KR20100065646A - 음원 추정을 이용한 관심영상영역 검출 장치, 그를 이용한 얼굴 검출 시스템 및 그 방법 - Google Patents

음원 추정을 이용한 관심영상영역 검출 장치, 그를 이용한 얼굴 검출 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센싱 정보를 이용하여 입력 영상에서 관심영상영역(Region Of IntereSt, ROI)를 추출하는 장치 및 그 관심영상영역을 이용하여 효율적으로 얼굴 검출을 수행할 수 있는 얼굴 검출 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 관심영상영역 검출 장치는, 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하는 음원 추정부와, 상기 음원의 위치로 추정된 부분을 촬영하는 카메라와, 상기 촬영된 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는 움직임 검출부 및 상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보와 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 얼굴 검출을 위한 관심영상영역을 추출하는 관심영상영역 추출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
얼굴 검출, 관심영상영역, 음원, 영상, 로봇

Description

음원 추정을 이용한 관심영상영역 검출 장치, 그를 이용한 얼굴 검출 시스템 및 그 방법 {Apparatus for detecting Region Of Interest using sound localization estimating, system and method for face detection thereof}
본 발명은 얼굴 검출 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 센싱 정보를 이용하여 입력 영상에서 관심영상영역(Region Of Interest, ROI)를 추출하는 장치 및 그 관심영상영역을 이용하여 효율적으로 얼굴 검출을 수행할 수 있는 얼굴 검출 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다 [과제관리번호: 2008-F-037-01, 과제명: u-로봇 HRI 솔루션 및 핵심 소자 기술 개발].
얼굴 검출 기술은 사용자 인식의 전 처리 과정으로서, 특히 유비퀴터스 환경에서 사용자 인식 또는 인증에 필요한 기초적인 기능으로서 많은 관심을 받고 있다.
그러나 종래의 영상 검출 기술은, 영상 이미지의 축소나 확대 등을 빈번히 수행하고, 방대한 양의 얼굴 및 비얼굴 데이터베이스를 구축하여 얼굴을 검출해야 하므로 연산량 및 자원이 많이 소모되어야 하는 단점이 있다. 또한 종래의 영상 검출 기술은, 입력 정보로서 영상 이미지만을 이용하므로 기본적인 입력 정보의 크기가 크고 그에 따라 많은 자원이 필요한 문제점이 있다.
특히, 센서와 무선 통신의 발달에 힘입어 로봇에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며 이러한 제한된 자원 및 무선 환경을 기반으로 하는 로봇 분야에 있어서, 종래의 얼굴 검출 기술은 전술한 자원 및 연산량에 대한 문제점으로 인하여 로봇의 자원이나 기능을 강화시켜야 하는 문제점이 있다. 즉, 저전력 임베디드 프로세서 기반의 네트워크 기반 지능형 서비스 로봇을 구현함에 있어서, 종래의 얼굴 검출 기술은 많은 자원을 요구하는 단점이 존재한다.
또한 이러한 종래의 얼굴 검출 기술은, 많은 연산량에 기인하여 속도의 저하가 수반되어 실질적인 실시간 얼굴 검출을 수행하기 곤란한 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 음향 등과 같은 센싱 정보를 이용하여 입력영상에서 얼굴이 포함된 관심영상영역(Region Of IntereSt, ROI)을 추출하고, 그 추출된 관심영상영역에 대하여 얼굴 검출 기술을 적용함으로써, 적은 자원으로도 빠르고 정확하게 얼굴을 검출할 수 있는 관심영상영역 검출 장치, 그를 이용한 얼굴 검출 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 관심영상영역 검출 장치는, 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하는 음원 추정부; 상기 음원의 위치로 추정된 부분을 촬영하는 카메라; 상기 촬영된 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는 움직임 검출부; 및 상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보와 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 얼굴 검출을 위한 관심영상영역을 추출하는 관심영상영역 추출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 얼굴 검출 시스템은, 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하는 음원 추정부와, 상기 음원의 위치로 추정된 부분을 촬영하는 카메라와, 상기 촬영된 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는 움직임 검출부와, 상기 대상체까지의 거리를 감지하는 센서와, 상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보, 상기 대상체의 움직임에 대한 정보 및 상기 거리에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 관심영상영역을 추출하는 관심영상영역 검출 장치; 및 상기 관심영상영역으로부터 얼굴을 추출하는 얼굴 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 얼굴 검출 방법은, 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하여, 그 추정된 부분을 촬영하는 단계; 상기 촬영된 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는단계; 및 상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보와 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 얼굴 검출을 위한 관심영상영역을 추출하는 단계; 및 상기 관심영상영역에 대하여 상기 대상체의 얼굴을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 음원 추정결과 등과 같은 연산량이 적은 센싱 정보를 이용하여 관심영상영역을 추출하고, 그 관심영상영역에 대해서 얼굴 검출을 수행할 수 있으므로 기존의 얼굴 검출 기술에 비하여 적은 자원으로 빠르게 얼굴을 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명을 네트워크 기반 지능형 서비스 로봇 시스템에 적용하면, 영상이 아닌 기타 센싱정보를 이용하여 관심영상영역을 추출하므로, 로봇과 로봇 서버 사이의 통신 트래픽의 대부분을 차지하는 영상 데이터의 크기를 줄일 수 있고 기타 로봇과 로봇 서버의 자원을 적게 이용하여 얼굴 검출을 실시할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 얼굴 검출 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 얼굴 검출 시스템(10)은 관심영상영역 검출 장치(100)와 얼굴 검출 장치(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서는, 본 얼굴 검출 시스템(10)이 로봇에 적용된 것을 예시하여 설명하나, 이는 본 얼굴 검출 시스템(10)의 활용에 대한 하나의 실시예에 불과하다.
관심영상영역 검출 장치(100)는, 음향, 영상, 거리 등을 측정하는 센싱 수단으로부터 음향, 영상, 거리 등을 입력받아 그 영상에서 얼굴이 포함된 것으로 추정되는 관심영상영역(Region Of IntereSt, ROI)을 추출할 수 있다. 본 실시예에서는 센싱 수단으로서 마이크(101), 카메라(102), 거리 센서(103)를 예시하여 설명한다.
이러한 관심영상영역 검출 장치(100)는, 음원 추정부(111), 움직임 검출부(112), 카메라 구동부(113), 거리 연산부(114) 및 관심영상영역 추출부(120)를 포함할 수 있다.
음원 추정부(111)는 마이크(101)가 수신하여 제공한 음향으로부터 그 음향의 음원 위치를 추정할 수 있다. 이를 위하여 마이크(101)는 N 개의 채널 마이크로 구성될 수 있다. 이러한 음원 추정부(111)에 의하여 추정되는, 음원 위치에 대한 정보는 카메라(102)로부터 음원에 이르는 방위각 정보로 구성될 수 있으며, 이를 위하여 마이크(101)는 카메라(102)와 일체형으로 구성되거나 근거리에 위치할 수 있으며 또는 그 마이크(101)와 카메라(102)의 거리차이를 고려하여 방위각 정보를 구 성할 수도 있다.
움직임 검출부(112)는 카메라(102)가 촬영한 영상을 제공받아, 그 영상에서 얼굴을 검출할 대상(이하, '대상체'라 칭함.)이 움직이는지 검출할 수 있다. 이를 위하여, 움직임 검출부(112)는 수신영상의 이전 프레임과 현재 프레임을 비교하여 움직임을 검출할 수 있고, 또는 수신 영상에서 대상체에 대하여 식별을 수행하고, 각 프레임에서 그 대상체의 움직임을 검출하도록 실시할 수 도 있다. 또한 움직임 검출부(112)는 그 대상체가 이동하는 방향, 속도 등에 대한 정보를 검출할 수 있으며, 이렇게 검출된 대상체의 이동정보를 이용하여 카메라(102)를 구동시켜 대상체를 중앙에 두고 촬영을 계속 할 수 있다.
카메라 구동부(113)는 카메라(102)를 구동시킬 수 있으며, 특히 음원 추정부(111)에서 추출된 방위각 정보에 따라 카메라(102)를 구동시켜 영상의 중앙에 대상체가 위치하도록 할 수 있다. 또한, 움직임 검출부(112)에서 검출한 대상체의 이동정보를 이용하여, 대상체가 이동하더라도 영상에 대상체가 위치하도록 카메라를 구동시킬 수 있다. 이러한 카메라 구동부(113)는 로봇의 방향 제어수단 또는 카메라 틸트 제어수단을 포함하거나 이들을 구동시키도록 실시할 수 있다.
거리 연산부(114)는 거리 센서(103)와 연동하여, 대상체와 얼굴검출 시스템(10)과의 거리를 연산할 수 있다. 이러한 거리 연산부(114)는 초음파 센서, 적외선 센서, 레이저 센서, 스테레오 카메라 등 다양한 센서를 이용할 수 있으며, 특히 로봇의 경우 스테레오 카메라를 이용하여, 카메라(102)와 센서(103)를 동시에 실행하도록 구현할 수 있다.
관심영상영역 추출부(120)는 전술한 음원 추정부(111) 내지 거리 연산부(114)로부터 정보를 받아, 카메라(102)에서 취득한 영상에서 관심영상영역을 추출할 수 있다. 또한 전술한 음원 추정부(111) 내지 거리 연산부(114)를 총괄적으로 제어하도록 실시할 수 있다. 이러한 관심영상영역 추출부(120)의 상세 동작에 대해서는 도 2를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관심영상영역 추출 방법을 도시하는 순서도이다.
우선 카메라(102)는 영상(예컨대, QVGA 320x240의 해상도 영상)을 촬영하고, 마이크(101)는 음향을 인식한다. 본 실시예에 따른 관심영상영역 검출은 음성 등의 센싱정보를 이용하여 관심영상영역을 추출하므로, 음성 등에 대한 검출이 우선 실시 될 수 있다.
관심영상영역 추출부(120)는 마이크(101)로부터 음향이 입력되고 있는지 확인하고(S201), 입력되고 있으면 음원 추정부(111)로부터 음원의 위치에 대한 정보를 제공받을 수 있다(S202). 또한 이러한 음원의 위치에 대한 정보를 이용하여, 카메라(102)가 음원의 위치로 추정된 위치(즉, 대상체의 위치)을 향하도록 카메라 구동부(113)를 제어할 수 있다(S203). 대상체의 위치로 향하여진 카메라(102)는 영상을 재촬영하여 대상체가 영상의 중앙 부분에 위치하도록 할 수 있다. 이후, 거리 연산부(114)는 대상체와의 거리를 연산할 수 있으며(S204), 움직임 검출부(112)에 의하여 대상체의 이동이나 움직임이 감지되면(S205), 대상체에 대한 이동정보를 구성할 수 있다.
이후, 이와 같이 입력된 대상체의 움직임, 대상체와의 거리, 위치를 이용하여, 관심영상영역 추출부(120)는 카메라(102)에서 촬영된 영상에서 대상체를 포함하는 관심영상영역을 실제 입력되는 영상보다 작은 영역으로서 추출할 수 있다(S206).
또는, 관심영상영역 추출부(120)는 대상체의 움직임이 없으면, 대상체와의 거리, 위치를 이용하여 촬영된 영상에서 관심영상영역을 실제 입력되는 영상보다 작은 영역으로서 추출할 수 있다(S207).
마이크(101)로부터 음향 정보가 입력되지 않은 경우에는, 촬영된 영상에 대상체가 존재하는지 움직임 검출부(112)에 의하여 움직임을 검출하고(S212), 움직임이 검출되면 거리 연산부(114)를 통하여 대상체와의 거리를 계산할 수 있다(S213). 이와 같이 검출된 거리와 움직임을 이용하여, 관심영상영역 추출부(120)는 입력된 영상에서 관심영상영역을 실제 입력되는 영상보다 작은 영역으로서 추출할 수 있다(S214).
이와 같이, 관심영상영역 추출부(120)는 음원의 위치에 대한 정보 또는 대상체의 움직임에 따라 영상을 재촬영하도록 카메라 구동부(113)에 관련 정보를 제공할 수 있으며, 그 재촬영된 영상을 기준으로 전술한 바와 같은 단계를 거쳐 관심영상영역을 재추출하도록 할 수 있다.
만약 마이크(101)에서 음향 정보가 입력되지 않고, 움직임 검출부(112)에서도 어떠한 움직임을 검출하지 못한 경우에는, 입력 영상에 대상체가 없는 경우이므로 관심영상영역 추출부(120)는 관심영상영역이 없는 것으로 인식하고 관심영상 추 출을 종료한다(S215). 즉, 이러한 경우 대상체가 없어 특별히 처리해야 할 영상 관심 영역이 없는 것이므로, 로봇의 경우 모든 내부 장치를 idle 상태로 하여 아무런 동작을 수행하지 않도록 할 수 있다.
이와 같이 관심영상영역 추출부(120)는 전술한 바와 같이 실제 입력되는 영상보다 작게 추출된 관심영상영역을 얼굴 검출 장치(200)에 제공하여 얼굴 검출을 수행하도록 할 수 있다. 즉, 입력 영상에서 관심영상영역만을 대상으로 얼굴 검출을 수행할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따르면 얼굴 검출을 할 대상 영상이 입력 영상보다 작으며, 이를 통하여 본 발명에 의한 얼굴 검출 시스템은 용이하고 빠르며 적은 자원으로 얼굴 검출을 실시할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 얼굴 검출 장치(200)의 얼굴 검출 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 얼굴 검출 장치의 일실시예에 따른 얼굴 검출 방법을 도시한 순서도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 QVGA 320x240 크기의 밝기 값(IntenSity)을 가지는 그레이 스케일(grey Scale) 영상을 입력 받는 경우를 예시하여 설명한다.
얼굴 검출 장치(200)는 관심영상영역 추출 장치(100)로부터 관심영상영역을 제공받아 이를 입력 영상으로 한다(S301).
얼굴 검출 장치(200)는 이러한 관심영상영역에 대하여 좌측 상단부터 20x20 크기의 검사 영역을 선택하고(S302), 그 선택된 검사 영역의 20x20 개의 픽셀에 대해 미리 학습해 놓은 20x20 Look-Up 테이블을 이용하여 검사 영역에 얼굴이 존재하는지를 검사할 수 있다(S303). 이러한 Look-Up 테이블은 방대한 양의 얼굴 및 비얼 굴 데이터베이스를 확보하여, 얼굴 특징(feature)에 대한 값(cost) 저장하고 있으며, 이러한 값과 검사 영역의 특징 값을 비교하여 얼굴이 존재하는 지를 판단할 수 있다.
즉, 얼굴 검출 장치(200)는 Look-Up 테이블을 이용하여 훈련을 통해 사전에 정해놓은 임계치(threshold) 와 검사 영역을 비교하여, 검사 영역에 얼굴이 포함된 것으로 판단될 경우, 얼굴 후보 영역에 대한 좌표를 얼굴 영역으로서 등록한다(S305). 또는 검사 영역에 얼굴이 포함되지 않은 것으로 판단되면 이후의 단계로 진행한다.
이 후, 검사 영역이 종료 되었는지 확인하고(S306), 검사 영역이 종료되지 않았다면 현재 검사가 진행 중인 관심영상영역에 대해 한 픽셀씩 옮겨가면서 이러한 단계(S302 내지 S306)를 수행할 수 있다. (예컨대, 320x240 영상의 경우는 총 660000 (=300x220) 번 동안 S302 내지 S306 단계가 수행될 수 있음)
검사 영역이 종료된 경우에는, 얼굴이 다양한 거리에 존재할 수 있음을 고려하여, 즉 20 현재 영상을 미리 정해놓은 비율로 축소할 필요가 있는지 판단하고(S307), 축소가 필요하면 입력 영상(즉, 관심영상영역)을 설정된 비율로 축소한 후 전술한 S302 내지 S307의 과정을 반복할 수 있다(S308).
만약, 영상 축소를 반복하여 축소된 영상이 검사 영역의 크기(20x20 픽셀)보다 작아 질 경우에는 더 이상 축소가 필요 없으므로, 전술한 과정동안 저장된 얼굴 영역 등록 정보를 이용하여, 최초 입력된 관심영상영역(320x240 픽셀 영상)에 얼굴 부분을 표시하여 영상을 출력할 수 있다(S309).
이와 같이 본 발명의 실시예에 따라 입력 영상에서 얼굴을 검출하는 경우에는, 관심 영상 영역만을 대상으로 얼굴 검출을 실시하므로 Look-Up 테이블 접근 및 영상 축소, 영상 검출을 위한 연산이 최소화될 수 있어 실시간으로 얼굴을 검출할 수 있다.
이상에서는 Adaboost 기법을 활용한 얼굴 검출 방법에 대하여 설명하였으나, 얼굴 검출 장치(200)는 Skin color based approach, SVM, gaussian mixture, maximum likelihood, neural network 등의 다양한 얼굴 검출 방법 또는 이들을 조합하여 얼굴 검출을 실시할 수 있음은 물론이다.
이상, 본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 자명하다. 따라서 본 발명의 보호 범위는, 전술한 실시예에 국한되서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의한 범위 및 그와 균등한 범위를 포함하여 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 얼굴 검출 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관심영상영역 추출 방법을 도시하는 순서도.
도 3은 얼굴 검출 장치의 일실시예에 따른 얼굴 검출 방법을 도시한 순서도.

Claims (10)

  1. 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하는 음원 추정부;
    카메라로부터 촬영된, 상기 음원의 위치로 추정된 부분의 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는 움직임 검출부; 및
    상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보와 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 얼굴 검출을 위한 관심영상영역을 추출하는 관심영상영역 추출부를 포함하는 관심영상영역 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음원의 위치에 대한 정보는,
    상기 카메라로부터 상기 음원에 이르는 방위각 정보를 이용하여 구성되는 관심영상영역 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방위각 정보를 이용하여 상기 카메라를 상기 음원의 위치로 추정된 부분을 향하도록 구동시키는 카메라 구동부를 더 포함하는 관심영상영역 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대상체까지의 거리를 연산하는 거리 연산부를 더 포함하며,
    상기 관심영상영역 추출부는 상기 거리를 더 이용하여 상기 영상으로부터 상 기 관심영상영역를 추출하는 관심영상영역 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음원 추정부는 수신된 음원 유무를 확인하며,
    상기 관심영상영역 추출부는 상기 음향이 없으면, 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 상기 관심영상영역을 추출하는 관심영상영역 검출 장치.
  6. 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하는 음원 추정부와, 상기 음원의 위치로 추정된 부분을 촬영하는 카메라와, 상기 촬영된 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는 움직임 검출부와, 상기 대상체까지의 거리를 감지하는 센서와, 상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보, 상기 대상체의 움직임에 대한 정보 및 상기 거리에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 관심영상영역을 추출하는 관심영상영역 검출 장치; 및
    상기 관심영상영역으로부터 얼굴을 추출하는 얼굴 검출 장치를 포함하는 얼굴 검출 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 음원의 위치에 대한 정보는 상기 카메라로부터 상기 음원에 이르는 방위각 정보일 때,
    상기 관심영상영역 검출 장치는, 상기 방위각 정보를 이용하여 상기 음원의 위치로 추정된 부분을 향하도록 상기 카메라를 구동시키는 카메라 구동부를 더 포함하는 얼굴 검출 시스템.
  8. 마이크로부터 수신된 음향으로부터 음원의 위치를 추정하여, 상기 추정된 부분을 촬영하는 단계;
    상기 촬영된 영상으로부터 대상체의 움직임을 검출하는단계; 및
    상기 추정된 음원의 위치에 대한 정보와 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 이용하여 상기 영상으로부터 얼굴 검출을 위한 관심영상영역을 추출하는 단계; 및
    상기 관심영상영역에 대하여 상기 대상체의 얼굴을 검출하는 단계를 포함하는 얼굴 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 대상체까지의 거리를 연산하는 단계를 더 포함하며,
    상기 관심영상영역을 추출하는 단계는, 상기 거리를 더 이용하여 상기 영상으로부터 상기 관심영상영역를 추출하는 것인 얼굴 검출 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 음원의 위치에 대한 정보 또는 상기 대상체의 움직임에 대한 정보를 고 려하여, 상기 대상체가 영상의 중앙에 오도록 재 촬영하는 단계와,
    상기 재 촬영된 영상에 대하여 상기 관심영상영역을 재 추출하는 단계를 더 포함하는 것인 얼굴 검출 방법.
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