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스마트폰 내장 가속도 센서를 이용한 2단계 행위 인식 시스템의 설계 및 구현
Design and Implementation of a Two-Phase Activity Recognition System Using Smartphone's Accelerometers 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.3 no.2, 2014년, pp.87 - 92  

김종환 (경기대학교 컴퓨터과학과) ,  김인철 (경기대학교 컴퓨터과학과)

초록
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본 논문에서는 스마트폰 내장 가속도 센서를 이용한 2단계 행위 인식 시스템을 제안한다. 제안하는 행위 인식 시스템에서는 각 행위 별 가속도 데이터의 시간적 변화 패턴을 충분히 반영하기 위해, 1단계에서는 결정트리(DT) 학습을 수행하고, 2단계에서는 1단계 분류 결과들의 시퀀스를 이용하여 은닉 마코프 모델(HMM) 학습을 수행한다. 또한, 견고한 행위 인식기를 얻기 위해, 동일한 행위에 대해 서로 사용자와 서로 다른 스마트폰 위치와 방향으로부터 수집한 다양한 대용량 데이터를 이용하여 본 시스템을 훈련하였다. 6가지 실내 행위들에 대해 수집한 6720개의 가속도 센서 데이터를 이용한 실험을 통해, 본 시스템은 앞서 설명한 설계 방식을 기초로 높은 인식 성능을 보여주었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we present a two-phase activity recognition system using smartphone's accelerometers. To consider the unique temporal pattern of accelerometer data for each activity, our system executes the decision-tree(DT) learning in the first phase, and then, in the second phase, executes the hid...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 두 번째 실험은 결정트리만을 이용한 1단계 분류 방법과 HMM을 함께 적용한 2단계 분류 방법의 성능을 비교하기 위한 목적으로 수행하였다. Fig.
  • 그러나 시간 변화에 따라 여러 하위 동작들의 반복으로 이루어진 행위를 결정트리만으로 구분하는 데 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 시간에 따른 가속도 센서 데이터의 변화 패턴을 충분히 반영할 수 있는 시계열 학습 알고리즘인 HMM(Hidden Markov Model)을 이용한 2단계 행위 인식 시스템을 제안한다.
  • 또한 스마트폰의 위치나 방향이 일정하게 고정되어 있지 않아 가속도 센서 데이터를 토대로 서로 다른 행위들을 정확히 분류하는데 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 특정 사용자나 스마트폰의 특정 위치, 방향 변화에 견고한 행위 인식을 위하여, 동일한 행위에 대해 사용자와 스마트폰의 위치, 방향을 변경하면서 다양한 훈련 데이터를 수집한다. 스마트폰의 위치는 Fig.
  • 마지막 실험은 2단계 행위 인식 방법의 스마트폰 위치의 존성을 알아보기 위한 목적으로 수행하였다. 이 실험을 위해 위치별(Individual Locations) 분류 성능과 혼합 위치(Mixed Locations) 분류 성능을 비교하였다.
  • 번째 실험은 본 논문에서 제안하는 2단계 분류 방법의 사용자 의존성을 알아보기 위한 목적으로 수행하였다. 이실험을 위해 사용자별(Individual Users) 분류성능과 혼합 사용자(Mixed Users) 성능을 비교하였다.
  • 본 논문에서 제안하는 가속도 센서를 이용한 행위 인식 시스템의 성능을 분석하기 위한 실험을 수행하였다. 실험을 위한 데이터는 안드로이드 스마트폰을 이용하여 세 명의 실험자로부터 6가지 행위 각각에 대해 1120개씩 실험 데이터를 수집하여 총 6720개 데이터 집합을 구축하였다.
  • 본 논문에서 제안하는 행위 인식 시스템의 분류 성능을 분석하기 위해 사용자, 위치, 방향 등이 서로 다른 스마트폰으로부터 수집한 총 6720개의 가속도 센서 데이터들을 이용하여, 총 6가지 실내 행위들을 인식하기 위한 실험들을 수행하고 그 결과를 소개한다.
  • 본 논문에서는 스마트폰 3축 가속도 센서를 이용한 2단계 행위 인식 시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 결정트리 알고리즘을 이용하여 1단계 모델 학습 및 분류를 수행하고, 2단계 분류에서는 1단계 분류 결과들의 시퀀스를 이용하여 HMM모델 학습 및 분류를 수행하였다.
  • 본 논문에서는 스마트폰 3축 가속도 센서를 이용한 효과적인 사용자 행위 인식 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템에서는 행위별 가속도 센서 데이터의 변화 패턴을 충분히 반영하기 위해, 1단계 분류에서는 결정트리 모델 학습과 분류를 수행하고, 2단계 분류에서는 1단계 분류 결과들의 시퀀스를 이용하여 HMM(Hidden Markov Model) 모델 학습과 분류를 수행한다.
  • 본 논문에서는 스마트폰 내장 가속도 센서를 이용한 효과적인 사용자 행위 인식 시스템을 제안한다. 인식 대상 행위들은 Fig.
  • 실험은 크게 네 가지로 진행하였다. 첫 번째 실험은 본 논문에서 제안하는 2단계 분류 방법의 각 행위별 HMM모델의 최적의 상태 수를 찾는 목적으로 수행하였다. 이 실험을 위해 각 행위별로 상태 수가 다른 HMM 모델 학습을 하였고, 테스트 데이터에 평균 로그 우도를 비교하였다.

가설 설정

  • 스마트폰의 방향은 스마트폰을 손에 쥐고 있는 경우에는 {스마트폰 액정 보기/팔 흔들기} 등 2가지이며, 바지 주머니 속에 있는 경우에는 {액정이 안쪽방향/바깥쪽 방향, 위아래가 정방향/역방향} 등 4가지로 가정한다.
  • 따라서 본 논문에서는 특정 사용자나 스마트폰의 특정 위치, 방향 변화에 견고한 행위 인식을 위하여, 동일한 행위에 대해 사용자와 스마트폰의 위치, 방향을 변경하면서 다양한 훈련 데이터를 수집한다. 스마트폰의 위치는 Fig. 3과 같은 {손, 바지 앞주머니, 바지 뒷주머니} 등 3가지로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사용자 행위 인식에서 가속도 센서가 가지는 장점은 무엇인가? 스마트폰 보급률이 높아지고 모바일 센서 기술이 발전함에 따라 스마트폰을 이용한 사용자 행위 인식에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있다[1, 2, 3]. 특히 가속도 센서는 다른 센서에 비해 에너지 소모가 적고, 조명이나 소음과 같은 환경에 영향을 적게 받으므로 지속적으로 사용자의 움직임 을 감지할 수 있다. 가속도 센서를 이용한 사용자 행위 인식 기술은 다양한 분야에 활용될 수 있다.
스마트폰 가속도 센서를 이용하여 사용자의 행위를 인식할 경우 생기는 문제점은 무엇인가? 스마트폰 가속도 센서를 이용하여 사용자의 행위를 인식할 경우, 스마트폰의 위치와 방향에 따라 행위 인식의 결과가 달라질 수 있는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 많은 선행 연구들에서는 3축 가속도 센서 측정치의 크기(magnitude)만을 이용하는 방법[7], 3축 가속도 센서 측정치를 스마트폰의 방향과 관계없이 상, 하, 좌, 우 움직임에 대한 가속도 크기를 이용하는 방법[8] 등을 시도하였다.
가속도 센서를 이용한 사용자 행위 인식 기술의 활용 예는? 가속도 센서를 이용한 사용자 행위 인식 기술은 다양한 분야에 활용될 수 있다. 예를 들면 매일 사용자의 일상을 체크하여 건강한 생활패턴을 유지하는 데 도움을 줄 수 있으며[4, 5], 노약자의 경우 낙상과 같은 긴급 상황을 가족에게 알려 줄 수 있다[6].
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참고문헌 (9)

  1. N. Gyorbiro, A. Fabian, and G. Homanyi, "An Activity Recognition System for Mobile Phones", Mobile Networks and Applications, Vol.14, No.1, pp.82-91, 2008. 

  2. J. R. Kwapisz, G. M. Weiss and S. A. Moore, "Activity Recognition Using Cell Phone Accelerometers", ACM SIGKDD Explorations Newsletter, Vol.12, No.2, pp.74-82, 2010. 

  3. E. Miluzzo, N. Lane, K. Peterson, et al., "Sensing Meets Mobile Social Networks: The Design, Implementation and Evaluation of the CenceMe Application", Proc. of ACM Conf. on Embedded Networked Sensor Systems, pp.337-350, 2008. 

  4. J. Yang, "Toward Physical Activity Diary: Motion Recognition Using Simple Acceleration Features with Mobile Phones", Proc. of Int. Workshop on Interactive Multimedia for Consumer Electronics, 2009. 

  5. T. Scott, J. Lester, J. E. Froehlich, et al., "iLearn on the iPhone: Real-Time Human Activity Classification on Commodity Mobile Phones", CSE Technical Report, University of Washington, 2008. 

  6. B. Najafi, K. Aminian, A. Paraschiv, et al., "Ambulatory System for Human Motion Analysis Using a Kinematic Sensor: Monitoring of Daily Physical Activity in the Elderly", IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol.50, No.6, 2003. 

  7. L. Sun, D. Zhang, B. Lin, B. Guo and S. Li, "Activity Recognition on an Accelerometer Embedded Mobile Phone with Varying Positions and Orientations", Lecture Notes in Computer Science Vol.6406, pp.548-562, 2010. 

  8. H. Lu, J. Yang, Z. Liu, N. D. Lane, T. Choudhury and A. T. Campbell, "The Jigsaw Continuous Sensing Engine for Mobile Phone Applications", Proc. of SenSys-10, pp.71-84, 2010. 

  9. M. D. Tundo, E. Lemaire, N. Baddour, "Correcting Smartphone Orientation for Accelerometer-Based Analysis", IEEE Int. Symposium on Medical Measurements and Applications(MeMeA), 2013. 

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