등이 결정되며, 이들 주파수 비의 관계는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 2에서 N1및 N2는 양의 정수이고, f1f2이다.
상기 수학식 2의 비가 항상 유리수이고, N1=f1/f 및 N2=f2/f가 되는 최대 공약수 f를 가질 때에만 상기 수학식 1에 의하여 완전히 닫혀 있는 로젯 패턴을 형성할 수 있다. 이 경우 로젯 패턴의 프레임 주기는 다음의 수학식 3과 같고, 로젯 패턴 내의 전체 잎사귀의 수는 다음의 수학식 4와 같다.
또한 입사귀의 넓이를 나타내는 파라미터는 다음의 수학식 5와같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 5에서 ΔN은 잎사귀의 절대적인 넓이가 아닌 상대적인 척도이다.
도 1은 상기한 수학식들에 근거하여, N1, N2및 ΔN에 따라 생성된 로젯 패턴의 모양을 보여준다. 도1a는 N1=13, N2=11, ΔN=2인 경우이고, 도1b는 N1=13, N2=9, ΔN=4인 경우이다. 도1로부터, ΔN의 값이 커지면 잎사귀의 폭이 넓어지고, 값이 적어지면 상대적으로 잎사귀의 폭은 좁아지는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 도 1로부터 알 수 있듯이, 로젯 패턴은 패턴의 중앙 부분으로 갈수록 외곽에 비하여 더 많은 주사 수(scan point)를 포함하는 특징을 갖고 있다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 로젯 패턴의 특징을 이용하여 영상 색인 및 검색에 적용한다.
일반적인 영상의 경우, 영상 취득 단계에서부터 이미 인간 인지 시각 체계(human psycho-visual system)에 근간하여 영상내 주요 객체는 중심부에 놓이도록 한다는 가정으로부터 영상의 주요 정보는 중심부에 집중한다는 사실을 유추할 수 있다. 이러한 사실로 비추어 볼 때, 로젯 패턴을 영상에 적용할 경우 정보의 기술(description) 측면에서 기존 주사 패턴 방식에 비해 높은 효용성과 타당성을 갖는다는 것은 극명하다. 즉, 영상에 대한 픽셀 정보가 한정되어 있을 경우 종래의 순차 주사 패턴이나 비월 주사 패턴, 혹은 압축에 주로 이용되는 지그 재그 주사 패턴 등에 비하여 로젯 주사 패턴은 중심부에 많은 픽셀 정보를 할당하므로 보다 정확한 정보의 기술이 가능하다. 따라서 영상에 대해 픽셀 전체를 스캔하지 않고서도 주요한 정보를 포함할 수 있으므로, 영상의 특징 정보를 색인할 경우 필요한 메모리 양을 종래의 주사 패턴에 비하여 크게 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로젯 패턴을 이용한 영상 검색 방법의 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 영상 검색 방법에서는 우선, 영상 정보를 추출하여 저장하는 영상(이하 "대상 영상"이라 함)에 적용할 수 있는 로젯 패턴을 정의한다(21).
도 1에 도시된 바와 같이, 로젯 패턴은 가로와 세로의 길이가 같은 정방형의 비율을 갖는다. 그러나, 대상 영상이 항상 로젯 패턴에 맞도록 정방형의 크기가 되는 것은 아니며 오히려 대부분의 영상의 경우, 특히 티브이 영상의 경우에는 가로와 세로의 비가 4:3 또는 16:9 정도의 비를 가지게 되므로 이를 해결하기 위해 대상 영상에 맞는 적절한 로젯 패턴을 정의할 필요가 있다.
도 3은 대상 영상에 적용하도록 로젯 패턴을 정의하는 일 실시예를 도시한 것이다. 도 3에서 A는 대상 영상의 크기에 해당하는 영역이고, M은 대상 영상의 가로 길이, N은 대상 영상의 세로 길이를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 비정방형의 대상 영상에 로젯 패턴을 적용하도록 대상 형상보다 큰 B영역을 가지는 로젯 패턴을 정의한다. 어느 정도의 크기를 가지는 로젯 패턴을 정의할 것인지는 대상 영상의 가로와 세로중 큰 부분을 기준으로 해서 정한다. 즉 M>N 인 경우에는 M을 기준으로 해서 로젯 패턴의 크기인M을 정의하며, M<N 인 경우에는 N을 기준으로 해서 로젯 패턴의 크기인N을 정의한다. 도 3에서는 M>N 인 경우이므로 로젯 패턴의 상수인 크기인자를 곱해서M으로 하였다. 정의된 로젯 패턴의 궤적을 X 좌표의 시간에 대한 함수인 x(t), Y좌표의 시간에 대한 함수인 y(t)로 표시하면 다음의 수학식 6과 같다.
상기 수학식 6에서, ω1과 ω2는 패턴을 형성하는 회전 속도를 나타내며, ts는 연속 샘플링 간격을 나타낸다.
대상 영상에 맞는 로젯 패턴을 정의한 후에는 상기 정의한 로젯 패턴을 대상 영상과 마스킹(masking)한다(22). 대상 영상에서 처음부터 로젯 패턴을 적용하여 주사하는 방식에 의해 영상 정보를 추출할 수도 있으나, 이와 같은 방식으로 하면 오랜 시간이 걸리게 되므로, 본 발명에서는 미리 대상 영상에 대한 로젯 패턴을 정의하고 대상 영상에 마스킹하도록 한다.
마스킹을 한 다음에는 각 샘플링 포인트, 즉 픽셀에서의 영상 정보를 추출하고(23), 추출된 정보는 메모리에 저장된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 정보는 2차원 메모리에 저장이 되도록 한다. X좌표에 관한 메모리 번지를 I라고 하고, Y좌표에 관한 메모리 번지를 J라고 할 때 I와 J값은 다음의 수학식 7에 의해 정해진다.
I와 J를 가우스 함수에 의에 구하는 것은 정수가 아닐 수 있는 x(ts) 및 y(ts)의 값을 정수인 메모리 번지와 매칭시키기 위한 것이다.
전술한 바와 같이, 대상 영상은 정의된 로젯 패턴 전부에 존재하는 것이 아니므로, 모든 픽셀에 대해 영상 정보를 받아들일 필요는 없다. 따라서 상기 메모리에는 대상 영역이 존재하는 영역에 대해서만 정보를 저장하면 되므로 다음의 수학식 8과 같은 제한을 두어 메모리에 영상 정보를 저장한다.
도 4는 어떠한 대상 영상에 대해 로젯 패턴을 적용시킨 영상과, 이들 각각에 대한 그레이 히스토그램 분포를 도시한 것이다. 도 4(a)는 대상 영상이고, 도 4(b)는 대상 영상에 대해 로젯 패턴을 적용시킨 영상이며, 도 4(c)는 대상 영상의 그레이 히스토그램 분포, 도 4(d)는 로젯 패턴을 적용한 영상의 그레이 히스토그램 분포이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 로젯 패턴을 적용한 영상의 그레이 분포특성은 원 대상 영상에 대한 전체 그레이 히스토그램 분포와 거의 일치함을 알 수 있다. 이를 통해 로젯 패턴의 특성상 주사되는 필셀 수가 영상의 외곽 부분뿐만 아니라 중심부로 갈수록 더욱 집중되고, 이러한 방법을 취하더라도 영상에 대한 전역적인 정보를 충분히 포함시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 로젯 패턴이 지나는 자취점은 고유한 것으로 이는 영상내 객체들의 국부적인 위치정보를 포함하고 있다는 사실도 동시에 알 수 있다.
대상 영상들을 상기 로젯 패턴을 적용하여 메모리에 저장 시켜 데이터 베이스를 구축한 후에는 사용자가 검색을 요구하는 영상, 즉 질의 영상에 대한 정보를 받아들인다. 질의 영상에 대한 정보의 추출도 대상 영상의 경우와 같게 로젯 패턴을 적용해서 한다. 우선 질의 영상의 크기에 맞는 로젯 패턴을 정의하고(25), 질의 영상에 대해 정의된 로젯 패턴을 질의 영상과 마스킹 하여(26) 질의 영상에 대한 정보를 추출한다(27).
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 질의 영상이 저장이 되어있는 대상 영상들과 얼마나 유사한지를 판단하는 유사도의 계산은 그레이 히스토그램 분포를 비교하는 방법을 통해 한다(28). 구체적인 일 실시예는 데이터 베이스에 저장되어 있는 영상과 질의 영상 각각의 그레이 히스토그램 분포와의 유클리드 거리 차를 다음의 수학식 9 에 의해 계산하는 것이다.
수학식 9에서 Qk는 질의 영상의 히스토그램을, Ik는 데이터 베이스에 저장된히스토그램을 나타내며, k는 히스토그램 빈(bin)을 나타낸다.
유사도는 상기 수학식 9에 의해 계산된 값이 작을수록 높은 것이며, 유사도가 높은 것으로부터 순위를 매김으로서 검색을 수행한다(29).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법에 의하면, 종래와 같이 영상 전체의 픽셀 정보를 읽어들이지 않고 영상의 중심 부분에 주사가 집중되는 로젯 주사 패턴을 이용해 적은 픽셀수로도 효과적으로 영상의 정보를 저장하고 검색할 수 있는 장점이 있다. 또한 검색 효율에 있어서도 일반적인 히스토그램 분포를 이용한 방식보다 높으며, 적은 픽셀 수를 사용하게 되므로 색인에 필요한 메모리 공간도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 정보를 추출할 대상 영상의 크기에 맞게 로젯 패턴을 정의하는 단계(a);
    상기 단계(a)에서 정의된 로젯 패턴에 의해 상기 대상 영상의 정보를 추출하는 단계(b);
    상기 단계(b)에서 추출한 영상 정보를 메모리에 저장하는 단계(c);
    사용자가 정보 검색을 위해 질의 영상을 제공할 경우, 상기 질의 영상에 대해 상기 단계 (a)~(b)를 반복하는 단계(d); 및
    상기 단계(c)에서 저장된 정보들과 상기 단계(d)에서 추출된 질의 영상의 정보의 유사도를 계산하여 검색을 수행하는 단계(e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(a)의 정의되는 로젯 패턴은 상기 대상 영상의 가로와 세로 중, 큰 부분에 맞추어서 정의되는 것을 특징으로 하는 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(b)의 정보 추출은 미리 정의된 로젯 패턴에 상기 대상 영상을 마스킹하여 추출하는 것을 특징으로 하는 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단계(e)의 유사도 계산은 상기 저장된 대상 영상의 그레이 분포 히스토그램과 상기 질의 영상의 그레이 분포 히스토그램의 유클리드 거리를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 검색효율 및 검색성능 향상을 위한 로젯패턴 적용 영상색인 및 검색방법.
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