KR101685419B1 - 디지털 영상 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서를 이용하여 영상 처리를 수행하는 디지털 영상 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 방법은 (a) 입력되는 영상의 움직임을 검출하는 단계; (b) 상기 검출된 움직임 영상의 휘도신호를 이용하여 상기 검출된 움직임 영상의 컬러신호를 정규화하는 단계; (c) 역전파 알고리즘을 이용하여 상기 정규화된 신호로부터 피부를 검출하는 단계; 및 (d) 상기 피부로 검출된 영역을 중심으로 줌을 수행하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 정규화된 스킨 컬러 데이터를 이용하여 신경망 스킨 컬러의 인식률을 높여 줌을 수행함으로써 조도에 따른 인식률을 높일 수 있고, 계산량 및 학습 시간을 감소하여 빠른 줌 처리가 가능하다.

Description

디지털 영상 처리 장치 및 방법{Apparatus and method for processing digital image}
본 발명은 이미지 센서를 이용하여 영상 처리를 수행하는 디지털 영상 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 감시 시스템에서 움직임이 발생한 경우 움직임에 따라 카메라에서 줌이 동작되었다. 특히, 움직임이 발생할 경우 카메라 줌이 동작하여 움직이는 물체를 확대하여 좀 더 자세히 물체를 감시하려는 기능이 자주 사용되었다.
종래의 감시 시스템은 움직임만을 고려하여 모션에 따른 스마트 줌인 경우가 많은데 기후적인 영향(바람, 비) 등 기타 다른 영향에 의한 물체의 움직임도 동일하게 작동되는 문제점이 있었다. 특히 일반적으로 움직이는 물체 중 사람, 특히 얼굴을 주로 감시하고자 할 경우가 많은데 이 경우 사람 이외의 물체 움직임에도 쉽게 스마트 줌이 동작하여 감시에 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 기존의 얼굴인식 기술은 시간이 오래 걸리고 실행 시간이 크기가 복잡하여 크기가 작은 감시 카메라 시스템에 알고리즘 내장이 쉽지 않은 문제가 있다. 따라서 움직임 발생 시에 실시간으로 사람의 얼굴 영역만을 감시하는 단순한 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는 조도에 따른 인식률을 높이기 위해서 정규화된 스킨 컬러 데이터를 이용하여 줌을 수행하는 디지털 영상 처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 방법은 (a) 입력되는 영상의 움직임을 검출하는 단계; (b) 상기 검출된 움직임 영상의 휘도신호를 이용하여 상기 검출된 움직임 영상의 컬러신호를 정규화하는 단계; (c) 역전파 알고리즘을 이용하여 상기 정규화된 신호로부터 피부를 검출하는 단계; 및 (d) 상기 피부로 검출된 영역을 중심으로 줌을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 (b)단계에서 정규화 시에 상기 컬러신호에 제1 정규화 팩터를 가산한 값을 상기 휘도신호로 나눈 후, 제2 정규화 팩터를 곱하여 정규 신호를 출력할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 정규화 팩터는 상기 컬러 신호를 양의 값으로 만들어 주는 비트 이동 계수 이고, 상기 제2 정규화 팩터는 상기 역전파 알고리즘 입력 값을 생성하기 위한 0-1 사이의 값일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 장치는 입력되는 영상신호 및 이전 영상신호를 이용하여 움직임을 검출하는 움직임 검출부; 상기 검출된 움직임 영상의 휘도신호를 이용하여 상기 검출된 움직임 영상의 컬러신호를 정규화하는 정규화부; 역전파 알고리즘을 이용하여 상기 정규화된 신호로부터 피부를 검출하는 피부 검출부; 및 상기 피부로 검출된 영역을 중심으로 줌 수행 신호를 출력하는 줌 제어부를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 정규화부는 상기 컬러신호에 제1 정규화 팩터를 가산한 값을 상기 휘도신호로 나눈 후, 제2 정규화 팩터를 곱하여 정규 신호를 출력할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 정규화 팩터는 상기 컬러 신호를 양의 값으로 만들어 주는 비트 이동 계수 이고, 상기 제2 정규화 팩터는 상기 역전파 알고리즘 입력 값을 생성하기 위한 0-1 사이의 값일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 정규화된 스킨 컬러 데이터를 이용하여 신경망 스킨 컬러의 인식률을 높여 줌을 수행함으로써 조도에 따른 인식률을 높일 수 있고, 계산량 및 학습 시간을 감소하여 빠른 줌 처리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 장치가 적용된 감시 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 3은 도 2 중 디지털 신호 처리부의 상세 블록도 이다.
도 4는 도 3 중 역전파 알고리즘으로 사전학습을 통해 생성되는 가중치를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 방법의 동작을 보이는 흐름도 이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 장치가 적용된 감시 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 감시 카메라들(101, 111, 121)은, 통신 신호들(Dcom)에 의하여 호스트 장치로서의 호스트 장치(2)와 통신하면서, 라이브 뷰(live view)의 비디오 신호(Svid)를 호스트 장치(2)에 전송한다. 호스트 장치(2)에서 수신된 비디오 신호(Svid)는, 디스플레이 장치를 통하여 디스플레이되는 한편, 기록 장치 예를 들어, 하드 디스크 드라이브(hard disk drive)에 저장된다.
감시 카메라들(101, 111, 121) 각각은 동축(coaxial) 케이블을 통하여 호스트 장치(2)와 통신하면서 비디오 신호(Svid)를 호스트 장치(2)에 전송한다. 이에 따라, 호스트 장치(2)로 전송되는 비디오 신호(Svid)의 수직 블랭크 구간(vertical blank interval)에서 통신 신호들(Dcom)이 송수신된다.
호스트 장치(2)로부터의 제어 신호들에 의하여 감시 카메라들(101, 111, 121) 각각은 좌우 회전의 패닝(panning) 및 상하 회전의 틸팅(tilting)을 수행한다.
여기에서, 호스트 장치(2)는 본 발명의 일 실시 예에 의한 감시 카메라 제어 방법에 따라 감시 카메라(101, 111, 121) 각각의 동작을 제어한다. 이와 관련된 내용은 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 2를 참조하면, 디지털 영상 처리 장치는 광학계(OPS), 광전 변환부(OEC), CDS-ADC(correlation double sampler and analog-to-digital converter, 210), 타이밍 회로(220), 제어부로서의 디지털 신호 처리기(DSP, digital signal processor, 230), 비디오-신호 발생부(240), 조리개 모터(MA), 줌 모터(MZ), 포커스 모터(MF), 필터 모터(MD), 패닝 모터(MP), 틸팅 모터(MT), 구동부(250), 통신 인터페이스(260), 마이크로-컴퓨터(270) 및 조명부(280)를 포함한다.
렌즈부와 필터부를 포함한 광학계(OPS)는 피사체로부터의 빛을 광학적으로 처리한다.
광학계(OPS)의 렌즈부는 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 포함한다. 광학계(OPS)의 필터부에 있어서, 야간 동작 모드에 사용되는 광학적 저역통과필터(OLPF, optical low pass filter)는 고주파 함량의 광학적 노이즈를 제거한다. 주간 동작 모드에 사용되는 적외선 차단 필터(IRF, infra-red cut filter)는 입사되는 빛의 적외선 성분을 차단한다.
CCD(charge coupled device) 또는 CMOS (complementary metal-oxide- semiconductor)의 광전 변환부(OEC)는 광학계(OPS)로부터의 빛을 전기적 아날로그 신호로 변환시킨다. 여기에서, 디지털 신호 처리기(230)는 타이밍 회로(220)를 제어하여 광전 변환부(OEC)와 CDS-ADC(correlation double sampler and analog-to-digital converter, 210)의 동작을 제어한다.
CDS-ADC(210)는, 광전 변환부(OEC)로부터의 아날로그 영상 신호를 처리하여, 그 고주파 노이즈를 제거하고 진폭을 조정한 후, 디지털 영상 데이터로 변환시킨다. 이 디지털 영상 데이터는 디지털 신호 처리기(230)에 입력된다.
주 제어부로서의 디지털 신호 처리기(230)는 CDS-ADC 소자(210)로부터의 디지털 신호를 처리하여 휘도 및 색도 신호로 분류된 디지털 영상 데이터를 발생시킨다.
비디오-신호 발생부(240)는 디지털 신호 처리기(230)로부터의 디지털 영상 데이터를 아날로그 영상 신호인 비디오 신호(SVID)로 변환한다.
주 제어부로서의 디지털 신호 처리기(230)는, 통신 인터페이스(260) 및 통신 채널(DCOM)을 통하여 호스트 장치들 예를 들어, 컴퓨터들과 통신하면서, 비디오 신호 채널(SVID)을 통하여 비디오-신호 발생부(240)로부터의 비디오 신호를 호스트 장치들에 전송한다.
한편, 마이크로-컴퓨터(270)는 구동부(250)를 제어하여 조리개 모터(MA), 줌 모터(MZ), 포커스 모터(MF), 필터 모터(MD), 패닝 모터(MP) 및 틸팅 모터(MT)를 구동한다. 또한, 마이크로-컴퓨터(270)는 조명부(280)를 제어하여 조명광을 비춘다.
조리개 모터(MA)는 조리개를 구동하고, 줌 모터(MZ)는 줌 렌즈를 구동하며, 포커스 모터(MF)는 포커스 렌즈를 구동한다. 필터 모터(MD)는 필터부에서의 광학적 저역통과필터(OLPF)와 적외선 차단 필터(IRF)를 구동한다.
패닝 모터(MP)는 광학계(OPS)를 좌우로 회전시킨다. 틸팅 모터(MT)는 광학계(OPS)를 상하로 회전시킨다.
이하, 주 제어부로서의 디지털 신호 처리기(230)에 의하여 수행되는 정규화된 스킨 컬러 데이터를 이용하여 신경망 스킨 컬러의 인식을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3은 도 2 중 디지털 신호 처리부(230)의 상세 블록도 이다.
도 3을 참조하면, 디지털 신호 처리부(230)는 버퍼(231), 움직임 검출붐(232), 변환부(233), 정규화부(234), 피부 검출부(235), 위치 계산부(236) 및 줌 제어부(237)를 포함한다.
움직임 검출부(232)는 입력되는 현재(t) 영상 및 버퍼(231)에 저장된 이전(t-1) 영상을 비교하여 움직임을 검출한다.
변환부(233)는 움직임이 검출된 영상의 RGB 신호를 휘도신호 및 색차신호인 YCbCr 신호로 변환한다.
정규화부(234)는 검출된 움직임 영상의 휘도신호(Y)를 이용하여, 검출된 움직임 영상의 컬러신호(CbCr)를 정규화하며, 정규화된 출력신호(DbDr)는 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112011033476188-pat00001
수학식 1에서 n은 제1 정규화 팩터로, Cr 값이 음수로 표현되는 경우 양수로 표현하기 위해 비트를 시프트하는 값이다. 또한 m은 제2 정규화 팩터로 후술하는 피부 검출을 위한 역전파 알고리즘 이용 시에 입력 값을 생성하기 위한 0-1 사이의 계수값이다. 이와 같이 정규화 시에 컬러신호(CbCr)를 휘도신호(Y)로 나누기 때문에, 역전파 알고리즘을 이용하여 피부 검출 시에, 조도의 영향도가 제거되어 판단 경계 영역이 작아서 피부 인식율을 높일 수 있고, 계산량 및 학습시간이 감소되어 처리속도가 개선된다.
피부 검출부(225)는 정규화 신호(DrDb) 입력 및 사전 학습으로 획득된 가중치로 역전파 알고리즘을 수행하여 피부를 검출한다.
도 4에는 역전파 알고리즘으로 사전학습을 통해 생성되는 가중치를 설명하는 도면이 개시되어 있다. 도 4를 참조하면, 역전파 알고리즘 수행부(235-1)는 입력층/은닉층/출력층의 다층(multilayer)으로 구성되어 있어서 비선형적인 경계 영역을 설정 시에 유용하다. 일반적으로 학습을 위해서는 입력 데이터와 출력 데이터가 있어야 한다. 입력 데이터는 사전에 입력영상의 RBG 신호를 YCbCr 신호로 변환하여 정규화한 값(DbDr, 도 3참조)이다. 이 입력 데이터(DrDb)가 신경망의 가중치(Wji,Wkj)와 곱하고 더하는 과정을 반복하여 결과가 출력되면, 원하는 출력값과 비교하여 오차를 계산하고 오차에 비례하여 츨력층 및 은닉층의 가중치(Wji,Wkj)를 역으로 갱신하는 과정을 통하여 가중치(Wji,Wkj)를 갱신한다. 출력 데이터는 입력층, 은닉층, 출력층 방향으로 진행되며, 가중치(Wji,Wkj)의 갱신은 출력층, 은닉층의 반대 방향으로 진행된다. 이와 같은 역전파 알고리즘은 주지 관용의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
피부 검출부(235)는 역전파 알고리즘을 수행하여 해당 영상 신호에 피부 색이 검출되면 1, 그렇지 않으면 0을 출력한다.
위치 계산부(236)는 피부로 검출된 픽셀의 개수를 카운트하고, 그 위치를 계산한다.
줌 제어부(237)는 위치 계산부(236)가 카운트한 픽셀이 일정 개수 이상이면, 해당 위치를 중심으로 줌을 수행하는 줌 제어 신호를 구동부(250)로 출력한다. 구동부(250)는 줌 제어신호를 수신하여 줌 모터(MZ)를 작동시킨다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 디지털 영상 처리 방법의 동작을 보이는 흐름도 이다.
디지털 신호 처리부(230)는 입력되는 현재(t) 영상 및 버퍼(231)에 저장된 이전(t-1) 영상을 비교하여 움직임을 검출한다(501단계).
이어서, 디지털 신호 처리부(230)는 움직임이 검출된 영상의 RGB 신호를 YCbCr 신호로 변환한다(503단계).
디지털 신호 처리부(230)는 휘도신호(Y), 제1 정규화 팩터 및 제2 정규화 팩터를 이용하여 컬러신호(CbCr)를 정규화한다(505단계). 정규화된 신호(DbDr)는 역전파 알고리즘의 입력 데이터로 이용된다.
이후 디지털 신호 처리부(23)는 정규화 신호(DrDb) 입력 및 사전 학습으로 획득된 가중치로 역전파 알고리즘을 수행하여 피부를 검출한다(507단계). 디지털 신호 처리부(230)는 피부 색이 검출되면 검출되면 1, 그렇지 않으면 0을 출력한다.
피부색이 검출되면, 디지털 신호 처리부(230)는 피부로 검출된 픽셀의 개수를 카운트하고, 그 위치를 계산한다(509단계).
위치가 계산되면, 디지털 신호 처리부(230)는 해당 위치를 중심으로 줌을 수행하는 줌 제어 신호를 구동부(250)로 출력하고, 구동부(250)는 줌 제어신호를 수신하여 줌 모터(MZ)를 작동시킨다(511단계).
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
101,111,121: 감시 카메라 2: 호스트 장치
OPS: 광학계 OEC: 광전 변환부
210: CDS-ADC 220: 타이밍 회로
230: 디지털 신호 처리기 240: 비디오-신호 발생부
250: 구동부 260: 통신 인터페이스
270: 마이크로-컴퓨터 280: 조명부
231: 버퍼 232: 움직임 검출부
233: 변환부 234: 정규화부
235: 피부 검출부 236: 위치 계산부
237: 줌 제어부

Claims (6)

  1. (a) 입력되는 영상의 움직임을 검출하는 단계;
    (b) 상기 검출된 움직임 영상의 휘도신호를 이용하여 상기 검출된 움직임 영상의 컬러신호를 정규화하는 단계;
    (c) 역전파 알고리즘을 이용하여 상기 정규화된 신호로부터 피부를 검출하는 단계; 및
    (d) 상기 피부로 검출된 영역을 중심으로 줌을 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b)단계에서 정규화 시에,
    상기 컬러신호에 제1 정규화 팩터를 가산한 값을 상기 휘도신호로 나눈 후, 제2 정규화 팩터를 곱하여 상기 정규화된 신호를 출력하며,
    상기 제1 정규화 팩터는 상기 컬러신호를 양의 값으로 만들어 주는 비트 이동 계수를 포함하고, 상기 제2 정규화 팩터는 상기 역전파 알고리즘의 입력값을 생성하기 위한 0-1 사이의 값을 포함하는 디지털 영상 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 입력되는 영상신호 및 이전 영상신호를 이용하여 움직임을 검출하는 움직임 검출부;
    상기 검출된 움직임 영상의 휘도신호를 이용하여 상기 검출된 움직임 영상의 컬러신호를 정규화하는 정규화부;
    역전파 알고리즘을 이용하여 상기 정규화된 신호로부터 피부를 검출하는 피부 검출부; 및
    상기 피부로 검출된 영역을 중심으로 줌 수행 신호를 출력하는 줌 제어부;를 포함하고,
    상기 정규화부는,
    상기 컬러신호에 제1 정규화 팩터를 가산한 값을 상기 휘도신호로 나눈 후, 제2 정규화 팩터를 곱하여 상기 정규화된 신호를 출력하며,
    상기 제1 정규화 팩터는 상기 컬러신호를 양의 값으로 만들어 주는 비트 이동 계수를 포함하고, 상기 제2 정규화 팩터는 상기 역전파 알고리즘의 입력값을 생성하기 위한 0-1 사이의 값을 포함하는 디지털 영상 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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