KR200452792Y1 - 영상변화 분석에 기반한 고속 모션감지모듈 - Google Patents

Abstract

본 고안은 디지털 이미지센서의 영상데이터 분석에 기반하여 인체 또는 물체의 움직임을 연속적으로 고속으로 판별하여 전등을 점멸하거나 전등의 조도를 조절하거나 또는 다른 제어장치로 판별결과를 전송하는 등의 용도로 사용되는 고속모션감지모듈에 관한 것이다.

이미지센서, 화소, 형광등, 램(RAM: Random Access Memory), 마이컴(MCU:Micro Controller Unit), PIR모듈(인체감지모듈:Personal Infra Red 모듈)

Description

영상변화 분석에 기반한 고속 모션감지모듈{High speed motion detect module based on the analysis of image change}

본 고안은 영상을 공급하는 이미지센서로부터 정지영상의 화소데이터를 공급받아, 화소별로 지정된 RAM의 특정위치에 화소데이터를 저장한 후, 직전화면의 화소데이터와 동일 위치의 화소끼리 비교하여, 변화된 화소의 분포상태, 변화의 정도등을 분석하여 최종적으로 물체움직임의 가부를 판별하여 출력하는 고속모션감지모듈의 구현기술로, 일반적인 MCU를 포함한 하드웨어 외에, 분석결과의 오류방지를 위해 높은 수준의 임베디드 영상분석 기법이 필요하다.

종래의 모션센서는 인체에서 방출되는 적외선의 변화를 감지하는 PIR모듈을 사용한다. PIR모듈은 반응이 다소 느리며, 거리에 한계가 있으나, 조명이 필요하지는 않다.

CCTV에서 영상을 입력받아 하드디스크에 저장하는 DVR(Digital Video Record) 전용 IC들은 화면의 변화가 있을 때만 저장하는 판별기능을 가지고 있다.그러나 실제 물체의 움직임이 아닌 주변환경(빛)의 변화도 움직임으로 파악한다.

종래의 모션센서는 인체에서 방출되는 적외선의 변화를 감지하는 PIR모듈을 사용한다. 이 방식은 미세한 변화에 둔감하며, 2~3M로 한정된 거리이상 떨어지면 동작이 불안정하다. 따라서 천정이 높은 공장이나 2층높이의 대규모시설 천정에서는 PIR모듈로는 너무 먼 거리로 인해 적외선의 강도가 약해져 검출이 어렵다.

또한 적외선이 방출되지 않는 기구, 장치의 움직임은 판별하지 못하는 단점이 있다. 예를들어 판별영역내로 긴 트럭이 후진해 진입한다면 적외선을 방출하는 엔진이 앞쪽에 있는 관계로 움직임을 판별하지 못한다. 따라서 PIR모듈에 기반한 제어장치는 반응속도가 느리며, 순간적으로 필요한 조치를 할 수 없게 된다.

또 한가지 예로 PIR센서 앞에서 적외선을 반사할 수 있는 철판, 알루미늄 반사판 등으로 앞을 가린다면 적외선이 통과하지 못하므로 센서의 반응을 기대할 수없다.

본 고안의 목적은 보다 신속한 응답속도를 제공하며, 보다 정확한 결과를 출력하는데 있다. 또한 렌즈를 통하여 화상을 입력하므로 기존의 PIR모듈의 한계거리를 벗어난 먼거리에서도 사용하게 하려는데 그 목적이 있다.

그러나 센서로부터 입력되는 영상을 단순비교만 해서는 오류가 발생한다. 구름이 끼었다가 해가 떠서 창으로 햇빛이 들어온다면 영상이 변했으므로 움직임이 있다고 오류의 출력할 수 있다. 본 모듈을 전등을 점멸하는데 사용할 경우, 물체의 움직임은 계속 없는 상태에서 옆방에 전등이 꺼져 있다가 전등이 켜진 경우, 옆방의 불빛으로 인해서 열린 방문으로 빛이 새어 들어온다면 영상이 변한 것으로 판별하여 움직임이 있다고 오류 출력을 할 수 있다.

따라서 이러한 오류를 모두 제거하고 매우 신속하며, 정확한 판별을 하도록 프로그램을 고안해야한다. 즉, 실제로 움직임이 있을 경우에만 출력하고, 주변의 변화에 의한 거짓된 움직임을 회피해야 한다.

또한 운영전력을 최소한으로 줄여야 한다. 저전력기반의 CMOS 이미지센서를 채택하는 것이 전력면에서 유리하다.

본 고안은 거리와 화각에 따라 교체할 수 있고, 촛점을 조정할 수 있는 렌즈를 포함한 이미지센서로부터 정지영상의 화소데이터를 공급받아, 화소별로 지정된 RAM의 특정위치에 화소데이터를 저장하여, 직전화면의 동일 위치 화소데이터와 비교 분석하여, 물체 또는 인체의 움직임 여부을 판별하여 출력하는 고속모션감지모듈에 관한 것으로, 상기 문제점들을 해결할 수 있다.

본 고안에 있어서 변화된 화소의 분포상태를 분석하여 분포범위가 특정비율 이상으로 광범위할 경우에는 변화가 없는 것으로 판별하는 지능적기능을 포함한 고속모션감지모듈이다.

천정이 높아 PIR센서를 이용한 감지가 어려운 부분에 적용하여 다른 전력기기를 제어함으로서 큰 전력절감효과를 볼 수 있다. 공장의 마당과 같은 PIR로 곤란 한 곳에 적용하여 움직임을 쉽게 파악할 수 있다. 장치산업공장의 내부에 늘 열적외선이 있어 PIR방식으로 적용하기 어려운 부분에도 적용할 수 있다. 뿐만 아니라 기존의 PIR회로방식보다 지능적으로 판별하므로 오류를 줄이고 속도를 개선하여 자동제어의 품질을 향상시킬 수있다.

도1에서, 부호 MCU는 내장 프로그램메모리와 자체 계산과 판별에 필요한 RAM을 내장하고, 이미지센서와 RAM을 통제할 수 있는 기능을 가진 마이컴이다. 부호 ImageSensor는 렌즈를 포함한 디지털 이미지센서다. 거리에 따라, 화각에 따라 각기 다른 렌즈를 선택할 수 있다. 이미지센서는 초당 16~30프레임의 화소 데이터를 전송한다. 부호 RAM은 두 프레임의 영상데이터를 모두 수록할만한 크기의 읽고 쓰기가 가능한 반도체 저장장치다. 부호 RAM_a, RAM_b는 동일한 하드웨어적 램상에서 두 프레임중 각각 한 프레임의 영상을 저장할 영역이다.

MCU는 이미지센서가 한 프레임의 데이타를 출력하게 한다. 이미지센서로 부터 출력되는 동안 MCU는 RAM의 어드레스를 순차적으로 지정하여 프레임의 모든 화소데이터가 RAM_a의 정해진 위치에 저장되게 한다.

MCU는 이미지센서가 한 프레임의 데이타를 전송한 후에는 이미지센서의 출력을 정지시킨다. MCU는 필요한 때에만 이미지센서가 출력하도록 컨트롤한다. MCU는 또 이미지센서가 새로운 프레임의 데이타를 출력하게 하고, RAM_b의 정해진 위치에 순차적으로 저장되도록 RAM의 어드레스를 순차적으로 지정한다. 새로운 프레임의 전송이 끝나면 이미지센서의 기능을 정지시키고, 저장된 두화면을 분석한다.

두프레임의 동일 위치 화소값끼리 비교하여, 즉 RAM_a와 RAM_b를 비교하여, 변화가 있으면 1, 없으면 0을 변수에 기억한다. 8개 화소마다 분석 결과값을 더 먼저 들어온 프레임자리의 미리 정한 위치에 한 바이트를 기록한다. 추후 전체적인 변화분포 분석시에는 데이터크기가 8분의 1로 줄어든다. 이 기록은 더 먼저 들어온 프레임 데이타 영역의 한 부분에 한다. 먼저 들어온 프레임 데이타는 다시 이용되지 않기 때문이다.

모든 화소를 동일한 방법으로 비교한 후, 8분의 1로 줄어든 비교결과를 RAM에서 다시 읽어와 분석한다. 변화가 없을 때는 대부분이 0으로 나타나며, 변화가 전체적으로 널리 퍼져있을 때는 대부분이 1로 나타난다. 1의 분포가 넓게 나타난다면 전체적인 배경이 변화된 것으로 파악한다. 어느 특정부위에 분포가 집중되어 있으면 움직임이 있는 것으로 파악한다. 이의 판별은 실험을 통해 최적의 판별기준을 찾게 된다.

MCU는 결과를 부호 OUTPUT 기능을 통해 출력한다. 그리고 MCU는 다음 프레임을 보내도록 이미지센서에 지시하며, 같은 방법으로 데이터를 저장한다. 새로운 데이터는 분석 후 데이터가 있던 RAM에 저장한다. 프레임이 바뀔 때마다 RAM_a와 RAM_b가 바뀐다.

이렇게 연속적으로 영상프레임을 받아 저장하고, 비교하고, 분석하여 결과를 출력한다.

실시 사례 1 : 적용 영역이 좁고, 거리가 가까우며, 저렴한 가격을 요하는 가정용 전등조절에 적용할 경우.

320×240 정도 해상도의 흑백 이미지 센서로도 충분한 결과를 얻을 수 있다.

RAM은 16 Kbit 크기면 충분하다. 저전력기반으로 4MHz의 저속으로 운영해도 충분하다. 가정의 방, 거실에서 본 모듈을 통해 물체가 없다는 신호가 발생시, 일정시간 후에 전등의 조도를 조금씩 낮추어 결과적으로는 소등할 수 있다.

그러나 사용자가 실내에 있어서 전등이 꺼지는 것을 감지하고 있다면, 손가락이나 몸을 조금만 움직이면 센서는 다시 움직임이 있다고 판별하므로 전등은 계속 유지한다. 일정시간내에는 사람이 움직임이 있는 표준시간을 구하여 적용하면 불편없이 전기를 절약할 수 있다. 특히 PWM(Pulse Width Modulation : 펄스폭 변조) 방식으로 형광등 조도를 미세하게 조절할 때 불편을 크게 줄일 수 있다.

실시 사례 2 : 적용 영역이 넓고, 거리가 먼 경우.

예를 들면 24시간 운영하는 마트는 손님이 거의 없는 새벽 시간대에도 매장의 모든 조명을 켜 놓는다. 고객이 아얘 없을 때도 그렇다. 본 모듈을 설치하면 고객이나 직원의 움직임을 순간적으로 파악하여 바로 필요한 부분에 점등함으로써 움직임이 없는 시간에 전력을 절감할 수 있다.

이런 경우에는 이미지센서의 해상도를 수메가 픽셀형의 고급품으로 하고, RAM도 대용량으로 하며, 사용하는 MCU도 100MHz이상의 고속으로 구비하여 처리할 수 있다. 화각이 넓은 렌즈를 사용하며, 높은 천정에서 관찰영역을 넓게 잡고 여러개의 전등을 제어할 수 있다.

도1은 본 고안의 주요 하드웨어 기능을 개략적으로 표시한 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

ImageSensor ; 이미지센서와 렌즈및 렌즈어댑터를 포함한다.

RAM ; 이미지센서로부터 받은 영상데이타를 저장하는 램.

RAM_a, RAM_b ; 비교할 두 화면데이터를 저장하는 각각의 영역.

5VPOWER ; 이미지센서, 램, MCU등 회로상의 각 부품들이 적절하게 동작하는데 필요한 전원공급장치.

MCU ; 마이크로 콘트롤 유니트로서 임베디드 콘트롤러다.

OUTPUT ; 판별결과를 출력하는 부분이다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 거리와 화각에 따라 교체할 수 있고, 촛점을 조정할 수 있는 렌즈를 포함한 이미지센서로부터 정지영상의 화소를 공급받아, 화소별로 지정된 RAM의 특정위치에 화소데이터를 저장하여, 직전화면의 동일위치 화소데이터와 비교하여, 변화가 있을 경우 물체 또는 인체의 움직임 여부를 판별하여 출력하되, 변화된 화소의 분포비율이 기선택된 비율보다 높을 경우에는 배경의 변화로 판별하여 변화가 없는 것으로 출력하는, 즉 배경의 변화를 판별하는 지능적 기능을 포함한 영상변화분석에 기반한 고속모션감지모듈.

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