KR101587874B1

KR101587874B1 - 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101587874B1
Application number: KR1020140131620A
Authority: KR
Inventors: 최성호; 김인영; 이종실; 임서현; 박훈기
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-01-22

Abstract

본 발명은 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치는 사용자의 심전도를 획득하는 신호 획득부(10); 획득한 심전도에서 잡음을 제거하는 신호 처리부(20); 잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동 신호를 검출하는 신호 검출부(30); 검출된 심장 박동 신호에서 사용자의 템플릿(Template)을 생성하는 템플릿 생성부(40); 및 생성된 템플릿에서 추출된 특징과 데이터 베이스부(60)에 저장된 특징 간의 유사 정도를 판단하여 사용자를 인식하는 식별부(50);를 포함한다. 본 발명에 따르면, 심장 박동 변화에 따라 달라지는 심전도 파형을 일반적인 상태의 파형으로 정규화하는 전처리를 수행하고, 공간상의 특징 추출을 통해 심장 박동 변화와 상관없는 개인화된 템플릿을 생성함으로써, 등록된 템플릿과 사용자 인식 시 사용자의 심장박동의 차이로 인해 발생할 수 있는 오인식을 줄이고, 인식 성능을 개선할 수 있다.

Description

단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치 및 그 방법{A BIOMETRIC RECOGNITION APPARATUS BASED ON SINGLE LEAD ELECTROCARDIOGRAPHY AND A METHOD THEREOF}

본 발명은 생체 인식 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 채널 심전도를 이용하여 생체를 인식하는 방법에 관한 것이다.

생체 인식 기술은 개인의 생리학적 또는 행동학적 특성을 기반으로 개인을 식별하는 방법으로서 인간의 고유한 특징과 관련된 신체적, 생리학적 방법으로 지문, 홍채, 망막, 혈관, 얼굴, 손모양, DNA 등이 있고, 인간의 행위 및 행동과 관련된 방법으로는 음성, 필체, 걸음걸이, 키보드, 타이핑 패턴 등이 있다.

종래 기술로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 생체 인식 기술은 지문을 이용한 방법으로, 범죄 수사에 있어서 가장 기본적인 과학수사 중 하나로 자리매김하고 있다. 이 밖에도 신분증이나 비밀번호를 대체하여 개인 인증 및 출입 통제, 휴대폰 잠금 해제 등 이미 실생활에서도 다양하게 활용되고 있다.

가장 일반적으로 사용되고 있는 지문을 이용한 생체 인식 기술은 비교적 높은 정확도의 인식 성능을 보이나 사용자의 지문 손상 시 인식이 불가하고, 저비용으로 간편하게 이용 가능하지만 지문 복제도 손쉽게 가능하다는 점에서 한계로 작용한다. 행동학적 특성을 이용한 생체 인식 기술 또한 외부 환경에 영향을 받으며 위조 및 변조에 취약하다는 문제가 있다.

또한, 종래의 심전도를 이용한 생체 인식은 고유한 생체 신호를 이용하므로 가로채기가 어렵고 위조 및 변조의 위험이 적으나, 감정이나 정서, 심리, 육체적 상태에 따른 심장 박동 변화에 의한 오인식률 증가 등의 기술적 문제점이 존재했다.

등록특허공보 제 10-0198761호(1999.03.02)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 등록된 템플릿과 사용자 인식 시 사용자의 심장박동의 차이로 인해 발생할 수 있는 오인식을 줄이고, 인식 성능을 개선시키는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치는 사용자의 심전도를 획득하는 신호 획득부(10); 획득한 심전도에서 잡음을 제거하는 신호 처리부(20); 잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동 신호를 검출하는 신호 검출부(30); 검출된 심장 박동 신호에서 사용자의 템플릿(Template)을 생성하는 템플릿 생성부(40); 및 생성된 템플릿에서 추출된 특징과 기 저장된 사용자의 특징 간의 유사 정도를 판단하여 사용자를 인식하는 식별부(50);를 포함한다.

개인 인식 기준이 되는 사용자를 대표하는 특징을 저장하는 상기 데이터 베이스부(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 식별부(50)에서 사용자를 인식한 결과를 표시하는 결과 표시부(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 템플릿 생성부(40)는 검출된 심장 박동에서 각 심장 박동 신호에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화하는 심전도 파형 정규화부(41)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 템플릿 생성부(40)는 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각 심장 박동 신호를 앙상블 평균하여 얻은 한 개의 심장 박동 신호에서 2차원 공간의 특징을 추출하는 특징 추출부(42)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 방법은 사용자의 심전도를 획득하는 신호 측정 단계(S100); 획득된 심전도에서 잡음을 제거하는 신호 처리 단계(S200); 잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동을 찾아내는 신호 검출 단계(S300); 검출된 심장 박동에서 각 심장 박동 신호에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화하는 심전도 파형 정규화 단계(S400); 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각 심장 박동 신호의 앙상블 평균을 통해 한 개의 심장 박동 신호를 얻는 앙상블 단계(S500); 상기 앙상블 단계(S500)에서 얻은 한 개의 심장 박동 신호에서 2차원 공간의 특징을 추출하는 특징 추출 단계(S600); 데이터 베이스부(60)에 저장된 사용자의 특징을 호출하는 특징 호출 단계(S700); 및 상기 특징 추출 단계(S600)에서 추출된 특징과 상기 특징 호출 단계(S700)에서 호출된 특징 간의 유사 정도를 판단하여 사용자를 인식하는 사용자 인식 단계(S800);를 포함한다.

상기 사용자 인식 단계(S800)의 결과를 표시하는 결과 표시 단계(S900)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 심장 박동 변화에 따라 달라지는 심전도 파형을 일반적인 상태의 파형으로 정규화하는 전처리를 수행하고, 공간상의 특징 추출을 통해 심장 박동 변화와 상관없는 개인화된 템플릿을 생성함으로써, 등록된 템플릿과 사용자 인식 시 사용자의 심장박동의 차이로 인해 발생할 수 있는 오인식을 줄이고, 인식 성능을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 방법의 순서도.
도 3은 각 비트에 대한 비선형 리샘플링 및 정규화 단계를 설명하는 도면.
도 4는 리샘플링 및 정규화한 심전도 신호를 앙상블 하여 개인화된 심전도 파형 생성을 설명하는 도면.
도 5는 개인화된 심전도 파형으로부터 공간상에서 특징 추출하는 단계를 설명하는 도면.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치는 신호 측정부(10), 신호 처리부(20), 신호 검출부(30), 템플릿 생성부(40), 식별부(50), 데이터 베이스부(60), 결과 표시부(70)를 포함한다. 또한, 상기 템플릿 생성부(40)는 심전도 파형 정규화부(41), 특징 추출부(42)를 포함한다.

신호 측정부(10)는 심전도를 이용한 개인 인식을 위해 심전도 신호를 획득한다. 신호 처리부(20)는 획득된 신호에서 잡음, 즉 노이즈를 제거한다. 신호 검출부(30)는 잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동을 찾아낸다. 즉, 심전도의 파형 및 피크를 검출하는 것이다. 템플릿 생성부(40)는 검출된 심장 박동 신호에서 사용자의 템플릿(Template)을 생성하며, 심전도 파형 정규화부(41), 특징 추출부(42)를 포함한다. 심전도 파형 정규화부(41)는 신호 검출부(30)에서 검출된 모든 심장 박동에서 각 심장 박동 신호에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화한다. 특징 추출부(42)는 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각 심장 박동 신호를 앙상블 평균하여 얻은 한 개의 심장 박동 신호에서 2차원 공간의 특징을 추출한다. 상기 앙상블 평균은 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각각의 심전도 파형의 평균 심전도 파형을 도출하는 것을 의미한다.

식별부(50)는 상기 템플릿 생성부(40)에서 생성된 템플릿으로부터 추출된 특징과 데이터 베이스부(60)에 저장된 특징 간의 유사 정도를 판단하여 사용자를 인식한다. 개인 인증을 위한 인식 시에는, 데이터 베이스부(60)에 저장된 사용자의 템플릿과 인식 시 생성된 사용자의 템플릿을 식별부(50)에서 비교하여 사용자를 승인 또는 거절한다.

데이터 베이스부(60)는 개인 인식을 위해 기준이 되는 사용자를 대표하는 특징을 저장한다. 개인 인식을 위해서는 기준이 되는 개인 템플릿의 등록이 선행되어야 하므로, 사용자의 템플릿 등록시에는 사용자를 대표하는 템플릿으로서 상기 템플릿 생성부(40)에서 생성된 템플릿을 데이터 베이스부(60)에 저장한다.

도 1에서 표시된 바와 같이 본 발명은 템플릿을 등록하는 과정과 템플릿을 인식하는 과정이 구분된다. 즉, 사용자의 템플릿을 등록하는 과정은 템플릿 생성부(40)에서 데이터 베이스부(60)로 이루어지고, 사용자의 등록된 템플릿을 인식하는 과정은 데이터 베이스부(60)에서 비교부(50)로 이루어지는 차이가 있다.

결과 표시부(70)는 상기 식별부(50)에서의 사용자를 인식 결과를 표시한다. 개인 식별을 위한 인식 시에는 데이터 베이스부(60)에 저장된 모든 개인 템플릿과의 비교를 통해 사용자를 식별하고, 이에 따른 개인 인식 결과를 결과 표시부(70)에 표시한다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 방법의 순서도이고, 도 3은 각 심장 박동에 대한 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화 단계를 설명하는 도면이고, 도 4는 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 심전도 신호를 앙상블 평균하여 개인화된 심전도 파형을 생성하는 단계를 설명하는 도면이며, 도 5는 개인화된 심전도 파형으로부터 공간상에서 특징을 추출하는 단계를 설명하는 도면이다. 도 2 내지 도 5를 참조할 때, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 방법은 신호 측정 단계(S100); 신호 처리 단계(S200); 신호 검출 단계(S300); 심전도 파형 정규화 단계(S400); 특징 추출단계(S500); 특징 호출 단계(S600); 사용자 인식 단계(S700); 결과 표시 단계(S800);를 포함한다.

신호 측정 단계(S100)는 심전도를 이용한 개인 인식을 위해 사용자의 심전도를 획득한다.

신호 처리 단계(S200)는 획득된 심전도에서 잡음, 즉 노이즈를 제거한다.

신호 검출 단계(S300)는 잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동을 찾아낸다. 즉, 심전도의 파형 및 피크를 검출하는 단계이다.

심전도 파형 정규화 단계(S400)는 검출된 모든 심장 박동에서 각 심장 박동 신호에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화한다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 심장 박동 변화에 따른 심전도 파형 변화 영향에 근거하여 심전도의 각 심장 박동에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화를 통해 심전도 파형을 정규화한다. 즉, P wave, QPS complex, T wave 각각의 파형 별로 시간 축 비선형 리샘플링을 통한 정규화하고, 표준 정규분포 Z변환을 이용하여 진폭을 정규화한다.

도 3(a)는 안정 상태의 심전도이고, 도 3(b)는 운동 후 심장 박동 수가 증가된 상태의 심전도이다. 이와 같이 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭의 정규화를 통해 심전도 파형을 정규화함으로써 등록된 템플릿을 통해 사용자 인식 시 사용자의 심장박동의 차이로 인해 발생할 수 있는 오인식을 줄이고, 인식 성능을 개선 시킬 수 있다. 즉, 각 심장 박동에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화하여 심전도 파형의 재구성하여 심장 박동 변화에 의한 영향을 보상할 수 있는 것이다.

특징 추출 단계(S500)는 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각 심장 박동으로부터 앙상블 평균을 통해 얻은 한 개의 심장 박동 신호에서 2차원 공간의 특징을 추출한다. 상기 앙상블 평균은 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각각의 심전도 파형의 평균 심전도 파형을 도출하는 것을 의미한다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 정규화된 각 심전도 신호를 앙상블 평균하여 한 개의 심장 박동 신호를 얻을 수 있다. 도 4(a)는 정규화된 각 심전도 신호를 표현한 도면이고, 도 4(b)는 정규화된 각 심전도 신호를 앙상블 평균하여 얻은 한 개의 심장 박동 신호를 표현한 도면이다. 또한, 도 5에서 도시된 바와 같이 앙상블 평균하여 얻은 한 개의 심장 박동 신호와 이를 일정 시간만큼 지연시킨 신호를 2차원 공간상에 묘사하여 특징을 추출하고, 이를 템플릿으로 이용한다. 즉, 개인화된 심전도 파형 x(t)와 임의의 시간 d만큼 지연시킨 x(t-d) 파형을 공간상에서 묘사하여 특징을 추출하는 것이다. 공간상에 그려진 각 파형의 루프에서 특징점, 각도, 면적, 길이, 넓이 등을 특징으로 이용할 수 있다. 즉, 앙상블 평균파형의 모양 자체 또는 앙상블 평균파형에서 추출된 특징을 개인의 템플릿으로 이용할 수 있는 것이다.

특징 호출 단계(S600)는 데이터 베이스부(60)에 저장된 사용자의 특징을 호출하고, 사용자 인식 단계(S700)는 데이터 베이스부(60)에서 호출된 특징과 추출된 특징 간의 유사도를 비교하여 사용자를 인식한다.

결과 표시 단계(S800)는 상기 사용자 인식 단계(S700)의 결과를 표시한다. 즉, 개인 식별을 위한 인식 시에는 데이터 베이스부(60)에 저장된 모든 개인 템플릿과의 비교를 통해 사용자를 식별하고, 이에 따른 개인 인식 결과를 결과 표시부(70)에 표시하는 단계이다.

앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

10 신호 측정부
20 신호 처리부
30 신호 검출부
40 템플릿 생성부
41 심전도 파형 정규화부
42 특징 추출부
50 식별부
60 데이터 베이스부

Claims

사용자의 심전도를 획득하는 신호 획득부(10);
획득한 심전도에서 잡음을 제거하는 신호 처리부(20);
잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동 신호를 검출하는 신호 검출부(30);
검출된 심장 박동 신호에서 사용자의 템플릿(Template)을 생성하는 템플릿 생성부(40); 및
생성된 템플릿에서 추출된 특징과 기 저장된 사용자의 특징 간의 유사 정도를 판단하여 사용자를 인식하는 식별부(50);
를 포함하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치에 있어서,
상기 템플릿 생성부(40)는 검출된 심장 박동에서 각 심장 박동 신호에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화하는 심전도 파형 정규화부(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치.
제 1항에 있어서,
개인 인식 기준이 되는 사용자를 대표하는 특징을 저장하는 데이터 베이스부(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치.
제 1항에 있어서,
상기 식별부(50)에서 사용자를 인식한 결과를 표시하는 결과 표시부(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 템플릿 생성부(40)는 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각 심장 박동 신호를 앙상블 평균하여 얻은 한 개의 심장 박동 신호에서 2차원 공간의 특징을 추출하는 특징 추출부(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 장치.
사용자의 심전도를 획득하는 신호 측정 단계(S100);
획득된 심전도에서 잡음을 제거하는 신호 처리 단계(S200);
잡음이 제거된 심전도에서 유효한 심장 박동을 찾아내는 신호 검출 단계(S300);
검출된 심장 박동에서 각 심장 박동 신호에 대해 시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화하는 심전도 파형 정규화 단계(S400);
시간 축 비선형 리샘플링 및 진폭 정규화된 각 심장 박동 신호의 앙상블 평균을 통해 한 개의 심장 박동 신호를 얻는 앙상블 단계(S500);
상기 앙상블 단계(S500)에서 얻은 한 개의 심장 박동 신호에서 2차원 공간의 특징을 추출하는 특징 추출 단계(S600);
데이터 베이스부(60)에 저장된 사용자의 특징을 호출하는 특징 호출 단계(S700); 및
상기 특징 추출 단계(S600)에서 추출된 특징과 상기 특징 호출 단계(S700)에서 호출된 특징 간의 유사 정도를 판단하여 사용자를 인식하는 사용자 인식 단계(S800);
를 포함하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 방법.
제 6항에 있어서,
상기 사용자 인식 단계(S800)의 결과를 표시하는 결과 표시 단계(S900)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 채널 심전도를 이용한 생체 인식 방법.