[논문]호흡보호구 디자인을 위한 삼차원 얼굴인식 및 측정에 관한 고찰

김현욱; 김강윤

문제 정의

최근 컴퓨터의 발전이 가속화되면서 얼굴인식에 대한 기술도 급속도로 발전하고 있다. 이런 얼굴인식 과학기술의 발전을 호흡 보호구 분야에 응용하기 위한 전 단계로서 본 원고에서는 개개인마다 다른 얼굴정보의 삼차원적인 분석합성에 대한 기초적인 이론과 응용분야에 대해 살펴보고, 한국인의 얼굴 특징을 기초로 얼굴인식 기술을 기반으로 한 삼차원 인체 측정학의 연구동향과 이런 기술적 발전을 이용하여 호흡 보호구 착용자 개개인의 얼굴특성에 맞는 호흡보호구 설계를 위한 응용가능성을 알아보고자 하였다.
또 Piccione와 Moyer(1997)는 Cyberware의 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 호흡보호구 원형(prototype)을 제작하였다. 호흡보호구 착용시 발생될 수 있는 압박감을 해결하고, 호흡보호구 착용자의 밀착도를 최대화하기 위한 연구를 수행하였다. 그 외 헬멧에 관한 연구가 3차원 머리나 얼굴 자료를 이용하여 진행되고 있는 실정이다(Robinette, 1993; Whitestone, 1993; Meunier, 2000).

가설 설정

첫째는 같은 평면에서의 측정, 즉 전통적인 인체 측정법인 12차원 측정은 3차원의 인체를 잘 반영할 수 없다는 것이다. 둘째는 고정된 직립 자세는 실제 일하고 있는 자세와 위치를 설명할 수 없다는 것이다.

제안 방법

기술된 시스템의 대안으로 막대 매트릭스(rod matrix), 홀로그래피(holography), 입체 사진측량기(streophotogrammetry), 정 모아레 방법(additive moiré method), 부모아레 방법(subtractive moiré method)을 소개하였다.

대상 데이터

Gordon(1989)은 3차원 영상데이터의 곡률반경 계산을 위한 형판을 바탕으로 한 인식방법을 제시하였다. 실험에 사용된 자료는 0.4 ㎜ 이상의 해상도를 가지는 회전 레이저 스캐너를 사용하여 생성되었고, 분리단계에서 표면은 평면영역과 구 영역 및 회전 표면으로 분류되는데, 이 영상데이터는 원통좌표계 상에 저장된다. 특징추출에 있어 2차원 양상을 이용했을 때의 정확도가 약 80-90%인 반면, 3차원 영상을 이용했을 때는 정확도가 100%였고, 인식에 있어서는 전체 얼굴을 이용할 경우 100%, 개개의 특징을 사용할 경우 97%의 정확도를 보였다고 하였다(이성환과 이미숙, 1996).

이론/모형

인체전체에 대해 Berner(1954)와 Pierson(1961)이 입체사진 측량법(stereophotogrammetric method)을 피부표면을 평가하는데 이용하였고, Hertzberg 등(1957), Weissman 등(1967)과 Weissman(1968)은 인체측정 자료를 얻기 위한 특별한 사진측량 장치를 개발하였다. 개발된 장치를 이용하여 인체체적과 분포를 측정하고(Herron 등, 1976), Skylab의 비행사를 평가하는데(Whittle 등, 1976, 1979) 이용하였으며, 생체의 관성을 평가하는데도 이용하였다(Kaleps 등, 1984).
인체 측정학에서의 응용사례는 국내에서는 아직 활성화되지 않은 분야이지만, 앞으로 발전되어야 할 분야임에 틀림없다. 인체 측정학에서는 과거에 사용되어 오던 1, 2차원적인 측정치대신 사진술이나 3차원 인체 측정의 수학-통계 기법(mathematical-statistical technique)을 이용한다. 3차원 인체측정학적 자료를 얻기 위한 여러 개의 카메라나 거울, 홀로그래피, 필름과 비디오테이프의 사용에 의한 입체 사진측량법(stereophotometry)과 같은 최근의 많은 기술적 발전은 인체의 기록된 사진으로부터 많은 수의 자료를 추출할 수 있는 방법이다(Kroemer, 1989).

성능/효과

한승호(1995)는 한국인 178례의 삼차원 머리뼈에 대한 결과를 보고하였는데, 모아레 등고선 촬영법을 이용하여 측정한 결과 한국인 머리뼈의 형태를 규정짓는 가장 중요한 요인은 얼굴함몰이고, 이는 페루인을 대상으로 한 연구(Benfer, 1975)와 상반된 결과로써 페루인은 제 1 주성분이 얼굴돌출(anterior facial projection)로 나타났다. 또 제 4 주성분으로 분석된 정수리점의 경우 한국인 머리뼈의 후하방에 위치한 반면 페루인은 전하방에 위치하여 큰 차이를 보였다. 또 한국인 머리뼈의 안와(orbit)는 비대칭형으로 왼쪽 안와는 오른쪽에 비해 폭이 좁고 높이가 높으며 더 앞쪽에 위치해 있다고 하였다.
셋째, 영상전화시대의 114 안내로 영상전화 시대에는 음성으로만 이루어지는 지금의 114 안내 대신 인물의 등장이 필요할 것이다. 그러나 전화안내자가 항상 웃는 얼굴로 반복적인 전화안내를 하는 것은 쉬운 일이 아니므로 이때 합성음성과 합성얼굴영상을 이용한 응답서비스를 사용하게 될 것으로 기대된다.
아홉째, 컴퓨터를 이용한 교육에서는 피교육자가 장시간 컴퓨터화면만 읽고 있는 것은 불가능하므로, 이 경우 얼굴합성 시스템을 이용하면, 교육내용을 선생님이 대화방법으로 설명할 수 있게 되고, 역사적 인물이나 원리의 창시자가 직접 설명하는 것도 가능할 수 있다. 이러한 방법은 피교육자의 학습능률을 극대화시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다.
Kim 등(2000)은 얼굴너비(face width), 입술길이(lip length), 코 너비(nose width)와 코 뿌리 폭(nasal root breadth)이 백인과 유의한 통계적 차이를 보였다고 하였다. 얼굴 너비와 코 너비는 백인과 호주인과 비교했을 때 유의하게 넓었고, 입술길이는 상대적으로 짧고, 코 뿌리 폭은 한국인이 유의하게 좁아 차후 호흡보호구 디자인에 적용할 때 고려해야 할 것이라고 하였다.
여덟째, 방송분야에서는 휴먼인터페이스 시스템을 이용하면 방송원고와 얼굴사진만 있으면 TV 화면에 가상의 아나운서가 나타나 뉴스를 전달할 수 있다. 또 탤런트의 분장에도 합성기술을 이용한 시뮬레이션을 통해 가장 적합한 분장을 선택하는 것이 가능하다.
열 한번 째, 영화, 광고, 예술분야, 애니메이션에서는 과거배우와 외국배우와의 연기가 가능하고, 외국배우가 우리말과 일치된 입모양으로 연기하는 것이 가능하다. 또 특정인물의 전기를 그리는 영화에서는 본인을 직접 등장시키는 것도 가능한 일이다.
일곱째, 의학분야에의 응용으로 성형 수술 전에 수술 후의 모습을 미리 합성해 봄으로써 시행착오를 줄일 수 있다. 수술 후의 옆모습, 표정변화 등도 용이하게 볼 수 있으므로 의료분쟁의 위험을 줄일 수 있다.
그러나 전통적인 인체 측정법은 두 가지 문제점을 갖고 있다. 첫째는 같은 평면에서의 측정, 즉 전통적인 인체 측정법인 12차원 측정은 3차원의 인체를 잘 반영할 수 없다는 것이다. 둘째는 고정된 직립 자세는 실제 일하고 있는 자세와 위치를 설명할 수 없다는 것이다.

후속연구

셋째, 영상전화시대의 114 안내로 영상전화 시대에는 음성으로만 이루어지는 지금의 114 안내 대신 인물의 등장이 필요할 것이다. 그러나 전화안내자가 항상 웃는 얼굴로 반복적인 전화안내를 하는 것은 쉬운 일이 아니므로 이때 합성음성과 합성얼굴영상을 이용한 응답서비스를 사용하게 될 것으로 기대된다.
이 자료를 이용하면, 개개인에게 적합한 호흡보호구의 설계나 제작이 가능하다. 그뿐 아니라 지금까지 호흡보호구의 적합성 평가와 근로자 각 개인에게 적합한 보호구를 선정하기 위해 근로자에게 직접 호흡보호구를 착용하도록 한 후 수행되어 왔던 적합성 검정(fit test)을 컴퓨터 상에서 구현함으로써 여러 단계를 거쳐 수행해 오던 적합성 검정의 불편함을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
여섯째는 최근 관심이 집중되고 있는 분야로 범죄수사에 이용되고 있는 예인데, 현재 몽타주는 주로 스케치에 의해 정지영상으로 작성되고 있으나, 얼굴합성법을 이용하면 실제 사진과 같이 현실감 있는 얼굴을 합성할 수 있다. 나아가 작성된 몽타주로 범인의 특징 표정, 옆모습 등을 동영상으로 합성하여 TV 화면을 통하여 시청자가 볼 수 있다면 더 효과적인 범죄수사가 가능할 것이다. 또 용의자의 정면, 측면 얼굴의 비교 등 동일인물의 식별에도 응용 가능할 것이다.
넷째, 이산가족찾기 및 미아찾기에 이용되는 예로써 시간이 지남에 따라 변하게 되는 얼굴을 헤어질 당시의 모습을 추정할 수 있도록 합성하면, 효과적으로 이산가족을 찾거나 미아를 찾는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
나아가 작성된 몽타주로 범인의 특징 표정, 옆모습 등을 동영상으로 합성하여 TV 화면을 통하여 시청자가 볼 수 있다면 더 효과적인 범죄수사가 가능할 것이다. 또 용의자의 정면, 측면 얼굴의 비교 등 동일인물의 식별에도 응용 가능할 것이다.
그러나 한국인의 얼굴에 대한 3차원 인체 측정 자료도 부족할 뿐 아니라 자료가 있더라도 호흡보호구 설계에 이용하는데는 한계가 있다. 또한 3차원 얼굴측정자료를 이용한 호흡보호구 디자인에 대한 시도 또한 이루어진 적이 없어 이에 대한 연구가 향후 진행되어야 할 것으로 생각된다.
무표정한 형상모델의 눈썹, 코, 입부분을 AU 강도만큼 움직이고, 무표정의 얼굴영상의 휘도치를 삼각형마다 텍스쳐 매핑하여 행함으로써 호흡보호구의 적합성 및 착용감 예측이 가능한데, 이는 얼굴과 호흡보호구의 밀착도를 컴퓨터 상에서 측정예측하고, 표정합성 기술을 첨가함으로써 가능할 것이다.
개개인마다 얼굴형태가 다르고, 크기나 모양이 다른 점을 고려하여 개개인에게 적합한 호흡보호구를 설계, 제작하기 위해서는 삼차원 얼굴인식기술을 이용한 자료의 수집이 일차적으로 이루어져야 하나 아직 국내에는 우리 나라 국민의 얼굴에 대한 삼차원 자료가 없는 실정이다. 앞으로 이에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 생각된다. 이 자료를 이용하면, 개개인에게 적합한 호흡보호구의 설계나 제작이 가능하다.

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