KR20030046787A - 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속으로 주기 운동하는 대상물의 영상을 디스플레이되는 화면을 통해 육안으로 관찰하기 위한 영상 검사기에 관한 것으로서,

단속적으로 발광하는 스트로보 광원을 연속적인 광원으로 대체시켜 보다 소형이며 저가의 장치를 제공하기 위해,

연속적인 광원을 제공하는 발광 수단과; 상기 발광 수단의 광원으로부터 얻어지는 빛에 의해 해당 제공되는 광학적 신호를 아날로그 영상신호로 취득하는 CCD 카메라와; 상기 CCD 카메라와 동기화되며 CCD 카메라로부터 전송되는 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변환하는 영상캡쳐보드, 및 상기 CCD 카메라의 셔터 타임 및 셈플링 속도를 조절하는 프로그램을 구비한 컴퓨터; 및 상기 컴퓨터에서 처리되어진 디지털 영상신호를 검사자가 인식할 수 있도록 화면으로 출력하는 모니터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프를 제공함으로써,

종래의 스트로보스코프에 비해 구성이 간단하며 부피 및 중량이 작게 되어 경제적으로 유리하며 의학적 또는 산업적으로 더 많은 분야에서 그리고 다수에 의해서 사용될 수 있다.

Description

연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프{DIGITAL STROBOSCOPE WITH CONTINUOUS LIGHT SOURCE}

본 발명은 단속적으로 발광하는 스트로보(strobo) 광원 대신에 연속적인 광원을 제공하여 고속으로 회전 및 진동 등의 주기 운동을 하는 물체의 영상을 디스플레이되는 화면을 통해 육안으로 관찰하기 위한 장치에 관한 것으로, 일예로, 생체내의 후두의 성문은 발성 시 초당 100~250 번 정도 열리고 닫힘에 따라 종래 기술에 따른 스트로보 광원을 사용하는 스트로보스코프(stroboscope)를 이용하지 않고서는 성문의 떨리는 양상을 눈으로 정확히 관찰할 수 없는데, 이와 같이 스트로보스코프가 필요한 분야에서 연속적인 광원을 제공하는 발광 수단을 사용함으로써, 단속적인 스트로보 광원을 사용하지 않고 성문운동 등을 관찰할 수 있는 디지털 스트로보스코프에 관한 것이다.

일반적으로 관찰 대상물이 고속으로 회전 또는 진동 등의 주기 운동을 하는 경우에는 육안으로 물체의 형태 및 운동을 인식할 수 없다. 이것은 눈의 잔상효과에 의해 움직임이 연속적으로 겹쳐서 보이기 때문이다. 정지영상이 연속적으로 투영되는 장치를 통해 스크린상에 나타나는 대상물이 움직이는 것처럼 보이는 것도 이러한 잔상효과에 의한 것이다.

그러나, 상기와 같은 잔상효과 때문에 대상물이 고속으로 주기 운동을 할 경우에는 육안으로는 물체를 선명하게 인식할 수 없다. 고속으로 회전운동하는 자동차의 바퀴나 선풍기의 날개를 볼 수 없는 것도 이러한 효과 때문이다.

종래 기술에 따른 스트로보스코프는 상기와 같은 고속으로 주기 운동을 하는 대상물에 단속적인 빛을 비추어 얻은 다수의 순차적인 정지영상을 연속적으로 영상화함으로써 대상물의 운동을 관찰할 수 있다.

이 때, 대상물의 실제 운동 속도와 연속적인 정지영상을 통한 대상물의 운동 속도와의 차이로 엘리어싱(aliasing) 현상이 발생한다. 형광등 밑에서 선풍기의 날개가 저속으로 정방향 또는 역방향으로 회전하는 것처럼 보이는 것도 엘리어싱 현상에 의한 것이다.

스트로보스코프에서 단속적으로 발광되는 빛의 주파수가 주기 운동을 하는 대상물의 주파수와 동기화될 경우, 영상을 통해 제공되는 대상물은 정지한 것처럼 관찰된다. 이 때, 단속적인 빛의 주파수 즉, 스트로보스코프의 주파수에 작은 변화를 주게되는 경우, 영상을 통해 물체가 저속으로 정방향 또는 역방향으로 주기 운동을 하는 것이 관찰된다.

이러한 원리를 가진 스트로보스코프는 모든 분야에서 사용될 수 있으며, 일예로 생체내의 후두의 성문을 관찰하는데 실제로 사용되고 있다. 이에 관련되는 종래 기술에 따른 스트로보스코프가 생체내의 후두의 성문을 관찰하기 위하여 이용되는 적용예를 이하에 기재한다.

일반적으로, 인체는 매우 감탄 할 만한 생체구조를 가지고 있는데 이러한 생체구조는 그 구성이나 조직이 매우 세밀하기 때문에 해당 조직의 이상이 발생되는 경우 이를 치유 혹은 치료하기 어렵고 또한 이러한 치료의 과정에서 해당 생체 조직의 손상정도나 혹은 기능상의 이상 점을 미리 예방하는 것이 더욱 중요하다 할 수 있다.

인체의 성대(vocal fold)는 언어를 통한 의사 전달을 위한 발성 기관으로서 발성시 내쉬는 호흡의 공기 흐름을 따라 후두의 성문은 초당 약 100에서 250회의 빠른 진동을 하게 된다. 목소리가 변하는 등의 질병 상태에서는 이러한 성문의 운동이 성대 전체 또는 일부에서 불규칙적이고 비대칭적이 되거나 전혀 진동하지 않게 된다.

부연 설명하면, 발성시에 기도로 흡입된 공기는 성문하구역(sub-glottalarea)에서 닫혀져 있는 성대에 의하여 압력으로 전환되고, 그 압력이 성대의 저항보다 커지게 되면 성대의 하연(inferior margin)에서 상연(superior margin)으로 향하는 점막파가 형성된다. 이 점막파의 속도나 강도 등의 특성이 성대를 통한 공기의 청각적 특성에 영향을 주어 목소리의 질을 결정한다.

즉, 성대는 수십∼수백Hz로 빠르게 대칭적으로 진동하면서 성문하 구역에 생성된 유체역학적 에너지, 즉 성문하압력(sub-glottal pressure)을 소리 에너지로 변환시켜주는 역할을 한다. 그러나, 성대 마비나 성대 결절 등이 있는 경우 점막파의 대칭성이 저하되고 이는 효과적인 에너지의 전환을 불가능하게 하여 음성의 이상을 초래한다.

따라서, 목소리의 이상을 진찰할 때 후두의 성문의 운동 상태를 파악하는 것은 반드시 필요하며, 이를 위하여 현재 쓰이고있는 방법들은 스트로보스코프를 이용하며, 이러한 스트로보스코프를 이용하여 초당 100에서 250회의 고속으로 주기 운동을 하는 후두의 성문의 운동을 저속으로 관찰할 수 있다.

스트로보스코프는 스트로보스코프의 주파수가 성문의 주기 운동의 주파수와 동기화 될 때 성문이 가장 적은 움직임을 보이는 원리를 이용한다. 부연 설명하면, 마이크로폰이나 일렉트로글로토그래피(electro-glottography) 등으로 성대의 진동 주기를 측정하고 이보다 약간 작은 주기를 갖는 반복적이고 단속적인 빛을 내는 스트로보스코프 광원을 성대에 비추어서 성대의 진동을 느린 주기로 관찰하게 해 주는 방법으로 다양한 주파수 대역에서의 진동 양상 변화나 성대 운동의 전체적인 비대칭성의 시각적 관찰을 가능하게 해준다.

이때, 스트로보스코프에서는 필수적으로 광원이 필요하게 되는데, 스트로보 광원은 고속으로 움직이는 물체에 연속적이 아닌 단속적으로 빛을 비춘다. CCD 카메라는 광원이 켜져있는 동안만 영상을 획득하여 모니터 상에 보여주며, 이 때 스트로보 광원이 단속되는 속도를 조절하면 저속도로 움직이는 물체의 영상을 얻을 수 있다.

그러나, 종래의 스트로보스코프는 단속적으로 발광하는 스트로보 광원을 만들어 내기 위한 광원 장치가 큰 부피 및 중량을 갖도록 구성되며, 많은 전력을 소모하고 장비의 가격이 고가라는 문제점이 제시되었다.

또한 종래의 스트로보스코프는 스트로보 광원이 카메라의 셈플링 속도와 동기화 되지 않을 때, 영상이 어두워져서 대상물을 선명하게 관찰할 수 없는 경우가 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고속으로 주기 운동을 하는 대상물의 영상을 육안으로 관찰하도록 단속적으로 발광하는 스트로보 광원 대신에 연속적으로 발광하는 광원을 사용함으로써, 보다 부피 및 중량이 작게 구성되어 소형 및 이동이 편리한 저가의 장치로 제공되며, 작동중 적은 전력을 소모함으로써 더욱 더 경제적인 장치를 제공하고, 대상물을 선명하게 관찰할 수 있는데 그 목적이 있다.

도 1은 실제적인 대상물의 주기 운동의 파형을 도시한 예

도 2는 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프를 통해 정지영상으로 취득되는 대상물의 주기 운동의 파형을 도시한 예

도 3은 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프의 구성 예시도

도 4는 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프의 동작 예시도

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은

대상물의 주기 운동을 관찰하기 위한 장치에 있어서;

연속적인 광원을 제공하는 발광 수단과;

상기 발광 수단의 광원으로부터 얻어지는 빛에 의해 해당 제공되는 광학적 신호를 아날로그 영상신호로 취득하는 CCD 카메라와;

상기 CCD 카메라와 동기화되며 CCD 카메라로부터 전송되는 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변환하는 영상캡쳐보드, 및 상기 CCD 카메라의 셔터 타임 및 셈플링 속도를 조절하는 프로그램을 구비한 컴퓨터; 및

상기 컴퓨터에서 처리되어진 디지털 영상신호를 검사자가 인식할 수 있도록 화면으로 출력하는 모니터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프를 제공한다.

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명에 따른 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프(digital stroboscope)는 종래의 스트로보스코프와 같이 인위적으로 엘리어싱 현상을 발생시켜 고속으로 주기 운동하는 대상물의 저속도 영상을 관찰한다.

앞서 설명한 것과 같이 고속으로 운동하는 대상물을 관찰하기 위해서는 순차적인 정지영상을 연속적으로 영상화해야 한다. 이러한 정지영상은 카메라의 셔터가 열려있는 시간(이하 셔터 타임)을 짧게 함으로서 얻을 수 있다.

디지털 스트로보스코프는 이러한 원리를 이용한 것으로서, 고속으로 주기 운동하는 대상물을 관찰하기 위해 연속적인 광원을 제공하는 발광 수단을 구비하고, 셔터 타임 및 영상화하는 속도(이하 셈플링 속도)가 조절 가능한 카메라를 구비하여, 상기 카메라의 셔터 타임을 적어도 주기 운동하는 대상물의 0.5 주기(cycle)에 해당하는 시간 이하(보다 바람직하게는 0.1 주기에 해당하는 시간 이하)로 설정하고, 셈플링 속도를 주기 운동하는 대상물의 주기와 동기화하도록 조절함으로써 연속적으로 정지된 영상을 얻을 수 있고, 이 상태에서 셈플링 속도를 작거나 크게 변화시킴으로써 정방향 또는 역방향으로 주기 운동하는 대상물의 저속도 영상을 획득할 수 있다. 이 때 PC에 장착된 영상캡쳐보드(frame grabber)는 카메라에서 동기화된 영상을 받아들이고, PC의 하드웨어에 내장된 프로그램은 상기 카메라의 셔터 타임 및 셈플링 속도를 조절하도록 설정된다. 상기 카메라로부터의 영상은 컴퓨터 내에서 디지털화하여 모니터 상으로 출력된다.

상기 발광 수단과 카메라는 일체형으로 제작되는 것이 구성적인 측면에서 바람직할 것이다.

첨부한 도 1은 실제 대상물의 주기 운동을 파형으로 표현한 것이며, 도 2는 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프에서 대상물을 CCD(Charged Coupled Device) 카메라로 촬영하여 컴퓨터의 트리거 신호에 따라 동기화 되어 짐에 따라 정지영상으로 표출되는 대상물의 주기 운동을 파형으로 예시한 것이다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이 실제 대상물의 주기 운동에 대한 삼각함수 신호가 100sin(16*π/512)로부터 셈플링된 2048개의 데이터이고, 첨부한 도 2에 도시되어 있는 내용은 실제의 대상물을 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프로 대상물의 주기 운동을 셈플링시켜 원래신호에서 62개 간격으로 추출된 33개의 데이터를 추출한 것이다.

따라서, 고속도로 반복되는 대상물의 주기 운동을 적당한 저속도로 셈플링함으로써 반복되고 있는 움직임의 한 주기 성분을 완전히 추출할 수 있는 것이다. 즉 도 1에 도시되어 있는 그래프의 데이터가 1초에 2048개의 속도로 셈플링하여 32주기 신호에 해당하는 파형을 얻는다면, 도 2에 도시되어 있는 그래프의 데이터는 1초에 33개의 셈플링하는 속도로도 1주기 신호에 해당하는 파형을 얻을 수 있다.

이 때 CCD 카메라의 셔터 타임은 작을수록 좋으며, 셔터 타임이 크면 하나의 영상은 정지영상이 아닌 연속된 영상으로 획득되며, 관찰자가 대상물의 주기 운동하는 상태를 선명하게 관찰할 수 없게 된다. 그러므로 1초에 32 주기(cycle)를 수행하는 대상물을 관찰하려면 CCD 카메라의 셔터 타임은 적어도 1/64 초 이하로 조절할 수 있어야 한다.

본 발명은 앞서 언급했듯이 의학, 공학 등 여러분야에서 사용될 수 있다. 이하에서 기재되는 내용은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 것으로, 후두의 성문운동을 관찰하도록 사용되는 디지털 스트로보스코프의 실시예를 첨부되는 도면과 함께 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프의 구성을 나타낸 것으로, 고속으로 주기 운동하는 후두의 성문의 영상을 처리하고, 컴퓨터를 이용하여 처리된 영상으로부터 원하는 정보를 얻기 위한 프로그램을 수행하여 그 결과를 출력하는 것으로, 관찰 대상인 후두의 성문운동을 관찰하기 위해 연속적인 광원을 제공하는 발광 수단이 구비되는 내시경(미도시)과; 상기 발광 수단의 광원으로부터 얻어지는 빛에 의해 해당 제공되는 광학적 신호를 아날로그 영상신호로 취득하는 CCD 카메라(200)와; 상기 CCD 카메라(200)와 동기화되며 CCD 카메라(200)로부터 전송되는 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변환하는 실제적인 데이터 처리 수행을 하는 영상캡쳐보드(410) 및 상기 영상캡쳐보드(410)를 통해 수집한 영상정보로부터 후두의 성문운동을 관찰할 수 있도록 CCD 카메라(200)의 셔터 타임 및 셈플링 속도를 조절하는 프로그램(420)을 구비한 컴퓨터(400); 및 상기 컴퓨터(400)에서 처리되어진 디지털 영상신호를 검사자가 인식할 수 있도록 화면으로 출력하는 모니터(300)로 구성된다.

이 때, 상기 컴퓨터(400)에서는 상기 프로그램(420)의 제어에 따라 입력되는 영상은 정지영상 및 저속으로 운동하는 영상으로 모니터(300)상에 출력되며, CCD 카메라(200)는 컴퓨터(400)의 프로그램에 의해서 조정된 셔터 시간 및 셈플링 속도에 따라서 성문운동을 영상화하여 영상처리보드(410)에 전송한다.

상기와 같이 영상처리보드(410)는 CCD 카메라(200)와 동기화되며 전송되는 아날로그 영상을 디지털화하는데, 이러한 경우 상기 내시경과 CCD 카메라는 일체형인 것이 바람직하다

상기 컴퓨터(400)에서 동작하는 프로그램(420)은 또한 디지털화된 영상을 모니터(300)에 도시하고 반복 재생을 위해 파일로 저장할 수 있게 설정될 수 있는 것은 당연하며, 상기 저장된 대상물의 영상을 필요한 경우마다 재생하여 관찰할 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프가 연속적인 광원을 사용하면서도 종래의 스트로보스코프와 같은 기능을 가지며, 종래 스트로보스코프의 작동중 스트로보 광원이 카메라의 셈플링 속도와 동기화 되지 않는 경우 영상이 어두워져서 대상물을 선명하게 관찰할 수 없는 경우가 발생되나, 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프는 연속적인 광원을 사용함으로써 이러한 현상이 발생되지 않으므로 항상 대상물을 선명하게 관찰할 수 있게 되어 성능적인 측면에서 보다 유리하다.

또한, 상기 CCD 카메라(200)는 광원의 밝기에 따라 셔터 타임을 조절할 수 있으며 컴퓨터(400)의 트리거 신호에 따라 동기화 된 영상을 영상화하여 전송한다. 상기 캡쳐보드(410)는 CCD 카메라(200)에서 전송되는 영상신호를 디지털화하여 모니터(300)에 출력하며, 컴퓨터(400)의 저장장치에 저장할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 저장된 영상은 차후에 반복 재생을 위하여 다시 불러 들여질 수 있다.

이 시스템의 동작 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다.

내시경을 통한 CCD 카메라(200)의 영상이 영상캡쳐보드(410)를 통하여 모니터(300)의 화면에 후두 영상이 나타난다. 이 때 프로그램(420)에 의해서 카메라(200)의 셈플링 속도를 조절하면 고속으로 운동하여 오직 육안으로만 관찰할 수 없는 후두 성문의 운동을 저속으로 운동하는 영상으로 또는 정지된 영상처럼 보이게 할 수 있다. 즉 후두가 정확히 닫히고 열리는지를 관찰할 수 있다. 구성품의 CCD 카메라(200)는 셔터타임 및 셈플링(찍는)속도를 조절할 수 있어야 하며 영상캡쳐보드(410)는 카메라(200)와 동기화 되어 영상을 획득할 수 있어야 한다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프의 동작을 예시적으로 나타낸 순서도로서, CCD 카메라(200)가 촬영한 영상을 컴퓨터(400)가 분석할 수 있는 디지털 신호로 변환하여 수집하는 영상 수집과정과; 상기 디지털 신호로 변환된 영상데이터를 저장하는 데이터 저장과정과; 영상데이터를 시각화하여 모니터의 화면에 출력하는 성문운동 출력과정; 및 상기 출력된 성문운동으로부터 선명한 성문운동을 관찰하기 위해 CCD 카메라의 셔터 타임 또는 셈플링 속도를 조절하는 과정을 포함하여 이루어진다.

이를 좀더 상세하게 설명한다.

먼저 분석에 필요한 영상의 수집은 CCD 카메라(200)를 이용하여 내시경에서 제공되는 광원을 기준으로 영상 신호로 전환시킨 다음에 수집한다.

상기와 같은 CCD 카메라(200)에서 얻어진 영상의 전체 필드는 영상캡쳐보드(410)에 의해 A/D 변환되어 컴퓨터(400)의 내부 버스를 통해 주메모리(main memory)에 저장된다.

일단 메모리로 영상 데이터가 전송되면 프로그램(420)에 의해 획득된 영상데이터를 시각화시켜 모니터의 화면으로 출력한다.

상기 CCD 카메라(200)를 이용한 영상의 수집 동작에서 통상 후두의 성문은 발성 시 초당 100~250 번 정도 열리고 닫힘에 따라 상기 CCD 카메라(200)의 셔터타임은 후두의 성문운동 분석시 적어도 0.5 주기 이하(보다 바람직하게는 0.1 주기이하)에 해당하는 시간 간격을 갖도록 조절되며, 화면으로 출력되는 성문운동을 정확하게 관찰할 수 있도록 셈플링 속도를 조절한다.

이후, 성문운동을 정확하게 관찰할 때까지, 상기 CCD 카메라(200)는 컴퓨터(400)의 프로그램에 의해서 조정된 셔터 시간 및 셈플링 속도에 따라서 성문운동을 영상화하여 영상캡쳐보드(410)에 전송함으로써 순차적인 정지영상이 모니터의 화면에 연속적으로 출력되는 과정이 반복된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 디지털 스트로보스코프는 보다 부피 및 중량이 작게 구성되어 소형 및 이동이 편리한 저가의 장치를 제공하고, 작동중 적은 전력을 소모함으로써 더욱 더 경제적인 장치를 제공하며, 연속적인 광원을 사용함으로써 대상물을 선명하게 관찰할 수 있으므로 보다 성능이 향상된 장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 대상물의 주기 운동을 관찰하기 위한 장치에 있어서;

   연속적인 광원을 제공하는 발광 수단과;

   상기 발광 수단의 광원으로부터 얻어지는 빛에 의해 해당 제공되는 광학적 신호를 아날로그 영상신호로 취득하는 CCD 카메라와;

   상기 CCD 카메라와 동기화되며 CCD 카메라로부터 전송되는 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변환하는 영상캡쳐보드, 및 상기 CCD 카메라의 셔터 타임 및 셈플링 속도를 조절하는 프로그램을 구비한 컴퓨터; 및

   상기 컴퓨터에서 처리되어진 디지털 영상신호를 검사자가 인식할 수 있도록 화면으로 출력하는 모니터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 발광 수단 및 CCD 카메라는 일체형인 것을 특징으로 하는 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 CCD 카메라와 일체형으로 제작되는 내시경을 구비하여 생체내의 후두의 성문을 관찰하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 연속적인 광원을 사용하는 디지털 스트로보스코프.