KR20090002638A - 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법 - Google Patents

Abstract

이미지 센서로부터 획득한 지폐 영상을 회전 보정하는 단계; 상기 회전 보정된 지폐 영상을 주파수영역의 최적 비교를 위하여 고속 푸리에 변환에 적합한 지폐 영상으로 변환하는 단계; 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 상기 변환된 영상에 대한 주파수 정보를 추출하는 단계; 및 상기 추출한 주파수 정보와 표준 지폐의 주파수 정보를 비교하여 유사도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법이 개시된다.

주파수 정보, 유사도, 압축, 의사 지폐영역

Description

주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법{Method for measuring similarity using frenquency range}

도 1은 지폐 영상의 데이터베이스이다.

도 2는 대상 국가를 미국으로 하여 달러화의 권종 식별 절차를 보이고 있다.

도 3은 CIS로부터 획득한 지폐 영상을 나타낸다.

도 4는 이진화된 지폐 영상과 중심점을 나타낸다.

도 5는 에지 추출된 지폐 영상을 나타낸다.

도 6은 회전각도를 추출하는 방법을 나타낸다.

도 7은 회전 변환된 지폐 영상을 나타낸다.

도 8은 이진화된 지폐 영상을 나타낸다.

도 9는 추출된 의사 지폐영역과 그 중심점을 나타낸다.

도 10은 X축에 대한 맞춤 변환을 한 지폐 영상을 나타낸다.

도 11은 X,Y 사영에 의한 실제 처리영역을 설정하는 방법을 나타낸다.

도 12는 압축된 지폐 영상을 나타낸다.

도 13은 지폐 영상의 주파수영역을 표시한다.

본 발명은 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법에 관한 것으로, 특히 유통과정에서 흐려지고 꾸겨진 훼손 지폐에 강한 특성을 보이는 주파수영역 비교에 의한 영상처리 알고리즘을 적용한 지폐의 유사도 측정방법에 관한 것이다.

지폐 처리 시스템에서 권종의 분류, 위폐의 식별 등을 위하여 다양한 센서가 이용되어 왔다. 그 중에서 지면의 인쇄 내용을 근거로 식별 결과를 도출하는 것은 매우 적극적인 방법이다.

이를 위한 장치로서, 저가의 장치에서는 1점식 광학 센서를 이용하여 이송되는 지폐의 한 점 위치를 연속적으로 읽어 얻어진 1차원 영상 데이터를 처리하는 방법을 사용해왔다. 반면 비교적 고가의 장치에는 CIS(Contact Image Sensor)류의 1차원 센서를 사용하여 이송되는 지폐의 영상을 연속 획득하여 2차원 면에 대한 영상을 획득하고 영상의 각 회소에 대한 밝기 정보를 처리함으로써 3차원 영상해석이 이루어진다.

일반적으로 지폐 영상을 통하여 지폐의 종류 및 위폐 등을 식별하기 위한 영상 처리과정은 다음과 같다.

도 1은 지폐 영상의 데이터베이스로서, 도 1과 같이, 지폐 종류를 식별하는 기준이 되는 표준영상을 만들어 인덱스 키와 함께 저장해 놓는다. 가령, "1f"는 "1달러 지폐 전면영상"를 나타내고, "kr10r"은 "대한민국 만원 지폐 이면영상"을 나타내고, "jp5f"는 "일본 오천원 지폐 전면영상"을 나타낸다.

이와 같은 지폐 영상 데이터베이스를 이용하는 경우, 국가별로 등록된 표준영상의 종류가 매우 많기 때문에 유사도 산출의 시간이 지나치게 오래 걸리고 권종 간 유사도 결정의 결정 공간의 거리가 가까워져 판단의 정확도가 낮아지는 결점이 있다. 그러므로 여러 국가의 표준영상 데이터베이스 중 식별할 대상 국가를 선택하여 표준 영상의 개수를 한정 지우고 지폐의 종류를 가려낸다.

하나의 질의 영상(query image)이 생성되면 미리 저장되어 있는 지폐 영상 데이터베이스에 저장된 표준영상과 비교하여 유사도가 가장 높은 영상을 선발하여 해당 권종을 알아낸다.

도 2는 대상 국가를 미국으로 하여 달러화의 권종 식별 절차를 보이고 있다.

구체적으로, 10달러 지폐의 기울어진 질의 영상이 투입되면(도 1a), 질의 영상의 기울기와 중심좌표를 계산하고 그 전체 영상에서 지폐의 실질 영상이 점유한 부분을 추출한 후(도 1b), 이어 계산된 기울기와 중심좌표를 이용하여 회전 및 위치 보정을 한다(도 1c).

이어, 표준영상 데이터베이스에 저장된 미국 달러화 표준영상과 각각 비교하여 유사도를 산출한 다음 가장 높은 유사도를 보이는 표준영상으로부터 해당 권종을 알아낸다(도 1d).

일반적으로 영상인식 대상영역은 크게 공간영역과 주파수영역에서 이루어질 수 있다. 공간영역의 유사도 측정에 의한 인식방법의 경우, 참조지폐와 대상지폐의 유사도 측정 기준픽셀이 일치되어야만 안정된 인식이 이루어지기 때문에 이를 위한 사전 영상처리 절차가 복잡한 단점이 있다. 반면, 주파수영역의 유사도 측정에 의 한 인식방법의 경우, 공간영역 비교에서처럼 정확한 기준픽셀을 구할 필요 없이 정해진 주파수영역에 대한 일대일 비교가 가능하므로 공간영역의 유사도 비교보다 안정된 유사도 측정이 가능하다는 장점이 있다.

그러나, 주파수영역을 이용할 경우 지폐 영상에 대한 공간 주파수 성분 추출을 고속으로 하기 위해서 고속 푸리에 변환 알고리즘이 이용되는데 이 방법은 2의 자승 크기의 영상을 요구한다. 또한 이 방법은 회전과 크기 변화에 따라 공간주파수의 배치가 변하지만 영상의 천이에서는 변하지 않는 방법이다. 따라서 지폐 영상에서 2의 자승 크기에 해당하는 영역을 획득하여야 하며, 회전과 크기의 변화분이 최소화되도록 하는 전처리 과정과 이를 위한 효과적인 방법에 대한 연구가 이를 이용하는 시스템의 인식성능에 결정적인 영향을 미친다.

따라서, 본 발명의 목적은 유통 과정에서 훼손된 지폐의 처리에 강한 특성을 보이며, 고속 처리가 가능하고 실시간 처리에 적합한 지폐 영상 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적을 구현하기 위한 구체적인 특징은 이하의 기재로부터 명확하게 이해될 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이미지 센서로부터 획득한 지폐 영상을 회전 보정하는 단계; 상기 회전 보정된 지폐 영상을 주파수영역의 최적 비교를 위하여 고속 푸리에 변환에 적합한 지폐 영상으로 변환하는 단계; 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 상기 변환된 영상에 대한 주파수 정보를 추출하는 단계; 및 상기 추출한 주파수 정보와 표준 지폐의 주파수 정보를 비교하여 유사도를 산출하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 회전 보정 단계는, 상기 획득한 지폐 영상의 중심점을 산출하는 단계; 상기 지폐 영상에 대한 에지 성분을 추출하는 단계; 상기 획득한 지폐 영상의 회전각도를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 회전각도를 이용하여 상기 획득한 지폐 영상을 회전 이동시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 변환 단계는, 지폐영역의 광도의 동적 기준값을 이용하여 이진화를 수행하여 훼손 영역을 배제하고, 상기 이진화된 지폐 영상의 X 및 Y 사영으로부터 의사 지폐영역을 구하고, 상기 의사 지폐영역의 중심점을 산출하는 단계; X 및 Y 사영 정보로부터 지폐의 특징을 포함하는 실제 처리영역을 결정하는 단계; 및 상기 실제 처리영역을 압축하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 의사 지폐영역을 구한 후, 상기 이진화된 지폐 영상을 상기 의사 지폐영역에 맞추도록 X축에 대해 맞춤 변환하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

바람직하게, 주파수 추출은 다음의 식을 이용하여 수행될 수 있다.

(여기서,

는 지폐 영상의 공간영역의 각 픽셀값이며,

는 푸리에 변환된 공간 주파수 영역의 주파수 값이다)

다음은 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 지폐 영상 처리방법을 설명한다.

지폐의 중심찾기

도 3에 나타낸 바와 같이, CIS(Contact Image Sensor)로부터 획득된 지폐 영상의 크기는 거의 일정하지만 다양한 회전이 이루어져 있기 때문에 이를 보정하기 위한 처리가 필요하다. 이하의 단계들은 이를 위한 단계로서, 먼저 지폐의 중심을 찾는다.

CIS로부터 획득된 원 영상의 배경은 대부분 그레이 레벨(gray level)에서 0(BLACK)에 가까운 값을 가지므로 0 근방의 임계값을 기준으로 이진화한 후, 도 4에 나타낸 바와 같이, 흰색부분의 픽셀의 x와 y 좌표값의 중심을 지폐 영상의 중심으로 결정한다.

여기서,

는 흰색영역의 픽셀 수이다.

에지( edge ) 추출

이어, 도 5에 도시한 바와 같이, 이진화된 지폐 영상에 대한 에지 성분을 추출한다. 에지 추출을 위한 컨볼루션(convolution)에 사용한 마스크의 크기는 3×3 이고, 마스크 값은 {1, 1, 1, 1, -8, 1, 1, 1, 1}를 사용한다.

회전각도 추출

회전된 지폐의 보정을 위해서는 획득한 지폐 영상의 회전각도를 알아야 한다.

구체적으로, 도 6에 나타낸 것처럼, 지폐 영상의 중심점의 x값 x_c에서 ±α만큼 떨어진 x점 x_{c -α}, x_c+α에서 y축으로 상단(혹은 하단)에서부터 에지가 나타날 때까지 개별적으로 검색하는 방식으로 두 점 (x_{c -α}, y_{c -α}), (x_{c +α}, y_{c +α})를 찾고, 이 정보를 바탕으로 기울어진 회전각도를 구한다. 이때, 손상된 지폐로 인한 회전각도를 잘못 추출할 가능성이 있으므로 여러 개의 α값을 적용하여 그 기울기의 최빈값을 회전각도로 선택한다.

회전이동

도 7에 나타낸 바와 같이, 산출한 회전각도를 이용하여 원 영상을 회전 변환한다.

이상과 같은 과정을 통하여 지폐 영상을 보정한 다음, 이하의 단계에서는 주파수영역의 최적 비교를 위하여 영상을 고속 푸리에 변환에 적합한 크기로 압축하는 단계이다. 이들 단계는 의사영역을 구하고 실제 처리영역을 구하는 단계로 이루어진다.

이진화

먼저, 도 8에 나타낸 바와 같이, 처리할 의사 지폐영역을 추출하기 위하여 지폐영역의 광도의 동적 기준값을 통하여 이진화를 수행한다. 여기서, "이진화"란 일정 임계값을 기준으로 흑백영상으로 변환시키는 것을 의미한다. 또한, 동적 기준값이란 이 과정에서 필요한 일정한 경계값을 영상의 밝기에 따라 동적으로 변화하도록 하는 것을 의미한다. 즉, 일반적으로 사용되는 고정값으로 지정되는 절대값의 임계값이 아니라 이진화 대상 영역의 평균 밝기값에 연동하여 변화하는 임계값을 말한다.

의사 지폐영역 및 중심점 재추출

도 9에 나타낸 바와 같이, 이진화된 영상의 X,Y 사영에서 지폐의 가로와 세 로의 크기에 대한 의사 지폐영역을 구하고 그 사각영역의 중심을 구한다. 즉, 유통되는 지폐는 모서리 부분이 훼손되어 있을 가능성이 크기 때문에, 정확한 지폐영역을 추출하기 전에 의사영역을 구하고 훼손 영역을 배제한 정확한 지폐영역을 구할 필요가 있다.

X축에 대한 맞춤 변환

CIS의 성능에 따라 획득된 지폐 영상이 X축에 대하여 어긋나는 영상이 획득될 수 있다. 따라서, 이러한 기울어진 지폐 영상을 의사 지폐영역에 맞추도록 하기 위하여, 도 10에 나타낸 바와 같이, X축에 대하여 맞춤 변환을 수행한다.

X, Y 사영에 의한 실제 처리영역 설정

도 11에 나타낸 바와 같이, X,Y 사영정보로부터 실제 처리영역을 결정한다. 여기서, 실제 처리영역이란 지폐의 특징을 포함하고 있는 영역을 말하는데, 예를 들어, 테두리 부분들은 흰색의 여백으로서 모든 지폐의 공통된 특징이므로 불필요하기 때문에 배제할 필요가 있다. 이를 위해, 실제 처리영역은 중심점과 좌단, 중심점과 우단, 중심점과 상단, 중심점과 하단 사이에서 그 사영 값이 최소가 되는 부분으로 결정한다.

압축

고속 푸리에 변환에서 요구되는 영상은 2의 자승 크기를 가지는 영상이어야 하므로, 도 12에 나타낸 것처럼, 128×128 크기로 상하, 좌우 압축한다. 압축방법은 처리영역에 있는 픽셀을 압축 영상의 크기를 기준으로 평균치를 적용하여 압축한다.

주파수 추출

도 13과 같이, 고속 푸리에 변환 알고리즘을 사용하여 압축된 영상에 대한 주파수 정보를 추출한다.

여기서,

는 지폐 영상의 공간영역의 각 픽셀값이며,

는 푸리에 변환된 공간 주파수 영역의 주파수 값에 해당한다. 주파수 추출은 일반적인 2차원 푸리에 변환식에서 중첩된 합 부분의 분리성질을 이용한다. 먼저 열이나 행 중의 하나의 방향으로 고속 푸리에 변환을 수행하고 그 결과를 이용하여 나머지 한 방향으로 고속 푸리에 변환을 수행하면 2차원 이산 푸리에 변환이 완성된다. 결국 1차원 푸리에 변환을 2번 수행하는 것이다. 이렇게 변환된 결과는 효율적인 유사도 산출 도 13과 같이 중심이 저주파가 되도록 재배치하게 된다.

유사도 산출

유사도 산출은 인식과정과 동일한 처리과정으로 마련된 표준 지폐의 주파수 테이블과 상기한 과정을 통하여 인식된 지폐에 대한 주파수 테이블에 대한 공간주파수별 일대일 유클리디안 거리를 누적한 누적거리를 이용한다. 바람직하게, 이 계산 과정에서 공간주파수영역이 동일한 3/4 사분면을 제외하고 1/2 사분면에 대한 비교만을 수행한다.

즉, 유사도 산출은 공간영역과 달리 공간 주파수영역에 대한 비교를 통하여 행하여 지는데, 비교 기준을 공간영역에서와 같이 설정할 필요가 없이, 공간 주파수영역에 대한 일대일 대응관계가 성립하므로 일반적인 누적 유클리디언값을 각 참조지폐에 대하여 계산하고 그 최고값에 해당하는 카테고리를 인식 결과로 결정한다.

이 방법은, 가령 상호 상관관계법에 의해 이루어진다. 이 식은

여기서, I(x, y), Q(x-k, y+l)는 비교 대상이 되는 각각의 주파수영역 값의 크기를 나타낸다. 즉, 질의 영상의 주파수 변환값은 비교대상 영상의 주파수 변환값에 대하여 좌표값 k, l만큼 이동되어 각각의

값을 산출한다.

지폐 분류

상기 추출한 공간주파수로부터 미리 작성되어 저장된 공간주파수 특징 데이 터베이스에 기초하여 공간주파수 특징의 상호 유사도 계산에 의해 지폐를 분류한다.

이와 같은 과정을 포함하는 영상 처리방법은 지폐정사기(Banknote Discriminator, Banknote Sorting Machine), 이권종지폐처리기(Banknote Denominator), 지폐인식기(Banknote Recognizer), 고급 계수기(High Performance Banknote Counter), ATM(Automated Teller Machine), 또는 KIOSK의 영상처리에 직접 적용될 수 있다.

본 발명에서 기술한 각 단계들은 프로그램화되어 컴퓨터로 하여금 상기한 처리를 수행하도록 할 수 있고, 또한 각 단계들의 처리를 수행하는 기능모듈의 부분 또는 전부를 포함하는 집적회로를 구현할 수도 있다.

따라서, 본 발명에 따른 상기 각 단계를 수행하는 한, 실행 방식에 대해서는 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다.

본 발명에서 제안한 에지 검색에 의한 에지 검출은, 종래 4 방향 검색에 의한 4 변의 검출과 달리, 훼손에 의한 요철 부분의 검출 오류를 쉽게 배제할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서 푸리에 변환은 회전과 크기 변화에 따라 공간주파수의 배치가 변하지만 영상의 천이에서는 변하지 않으므로, 영상의 천이에 대해서는 공간영역에 대한 처리보다 강력하다.

또한, 인식율의 변동 없이 처리 시간의 향상을 기대할 수 있다.

기존의 공간영역에 대한 상호 상관관계법(cross-correlation)과 비교할 때, 기준 픽셀의 설정이 필요하지 않다.

Claims (5)

1. 이미지 센서로부터 획득한 지폐 영상을 회전 보정하는 단계;

   상기 회전 보정된 지폐 영상을 주파수영역의 최적 비교를 위하여 고속 푸리에 변환에 적합한 지폐 영상으로 변환하는 단계;

   고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 상기 변환된 영상에 대한 주파수 정보를 추출하는 단계; 및

   상기 추출한 주파수 정보와 표준 지폐의 주파수 정보를 비교하여 유사도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 회전 보정 단계는,

   상기 획득한 지폐 영상의 중심점을 산출하는 단계;

   상기 지폐 영상에 대한 에지 성분을 추출하는 단계;

   상기 획득한 지폐 영상의 회전각도를 산출하는 단계; 및

   상기 산출된 회전각도를 이용하여 상기 획득한 지폐 영상을 회전 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 변환 단계는,

   지폐영역의 광도의 동적 기준값을 이용하여 이진화를 수행하여 훼손 영역을 배제하고, 상기 이진화된 지폐 영상의 X 및 Y 사영으로부터 의사 지폐영역을 구하고, 상기 의사 지폐영역의 중심점을 산출하는 단계;

   X 및 Y 사영 정보로부터 지폐의 특징을 포함하는 실제 처리영역을 결정하는 단계; 및

   상기 실제 처리영역을 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 의사 지폐영역을 구한 후, 상기 이진화된 지폐 영상을 상기 의사 지폐영역에 맞추도록 X축에 대해 맞춤 변환하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   주파수 추출은 다음의 식을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 주파수영역을 이용한 지폐의 유사도 측정방법.

   

   (여기서,

   

   는 지폐 영상의 공간영역의 각 픽셀값이며,

   

   는 푸리에 변환된 공간 주파수 영역의 주파수 값이다)

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