[논문]시각 감성에 영향을 주는 동영상 화질변수에 관한 연구

우진철; 황민철; 박강령; 이의철; 김종화; 김치중; 김용우; 김지혜

시각 감성에 영향을 주는 동영상 화질변수에 관한 연구
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우진철 (상명대학교 일반대학원 컴퓨터과학과) , 황민철 (상명대학교 디지털미디어학부) , 박강령 (동국대학교 공과대학 전자공학과) , 이의철 (상명대학교 일반대학원 컴퓨터과학과) , 김종화 (상명대학교 일반대학원 컴퓨터과학과) , 김치중 (상명대학교 일반대학원 컴퓨터과학과) , 김용우 (상명대학교 일반대학원 컴퓨터과학과) , 김지혜 (상명대학교 일반대학원 컴퓨터과학과)

본 연구에서는 동영상 자극이 제시되었을 때 시각적으로 느껴지는 감성을 자율신경계 반응, 동공반응 그리고 주관 설문으로 평가하였다. 20~27세 사이의 대학생 남녀 20명이 실험에 참여 하였고 뉴스, 다큐멘터리1, 다큐멘터리2, 사랑, 스포츠 그리고 전쟁의 6가지 장르의 동영상에서 Gamma, Hue, Lightness 그리고 Saturation의 4가지 화질변수가 변경된 영상을 시각자극으로 제시하였다. 장르를 다르게 한 실험이 총 6회 진행되었으며 장르별로 기본영상 1개와 화질변수가 변경된 영상 16개가 무작위 순서로 제시되었다. 1회 실험이 진행되는 약 14분 동안 PPG, SKT 그리고 GSR 센서를 착용하여 생리 반응을 측정하였고 눈 영상을 기록하여 동공 반응을 측정하였다. 시각자극에 대한 주관적 평가를 위해 1~7점 척도의 불쾌도, 긴장도 그리고 피로도 항목의 설문을 실시하였다. 생리반응, 동공반응 그리고 주관설문 결과를 화질변수 별로 나누고 일원배치 분산분석을 실시하여 차이가 있는지를 확인하였다. 그 결과 시각 감성이 어떤 화질변수에 의해 유발되는지 확인할 수 있었다.

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문제 정의

그리고 동영상을 시각자극으로 제시한 연구들이 진행되었지만 특정 감성을 유발하기 위한 장르로 선별되었기 때문에 실질적인 산업에 적용하기에는 부족하다[4-6]. 따라서 본 연구에 서는 보편적인 장르별로 분류된 동영상에서 산업에 활용 가능한 정보를 얻기 위해 4가지 화질 변수를 변경하여 피실험자에게 제시함으로써 화질변수의 차이에 따른 감성을 객관적, 주관적으로 평가하는 연구를 진행하였다.

가설 설정

본 연구를 진행하기 앞서 동영상의 화질변수에 따라 생리신호와 동공반응에 차이가 있음을 가설로 설정하였다. 가설을 증명하기 위해 6 개의 장르로 분류되고 4 개의 화질변수가 5 단계의 레벨로 분류된 동영상 자극을 독립변수로 설정하였고 그에 따른 종속변수인 혈류량, 피부온도, 피부전기반응을 측정하였다.

제안 방법

분석은 그림 4와 같은 과정으로 진행되었다. 85분 동안 수집된 데이터에서 심장박동 빠르기 (PPG Frequency), 심장박동 세기(PPG Amplitude), 피부온도의 평균(SKT Mean) 그리고 피부전기반응의 합(GSR Sum)을 구한 후 생리반응의 변화율을 구하였다. 동공반응을 확인하기 위해 85분 동안 촬영된 동공영상에서 눈 깜박임 속도와 동공 확대 축소 속도를 추출한 후 0~1 사이로 노멀라이즈 하였다.
본 연구를 진행하기 앞서 동영상의 화질변수에 따라 생리신호와 동공반응에 차이가 있음을 가설로 설정하였다. 가설을 증명하기 위해 6 개의 장르로 분류되고 4 개의 화질변수가 5 단계의 레벨로 분류된 동영상 자극을 독립변수로 설정하였고 그에 따른 종속변수인 혈류량, 피부온도, 피부전기반응을 측정하였다. 실험에는 20~27 세(평균 24.
생리반응은 귓불에 착용하는 PPG(Photoplethysmograph) 센서를 통해 혈류량을 측정하고 왼손 엄지에 SKT(Skin Temperature) 센서를 통해 피부 온도를 측정하고 GSR(Garvanic skin response) 센서를 통해 피부 전기 반응을 측정하였다. 그리고 동공 측정 장비를 머리에 장착하여 동공영상을 획득하였다.
데이터 분석 시에 레퍼런스로 사용하기 위해 무자극 화면을 제시하고 생리신호를 10초 동안 측정하였다. 그리고 시각자극인 동영상을 30초 동안 제시한 후 5초간 주관 설문을 실시하고 자극에 반응하여 변화된 생리신호의 안정을 위해 5초간 회복 시간을 갖도록 하였다.
동영상 하나의 자극 제시 시간은 그림 3과 같다. 데이터 분석 시에 레퍼런스로 사용하기 위해 무자극 화면을 제시하고 생리신호를 10초 동안 측정하였다. 그리고 시각자극인 동영상을 30초 동안 제시한 후 5초간 주관 설문을 실시하고 자극에 반응하여 변화된 생리신호의 안정을 위해 5초간 회복 시간을 갖도록 하였다.
85분 동안 수집된 데이터에서 심장박동 빠르기 (PPG Frequency), 심장박동 세기(PPG Amplitude), 피부온도의 평균(SKT Mean) 그리고 피부전기반응의 합(GSR Sum)을 구한 후 생리반응의 변화율을 구하였다. 동공반응을 확인하기 위해 85분 동안 촬영된 동공영상에서 눈 깜박임 속도와 동공 확대 축소 속도를 추출한 후 0~1 사이로 노멀라이즈 하였다. 3개의 생리신호 변화 율와 2개의 동공반응 변화율 그리고 3개의 주관 설문 데이터를 화질변수로 분류하여 일원배치 분산분석 하여 통계적 차이를 확인하였다.
본 연구는 그림 1과 같은 프로세스로 진행되었다. 동영상을 제시하여 생리신호를 측정하고 주관 설문을 하는 실험을 진행하여 데이터를 수집한 후 화질변수에 따른 생리신호, 동공반응 그리고 주관 설문의 차이를 분석하였다.
분석에 사용하기 위해 수집된 데이터는 20명의 피실험자가 장르 당 1회씩 6회의 실험을 실시하였고 1회의 실험 당 17개의 동영상이 제시되었으므로 총 340개의 동영상이 제시되는 85분 동안 수집되었다.
생리반응은 귓불에 착용하는 PPG(Photoplethysmograph) 센서를 통해 혈류량을 측정하고 왼손 엄지에 SKT(Skin Temperature) 센서를 통해 피부 온도를 측정하고 GSR(Garvanic skin response) 센서를 통해 피부 전기 반응을 측정하였다. 그리고 동공 측정 장비를 머리에 장착하여 동공영상을 획득하였다.
다큐멘터리 장르를 두 개 제시한 이유는 대표적으로 생각될 수 있는 다큐멘터리 장르가 지상에서 이루 어지는 장르와 바다에서 이루어지는 장르로 구분되기 때문이다. 장르마다 1회 실험을 실시하였으므로 총 6회의 실험을 하였고 동영상 제시 자체에 대한 반응오류와 주관 설문에 익숙하지 못하여 발생될 수 있는 오류를 줄이기 위해 최초에 화질 변수가 변경되지 않는 오리지널 영상을 제시하였다. 오리지널 영상을 제외하고 4개의 화질변수가 상하로 2 수준씩 변경된 영상 16개와 오리지널 영상을 한 개 포함한 총 17개의 동영상이 무작위로 제시되었다.
제시된 시각 자극은 그림 2와 같은 다큐멘터리 1, 다큐멘터리2, 사랑, 뉴스, 스포츠 그리고 전쟁의 6개의 장르로 분류된 동영상을 제시하였다. 다큐멘터리 장르를 두 개 제시한 이유는 대표적으로 생각될 수 있는 다큐멘터리 장르가 지상에서 이루 어지는 장르와 바다에서 이루어지는 장르로 구분되기 때문이다.

대상 데이터

실험에는 20~27 세(평균 24.2 ± 2.7) 사이의 남자 11명, 20~26 세(평균 22.6 ± 2)의 여자 9명이 피실험자로 참여하였다.
장르마다 1회 실험을 실시하였으므로 총 6회의 실험을 하였고 동영상 제시 자체에 대한 반응오류와 주관 설문에 익숙하지 못하여 발생될 수 있는 오류를 줄이기 위해 최초에 화질 변수가 변경되지 않는 오리지널 영상을 제시하였다. 오리지널 영상을 제외하고 4개의 화질변수가 상하로 2 수준씩 변경된 영상 16개와 오리지널 영상을 한 개 포함한 총 17개의 동영상이 무작위로 제시되었다.

데이터처리

동공반응을 확인하기 위해 85분 동안 촬영된 동공영상에서 눈 깜박임 속도와 동공 확대 축소 속도를 추출한 후 0~1 사이로 노멀라이즈 하였다. 3개의 생리신호 변화 율와 2개의 동공반응 변화율 그리고 3개의 주관 설문 데이터를 화질변수로 분류하여 일원배치 분산분석 하여 통계적 차이를 확인하였다.

성능/효과

화질변수에 따른 차이를 분석한 결과는 다음과 같다. Saturation과 Gamma를 조절하였을 때 심장 빠르기와 심장박동 세기가 높게 변화하였고 Hue를 조절하였을 때 피부온도가 높아지는 것을 확인할 수 있었으나 통계적으로 유의한 차이는 확인할 수 없었다.

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