KR101656253B1 - Apparatus and method for constructing combine feature vector for gas classification - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 코를 이용하여 가스를 분류하는데 기준이 되는 결합 특징 벡터를 생성하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for generating a joint feature vector for gas classification, and more particularly to an apparatus and method for generating a joint feature vector for gas classification that generates a joint feature vector, ≪ / RTI >
전자 코(ELECTRONIC NOSE) 시스템은 센서를 이용하여 특정한 기체의 종류를 분류하는 전자 시스템이다. 인간의 후각 기능은 쉽게 피로해지기 때문에 연속적으로 다른 냄새를 맡지 못하고 맡을 수 있는 냄새의 종류가 한정되어, 지속적으로 냄새를 모니터링할 수 있으며 인간에 유해한 기체도 모니터링하여 종류를 분류할 수 있는 전자 코 시스템이 개발되었다.ELECTRONIC NOSE system is an electronic system that classifies a specific gas type using sensors. Since the olfactory function of the human body is easily fatigued, the kind of odor that can be taken without successively smelling other odor is limited, and the odor can be continuously monitored. Also, the electronic nose The system was developed.
초창기의 전자 코 시스템은 열량 센서(calorimetric sensor)를 이용하여 기체의 측정치를 색 배열(Array of color)의 형태로 표시한다.The earliest electronic nose system uses a calorimetric sensor to display measurements of the gas in the form of an array of colors.
종래의 전자 코 시스템은 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 시스템, 기계 지능(machine intelligence)이 결합된 질량 분석계(mass spectrometer) 등의 정밀 장비를 포함하여 구성되고, 여러 단계의 복잡한 분석 과장이 요구되기 때문에 사용 환경에 제약이 발생한다.Conventional electronic nose systems include precision instruments such as a gas chromatography system and a machine intelligence coupled mass spectrometer, and require complicated analysis processes at various stages There is a restriction in the use environment.
그에 따라, 종래의 전자 코 시스템은 음식, 음료 분야의 품질 관리 등과 같이 활용 분야가 한정되는 문제점이 있다.Accordingly, the conventional electronic nose system has a limited application field such as quality control of the food and beverage field.
최근에 전기화학 센서(electrochemical sensor)와 하드웨어 및 소프트웨어 분야의 기술이 발전함에 따라 전자 코 시스템은 기존의 전자 코 시스템에 비해 지능화(intelligent)되고 휴대가 가능해지면서 의료 검진용, 오염 물질 및 가스 누출 검색, 환경 보호, 화장품 산업 등과 같이 활용 분야가 다양해지고 있다.As electrochemical sensors and hardware and software technologies have developed recently, electronic nose systems have become intelligent and portable as compared to conventional electronic nose systems, , Environmental protection, and the cosmetics industry.
일반적으로, 전자 코 시스템은 여러 개의 채널로 구성된 센서 어레이(Sensor array)와 컴퓨팅 시스템으로 구성된다.Generally, an electronic nose system consists of a sensor array and a computing system composed of several channels.
센서의 각 채널은 각각 다른 특성(characteristics)을 가지고 있어 기체의 종류에 따라 각각 다르게 반응한다. 이때, 센서의 반응은 전자 인터페이스에 의해 벡터 형태의 숫자 데이터(numerical data)로 변환된다.Each channel of the sensor has different characteristics and reacts differently depending on the kind of gas. At this time, the response of the sensor is converted into numerical data in vector form by the electronic interface.
컴퓨팅 시스템은 전자 인터페이스에 의해 변환된 숫자 데이터로부터 기체 분류에 유용한 특징을 추출한다. 컴퓨팅 시스템은 분류기(classifier)를 이용하여 기체의 종류를 분류한다.The computing system extracts features that are useful for gas classification from numerical data transformed by the electronic interface. The computing system classifies the type of gas using a classifier.
이에, 센서 어레이의 감도(Sensitivity)와 특징추출 및 분류기의 성능은 전자 코 시스템의 가스 종류 분석 정확도(즉, 성능)를 결정하는 매우 중요한 요소로 작용한다.Therefore, the sensitivity of the sensor array, the feature extraction, and the performance of the classifier are very important factors for determining the gas type analysis accuracy (i.e., performance) of the electronic nose system.
전자 코 시스템에 사용되는 다양한 유형의 센서 어레이들 중에서 물질을 감지하는 전도도 센서(conductivity sensor)에는 전도성 고분자 복합체(conducting polymer composites), 본질적인 전도성 고분자(intrinsically conducting polymer), 금속 산화물(metal oxides) 등이 주로 사용된다.Of the various types of sensor arrays used in electronic nose systems, conductivity sensors for sensing materials include conductive polymer composites, intrinsically conducting polymers, metal oxides, and the like. It is mainly used.
전도성 고분자 복합체는 센서 드리프트(sensor drift), 센서 수명 제한, 온도 및 습도에 대한 감도 등의 단점에도, 다른 물질들에 비해 고분자 재료들의 사용, 낮은 비용, 실내 온도에서의 안정적인 동작, 적은 전력 소모 등의 장점으로 인해 기체 센서로 많이 사용되고 있다.Conductive polymer composites have the disadvantages of sensor drift, sensor life limitation, sensitivity to temperature and humidity, and the use of polymer materials compared to other materials, low cost, stable operation at room temperature, low power consumption And it is widely used as a gas sensor.
센서의 측정(measurement)은 크게 안정화(stabilization), 노출(exposure), 퍼지(purge)의 세 단계로 구성되며, 센서의 각 채널은 기체의 종류에 따라 다른 반응을 보이며 각 단계별 반응을 한 개의 벡터로 기록한다.The measurement of the sensor consists of three stages: stabilization, exposure, and purge. Each channel of the sensor shows different responses depending on the type of gas. Lt; / RTI >
컴퓨팅 시스템에서는 센서 어레이를 통해 입력된 기체 데이터의 종류를 분별하는데 여러 종류의 패턴 인식 기법을 사용한다. 기체를 분류하는 과정은 기체로부터 분류에 유용한 특징들을 추출하는 단계 및 추출된 특징들을 이용하여 분류기를 선계하는 단계로 구분된다.In the computing system, various kinds of pattern recognition techniques are used to discriminate the type of gas data inputted through the sensor array. The process of classifying the gas is divided into steps of extracting features useful for classification from the gas and preliminarily classifying the classifier using the extracted features.
전자 코 시스템에서 센서를 통해 취득한 데이터 샘플은 각 채널, 샘플링 지점(Sampling point)마다 측정한 값들로 구성된 고차원의 데이터이다. 이에, 전자 코 시스템은 가스 분류의 정확도를 높이면서 데이터 처리의 양을 효과적으로 줄이기 위해서 다양한 종류의 차원 축소 방법이 이용된다.The data samples acquired through the sensors in the electronic nose system are high-dimensional data composed of values measured for each channel and sampling point. Therefore, various kinds of dimension reduction methods are used to effectively reduce the amount of data processing while increasing the accuracy of gas classification.
대표적인 자원 축소 방법인 PCA(Principle Component Analysis)는 데이터 샘플들의 분산을 가장 크게 하는 저차원의 특징 공간에 데이터 샘플을 투영하여 분류를 수행한다. 이외에도 PCA의 변종인 CC-PCA, CCCPCA 등이 기체를 분류하는데 사용되고 있다.PCA (Principle Component Analysis), which is a typical resource reduction method, projects data samples to a low-dimensional feature space that maximizes dispersion of data samples and performs classification. Other varieties of PCA, such as CC-PCA and CCCPCA, are used to classify gases.
자원 축소 방법 중 LDA(Linear Discriminant Analysis)는 최적의 선형 분류 함수(linear discriminant function)를 찾는데 초점을 맞추는 방법이다. LDA는 일반적으로 분류 문제에 대해서는 PCA에 비해 좋은 성능을 보여준다. LDA는 학습(Training) 데이터의 클래스 정보를 활용하여 클래스 내의 분포를 좁히고, 클래스 간의 거리를 넓히는 특징 공간을 구성한다. 이외에도, LDA를 입력 변수(input variable)들의 상관관계(correlation)가 큰 고차원 데이터에 적합하게 발전시킨 CLDA 등이 기체를 분류하는데 사용되고 있다.Among resource reduction methods, Linear Discriminant Analysis (LDA) is a way to focus on finding the optimal linear discriminant function. LDA is generally better than PCA for classification problems. The LDA uses the class information of training data to narrow the distribution within the class and construct a feature space that broadens the distance between the classes. In addition, CLDA, which developed the LDA suitable for high dimensional data with large correlation of input variables, is used to classify the gas.
상술한 종래의 방법들은 기체 샘플에 대해 안정화 단계에서부터 퍼지 단계에 이르기까지의 전체 측정값들을 한 개의 벡터로 표현하고 통계적인 분석 과정을 통해 특징 공간을 구성한다. 그런데 센서의 측정값은 각 측정 구간별로 각기 다른 정보들을 포함하고 있으므로 전역 정보와 함께 지역 정보를 함께 사용하는 것이 효과적이다.The conventional methods described above express the entire measurement values from the stabilization step to the purge step with respect to the gas sample as a single vector and construct a feature space through a statistical analysis process. However, it is effective to use the local information together with the global information because the measurement value of the sensor includes different information for each measurement interval.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 제안된 것으로, 전체 측정 구간의 전역 샘플을 이용하여 전역 특징을 추출하고, 안정화 구간, 노출 구간 및 퍼지 구간의 지역 샘플을 이용하여 지역 특징을 추출하고, 분별력 정보 양이 많은 전역 특징 및 지역 특징을 추출하여 결합 특징을 생성하도록 한 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to extract global features by using global samples of the entire measurement interval, extract local features using local samples of the stabilization interval, It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for generating a combined feature vector for classifying a gas in which a large number of global features and regional features are extracted to generate combined features.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치는, 복수의 채널 및 복수의 구간으로 구성된 센서 어레이로 구성되어, 챔버 내부로 유입되는 가스에 의한 반응을 측정하여 가스 데이터를 생성하는 가스 측정부; 가스 측정부에서 생성된 가스 데이터를 근거로 판별 특징을 추출하는 판별 특징 추출부; 및 가스 측정부에서 생성된 가스 데이터 및 판별 특징 추출부에서 추출한 판별 특징을 근거로 결합 특징 벡터를 생성하는 결합 특징 벡터 생성부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for generating a joint feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention. The apparatus includes a sensor array including a plurality of channels and a plurality of sections, A gas measurement unit for measuring and generating gas data; A discrimination feature extracting unit for extracting discrimination characteristics based on the gas data generated by the gas measuring unit; And a combined feature vector generation unit for generating a combined feature vector based on the gas data generated by the gas measurement unit and the discrimination feature extracted by the discrimination feature extraction unit.
가스 측정부는 16개의 채널로 구성된 미세 기계 센서 어레이로 구성되고, 16개의 채널은 교차 전극, 미세 발열체 및 고분자 복합체가 각각 배치되는 3 구간으로 구분되고, 16개의 채널 각각에 서로 다른 고분자 복합체로 구성된다.The gas measuring unit is composed of a micromechanical sensor array composed of 16 channels, and the 16 channels are divided into three sections in which the cross electrode, the microheater and the polymer complex are respectively disposed, and the 16 channels are composed of different polymer complexes .
가스 측정부는 전체 측정구간을 안정화 구간, 노출 구간 및 퍼지 구간으로 구분하고, 각 구간별로 다르게 설정된 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 의한 반응을 측정한다.The gas measuring unit divides the entire measurement period into the stabilization period, the exposure period and the purge period, and measures the reaction by the gas at the set time interval set differently for each period.
판별 특징 추출부는 LDA를 수행하여 목적함수를 만족하는 클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 근거로 투영 벡터들로 구성된 투영 행렬을 산출하고, PCA를 수행하여 복수의 학습 데이터의 차원을 감소시켜 종합 투영 행렬을 정의하고, 투영 행렬 및 종합 투영 행렬을 근거로 정의한 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하고, PCA 및 LDA의 투영 행렬의 고유값을 근거로 복수의 판별 특징으로 구성되는 특징 벡터를 생성한다.The discrimination feature extraction unit performs an LDA to calculate a projection matrix composed of a plurality of projection vectors based on a dispersion matrix and an intra-class dispersion matrix satisfying the objective function, and performs a PCA to reduce the dimension of the plurality of learning data, Defines a projection matrix, defines a projection matrix of PCA and LDA defined based on a projection matrix and an integrated projection matrix, and generates a feature vector composed of a plurality of determination features based on the eigenvalues of the projection matrixes of PCA and LDA .
판별 특징 추출부는 수학식The discrimination feature extracting unit extracts
(WPCA=argmaxW|WTSTS|이고, WLDA=argmaxW{|WTWPCA TSBWPCAW|/|WTWPCA TSWWPCAW|})을 이용하여 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의한다.Using (W PCA = argmax W | W T S T S | a, WLDA = argmax W {| W T W PCA T S B W PCA W | / | | W T W PCA T S W W PCA W}) Defines the projection matrix of PCA and LDA.
결합 특징 생성부는 가스 측정부에서 측정된 가스 데이터를 안정화 구간의 측정값, 노출 구간의 측정값 및 퍼지 구간의 측정값으로 분류하고, 전체 구간의 측정값을 근거로 전역 특징을 산출하고, 구간별로 분류된 측정값을 근거로 각 구간의 지역 특징을 산출한다.The joint feature generation unit classifies the gas data measured by the gas measurement unit into a measurement value of the stabilization period, a measurement value of the exposure interval, and a measurement value of the fuzzy interval, calculates global characteristics based on the measured values of the entire interval, The regional characteristics of each section are calculated based on the classified measurements.
결합 특징 생성부는 산출한 지역 특징 및 전역 특징을 근거로 복수의 원소로 구성된 기본 특징 집합을 구성하고, ReliefF 방법을 이용하여 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 설정하고, 가중치 벡터를 근거로 결합 특징 벡터를 구성한다.The joint feature generation unit constructs a basic feature set composed of a plurality of elements based on the calculated local features and global features, sets a weight vector of the regional feature and the global feature included in the basic feature set using the ReliefF method, And construct a combined feature vector based on the vector.
결합 특징 생성부는 수학식The joint feature generation unit calculates
(Aj는 j번째 특징의 가중치, Ykj는 랜덤하게 선택한 k 번째 샘플의 j번째 기본특징, Hrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, Mrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, N은 샘플 개수, P(Cl)는 클래스 Cl의 사전 확률(prior probability), P(CYk)는 Yk가 속한 클래스의 사전 확률)을 이용하여 상기 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 산출한다.(A j is the weight of the jth feature, Ykj is the jth basic feature of the randomly selected kth sample, Hrj is the random number of samples selected from the samples having the same class for the randomly selected kth sample, s j-th basic characteristics of the sample, Mrj is the j-th basic feature of the in the sample belonging to the different classes for a selected randomly k th sample distance nearest s samples, N is the number of samples, P (C l) is a class C l And P (CYk) is the prior probability of the class to which Yk belongs) to calculate the weight vector of the local features and the global features included in the basic feature set.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법은, 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치를 이용한 결합 특징 벡터 생성 방법에 있어서, 챔버 내부로 유입되는 가스에 의한 반응을 측정하여 가스 데이터를 생성하는 단계; 생성된 가스 데이터를 근거로 판별 특징을 추출하는 단계; 및 생성된 가스 데이터 및 추출한 판별 특징을 근거로 결합 특징 벡터를 생성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for generating a combined feature vector for gas classification, the method comprising: generating a combined feature vector using a combined feature vector generation apparatus for gas classification, Measuring the reaction by the gas sensor to generate gas data; Extracting discrimination characteristics based on the generated gas data; And generating a combined feature vector based on the generated gas data and the extracted discrimination feature.
가스 데이터를 생성하는 단계에서는 16개의 채널로 구성된 미세 기계 센서 어레이로 구성되고, 16개의 채널은 교차 전극, 미세 발열체 및 고분자 복합체가 각각 배치되는 3 구간으로 구분되고, 16개의 채널 각각에 서로 다른 고분자 복합체를 통해 챔버로 유입되는 가스에 대한 반응을 측정한다.In the step of generating the gas data, the microchip sensor array is composed of 16 channels. The 16 channels are divided into three sections where the cross electrodes, the microheaters and the polymer complexes are disposed, respectively. Measure the response to gas entering the chamber through the complex.
가스 데이터를 생성하는 단계는 안정화 구간에서 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 대한 센서의 반응을 측정하는 단계; 노출 구간에서 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 대한 센서의 반응을 측정하는 단계; 및 퍼지 구간에서 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 대한 센서의 반응을 측정하는 단계를 포함하고, 설정시간은 각 구간별로 다르게 설정된다.The step of generating the gas data may include measuring the response of the sensor to the gas at a set time interval during the set time in the stabilization period; Measuring the response of the sensor to the gas at the set time interval during the set time in the exposure section; And measuring the response of the sensor to the gas at a set time interval during the set time in the purge interval, wherein the set time is set differently for each section.
판별 특징을 추출하는 단계는 클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 정의하는 단계; LDA를 수행하여 목적함수를 만족하는 클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 근거로 투영 벡터들로 구성된 투영 행렬을 산출하는 단계;The step of extracting the discriminating feature may comprise the steps of: defining a intra-class variance matrix and a inter-class variance matrix; Calculating a projection matrix composed of projection vectors based on a dispersion matrix in the class and a dispersion matrix between classes that satisfy the objective function by performing the LDA;
PCA를 수행하여 복수의 학습 데이터의 차원을 감소시켜 종합 투영 행렬을 정의하는 단계; 투영 행렬 및 종합 투영 행렬을 근거로 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하는 단계; 및 PCA 및 LDA의 투영 행렬의 고유값을 근거로 판별 특징을 추출하는 단계를 포함한다.Performing a PCA to reduce a dimension of a plurality of learning data to define an overall projection matrix; Defining a projection matrix of PCA and LDA based on a projection matrix and an integrated projection matrix; And extracting the discriminant feature based on the eigenvalues of the projection matrixes of the PCA and the LDA.
PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하는 단계에서는 수학식In the step of defining the projection matrixes of PCA and LDA,
(WPCA=argmaxW|WTSTS|이고, WLDA=argmaxW{|WTWPCA TSBWPCAW|/|WTWPCA TSWWPCAW|})을 이용하여 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의한다.Using (W PCA = argmax W | W T S T S | a, WLDA = argmax W {| W T W PCA T S B W PCA W | / | | W T W PCA T S W W PCA W}) Defines the projection matrix of PCA and LDA.
결합 특징 벡터를 생성하는 단계는 측정된 가스 데이터를 안정화 구간의 측정값, 노출 구간의 측정값 및 퍼지 구간의 측정값으로 분류하는 단계; 측정구간별로 분류된 측정값을 근거로 전역 특징 및 지역 특징을 산출하는 단계; 산출한 전역 특징 및 지역 특징을 근거로 기본 특징 집합을 구성하는 단계; ReliefF 방법을 이용하여 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 설정하는 단계; 및 가중치 벡터를 근거로 결합 특징 벡터를 구성하는 단계를 포함한다.The step of generating the combined feature vector comprises: classifying the measured gas data into a measured value of the stabilization interval, a measured value of the exposure interval, and a measured value of the fuzzy interval; Calculating global features and regional features based on measured values classified by measurement intervals; Constructing a basic feature set based on the calculated global feature and local feature; Setting a weight vector of a local feature and a global feature included in a basic feature set using a ReliefF method; And constructing a combined feature vector based on the weight vector.
가중치 벡터를 설정하는 단계에서는 수학식In the step of setting the weight vector,
(Aj는 j번째 특징의 가중치, Ykj는 랜덤하게 선택한 k 번째 샘플의 j번째 기본특징, Hrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, Mrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, N은 샘플 개수, P(Cl)는 클래스 Cl의 사전 확률(prior probability), P(CYk)는 Yk가 속한 클래스의 사전 확률)을 이용하여 상기 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 산출한다.(A j is the weight of the jth feature, Ykj is the jth basic feature of the randomly selected kth sample, Hrj is the random number of samples selected from the samples having the same class for the randomly selected kth sample, s j-th basic characteristics of the sample, Mrj is the j-th basic feature of the in the sample belonging to the different classes for a selected randomly k th sample distance nearest s samples, N is the number of samples, P (C l) is a class C l And P (CYk) is the prior probability of the class to which Yk belongs) to calculate the weight vector of the local features and the global features included in the basic feature set.
본 발명에 의하면, 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법은 전역 특징과 구간별 지역 특징들 중에서 분별력이 높은 특징들만 선별하여 결합 특징을 구성함으로써, 각 구간별로 불필요한 정보들은 제거하고 유용한 특징들만 분류기의 입력으로 사용할 수 있어 센서가 가스 데이터를 측정하는 과정에서 노이즈가 발생하는 경우에도 강인하게(robust) 가스를 분류할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, an apparatus and method for generating a combined feature vector for classifying gases is characterized in that only the features with high discrimination power are selected from among the global features and the regional features of each section to remove the unnecessary information for each section, It can be used as an input of a classifier, so that it is possible to classify a robust gas even when noise occurs in the process of measuring gas data.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 2의 가스 측정부를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 도 4의 가스 측정 단계를 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 도 4의 판별 특징 추출 단계를 설명하기 위한 흐름도.
도 7은 도 4의 결합 특징 벡터 생성 단계를 설명하기 위한 흐름도.
도 8 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 통해 생성한 결합 특징 벡터를 기반으로 한 가스 분류 실험 결과를 설명하기 위한 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 and FIG. 2 illustrate an apparatus for generating a combined feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a view for explaining the gas measurement unit of FIG. 2;
4 is a flowchart illustrating a method for generating a combined feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flow chart for explaining the gas measurement step of FIG. 4;
FIG. 6 is a flowchart for explaining the discrimination feature extraction step of FIG. 4;
FIG. 7 is a flowchart for explaining the joint feature vector generation step of FIG. 4;
FIG. 8 to FIG. 16 are diagrams for explaining a result of gas classification experiment based on combined feature vectors generated through an apparatus and method for generating a combined feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention; FIG.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. . In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 도 2의 가스 측정부를 설명하기 위한 도면이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a combined feature vector generation apparatus for gas classification according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are views for explaining a combined feature vector generation apparatus for gas classification according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a view for explaining the gas measuring unit of FIG. 2. FIG.
가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치(이하, 결합 특징 벡터 생성 장치)는 가스 분류를 위해 분석기(분류기)에 입력되는 기준 인자를 생성한다. 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치는 가스 분류를 위한 측정 구간에서 전체에서 측정된 측정값의 전역 특징 및 지역 특징의 장점을 모두 활용하기 위해 결합 특징 벡터를 기준 인자로 생성한다.A coupled feature vector generation apparatus for gas classification (hereinafter referred to as a coupled feature vector generation apparatus) generates a reference factor input to an analyzer (classifier) for gas classification. That is, the combined feature vector generation apparatus generates a combined feature vector as a reference factor in order to utilize all the advantages of the global feature and the regional feature of the measured value as a whole in the measurement period for gas classification.
도 1에 도시된 바와 같이, 결합 특징 벡터 생성 장치는 자원 축소 방법인 PCA(Principle Component Analysis) 및 LDA(Linear Discriminant Analysis)를 이용하여 전체 측정 구간의 측정값들(즉, 전역 샘플)로부터 전역 특징을 추출하고, 각 측정 구간의 측정값들(즉, 지역 샘플)로부터 지역 특징을 추출한다.As shown in FIG. 1, the combined feature vector generating device extracts global characteristic (s) from measured values (i.e., global samples) of the entire measurement interval using a principle component analysis (PCA) and a linear discriminant analysis And extracts the local features from the measured values of each measurement period (i.e., the local samples).
이때, 추출된 전역 특징들과 지역 특징들은 가스 분류에 유용한 정보뿐만 아니라 여러 종류의 변이나 잡음(noise)의 영향 등으로 인해 오히려 가스를 분류하는데 방해가 되는 정보들을 포함하고 있다.At this time, the extracted global features and local features include information that is not useful to the gas classification, but rather interferes with the classification of the gas due to the influence of various kinds of sides or noise.
이에, 결합 특징 벡터 생성 장치는 추출된 특징들(즉, 전역 특징들 및 지역 특징들) 중에서 가스 분류에 적합한 특징들만을 선별적으로 선택하여 최종 인식 단계에서 사용한다.Accordingly, the combined feature vector generating apparatus selects only the features suitable for the gas classification among the extracted features (i.e., the global features and the regional features) and uses them in the final recognition step.
이를 위해, 결합 특징 벡터 생성 장치는 대표적인 특징 선택 방법 가운데 하나인 ReliefF 방법을 이용하여 각 특징들에 대한 클래스 분별 능력을 측정한다. 결합 특징 벡터 생성 장치는 측정한 클래스 분별 능력을 바탕으로 가스 분류를 위한 최적의 전역 특징과 지역 특징을 조합한다.For this purpose, the joint feature vector generation device measures class discrimination ability for each feature using the ReliefF method, which is one of representative feature selection methods. The combined feature vector generation device combines the best global features and local features for gas classification based on the measured class discrimination capabilities.
이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 가스 측정부(120), 판별 특징 추출부(140), 결합 특징 벡터 생성부(160)를 포함하여 구성된다.2, the combined feature
가스 측정부(120)는 챔버(200) 내부에 배치되어 챔버(200)로 유입되는 가스를 측정한다. 이를 위해, 가스 측정부(120)는 복수의 채널 및 복수의 구간으로 구성된 센서 어레이로 구성된다. 즉, 가스 측정부(120)는 16개의 채널로 구성된 미세 기계(Micromachined) 센서 어레이로 구성된다. 이때, 각 채널은 3개의 구간으로 구분되고, 구간별로 교차 전극(interdigitated electrode), 미세 발명체(micro heater), 가공 막(machined membrane)을 가진 카본 블랙 고분자 복합체(carbon-black(CB) polymer composites) 센서가 배치된다. 여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 카본 블랙 고분자 복합체 센서는 각 채널별로 서로 다른 재질의 고분자 복합체로 구성될 수 있다.The
가스 측정부(120)는 각 채널에 배치된 고분자 복합체와 유입되는 가스의 화학적 결합에 의한 반응을 측정한다. 이때, 가스 측정부(120)는 설정시간(예를 들면, 대략 200 초 정도) 동안 설정시간 간격(예를 들면, 대략 0.1 초 간격)으로 가스와 고분자 복합체의 화학적 결합에 의한 반응을 측정한다.The
가스 측정부(120)는 전체 측정구간을 안정화(stabilization) 구간, 노출(exposure) 구간, 퍼지(purge) 구간으로 구분한다. 가스 측정부(120)는 각 구간별로 설정시간을 설정하고, 각 구간별로 설정시간 동안 반응을 측정한다. 즉, 가스 측정부(120)는 센서 어레이가 챔버(200; Chamber)에 배치된 후에 저항 신호가 안정화되는 구간인 안정화 구간에 대략 30초 정도의 설정시간을 설정하고 대략 0.1초 간격으로 반응을 측정한다. 가스 측정부(120)는 센서 어레이의 안정화 후 대상 가스를 챔버(200)로 유입하는 구간인 노출 구간에 대략 60초 정도의 설정시간을 설정하고 대략 0.1초 간격으로 반응을 측정한다. 가스 측정부(120)는 챔버(200)내의 대상 가스를 외부로 배출하는 구간인 퍼지 구간에 대략 110초 정도의 설정시간을 설정하고 대략 0.1초 간격으로 반응을 측정한다.The
판별 특징 추출부(140)는 가스 측정부(120)에서 측정한 가스 데이터를 근거로 판별 특징을 추출한다. 즉, 판별 특징 추출부(140)는 차원 축소 방법의 일종인 LDA(Linear Discriminant Analysis)를 이용해 가스 데이터로부터 가스 분류에 적합한 판별 특징을 추출한다.The discrimination
C개의 클래스를 가진 N개의 n차원의 학습 데이터 샘플 (k=1, …, N)가 주어졌을 때, 판별 특징 추출부(140)는 LDA를 이용하여 동일 클래스에 속한 학습 데이터 샘플들을 모으면서 동시에 클래스의 평균들 사이의 거리를 멀어지게 하는 특징 공간을 구성한다.N n-dimensional learning data samples with C classes (k = 1, ..., N), the discrimination
이를 위해, 판별 특징 추출부(140)는 클래스 내 분산 행렬(within-class scatter matrix) SW를 하기 수학식 1과 같이 정의하고, 클래스 간 분산 행렬(between-class scatter matrix) SB를 하기 수학식 2와 같이 정의한다.To this end, the discrimination
여기서, Xk는 클래스 Ci에 속한 m번째 샘플을 의미하며, N은 전체 샘플의 수, C는 클래스의 개수, μ는 전체 샘플의 평균(mean)이고, μi는 클래스 Ci에 속한 샘플들의 평균이다.Here, X k denotes the m-th sample belongs to the class C i and, N is the total number of sample, C is the number of classes, μ is the average (mean) of the entire sample, μ i is the sample belongs to the class C i .
판별 특징 추출부(140)는 LDA를 이용하여 하기 수학식 3에 정의된 목적함수를 만족하는 SW 및 SB로부터 투영 벡터(projection vector; Wl L, l=1, …, n')들로 구성된 투영 행렬(projection matrix) WLDA = [W1 L, …, Wn L]을 산출한다.The
여기서, Wl L들은 Sw -1Sb의 고유벡터(eigen-vector)를 산출하여 구해지는 SBWl L= λlSWWl L를 만족한다.Here, W l L should satisfy L = λ l l W B S S W W l L which is determined by calculating a specific vector (eigen-vector) of S w S b -1.
이때, 학습 데이터가 가스 데이터(본 실시예에서는, )와 같이 고차원 데이터인 경우, n이 SW의 rank (N-C)보다 커진다. 그에 따라, SW가 항상 단일화(singular)되는 SSS(Small Sample Size) 문제가 발생한다.At this time, the learning data is the gas data (in this embodiment, ), N is larger than the rank (NC) of S W. As a result, a Small Sample Size (SSS) problem occurs in which S W is always singular.
이에, 판별 특징 추출부(140)는 LDA의 수행전에 PCA를 수행하여 학습 데이터의 차원을 m≤N-C로 줄인다. 판별 특징 추출부(140)는 종합 투영 행렬(total scatter matrix) ST를 하기 수학식 4와 같이 정의한다.Accordingly, the discriminating
그에 따라, 판별 특징 추출부(140)는 PCA 및 LDA의 투영 행렬은 하기의 수학식 5와 같이 정의된다.Accordingly, the projection matrix of the PCA and the LDA is defined by the following equation (5).
여기서, WPCA=argmaxW|WTSTS|이고, WLDA=argmaxW{|WTWPCA TSBWPCAW|/|WTWPCA TSWWPCAW|}이다.Here, W = argmax PCA W | a W T S T S | a, WLDA W = argmax {| T W T W PCA PCA S B W W | / | | W T T S W W W PCA PCA W}.
PCA 및 LDA의 투영 행렬을 구성하고 있는 투영 벡터 Wl PL들 중에서 고유값(eigenvalue)이 큰 순서대로 n≤C-1를 선택하면, 가스 데이터 샘플 Xk는 n'개의 판별 특징(Discriminant Feature)들로 구성된 n'차원의 특징 벡터로 하기의 수학식 6과 같이 표현된다.If n < C-1 is selected in order of increasing eigenvalues among the projection vectors W l PL constituting the projection matrix of the PCA and the LDA, the gas data sample X k is divided into n 'number of discriminant features Dimensional feature vector is expressed as Equation (6) below.
결합 특징 벡터 생성부(160)는 전체 측정구간에서 측정된 측정값들을 모두 포함하는 전역 학습 데이터 샘플(Xk)로부터 안정화 구간, 노출 구간 및 퍼지 구간 각각에 해당하는 측정값들을 분리한다. 즉, 결합 특징 벡터 생성부(160)는 전체 측정값들을 안정화 구간에서 측정된 측정값(Xk ST ∈ R3000 ×1), 노출 구간에서 측정된 측정값(Xk SX ∈ R6000 ×1) 및 퍼지 구간에서 측정된 측정값(Xk PU ∈ R11000×1)으로 분류한다.The combined
결합 특징 벡터 생성부(160)는 구간별로 분류한 측정값을 근거로 전역 특징과 지역 특징을 산출한다. 이때, 결합 특징 벡터 생성부(160)는 구간별로 분류된 측정값들 및 상술한 수학식 6을 이용하여 전역 특징과 지역 특징을 산출한다. 이때, 전역 특징(yk tot), 안정화 구간의 지역 특징(yk st), 노출 구간의 지역 특징(yk ex) 및 퍼지 구간의 지역 특징(yk pu)은 하기 수학식 7과 같이 표현된다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성부(160)는 산출한 전역 특징 및 지역 특징을 이용하여 4(C-1)개의 원소를 갖는 기본 특징 집합을 구성한다. 이때, 기본 특징 집합은 하기 수학식 8과 같이 구성된다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성부(160)는 각각의 기본 특징들이 패턴을 분류하는데 얼마나 유용한지 측정하기 위해 ReliefF 방법을 통해 대표 특징을 선택한다. 여기서, ReliefF 방법은 기본적으로 각 특징들의 값이 얼마나 서로 가까이에 있는 샘플들을 잘 구분할 수 있는지에 따라 유용한 특징과 그렇지 않은 특징으로 구별한다.The combined
이를 위해, 결합 특징 벡터 생성부(160)는 각 특징에 대한 가치를 의미하는 가중치 벡터(A)를 정의한다. 여기서, 가중치 벡터(A)는 하기 수학식 9와 같이 정의된다.To this end, the joint
랜덤하게 선택한 k번째 샘플(Xk)에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간(feature space)에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플을 "HIT"(Hr, r=1,…, s)로 정의하고, 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플을 'Miss'(Mr, r=1,…, s)로 정의한다.We define s samples with the closest distance in the feature space among the samples having the same class for the randomly selected kth sample (Xk) as "HIT" (H r , r = 1, ..., s) , And defines 's Miss' (M r , r = 1, ..., s) as the s closest samples among the samples belonging to other classes.
이때, j번째 특징 Yj에 대해 Xk와 Hr이 다른 값을 갖는다면, 특징 Yj가 같은 클래스에 속한 샘플 Xk와 Hr을 서로 분리시키는 것을 의미한다. 이 경우 클래스의 분별을 어렵게 만들기 때문에, 결합 특징 벡터 생성부(160)는 가중치 벡터의 j번째 원소 Aj의 값을 감소시킨다.In this case, it means that for a j-th feature Y j X k and H r is, if having a different value, characterized in Y j are separated from each other a sample X k, and H r belonging to the same class. In this case, since the class discrimination becomes difficult, the joint
반면, 특징 Yj에 대해 Xk와 Mr이 다른 값을 갖는다면, 특징 Yj가 서로 다른 클래스에 속한 샘플 Xk와 Mr을 잘 분리시키는 것을 의미한다. 따라서, 결합 특징 벡터 생성부(160)는 가중치 벡터의 j번째 원소 Aj의 값을 증가시킨다.On the other hand, if the features Y j k X r and M having a different value, it means that the feature Y j difficult to remove a sample X k with M r belonging to different classes. Accordingly, the joint
Aj의 초기값을 0으로 정의했을 때, 결합 특징 벡터 생성부(160)는 샘플 Xk에 의한 특징 Yj의 가중치 Aj는 하기 과정을 통해 산출한다.When the initial value of A j is defined as 0, the joint
1) 임의의 샘플 Xk를 선택한다.1) Select any sample X k .
2) 기본 특징 공간에서 s개의 Hr을 찾는다.2) Find the s H r of from the main feature space.
3) Xk의 클래스 CYk와 다른 클래스들 Cl(l=1,…,C-1)에서 s개의 Mr(Cl)들을 찾는다.3) Find s s M r (C l ) in class C Yk of X k and other classes C l (l = 1, ..., C-1)
4) 하기 수학식 10을 통해 가중치(Aj)를 산출한다.4) The weight Aj is calculated through the following equation (10).
여기에서 Aj는 j번째 특징의 가중치, Ykj는 랜덤하게 선택한 k 번째 샘플의 j번째 기본특징, Hrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, Mrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, N은 샘플 개수, P(Cl)는 클래스 Cl의 사전 확률(prior probability), P(CYk)는 Yk가 속한 클래스의 사전 확률이다. 결합 특징 벡터 생성부(160)는 위의 과정을 N개의 샘플 Xk(k=1,2,…,N)에 대해 반복한 후, Aj의 값이 큰 특징들을 가지고 가스 분류에 사용될 최종 결합 특징 벡터(yCF)를 구성한다. 여기서, 최종 구성된 결합 특징 벡터(yCF)는 가스 분류를 위한 분류기(300)로 입력되어, 가스 분류를 위한 기준 인자로 사용된다.Where A j is the weight of the jth feature, Ykj is the jth fundamental feature of the randomly selected kth sample, Hrj is the randomly selected sample of the same class for the randomly selected sample, s J is the j-th basic characteristic of the samples, Mrj is the j-th basic characteristic of the s closest samples among the samples belonging to different classes for randomly selected kth samples, N is the number of samples, P ( Cl ) The prior probability of l , P (CYk) is the prior probability of the class to which Yk belongs. The final coupling used for the combined feature
이하, 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 5는 도 4의 가스 측정 단계를 설명하기 위한 흐름도이고, 도 6은 도 4의 판별 특징 추출 단계를 설명하기 위한 흐름도이고, 도 7은 도 4의 결합 특징 벡터 생성 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A method of generating a joint feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 4 is a flowchart illustrating a method of generating a joint feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a flow chart for explaining the gas measuring step of FIG. 4, FIG. 6 is a flowchart for explaining the discriminating feature extracting step of FIG. 4, and FIG. 7 is a flowchart for explaining the combining characteristic vector generating step of FIG. .
가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치(100; 이하, 결합 특징 벡터 생성 장치(100))는 챔버(200)로 유입되는 가스를 측정한다(S100). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 복수의 채널로 구성된 센서 어레이를 구성하는 고분자 복합체와 챔버(200)로 유입되는 가스의 화학적 결합에 의한 반응을 측정한다. 이때, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 설정시간(대략 200초 정도) 동안 설정시간 간격(대략 0.1초 정도)으로 가스와 고분자 복합체의 화학적 결합에 의한 반응을 측정한다.A combined feature vector generating apparatus 100 (hereinafter referred to as a combined feature vector generating apparatus 100) for gas classification measures the gas flowing into the chamber 200 (S100). That is, the coupled feature
이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 안정화 구간에서 설정시간 동안 가스를 측정한다(S120). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 센서 어레이가 챔버(200)에 배치된 후에 저항 신호가 안정화되는 구간인 안정화 구간에 대략 30초 정도의 설정시간을 설정하고, 0.1초 정도의 설정시간 간격으로 반응을 측정한다.At this time, as shown in FIG. 5, the coupled feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 노출 구간에서 설정시간 동안 가스를 측정한다(S140). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 센서 어레이의 안정화 후 대상 가스를 챔버(200)로 유입하는 구간인 노출 구간에 대략 60초 정도의 설정시간을 설정하고 대략 0.1초 정도의 설정시간 간격으로 반응을 측정한다. The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 퍼지 구간에서 설정시간 동안 가스를 측정한다(S160). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 챔버(200)내의 대상 가스를 외부로 배출하는 구간인 퍼지 구간에 대략 110초 정도의 설정시간을 설정하고 대략 0.1초 정도의 설정시간 간격으로 반응을 측정한다.The coupled feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 가스 측정 결과를 근거로 판별 특징을 추출한다(S200). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 S100 단계의 가스 측정 결과인 측정값(가스 데이터)을 근거로 판별 특징을 추출한다. 이때, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 차원 축소 방법의 일종인 LDA(Linear Discriminant Analysis) 및 PCA(Principle Component Analysis)를 이용해 가스 데이터로부터 가스 분류에 적합한 판별 특징을 추출한다. 이를 첨부된 도 6을 참조하여 설명하면 아래와 같다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 정의한다(S210). 즉, C개의 클래스를 가진 N개의 n차원의 학습 데이터 샘플 (k=1, …, N)가 주어졌을 때, 판별 특징 추출부(140)는 LDA를 이용하여 동일 클래스에 속한 학습 데이터 샘플들을 모으면서 동시에 클래스의 평균들 사이의 거리를 멀어지게 하는 특징 공간을 구성하기 위해서, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 클래스 내 분산 행렬 SW 및 클래스 간 분산 행렬 SB를 정의한다.The coupled feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 LDA를 이용하여 투영 행렬을 산출한다(S230). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 목적함수(수학식 3 참조)를 만족하는 SW 및 SB로부터 투영 벡터(projection vector; Wl L, l=1, …, n')들로 구성된 투영 행렬(projection matrix) WLDA = [W1 L, …, Wn L]을 산출한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 PCA를 이용하여 투영 행렬을 산출한다(S250). 즉, 학습 데이터가 가스 데이터(본 실시예에서는, )와 같이 고차원 데이터인 경우, n이 SW의 rank (N-C)보다 커져 SW가 항상 단일화(singular)되는 SSS(Small Sample Size) 문제점을 방지하기 위해서, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 LDA의 수행전에 PCA를 수행하여 학습 데이터의 차원을 m≤N-C로 줄인 종합 투영 행렬 ST를 정의한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 기산출한 투영 행렬들을 근거로 LDA 및 PCA 투영 행렬을 정의한다(S270). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 LDA를 이용해 산출한 투영 행렬(WLDA) 및 PCA를 이용해 산출한 종합 투영 행렬(ST, WPCA)을 이용하여 PCA 및 LDA 투영 행렬을 정의한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 LDA 및 PCA 투영 행렬을 구성하는 투영 벡터의 고유값을 근거로 판별 특징을 추출한다(S290). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 구성하고 있는 투영 벡터 Wl PL들 중에서 고유값(eigenvalue)이 큰 순서대로 n≤C-1를 선택하면, 가스 데이터 샘플 Xk는 n'개의 판별 특징(Discriminant Feature)들로 구성된 n'차원의 특징 벡터를 추출한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 판별 특징 및 가스 측정 결과를 근거로 결합 특징 벡터를 생성한다(S300). 이를 첨부된 도 7을 참조하여 설명하면 아래와 같다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 가스 측정 결과인 측정값들을 각 측정 구간별로 분류한다(S310). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 S100 단계에서 측정한 측정값들을 안정화 구간, 노출 구간 및 퍼지 구간으로 각각 분류한다. 이때, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 전체 측정값들을 안정화 구간에서 측정된 측정값(Xk ST ∈ R3000 ×1), 노출 구간에서 측정된 측정값(Xk SX ∈ R6000 ×1) 및 퍼지 구간에서 측정된 측정값(Xk PU ∈ R11000 ×1)으로 분류한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 측정구간별로 분류된 측정값을 근거로 전역 특징 및 지역 특징을 산출한다(S330). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 S310 단계에서 구간별로 분류된 측정값들과 S200 단계에서 추출한 판별 특징을 이용하여 전역 특징 및 지역 특징을 산출한다. 이때, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 전체 측정 구간의 측정값들을 이용한 전역 특징(yk tot), 안정화 구간의 측정값들을 이용한 안정화 구간의 지역 특징(yk st), 노출 구간의 측정값들을 이용한 노출 구간의 지역 특징(yk ex) 및 퍼지 구간의 측정값들을 이용한 퍼지 구간의 지역 특징(yk pu)을 산출한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 산출한 전역 특징 및 지역 특징을 근거로 기본 특징 집합을 구성한다(S350). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 S330 단계에서 산출한 전역 특징, 안정화 구간의 지역 특징, 노출 구간의 지역 특징, 퍼지 구간의 지역 특징을 이용하여 기본 특징 집합을 구성한다. 이때, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 4(C-1)개의 원소를 갖는 기본 특징 집합(수학식 7 참조)을 구성한다.The combined feature
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 각 특징들에 대한 가중치 벡터를 정의한다(S370). 즉, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 전역 특징 및 지역 특징들에 대한 가치를 의미하는 가중치 벡터(A={A1,A2,…,A4(c-1)}T)를 정의한다.The joint feature
랜덤하게 선택한 k번째 샘플(Xk)에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간(feature space)에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플을 "HIT"(Hr, r=1,…, s)로 정의하고, 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플을 'Miss'(Mr, r=1,…, s)로 정의한다.We define s samples with the closest distance in the feature space among the samples having the same class for the randomly selected kth sample (Xk) as "HIT" (H r , r = 1, ..., s) , And defines 's Miss' (M r , r = 1, ..., s) as the s closest samples among the samples belonging to other classes.
이때, j번째 특징 Yj에 대해 Xk와 Hr이 다른 값을 갖는다면, 특징 Yj가 같은 클래스에 속한 샘플 Xk와 Hr을 서로 분리시키는 것을 의미한다. 이 경우 클래스의 분별을 어렵게 만들기 때문에, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 가중치 벡터의 j번째 원소 Aj의 값을 감소시킨다.In this case, it means that for a j-th feature Y j X k and H r is, if having a different value, characterized in Y j are separated from each other a sample X k, and H r belonging to the same class. In this case, since the class discrimination becomes difficult, the combined feature
반면, 특징 Yj에 대해 Xk와 Mr이 다른 값을 갖는다면, 특징 Yj가 서로 다른 클래스에 속한 샘플 Xk와 Mr을 잘 분리시키는 것을 의미한다. 따라서, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 가중치 벡터의 j번째 원소 Aj의 값을 증가시킨다.On the other hand, if the features Y j k X r and M having a different value, it means that the feature Y j difficult to remove a sample X k with M r belonging to different classes. Therefore, the combined feature
Aj의 초기값을 0으로 정의했을 때, 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 샘플 Xk에 의한 특징 Yj의 가중치 Aj에 대해 임의의 샘플 Xk를 선택하고, s개의 Hr을 찾고, Xk의 클래스 CYm Tot와 다른 클래스들 Cl(l=1,…,C-1)에서 s개의 Mr(Cl)들을 찾은 후에 수학식 10을 통해 가중치(Aj)를 산출한다.When defining the initial value of A j to 0, the combined
결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 정의된 가중치 벡터를 근거로 최종 결합 특징 벡터를 구성한다(S390). 결합 특징 벡터 생성 장치(100)는 S370 단계를 N개의 샘플 Xk(k=1,2,…,N)에 대해 반복한 후, Aj의 값이 큰 특징들을 가지고 가스 분류에 사용될 최종 결합 특징 벡터(yCF)를 구성한다. 여기서, 최종 구성된 결합 특징 벡터(yCF)는 가스 분류를 위한 분류기(300)로 입력되어, 가스 분류를 위한 기준 인자로 사용된다.The combined feature
이하, 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 통해 생성한 결합 특징 벡터를 기반으로 한 가스 분류 실험 결과를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 8 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 통해 생성한 결합 특징 벡터를 기반으로 한 가스 분류 실험 결과를 설명하기 위한 도면이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a result of a gas classification experiment based on a combined feature vector generated through an apparatus and method for generating a joint feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIGS. 8 to 16 are diagrams for explaining results of gas classification experiments based on combined feature vectors generated through an apparatus and method for generating a joint feature vector for gas classification according to an embodiment of the present invention.
가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 통해 생성한 결합 특징 벡터를 이용한 전자 코 시스템에서 기체를 효과적으로 잘 분류할 수 있는지 확인하기 위해 총 8개 종류의 기체에 대한 VOC 측정 결과에 대한 분류 실험을 해 보았다. 여기서, 8개 기체의 종류는 acetone, benzene, cyclo-hexane, ethanol. heptane, methanol, propanol, toluene이다.Classification for VOC measurement results for 8 kinds of gases to confirm that the gas can be effectively classified in the electronic nose system using the combined feature vector generated by the feature vector generation device and method for gas classification I tried. Here, the eight gases are acetone, benzene, cyclo-hexane, and ethanol. heptane, methanol, propanol, and toluene.
기체의 종류별로 20개의 샘플을 채취하여 총 160개의 샘플을 실험에 사용하였다. 각각의 샘플은 한 채널당 10Hz의 샘플링 레이트(sampling rate)로 200초 동안 측정한 2000개의 시점(time point)에 대한 측정치로 구성되어 16개 채널의 측정치를 2000x16 크기의 매트릭스로 저장한 후 사전배열방식 연산자(lexicographic ordering operator)를 이용하여 32000차원의 벡터로 변환하였다.Twenty samples were collected for each type of gas and a total of 160 samples were used for the experiment. Each sample consisted of measurements for 2000 time points measured at 200 Hz with a sampling rate of 10 Hz per channel. The measurements of 16 channels were stored as a 2000x16 matrix, (Lexicographic ordering operator).
도 8에 도시된 바와 같이, 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 통해 생성한 결합 특징 벡터가 센싱 데이터에 노이즈가 발생하였을 때 얼마나 효과적인지를 확인하기 위해, 원본(original) 데이터 샘플과, 각 데이터 샘플에 표준 편차(standard deviation) 2, 3, 4를 갖는 가우시안 노이즈(Gaussian noise)가 첨가된 데이터 샘플에 대해 성능을 분석해 보았다.As shown in FIG. 8, in order to check how effective the combined feature vector generated through the combined feature vector generation apparatus and method for classifying gas is when noise occurs in the sensing data, an original data sample, Data samples with Gaussian noise with standard deviations of 2, 3, and 4 were analyzed for each data sample.
총 160개의 데이터 샘플에 대한 분류 성능은 8 폴드 교차 검증 방법(8-fold cross validation strategy)을 이용하여 평가되었다. 먼저, 160개의 샘플을 시드(seed) 값 기반의 난수 발생기(random number generator)를 이용하여 섞은 후, 같은 개수의 샘플이 포함되도록 8개의 폴드(fold)로 나누고 그룹마다 1개의 샘플씩 테스트 데이터로 사용하고(즉, 총 16개의 샘플), 나머지 140개의 샘플을 학습(training) 데이터로 사용하여 분류율을 구하였다.The classification performance for a total of 160 data samples was evaluated using an 8-fold cross validation strategy. First, 160 samples are mixed using a random number generator based on a seed value, and then divided into eight folds so that the same number of samples are included. One sample is divided into test data (I.e., a total of 16 samples), and the remaining 140 samples were used as training data.
같은 방식으로 각 폴드의 모든 데이터 샘플이 한 번씩 테스트 데이터로 사용되도록 8번의 실험을 수행하여 분류율의 평균값을 구한다.In the same manner, eight experiments are performed so that all the data samples of each fold are used as test data once to obtain an average value of the classification rates.
이때, 8 폴드 교차 검증 방법의 통계적인 신뢰도를 높이기 위해, 이와 같은 과정을 서로 다른 8개의 랜덤 시드 수(random seed number)를 이용하여 8번 반복하여 얻은 결과의 평균값으로 분류 성능을 평가하였다. At this time, in order to increase the statistical reliability of the 8-fold cross validation method, the classification performance was evaluated by the average value of the results obtained by repeating this
모든 데이터 샘플은 학습 데이터의 평균(mean)과 표준 편차(standard deviation)로 표준화(normalize)하여 사용하였다. All data samples were normalized to the mean and standard deviation of the training data.
PCA 및 LDA를 이용하여 판별 특징(discriminant feature)을 추출할 때, PCA를 이용하여 얼마의 차원(m)으로 축소하는지는 판별 특징의 분류 성능에 큰 영향을 미친다.When the discriminant feature is extracted using PCA and LDA, the degree of reduction to the dimension (m) using the PCA has a great influence on the classification performance of the discriminant feature.
여러 종류의 m값에 대한 성능 평가를 바탕으로 ST의 전체 고유값(eigenvalue)의 99%를 차지하도록 m(=105)을 정하였다. 분류기로는 NN(Nearest Neighbor) rule을 사용하였으며, 두 샘플 사이의 거리 계산은 lZ norm을 사용하였다.Based on the performance evaluation of various m values, we set m (= 105) to account for 99% of the total eigenvalue of S T. NN (nearest neighbor) rule was used as the classifier, and l Z norm was used as the distance between two samples.
먼저, 세 종류의 지역 샘플들(Xk st, Xk ex, Xk pu)로부터 추출한 지역 특징들(yk st, yk ex, yk pu)의 분류율을 비교해 보았다. 도 9 내지 도 12에서 보듯이, 노이즈가 없는 원본 데이터에 대해서는 각각의 지역 특징 모두 좋은 분류율을 보여 주었다.First, we compare the classification rates of local features (y k st , y k ex , y k pu ) extracted from three kinds of local samples (X k st , X k ex , X k pu ). As shown in Figs. 9 to 12, for the original data with no noise, each local characteristic showed a good classification rate.
도 10 내지 도 12에서 기체에 센서에 집중적으로 들어오는 노출 구간의 지역 특징이 다른 구간의 특징보다 비교적 좋은 성능을 보여주었으나, 모든 지역 특징이 노이즈가 정도가 심해지면서 점차 인식률이 급히 감소하는 것을 확인할 수 있다.In FIGS. 10 to 12, the local characteristic of the exposure section intensively entering the sensor in the gas was comparatively better than the characteristic of the other sections, but it was confirmed that the recognition rate gradually decreased as the noise characteristic became worse .
도 13 내지 도 16에서는 제안한 결합특징(yCF)과 PCA 및 LDA 전역특징(yk tot), CC-PCA 특징(yPCA CC), CC-CPCA 특징(yCPCA CC)에 대한 분류 성능을 비교하였다. yPCA CC와 yCPCA C에 대해서는 CC-PCA와 CC-CPCA를 수행한 후에 PCA를 한번 더 적용하였다.In FIGS. 13 to 16, the classification performance of the proposed combination feature (y CF ), PCA and LDA global features (y k tot ), CC-PCA features (y PCA CC ), and CC-CPCA features (y CPCA CC ) Respectively. y PCA CC and y CPCA C , PCA was applied once more after CC-PCA and CC-CPCA were performed.
노이즈가 없는 데이터에 대해서는 각각의 방법들이 모두 좋은 성능을 보여주었으나, 노이즈의 정도가 점점 심해짐에 따라 다른 방법들은 인식 성능이 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.As for the noise-free data, each method showed good performance. However, as the degree of noise increases, the recognition performance decreases sharply in other methods.
이에 반해, 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법을 통해 생성한 결합 특징 벡터를 이용하는 경우 표준 편차 5를 갖는 가우시안 노이즈(Gaussian noise)가 발생한 경우에도 90% 이상의 분류율을 유지하는 것을 볼 수 있다.On the other hand, when the combined feature vector generated through the coupled feature vector generation apparatus and method for gas classification is used, even if Gaussian noise having a standard deviation of 5 occurs, the classification rate of 90% or more is maintained have.
이는 전역 특징이나 지역 특징만을 사용할 경우 노이즈의 영향이 고스란히 분류기의 입력에 반영이 되지만, 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법에서는 전역 특징과 여러 종류의 지역특징들을 함께 사용함으로써 다양한 종류의 판별 특징을 확보하고, 어느 한 종류의 특징이 노이즈에 상대적으로 많이 오염이 되었더라도 특징 선택과정을 통해 상대적으로 노이즈의 영향을 덜 받고 분별력이 좋은 특징들만 선별적으로 분류기에 사용하였기 때문이다.However, in the coupled feature vector generation apparatus and method for gas classification, the global feature and various kinds of local features are used together to discriminate various types In this paper, we propose a new classification method for the classifier. In this paper, we propose a novel classification method for the classification of a classifier.
결과적으로, 도 9 내지 도 16의 결과는 특징 선택을 이용하여 구성한 결합 특징이 다른 방법들보다 노이즈에 강인하게 동작하는 것을 확인할 수 있었다. As a result, the results of Figs. 9 to 16 can confirm that the combining feature configured using the feature selection operates more robustly to noise than the other methods.
전자 코 시스템에서 센서를 이용한 기체 데이터의 측정은 그 과정에 따라 여러 단계로 구분 지을 수 있다. 각 단계에서의 센서 반응은 각각 다른 정보를 가지고 있어 이로부터 분류를 위한 다양한 특징들을 추출할 수 있다. In the electronic nose system, measurement of gas data using sensors can be divided into several stages according to the process. The sensor response at each stage has different information, and various features for classification can be extracted from it.
가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법에서는 안정화, 노출, 퍼지로 구분된 구간에서 세 종류의 지역 특징을 추출하고, 이를 전체 구간에서 추출한 전역 특징과 함께 결합 특징을 구성하여 분류에 사용하였다. 개별 전역 특징과 지역 특징들에 대해 판별 분석에 기반하여 각 특징들의 분별력을 측정하여, 분별력 정보 양이 많은 특징만 선별하여 결합 특징을 구성하는데 사용하였다. 16개의 채널로 구성된 센서 어레이를 이용하여 측정한 8종류의 기체 데이터에 대해, 제안한 방법은 좋은 분류 성능을 보여 주었으며, 특히 센싱 과정에서 노이즈가 발생한 경우에 전역 특징, 또는 지역 특징만을 사용하거나 기체 분류를 위한 다른 특징 방법들보다 더 우수한 분류 성능을 보여 주었다. In the feature vector generation system and method for gas classification, three types of regional features are extracted from the sections classified as stabilization, exposure, and fuzzy, and they are used for classifying together the global features extracted from the entire region and the combining features. Based on the discriminant analysis of individual global features and regional features, we used discriminant power of each feature to select only those features with a large amount of discriminatory information and construct the combined features. The proposed method showed good classification performance for eight types of gas data measured by a sensor array composed of 16 channels. In particular, when noises occur in the sensing process, only the global characteristic, Showed better classification performance than other feature methods.
상술한 바와 같이, 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치 및 방법은 전역 특징과 구간별 지역 특징들 중에서 분별력이 높은 특징들만 선별하여 결합 특징을 구성함으로써, 각 구간별로 불필요한 정보들은 제거하고 유용한 특징들만 분류기의 입력으로 사용할 수 있어 센서가 가스 데이터를 측정하는 과정에서 노이즈가 발생하는 경우에도 강인하게(robust) 가스를 분류할 수 있는 효과가 있다.As described above, an apparatus and method for generating a combined feature vector for classifying a gas classify only the features having high discriminative power among the global features and the regional features of each interval, thereby eliminating unnecessary information for each section, It can be used as an input of a classifier, so that it is possible to classify a robust gas even when noise occurs in the process of measuring gas data.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It will be understood that the invention may be practiced.
100: 결합 특징 벡터 생성 장치
120: 가스 측정부 140: 판별 특징 추출부
160: 결합 특징 벡터 생성부 200: 챔버
300: 분류기100: Combined feature vector generation device
120: gas measuring unit 140: discrimination feature extracting unit
160: Coupled feature vector generation unit 200:
300: classifier
Claims (15)
상기 가스 측정부에서 생성된 가스 데이터를 근거로 판별 특징을 추출하는 판별 특징 추출부; 및
상기 가스 측정부에서 생성된 가스 데이터 및 상기 판별 특징 추출부에서 추출한 판별 특징을 근거로 결합 특징 벡터를 생성하는 결합 특징 벡터 생성부를 포함하고,
상기 판별 특징 추출부는,
LDA를 수행하여 목적함수를 만족하는 클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 근거로 투영 벡터들로 구성된 투영 행렬을 산출하고, PCA를 수행하여 복수의 학습 데이터의 차원을 감소시켜 종합 투영 행렬을 정의하고, 상기 투영 행렬 및 종합 투영 행렬을 근거로 정의한 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하고, 상기 PCA 및 LDA의 투영 행렬의 고유값을 근거로 복수의 판별 특징으로 구성되는 특징 벡터를 생성하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.A gas measurement unit comprising a sensor array composed of a plurality of channels and a plurality of intervals, the gas measurement unit measuring a response of the gas introduced into the chamber to generate gas data;
A discrimination feature extracting unit for extracting discrimination characteristics based on the gas data generated by the gas measuring unit; And
And a combined feature vector generation unit for generating a combined feature vector based on the gas data generated by the gas measurement unit and the discrimination feature extracted by the discrimination feature extraction unit,
The discriminating feature extracting unit extracts,
LDA is performed to calculate a projection matrix composed of projection vectors based on a dispersion matrix and an interclass dispersion matrix satisfying an objective function, and a PCA is performed to reduce the dimension of a plurality of learning data to define an overall projection matrix And defines a projection matrix of PCA and LDA defined on the basis of the projection matrix and the integrated projection matrix and generates a feature vector composed of a plurality of discrimination features based on the eigenvalues of the projection matrixes of the PCA and the LDA And a combined feature vector generating unit for generating a combined feature vector for gas classification.
상기 가스 측정부는,
16개의 채널로 구성된 미세 기계 센서 어레이로 구성되고, 상기 16개의 채널은 교차 전극, 미세 발열체 및 고분자 복합체가 각각 배치되는 3 구간으로 구분되고, 상기 16개의 채널 각각에 서로 다른 고분자 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.The method according to claim 1,
Wherein the gas measuring unit comprises:
And sixteen channels are divided into three sections in which the cross electrodes, the micro heating elements and the polymer complexes are respectively disposed, and each of the sixteen channels is composed of different polymer complexes Characterized in that the combined feature vector generation device for gas classification.
상기 가스 측정부는,
전체 측정구간을 안정화 구간, 노출 구간 및 퍼지 구간으로 구분하고, 각 구간별로 다르게 설정된 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 의한 반응을 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.The method of claim 2,
Wherein the gas measuring unit comprises:
Wherein the total measurement period is divided into a stabilization period, an exposure period, and a purge period, and the reaction by gas is measured at set time intervals during different set times for each period.
상기 판별 특징 추출부는,
수학식
(WPCA=argmaxW|WTSTS|이고, WLDA=argmaxW{|WTWPCA TSBWPCAW|/|WTWPCA TSWWPCAW|})을 이용하여 상기 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.The method according to claim 1,
The discriminating feature extracting unit extracts,
Equation
Using (W PCA = argmax W | W T S T S | a, WLDA = argmax W {| W T W PCA T S B W PCA W | / | | W T W PCA T S W W PCA W}) And defining a projection matrix of the PCA and the LDA.
상기 결합 특징 생성부는,
상기 가스 측정부에서 측정된 가스 데이터를 안정화 구간의 측정값, 노출 구간의 측정값 및 퍼지 구간의 측정값으로 분류하고, 전체 구간의 측정값을 근거로 전역 특징을 산출하고, 구간별로 분류된 측정값을 근거로 각 구간의 지역 특징을 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.The method according to claim 1,
Wherein the combining feature generation unit comprises:
The gas data measured by the gas measuring unit is classified into a measured value of the stabilization period, a measured value of the exposure period, and a measured value of the fuzzy period, and the global characteristic is calculated based on the measured value of the entire interval, And the local feature of each section is calculated on the basis of the value of the local feature.
상기 결합 특징 생성부는,
상기 산출한 지역 특징 및 전역 특징을 근거로 복수의 원소로 구성된 기본 특징 집합을 구성하고, ReliefF 방법을 이용하여 상기 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 설정하고, 상기 가중치 벡터를 근거로 결합 특징 벡터를 구성하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.The method of claim 6,
Wherein the combining feature generation unit comprises:
Constructing a basic feature set composed of a plurality of elements based on the calculated local features and global features, setting a weight vector of the regional features and the global features included in the basic feature set using the ReliefF method, And a combined feature vector generating unit for generating a combined feature vector for the gas classification.
상기 결합 특징 생성부는,
수학식
(Aj는 j번째 특징의 가중치, Ykj는 랜덤하게 선택한 k 번째 샘플의 j번째 기본특징, Hrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, Mrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, N은 샘플 개수, P(Cl)는 클래스 Cl의 사전 확률(prior probability), P(CYk)는 Yk가 속한 클래스의 사전 확률)
을 이용하여 상기 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 장치.The method of claim 7,
Wherein the combining feature generation unit comprises:
Equation
(A j is the weight of the jth feature, Ykj is the jth basic feature of the randomly selected kth sample, Hrj is the random number of samples selected from the samples having the same class for the randomly selected kth sample, s j-th basic characteristics of the sample, Mrj is the j-th basic feature of the in the sample belonging to the different classes for a selected randomly k th sample distance nearest s samples, N is the number of samples, P (C l) is a class C l P (CYk) is the prior probability of the class to which Yk belongs)
And a weight vector of the local feature and the global feature included in the basic feature set is calculated using the weighted feature vector.
챔버 내부로 유입되는 가스에 의한 반응을 측정하여 가스 데이터를 생성하는 단계;
상기 생성된 가스 데이터를 근거로 판별 특징을 추출하는 단계; 및
상기 생성된 가스 데이터 및 상기 추출한 판별 특징을 근거로 결합 특징 벡터를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 판별 특징을 추출하는 단계는.
클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 정의하는 단계;
LDA를 수행하여 목적함수를 만족하는 클래스 내 분산 행렬 및 클래스 간 분산 행렬을 근거로 투영 벡터들로 구성된 투영 행렬을 산출하는 단계;
PCA를 수행하여 복수의 학습 데이터의 차원을 감소시켜 종합 투영 행렬을 정의하는 단계;
상기 투영 행렬 및 종합 투영 행렬을 근거로 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하는 단계; 및
상기 PCA 및 LDA의 투영 행렬의 고유값을 근거로 판별 특징을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법.A combined feature vector generation method using a combined feature vector generation apparatus for gas classification,
Generating gas data by measuring a reaction by a gas flowing into the chamber;
Extracting discrimination characteristics based on the generated gas data; And
Generating the combined feature vector based on the generated gas data and the extracted discrimination feature,
The step of extracting the discriminating characteristic comprises:
Defining a dispersion matrix in the class and a dispersion matrix between classes;
Calculating a projection matrix composed of projection vectors based on a dispersion matrix in the class and a dispersion matrix between classes that satisfy the objective function by performing the LDA;
Performing a PCA to reduce a dimension of a plurality of learning data to define an overall projection matrix;
Defining a projection matrix of the PCA and the LDA based on the projection matrix and the integrated projection matrix; And
And extracting a discriminant feature based on the eigenvalues of the projection matrixes of the PCA and the LDA.
상기 가스 데이터를 생성하는 단계에서는,
16개의 채널로 구성된 미세 기계 센서 어레이로 구성되고, 상기 16개의 채널은 교차 전극, 미세 발열체 및 고분자 복합체가 각각 배치되는 3 구간으로 구분되고, 상기 16개의 채널 각각에 서로 다른 고분자 복합체를 통해 상기 챔버로 유입되는 가스에 대한 반응을 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법.The method of claim 9,
In the step of generating the gas data,
Wherein the sixteen channels are divided into three sections in which the cross electrodes, the micro heating elements and the polymer complexes are disposed, respectively, and the sixteen channels are divided into three sections, Wherein the response to the gas flowing into the gas collection chamber is measured.
상기 가스 데이터를 생성하는 단계에서는,
안정화 구간에서 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 대한 센서의 반응을 측정하는 단계;
노출 구간에서 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 대한 센서의 반응을 측정하는 단계; 및
퍼지 구간에서 설정시간 동안 설정시간 간격으로 가스에 대한 센서의 반응을 측정하는 단계를 포함하고,
상기 설정시간은 각 구간별로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법.The method of claim 9,
In the step of generating the gas data,
Measuring a response of the sensor to the gas at a set time interval during the set time in the stabilization period;
Measuring the response of the sensor to the gas at the set time interval during the set time in the exposure section; And
Measuring the response of the sensor to the gas at set time intervals during the set time in the purge interval,
Wherein the set time is set differently for each interval.
상기 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하는 단계에서는,
수학식
(WPCA=argmaxW|WTSTS|이고, WLDA=argmaxW{|WTWPCA TSBWPCAW|/|WTWPCA TSWWPCAW|})을 이용하여 상기 PCA 및 LDA의 투영 행렬을 정의하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법.The method of claim 9,
In the step of defining the projection matrixes of the PCA and the LDA,
Equation
Using (W PCA = argmax W | W T S T S | a, WLDA = argmax W {| W T W PCA T S B W PCA W | / | | W T W PCA T S W W PCA W}) And defining a projection matrix of the PCA and the LDA.
상기 결합 특징 벡터를 생성하는 단계는,
상기 측정된 가스 데이터를 안정화 구간의 측정값, 노출 구간의 측정값 및 퍼지 구간의 측정값으로 분류하는 단계;
측정구간별로 분류된 측정값을 근거로 전역 특징 및 지역 특징을 산출하는 단계;
상기 산출한 전역 특징 및 지역 특징을 근거로 기본 특징 집합을 구성하는 단계;
ReliefF 방법을 이용하여 상기 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 설정하는 단계; 및
상기 가중치 벡터를 근거로 결합 특징 벡터를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법.The method of claim 9,
Wherein generating the combined feature vector comprises:
Classifying the measured gas data into a measured value of the stabilization period, a measured value of the exposure period, and a measured value of the purge period;
Calculating global features and regional features based on measured values classified by measurement intervals;
Constructing a basic feature set based on the calculated global feature and local feature;
Setting a weight vector of a local feature and a global feature included in the basic feature set using a ReliefF method; And
And constructing a combined feature vector based on the weight vector.
상기 가중치 벡터를 설정하는 단계에서는,
수학식
(Aj는 j번째 특징의 가중치, Ykj는 랜덤하게 선택한 k 번째 샘플의 j번째 기본특징, Hrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 같은 클래스를 갖는 샘플 중 특징 공간에서의 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, Mrj은 랜덤하게 선택한 k번째 샘플에 대해 다른 클래스에 속한 샘플 중에서 거리가 가장 가까운 s개의 샘플의 j번째 기본특징, N은 샘플 개수, P(Cl)는 클래스 Cl의 사전 확률(prior probability), P(CYk)는 Yk가 속한 클래스의 사전 확률)
을 이용하여 상기 기본 특징 집합에 포함된 지역 특징 및 전역 특징의 가중치 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 분류를 위한 결합 특징 벡터 생성 방법.15. The method of claim 14,
In the step of setting the weight vector,
Equation
(A j is the weight of the jth feature, Ykj is the jth basic feature of the randomly selected kth sample, Hrj is the random number of samples selected from the samples having the same class for the randomly selected kth sample, s j-th basic characteristics of the sample, Mrj is the j-th basic feature of the in the sample belonging to the different classes for a selected randomly k th sample distance nearest s samples, N is the number of samples, P (C l) is a class C l P (CYk) is the prior probability of the class to which Yk belongs)
And calculating a weight vector of a local feature and a global feature included in the basic feature set.
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