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임베디드 환경에서의 실시간 립리딩 시스템 구현
Real Time Lip Reading System Implementation in Embedded Environment 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part B. Part B, v.17B no.3, 2010년, pp.227 - 232  

김영운 (원광대학교 컴퓨터공학과) ,  강선경 (원광대학교 컴퓨터공학과) ,  정성태 (원광대학교 컴퓨터공학과)

초록
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본 논문은 임베디드 환경에서의 실시간 립리딩 방법을 제안한다. 기존 PC 환경에 비하여 임베디드 환경은 사용할 수 있는 자원이 제한적이므로, 기존 PC 환경의 립리딩 시스템을 임베디드 환경에서 실시간으로 구동하기는 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문은 임베디드 환경에 적합한 입술영역 검출 방법과 입술 특징추출 방법, 그리고 발성 단어 인식 방법을 제안한다. 먼저 정확한 입술영역을 찾기 위해 얼굴 색상정보를 이용해 얼굴영역을 검출하고 검출된 얼굴 영역에서 양쪽 두 눈의 위치를 찾아 기하학적 관계를 이용해 정확한 입술영역을 검출한다. 검출된 입술영역에서 주위 환경 변화에 따른 조명 변화에 강인한 특징을 추출하기위해 히스토그램 매칭과 입술 폴딩, RASTA 필터를 적용하고 주성분 분석(PCA)을 이용한 특징계수를 추출해 인식에 사용하였다. 실험결과 CPU 806Mhz, RAM 128MB 사양의 임베디드 환경에서 발성 단어에 따라 1.15초에서 2.35초까지의 처리 속도를 보였으며, 180개의 단어 중 139개의 단어를 인식해 77%의 인식률을 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes the real time lip reading method in the embedded environment. The embedded environment has the limited sources to use compared to existing PC environment, so it is hard to drive the lip reading system with existing PC environment in the embedded environment in real time. To solve...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존의 방법들은 프로세서의 성능이 우수하고 메모리 등의 자원이 풍부한 PC 환경에서 구현되었기 때문에 자원에 대한 제약 조건이 많은 임베디드 환경에서 실시간으로 동작하기 어려운 문제를 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 임베디드에서 립리딩이 실시간으로 동작하기 위해 입술검출 방법과 특징 추출 방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 계산량이 작고 자원을 적게 사용함으로써 임베디드 환경에서 실시간으로 동작할 수 있었다.
  • 카메라로부터 입력되는 영상은 조명과 주위 환경에 따라 얼굴 영역의 색상이 다양하게 변한다. 따라서 본 논문에서는 입력 영상의 첫 프레임에서 영상의 중앙 부분에 영역을 설정하여 영역 내에 포함된 픽셀들의 색상을 분석하여 이와 유사한 색상을 가지는 영역을 얼굴 영역으로 검출하였다[14]. (그림 2)에는 입력된 영상에서 얼굴 영역을 검출한 결과가 나타나 있다.
  • 본 논문에서는 임베디드 환경에서 실시간 립리딩 방법을 제안하였다. 기존의 방법들은 프로세서의 성능이 우수하고 메모리 등의 자원이 풍부한 PC 환경에서 구현되었기 때문에 자원에 대한 제약 조건이 많은 임베디드 환경에서 실시간으로 동작하기 어려운 문제를 가지고 있다.
  • 또한 시간의 흐름에 따라서 픽셀 값이 이전 픽셀 값과 차이가 나면 고주파 영역에 도시되고 그렇지 않으면 저주파 영역에 도시된다. 이를 이용해 적절한 필터를 사용하여 중요한 정보만을 추출하는 것이 필터링의 목적이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
임베디드 환경에서 실시간으로 립리딩을 수행하기 위한 알고리즘은 어떤 단계를 거치는가? (그림 1)은 임베디드 환경에서 실시간으로 립리딩을 수행하기 위한 전체적인 알고리즘이 나타나 있다. 먼저 임베디드 시스템에 내장된 카메라를 이용해 영상을 획득하고 피부 색상정보를 이용해 얼굴영역을 검출한다. 검출된 얼굴 영역에서 좌, 우측 양쪽 눈의 위치를 검출하고, 기하학적 특징을 이용해 입술영역을 검출한다. 검출된 입술영역에서 히스토그램 매칭을 통해 조명변화에 대한 보상을 수행하고 입술 폴딩을 이용해 입술 영상을 절반으로 줄여 처리 속도를 향상시킨다[12]. 또한 RASTA(RelAtive SpecTrAl) 필터를 통해 불필요한 특징을 제거해 준다[12, 13]. 마지막으로 주성분 분석(PCA)을 이용해 특징계수를 추출하고 비터비 디코딩 알고리즘을 이용해 발성한 단어를 인식한다.
립리딩을 수행하기 위한 단계는 어떻게 나누어지는가? 립리딩을 수행하기 위해서는 크게 입술 영역검출과 입술 특징추출, 그리고 발성 단어 인식 단계로 나누어 볼 수 있다. 먼저 입력된 영상에서 입술 영역검출과 입술 특징을 추출 방법은 크게 두 가지 기법으로 나눌 수 있다.
PCA는 어떤 특성을 가진 알고리즘인가? 본 논문에서는 픽셀 기반 방법 중 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)을 사용 하여 입술 영역의 특징을 추출 하였다. PCA는 다른 기법들에 비해 기저벡터를 계산하는데 있어 많은 계산량이 요구되지만 특징 정보의 차원 축소를 통해 정보를 압축해주는 알고리즘으로 가장 좋은 결과를 얻을 수 있다[11]. PCA는 부동 소수점 연산과 같은 많은 연산을 필요로 한다.
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참고문헌 (17)

  1. E. D. Petajan, "Automatic lipreading to enhance speech recognition," in Proc. of Global Telecommunications Conf., pp.265-272, Nov. 1984. 

  2. C. C. Chibelushi, F. Deravi, and J. S. D. Mason, "A review of speech based bimodal recognition," IEEE Trans. Multimedia, Vol.4, No.1, pp.23-37, Mar. 2002. 

  3. G. Potamianos, C. Neti, G. Gravier, A. Garg, A.W. Senior, "Recent advances in the automatic recognition of audiovisual speech," Proceedings of the IEEE, Vol.91, No.9, pp.1306-1326, Sept. 2003. 

  4. J. S. Lee and C. H. Park, "Robust Audio-Visual Speech Recognition Based on Late Integration," IEEE Trans. on Multimedia, Vol.10, No.5, pp.767-779, Aug. 2008. 

  5. T. Wark, S. Sridharan, V. Chandran, "An approach to statistical lip modelling for speaker identification via chromatic feature extraction," Proc. of Fourteenth International Conference on Pattern Recognition, pp.123-125, Aug. 1998. 

  6. P. Delmas, N. Eveno, M. Lievin, "Towards robust lip tracking," Proc. of 16th International Conference on Pattern Recognition, pp.528-531, Aug. 2002. 

  7. S. Dupont and J. Luettin, "Audio-visual speech modeling for continuous speech recognition," IEEE Trans. on Multimedia, Vol.2, No.3, pp.141-151, Sep. 2000. 

  8. C. Bregler and Y. Konig, "Eigenlips for robust speech recognition," in Proc. IEEE ICASSP, Vol.2, pp.669-672, 1994 

  9. P. Duchnowski, U. Meier, and A. Waibel, "See me, hear me: Integrating automatic speech recognition and lip-reading," in Proc. ICSLP, Vol.2, pp.547-550, 1994. 

  10. G. Potamianos, A. Verma, C. Neti, G. Iyengar, and S. Basu, "A cascade image transform for speaker independent automatic speechreading," in Proc. 1st IEEE Int. Conf. Multimedia and Expo., Vol.2, pp.1097-1100, 2000. 

  11. S. Lucey, "An Evaluation of Visual Speech Features for the Tasks of Speech and Speaker Recognition," Proc. Int. Conf. Audio-Video-base Biometric Person Authentication, Guildford, UK, pp.260-267, 2003. 

  12. Jinyoung Kim, Joohun Lee, Katsuhiko Shirai, "An Efficient Lip-Reading Method Robust to Illumination Variations," IEICE TRANSACTIONS on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol.E85-A, No.9, pp.2164-2168, September 2002. 

  13. Hynek Hermansky, Nelson Morgan, "RASTA processing of speech," IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, Vol.2, No4, October 1994. 

  14. 김영운, 강선경, 정성태, "모바일 장치에서의 립리딩을 위한 실 시간 입술 영역 검출," 한국컴퓨터정보학회, 제14권, 제4호, 2009년 4월 

  15. 한은정, 강병준, 박강령, "AAM 기반 얼굴 표정 인식을 위한 입술 특징점 검출 성능 향상 연구," 한국정보처리학회논문지B, 제16권, 제4호, pp.299-308, 2009년 8월. 

  16. 이종석, 박철훈, "컬러 입술영상과 주성분분석을 이용한 자동 독순," 한국정보처리학회논문지B, 제15권, 제3호, pp.229-236, 2008년 6월. 

  17. 소인미, 김명훈, 김영운, 이지근, 정성태, "조명 변화에 견고한 얼굴 특징 추출," 한국정보처리학회 학술대회논문집, pp.697-700, 2005년 11월. 

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