[논문]안구 운동량 검출을 이용한 스테레오 영상의 시각적 피로도 측정

최성환; 김동현; 최재섭; 손광훈

문제 정의

본 논문에서는 안구 운동량 검출을 통한 스테레오 영상에서의 시각적 피로 측정 시스템을 제안하였다. 적외선 카메라를 이용한 동공 검출과시선 추적 알고리즘을 제안하였고 동공의 위치로부터 안구의 단속성 운동량을 측정하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 적외선 카메라를 이용한 시선 추적 알고리즘으로부터 안구 운동량을 검출하는 스테레오 영상의 시각적 피로도 측정 방법을 제안한다. 기존의 연구에서 시청자가 스테레오 영상을 지속적으로 시청하였을 때 집중력을 잃어버리는 경향을 확인하였다.

가설 설정

기존의 연구에서 시청자가 스테레오 영상을 지속적으로 시청하였을 때 집중력을 잃어버리는 경향을 확인하였다. 이를 바탕으로 안구의 단속성 운동(saccade)이 과도한 시차를 가져 합성하는데 불편한 스테레오 영상에서 그렇지 않은 영상에 비해 감소할 것이라고 가정한다. 위의 가정을 바탕으로 시선 추적 알고리즘을 통해 안구의 단속성 운동량과 3차원 자극 정도와의 상관관계를 실험을 통해 분석한다.

제안 방법

3차원 자극강도와 안구의 단속성 운동과의 관계를 분석하기 위해, 변이 정도가 크지 않아 편안하게 시청 가능한 스테레오 영상을 “보통의 자극”으로 분류하였고 과도한 변이를 가져 시청하는데 불편하고 피로한 영상을 “과도한 자극”으로 나누었다.
안구는 초당 30 프레임으로 촬영되며 두 개의 적외선 광원은 눈 쪽을 조명하도록 설치하였다. 또한, 정확한 시선의 위치를 추적하기 위해 실험자는 턱 받침대에 얼굴을 고정한 상태로 실험을 하였다. 실험에는 입체시를 가지는 보통의 남성 2명이 참여하였고 20초짜리 스테레오 영상 50개가 실험에 쓰였다.
초기 임계치를 중심으로 동공이 가장 잘 보이는 후보 임계치 범위를 설정하여 동공 검출의 신뢰도를 높인다. 또한, 타원 피팅이 동공 이외의 영역에 잡히는 것을 방지하기 위해 타원의 이심률 제한과 중심 위치 제한을 두어 동공이 정확하게 검출되도록 한다.
본 논문에서 제안한 시각적 피로도 검출 시스템은 적외선 광원과 적외선 카메라로 구성된다. 시청자가 액티브 셔터글라스 방식의 3D안경을 착용하였을 때, 가시광선이 렌즈의 표면으로부터 반사되어 깨끗한 동공 영상을 획득하기 어렵기 때문에 이를 해결하기 위해서 적외선 광원과 가시광선 필터 기능이 있는 적외선 카메라를 이용한다.
본 실험에서는 동공의 가속도 운동 중 단속성 운동만을 판별하기 위해촬영 영상에서 안구 운동의 종류를 분류하고 그에 상응하는 가속도를비교 및 분석하여 단속성 운동에 해당되는 가속도 데이터를 얻었고 그값들의 평균을 구하여 임계치로 설정하였다.
본 논문에서 제안한 시각적 피로도 검출 시스템은 적외선 광원과 적외선 카메라로 구성된다. 시청자가 액티브 셔터글라스 방식의 3D안경을 착용하였을 때, 가시광선이 렌즈의 표면으로부터 반사되어 깨끗한 동공 영상을 획득하기 어렵기 때문에 이를 해결하기 위해서 적외선 광원과 가시광선 필터 기능이 있는 적외선 카메라를 이용한다.
영상 고유의 특성이 실험자에게 미치는 부가적인 요인을 배제하고자 두 영상세트는 모두 동일한 콘텐츠로 구성하였고 “과도한 자극”에만 영상에 인위적으로 큰 시차를 주어 입체감을 높였다.
이를 바탕으로 안구의 단속성 운동(saccade)이 과도한 시차를 가져 합성하는데 불편한 스테레오 영상에서 그렇지 않은 영상에 비해 감소할 것이라고 가정한다. 위의 가정을 바탕으로 시선 추적 알고리즘을 통해 안구의 단속성 운동량과 3차원 자극 정도와의 상관관계를 실험을 통해 분석한다.
사전에 개인별로 캘리브레이션을 수행하여 동공 검출을 위한 최적의 임계치와 안구의 중심 좌표를 구한다. 이렇게 구해진 임계치를 초기 값으로 하여 이진임계화를 안구 영상에 적용하며, 발생하는 잡음에 대해서는 몰폴로지 Closing 연산을 수행하여 제거한다. 초기 임계치를 중심으로 동공이 가장 잘 보이는 후보 임계치 범위를 설정하여 동공 검출의 신뢰도를 높인다.
안구의 단속성 운동은 동공의 가속도 운동 여부와 이동 경로로부터 검출할 수 있다. 이를 위해 우선 적외선 카메라로부터 획득한 동공의 영상 좌표계를 동공의 중심을 원점으로 하는 동공 좌표계로 변환한다. 동공의 움직임에 대한 가속도는 동공의 이동한 거리와 이를 2차 미분함으로써 구할 수 있다.
인체의 안구 운동에는 여러 종류가 있으며, 본 논문에서는 이중에 단속성 운동(Saccade)과 시추적 안구 운동(Smooth pursuit eye movement)으로부터 피로도를 검출한다. 안구의 단속성 운동은 동공의 가속도 운동 여부와 이동 경로로부터 검출할 수 있다.
본 논문에서는 안구 운동량 검출을 통한 스테레오 영상에서의 시각적 피로 측정 시스템을 제안하였다. 적외선 카메라를 이용한 동공 검출과시선 추적 알고리즘을 제안하였고 동공의 위치로부터 안구의 단속성 운동량을 측정하는 방법을 제안하였다. 제안한 시스템은 안구의 적외선 영상을 이용하여 단속성 운동량과 가속도를 구하며 또한 단속성 운동과 시추적 운동의 비율을 구한다.
적외선 카메라를 이용한 동공 검출과시선 추적 알고리즘을 제안하였고 동공의 위치로부터 안구의 단속성 운동량을 측정하는 방법을 제안하였다. 제안한 시스템은 안구의 적외선 영상을 이용하여 단속성 운동량과 가속도를 구하며 또한 단속성 운동과 시추적 운동의 비율을 구한다. 실험에서 두 실험자 모두 과도한 3D 자극의 스테레오 영상에서 그렇지 않은 영상에 비해 단속성 운동량이 감소하는 경향을 보여주었다.

대상 데이터

실험에는 액티브 셔터글라스 방식의 삼성 55인치 3DTV가 이용되었고 2개의 적외선 광원과 가시광선 필터가 장착된 Sony 적외선 카메라가 안구 영상 촬영에 사용되었다. 안구는 초당 30 프레임으로 촬영되며 두 개의 적외선 광원은 눈 쪽을 조명하도록 설치하였다.
또한, 정확한 시선의 위치를 추적하기 위해 실험자는 턱 받침대에 얼굴을 고정한 상태로 실험을 하였다. 실험에는 입체시를 가지는 보통의 남성 2명이 참여하였고 20초짜리 스테레오 영상 50개가 실험에 쓰였다. 3차원 자극강도와 안구의 단속성 운동과의 관계를 분석하기 위해, 변이 정도가 크지 않아 편안하게 시청 가능한 스테레오 영상을 “보통의 자극”으로 분류하였고 과도한 변이를 가져 시청하는데 불편하고 피로한 영상을 “과도한 자극”으로 나누었다.

성능/효과

안구의 운동에서 단속성 운동을 제외한 나머지 운동을 시추적 운동으로 분류하였다. 두 실험자 모두 보통의 자극 강도를 가지는 25개의 스테레오 실험 영상에서 안구의 전체움직임 내에 단속성 운동은 약 19% 정도를 차지하였다. 이와는 반대로 과도한 자극 강도를 가지는 25개의 스테레오 실험 영상에서는 실험자1은 약 15%를, 실험자 2는 약 12%의 단속성 운동 비율이 나타났다.
본 실험의 결과로 비추어 볼 때, 안구의 운동 중 단속성 운동은 스테레오 영상의 자극 강도와 시간에 따라 그 운동량이 영향 받음을 알 수 있다. 따라서 시각적 피로도를 측정하는 요소로서 안구의 단속성 운동이 이용될 수 있겠다.
제안한 시스템은 안구의 적외선 영상을 이용하여 단속성 운동량과 가속도를 구하며 또한 단속성 운동과 시추적 운동의 비율을 구한다. 실험에서 두 실험자 모두 과도한 3D 자극의 스테레오 영상에서 그렇지 않은 영상에 비해 단속성 운동량이 감소하는 경향을 보여주었다. 이로부터 안구의 단속성 운동량이 3차원 스테레오 영상의 시각적 피로도를 측정하는 요소가 될 수 있음을 확인하였다.
그림 5의 (a)와 (b)는 각각 실험자1과 2의 실험 영상별 총 단속성 운동량(S_total)을 설명하고 있으며 두실험자 모두 “과도한 자극” 영상에서 “보통의 자극” 영상보다 안구의단속성 운동량이 감소하는 경향이 나타났다. 이것으로부터 안구의 단속성 운동이 과도한 자극에서 그렇지 않은 보통의 자극보다 감소한다는 것을 확인하였다.
실험에서 두 실험자 모두 과도한 3D 자극의 스테레오 영상에서 그렇지 않은 영상에 비해 단속성 운동량이 감소하는 경향을 보여주었다. 이로부터 안구의 단속성 운동량이 3차원 스테레오 영상의 시각적 피로도를 측정하는 요소가 될 수 있음을 확인하였다. 피로도 측정을 위해 fMRI와 EOG와 같은 고가의 생체신호 측정 방법을 이용하지 않고도 본 논문에서 제안한 적외선 카메라를 이용한 안구 운동의 모니터링만으로 비교적 간단하고 낮은 비용으로 피로도를 측정할 수 있음을 보여주었다.
이로부터 안구의 단속성 운동량이 3차원 스테레오 영상의 시각적 피로도를 측정하는 요소가 될 수 있음을 확인하였다. 피로도 측정을 위해 fMRI와 EOG와 같은 고가의 생체신호 측정 방법을 이용하지 않고도 본 논문에서 제안한 적외선 카메라를 이용한 안구 운동의 모니터링만으로 비교적 간단하고 낮은 비용으로 피로도를 측정할 수 있음을 보여주었다. 하지만 잘못된 동공 위치검출이 실험 결과에 크게 영향을 미치는 점은 앞으로 보완해야할 사항이다.

후속연구

향후에는 시청자가 보는 화면 위치를 시선 추적을 통해 검출하여 시각적 피로도가 스테레오 영상의 어떠한 특성과 상관되는지 연구를 확장할 계획이다.

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