무선 네트워크 환경에서 Wi-Fi CCTV 영상서비스 품질 측정 607 무선 네트워크 환경에서 Wi-Fi CCTV 영상서비스 품질 측정 (Measurement of Wi-Fi CCTV Video Service Quality in Wireless Network) 김광현 박승섭 (KwangHyun Kim) (Seung Seob Park) 요 약 디지털 Wi-Fi CCTV 시스템은 교통제어 감시 수단은 물론 이거니와 각종 사건과 사고에 대한 사전 예방 이나 사후 조치 수단으로 많은 분야에서 사용되고 있으며, 다양해지고 복잡한 현대 사회에 있어서 그 필요성이 더욱 크게 대두되어 가고 있다. 기존의 무선 영상 시스템은 화질이 불투명하고 불확실하 는 등의 여러 가지 문제점을 지니고 있으며 검색과정에 있 어서도 신속하지 못하는 등의 적인 한계가 있다. 본 논문에서는 무선 네트워크에서 Wi-Fi CCTV의 영상 서비스의 최적화된 품질 측정을 위해서 RIP와 OSPF 라우 팅 프로토콜을 이용한 실험 네트워크를 구성하여, 객관적인 화질평가방법인 PSNR을 이용하여 결과 값을 측정하고 분 석하였다. 그리고 RIP과 OSPF 라우팅 프로토콜들이 무선 LAN 환경에서 Wi-Fi CCTV 의 실시간 영상 서비스 품질 에 어떤 영향을 미치는지에 대한 상관관계를 나타내었다. 키워드 : 무선 네트워크, CCTV, PSNR, 라우팅 프로토콜 Abstract Digital Wi-Fi CCTV system is a lot of using traffic control, preventing accident and taking follow-up measure. Development of Wireless LAN and 이 논문은 2011 유비쿼터스 컴퓨팅과 웹정보 학술심포지움에서 Wireless LAN 환경에서 경로배정프로토콜에 따른 wi-fi CCTV 영상 서비스품질 에 관한 연구 의 제목으로 발표된 논문을 확장한 것임 비 회 원 : 경남정보대학 컴퓨터정보계열 교수 kkh@kit.ac.kr 종신회원 : 부경대학교 컴퓨터공학과 교수 parkss@pknu.ac.kr (Corresponding author임) 논문접수 : 2012년 1월 25일 심사완료 : 2012년 4월 12일 CopyrightC2012 한국정보과학회ː개인 목적이나 교육 목적인 경우, 이 저작 물의 전체 또는 일부에 대한 복사본 혹은 디지털 사본의 제작을 허가합니다. 이 때, 사본은 상업적 수단으로 사용할 수 없으며 첫 페이지에 본 문구와 출처 를 반드시 명시해야 합니다. 이 외의 목적으로 복제, 배포, 출판, 전송 등 모든 유형의 사용행위를 하는 경우에 대하여는 사전에 허가를 얻고 비용을 지불해야 합니다. 정보과학회논문지: 컴퓨팅의 실제 및 레터 제18권 제8호(2012.8) IP network technology creates new service which applying to fusion technologies such as CCTV, IPTV, and so on. Also, The development of Wireless LAN is very important in Wi-Fi CCTV network field which requires the best quality of service on the security, QoS and bandwidth. In this paper, we introduce various wireless LAN and Wi-Fi CCTV network technology. And then, we construct various experimental network for performance measurement of Wi-Fi CCTV video quality. On constructed experimental network, we measure PSNR which computes the peak signal-to-reconstructed video measurement in experimental network environment, analyze PSNR value. And as a result of measurement, we propose optimum network environment for Wi-Fi CCTV service provider. Key words : Wireless Network, CCTV, PSNR, Routing Protocol 1. 서 론 최근 방화나 절도, 폭행 등 강력범죄 발생에 따른 개 인 및 공공 안전에 대한 관심이 증가하면서 대비책 마련 의 일환으로 사회 전반적으로 영상보안 시스템의 도입이 확대되고 있다. CCTV(Closed Circuit Television)는 대 표적인 영상보안 시스템으로서 공공장소나 우범지역, 출 입금지구역과 같이 보안이 요구되는 장소에 영상 카메라 를 설치하고 화면영상을 모니터로 전송하여 사람이 직접 모니터링 하거나 VCR(Video Cassette Recorder)이나 DVR(Digital Video Recorder)과 같은 영상저장 장치에 녹화하여 사후 분석, 대응하는 방식으로 감시를 수행한 다. 영상보안 시스템은 사람에 의한 직접감시 및 분석의 한계, 사후처리가 아닌 실시간 감시 시스템에 대한 요구 증대, IT 의 급속한 발전에 따라 보다 지능화된 기 술로의 진화를 요구받고 있다. 이러한 CCTV 시스템은 통신과 방송은 물론이고 무궁한 콘텐츠 시장 창출 등으 로 많은 기대를 모으고 있다. 이러한 발전을 따라가다 보 면 이동성과 편리성을 더한 Wi-Fi CCTV 역시 발전할 것이 분명하다. 향후 Wi-Fi CCTV는 인터넷의 연결성 과 양방향 서비스를 활용할 수 있는 CCTV의 특징과 이 동성을 통한 사용자의 만족감을 충족시킬 수 있는 로서, 머지않은 미래에 수요가 많이 증가할 것으로 예상 된다. Wi-Fi CCTV는 모바일인 만큼 이동성이 가장 큰 특징이고, 시간을 제약받지 않고 화면을 볼 수 있는, 즉, 공간적 제약을 극복할 수 있다는 장점이 있다. SMART 단말기로 Wi-Fi CCTV를 이용하면 외부에서도 무선 LAN을 이용해서 콘텐츠를 주고받을 수 있는 서비스도 제공 할 수 있을 것이다. 이러한 의 변화는 향후 무 선 LAN의 이용이 단순 사무용이 아닌 모바일 CCTV를 포함한 초고속통신을 위한 하나의 매개체이며, 무선
608 정보과학회논문지 : 컴퓨팅의 실제 및 레터 제 18 권 제 8 호(2012.8) LAN이 가진 경제적인 측면과 이용의 편리성의 증대가 향후 더 큰 시장을 가져 올 것으로 기대된다[3]. 사용자 관점에서 무선 LAN 환경에서 보다 나은 CCTV의 실시간 영상 서비스 품질을 위한 최적의 솔루 선을 찾고자 한다. 이에 본 논문에서는 무선 LAN 망에 서 이동성의 특징이 추가된 Wi-Fi CCTV의 영상 화질 성능을 라우팅 프로토콜에 구성에 따라 변화하는 측정 값을 수학적 왜곡 계산 방법인 PSNR(Peak Signal-to- Noise Ratio)을 이용하여 측정하였다. 실험대상 구성도 에 사용된 경로 배정 프로토콜은 가장 일반적인 동적 라우팅 프로토콜인 RIP과 OSPF이며, 라우팅 프로토콜 에 따라 IPv4와 IPv6 네트워크에서 실제 무선 LAN 가 입자 환경과 유사하게 하기 위해 전체 대역폭 100Mbps 에서 트래픽 발생률에 따라 실시간 Wi-Fi CCTV 화질 의 PSNR 값을 측정하고 분석하여 무선 LAN 대역폭에 맞는 최적의 라우팅 프로토콜을 알아보고자 하였다[1]. 본 논문의 구성은 2장에서는 관련연구에 대한 내용으로 무선 LAN, Wi-Fi CCTV와 화질 평가방법인 PSNR에 대해 설명하고, 3장은 네트워크 환경을 구성하여 패킷 발생률에 따른 PSNR 값을 측정하여 성능을 분석하고 평가하였다. 마지막 4장에서는 결론과 향후과제에 대해 서술하였다. 2. 관련 연구 2.1 무선 LAN 무선 LAN은 기존의 유선이 아닌 무선 매체를 데이 터 전달의 매개체로 이용하여 기존의 LAN이 제공하는 서비스를 제공할 수 있는 이다. 오늘날 많은 일반기 업의 개인용 컴퓨터는 Local Area Network(LAN)로 연결되어 있다. 각각의 개인용 컴퓨터 사용자는 LAN을 통하여 자유 로이 인터넷에 접속할 수 있으며 또한, 컴퓨터 상호간의 자료 교환을 할 수 있다. 하지만 기존의 유선 LAN 사 용자는 한정된 공간의 제약과 높은 설치비용이 요구되 는 케이블링을 통해서만 LAN이 주는 다양한 기능을 누 릴 수 있었다[1]. 근래에는 이동 작업환경에서 실시간으로 직접 네트워 크에 연결하여 컴퓨터를 사용하는 사용자가 많아졌다. 만약 이동 작업환경에서의 사용자가 중앙 데이터베이스 의 정보가 요구될 때나 인터넷 접속이 필요할 경우, 유 선 LAN환경에서는 반드시 유선 네트워크에 연결된 Docking Station을 이용해야 한다. 하지만, 아래의 그림 1과 같이 무선 LAN에서는 이동 Station에서도 직접 네트워크상의 서버나 다른 AP (Access Point)에 접속하여 사용이 가능하며 실제로 대 학이나 창고, 항만, 공장, 유통업 등 많은 곳에서 이미 다양한 무선 LAN Solution을 사용하고 있다. 2.2 Wi-Fi CCTV와 화질평가방법 영상보안 시스템은 사람이나 사물을 영상 감시하는 시스템으로 최근 IT 의 발전에 힘입어 급속히 지능 화되어 가고 있다. 지능형 영상보안 시스템의 기본 목적 은 일련의 하드웨어 및 소프트웨어로 구성된 시스템에 서 자동화된 감시 기능을 제공함으로써 기존 영상보안 시스템의 비효율적인 처리 과정을 개선하는데 있다. 영 상보안 시스템은 영상 촬영을 위한 카메라, 영상을 모니 터링 할 수 있는 디스플레이 장치, 카메라와 디스플레이 장치를 연결하는 전송망, 영상을 저장하는 저장매체로 구성된다. CCTV 시스템은 감시가 요구되는 분산된 장 소에 감시 카메라를 설치하여 영상을 획득하고 폐쇄적 인 유선망을 통해 전송함으로써 관리자가 모니터를 통 해 원격지에서 감시를 수행하는 대표적인 영상보안시스 템이다. CCTV 시스템은 VCR 등의 저장매체와 조합하 여 사후 분석 기능을 제공하며 실제 현장에서 신뢰성 있는 영상감시를 가능케 하고 있다[4]. 그림 1 무선 LAN 구성도
무선 네트워크 환경에서 Wi-Fi CCTV 영상서비스 품질 측정 609 그림 2 Wi-Fi CCTV 구성도 영상보안 시스템은 사용의 용이성 및 보안체계의 강 화 측면에서 많은 적 발전이 이루어지고 있다. 특히 악천후나 어둠 속에서도 고화질, 고해상도로 피사체를 뚜렷이 촬영할 수 있는 감시 카메라, 디지털의 대 용량 저장 공간을 제공하는 DVR, 효율적으로 영 상을 저장하기 위한 영상압축, 유선 전송로가 아닌 wireless 네트워크를 통해 영상을 전송하는 영상전송 등은 현재 거의 정점에 이르렀다고 평가된다[3,6]. 최근의 연구는 영상을 분석하고 특정 상황을 판단한 후 적절히 대응할 수 있는 지능형 영상보안 시스템에 집중되고 있다. 지능형 영상보안 시스템이란자동 영상분 석 및 해석 을 기반으로 이동물체 검출, 분류, 추적 및 행위인식 등의 기능을 포함하는 새로운 형태의 영상 보안 시스템을 의미한다. 지능형 영상보안 시스템은 원 거리 얼굴인식이나 홍채인식, 걸음걸이 인식 등의 새로 운 영상인식 과 유비쿼터스화에 따른 Wi-Fi 스마 표 1 CCTV 비교 종류 기존 현재 감시카메라 영상 저장 영상 압축 영상 전송 흑백 CCD 소자를 이용한 메가 혹은 기가 픽셀급의 아날로그 CCTV 고해상도 디지털 카메라 아날로그 기반의 VCR(영상저장 및 재생 기능) 낮은 압축률의 MPEG-4 동축케이블을 이용한 유선 전송망 디지털 기반의 DVR (영상저장, 검색, 재생기능) 높은 압축 성능과 유연성을 갖는 H.264 IP 기반의 wireless 네트워크망 트 카메라, 임베디드 시스템, 통신 및 센서 모듈을 내장 하는 새로운 형태의 로 계속하여 발전을 거듭하고 있다. 특히 PTZ(Pan, Tilt, and Zoom) 제어 장치를 탑 재한 PTZ 네트워크 카메라는 외부에서 PTZ 제어기를 통하여 원격으로 사람이 영상 확대, 물체 또는 영역 추 적 등의 기능을 수행할 수 있어서 관련된 응용 연구가 활발히 이루어지고 있다[5]. 2.3 PSNR 화질평가방법 Wi-Fi CCTV의 화질을 측정하는 방법에는 주관적 화 질 평가와 객관적 화질 평가로 나눌 수 있다. 주관적 화 질 평가는 다양한 인간의 화질 인지특성을 파악할 수 있 는 반면에 측정방법의 복잡성과 비용으로 인해 아직까지 보편적으로 활용되지 못하고 있다. 그래서, 주관적 화질 평가대신에 알고리즘을 이용하여 자동으로 화질을 측정 하는 객관적 화질 측정방법이 보편적으로 사용된다. 객 관적 화질 측정의 목표는 화질을 자동적으로 측정할 수 있는 법칙을 만들어 내는 것이다. 객관적 화질평가 방법 에 대한 표준화와 연구는 ITU(International Tele Communication Union)와 VQEG(Video Quality Expert Group)를 중심으로 활발하게 이루어지고 있다. 객관적 화질 측정방법 중 전 기준법이 일반적으로 사용되며 디 지털 TV의 화질평가에 국제표준으로 채택된 바 있다. 이중에서 가장 보편적으로 사용되는 방법으로 PSNR이 있다. PSNR은 영상 프레임에 존재할 수 있는 최대 샘플 개수의 제곱과 원본 영상 프레임과 손상된 영상 프레임 사이의 평균제곱오차(MSE)의 비율에 의해 결정된다[2,4].
610 정보과학회논문지 : 컴퓨팅의 실제 및 레터 제 18 권 제 8 호(2012.8) log log n은 샘플 당 비트 수이고 MSE는 원본영상과 비교 영상의 평균제곱오차로 나타낼 수 있다. 주어진 이미지나 동영상에 대해, 일반적으로 PSNR값 이 높을수록 높은 화질을 의미하고 낮을수록 낮은 화질 임을 의미한다[1]. 3. 네트워크 환경 구현 및 성능 측정 3.1 네트워크 환경 구현 본 논문은 실시간 Wi-Fi CCTV 최적의 영상 서비스 에 대한 네트워크 환경을 구현하기 위해 Cisco사에서 제공하는 스위치와 라우터 장비를 사용하였다. 확장성과 기능성으로 ISP 업체에서 가장 보편적으로 사용하는 멀 티레이어 스위치인 Catalyst 6500시리즈를 Wi-Fi CCTV 영상제공 측에 배치하였으며, IP 네트워크 구현에는 유 연성과 확장성이 높은 라우터 3700 시리즈를 사용하였 다. 그리고 서비스 가입자 측에는 멀티 레이어 스위치 Catalyst 4500을 Cisco 521 Wireless Express Access Point와 연결하여 실제 환경과 유사하도록 배치하였다. 그리고 통합 네트워크 분석기 Fluke OptiView Series III의 트래픽 발생기능을 이용하여 실제 다양한 서비스 를 주고받는 IP 네트워크의 사용자 환경과 유사하도록 한정된 대역폭에 트래픽을 발생시키도록 하였다. 서버에 서 클라이언트로 동영상을 실시간으로 전송하여 보내는데 전체 네트워크 대역폭을 100Mbps로 설정하였고 Wi-Fi CCTV에서 원본 영상이 요구하는 대역폭은 4.3Mbps로 설정하였다 Fluke OptiView를 이용하여 전체 대역폭에 서 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 91%, 93%, 96%, 98%로 패킷 발생률을 늘여가면서 RIP과 RIPng, OSPF, OSPFv3의 라우팅 프로토콜별로 실시간으로 받은 CCTV영상의 PSNR값을 측정하였다. 실험을 위한 네트 워크 구성 및 장비들의 배치는 아래의 그림 3과 같다. 3.2 라우팅 프로토콜에 따른 성능 측정 네트워크 환경의 구현에서 보았듯이 Wi-Fi CCTV 영상을 실시간 스트리밍 서비스로 보냄으로서 원래 영 상과 SMART 기기가 받아본 영상의 PSNR값을 비교 함으로 RIP과 RIPng, OSPF와 OSPFv3의 라우팅 종류 별 비교를 하여 성능을 측정하였다. 원래 영상값은 네트 워크를 통하여 받은 스마트기기와 같은 종류의 기기 카 메라를 사용 하였으며 원본 카메라의 영상과 네트워크 를 통하여 수신된 영상의 PSNR값을 측정하였는데, 그림 4 에서 영상의 PSNR 값에 따른 화질의 차이를 볼 수 있 다. PSNR값이 40dB이상일 때에는 원본의 영상과 육안 으로 비교할 수 없을 정도로 깨끗한 영상임을 볼 수 있 고, PSNR값이 30dB정도일 때는 프레임이 약간 깨짐을 볼 수 있고, 20dB정도일 때에는 화질의 열화현상과 프 레임 왜곡 현상을 볼 수 있다. 마지막으로 10dB정도의 PSNR값에서는 열화현상과 프레임 왜곡이 심한 것을 볼 수 있다. IPv4망과 IPv6망에서 RIP, RIPng, OSPF, OSPFv3 프로토콜에 따른 패킷 발생률을 달리하여 측정한 값이 표 2이다. (표에 보이는 %가 패킷 발생률 정도를 나타 낸다). 그림 3 네트워크 실험 환경 구성도
무선 네트워크 환경에서 Wi-Fi CCTV 영상서비스 품질 측정 611 표 2 라우팅 프로토콜별 PSNR 측정 값 모델 IPv4 IPv6 0% 20% 40% 60% 80% 91% 93% 96% 98% RIP 23.44 22.87 19.90 25.28 21.79 20.15 14.56 13.44 10.61 OSPF 26.73 26.48 25.83 24.78 25.70 23.32 22.87 22.39 20.87 RIPng 40.34 35.69 34.06 33.25 33.19 32.93 22.59 19.32 16.47 OSPFv3 39.38 37.30 35.20 32.07 31.61 30.77 30.31 29.28 26.15 향후 과제로 모바일 IP 프로토콜 환경 하에서의 이동 성과 종단간 QoS 요구를 만족시키면서 전체적인 네트 워크 성능 또한 효율적으로 이용하고 관리하는 방안에 관한 연구가 필요하다고 생각된다. 참 고 문 헌 원래영상 PSNR 41dB PSNR 33dB PSNR 14dB 그림 4 PSNR 값에 따른 영상비교 패킷 발생률 0%에서 93%까지는 라우팅 프로토콜에 따라 화질의 차이가 없다가 93%이상의 패킷발생부터 차세대 인터넷 프로토콜인 RIPng와 OSPFv3의 화질이 매우 우수함을 볼 수 있다. 또한 동영상이 요구하는 96% 의 패킷 발생률에서는 OSPF, OSPFv3, RIPng, RIP의 순으로 성능의 차이를 보였으며 그 이상의 패킷 발생률 에서는 IPv6 프로토콜의 성능이 우수하였다. 4. 결론 및 향후 연구 본 논문은 사용자 입장에서 차세대 무선 LAN환경에 서 Wi-Fi CCTV의 영상 품질의 최적화된 네트워크를 구성할 수 있도록 실험 결과를 제안하는 것을 목표로, CCTV의 영상 서비스 품질을 라우팅 프로토콜에 따라 네트워크를 구성하고 수학적 왜곡계산 방법인 PSNR값 을 측정하고 이를 분석하였다. 본 연구에 사용된 라우팅 프로토콜 중 동영상이 요구 하는 96%에서는 차세대 인터넷 라우팅 프로토콜인 RIPng와 OSPFv3가 기존의 IPv4 라우팅 프로토콜보다 영상 품질이 전반적으로 우수한 것으로 나타났다. 이러 한 결과는 IPv6 라우팅 프로토콜이 IPv4의 복잡한 헤더 구조를 따르지 않고 단순화된 라우팅 헤드 구조와 알고 리즘을 채택한 결과로 보여 진다. 그러나, IPv4네트워크 의 91% 패킷 발생률과 IPv6 네트워크의 93%이하의 패 킷 발생률에서 RIP 라우팅 프로토콜도 성능이 우수함을 보이고 있기에 소규모 Wi-Fi CCTV 네트워크 구축 사 업자들에게 설계가 복잡한 대규모 네트워크인 OSPF의 사용보다는 구성이 용이한 RIP의 사용이 효율적임을 알 수 있었다. [ 1 ] 김광현, 차세대 IP NETWORK에서 IPTV 영상서비스 품질 최적화에 관한 연구, 부경대학교 박사학위논문, 2009. [ 2 ] 이재희 외 2인, IPTV 영상품질 평가에 대한 연구, 한국통신학회, Apr. 2008. [ 3 ] 유장희, 문기영, 조현숙, 지능형 영상보안 현황 및 동향, 한국전자통신연구원 전자통신동향분석, 제23 권 제4호, 2008. [ 4 ] M. Valera and S. A. Velastine, "Intelligent distributed surveillance systems: a review," IEEE Proceedings - Vision, Image and Signal Processing, vol.152, no.2, pp.192-204, 2005. [ 5 ] 문현찬, 지능형 CCTV 및 시장 동향, 정보통신 연구 진흥원, 주간동향 통권 1361호, 2008. [ 6 ] Christopher R. Wren, U. Murat Erdem and Ali J. Azarbayejani, "Automatic pan-tilt-zoom calibration in the presence ofhybrid sensor networks," Proceeding of the third ACM international workshop on Video surveillance & sensor networks, 2005.