▮ 목차 ▮

본 교재의 내용을 사용하고자 할 때는

반드시 출처를 밝히고 사용해주십시오.

교재 기획 및 개발팀

한혜숙 단국대학교

김태정 단국대학교

백윤수 연세대학교

박현주 조선대학교

김연귀 서울 혜원여자고등학교

박정훈 서울 혜원여자고등학교

삽화 및 편집팀

백옥주 조선대학교

이재영 단국대학교

고은별 단국대학교

시뮬레이션 개발

심명훈 연세대학교

장시영 연세대학교

적용 및 자문 협력진

이언범 혜원여자고등학교

전병구 혜원여자고등학교

구효선 천안중앙고등학교

주홍연 용동중학교

민병욱 여해학교

▮ 목차 ▮

1. 너의 목소리가 맞지? (음성인식 보안장치) ··· 2

2. 정보보안 전문가를 꿈꾸며 (스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력 시스템 만들기) ··· 34

3. 나를 지켜주는 자동차 (육상교통안전) ··· 47

4. 못하는 게 뭐니? (스마트폰과 안전한 생활) ··· 72

첨단제품 활용형 프로그램 개발

첨단·안전 보안 장치

고등학교 10차시 학생용

너의 목소리가 맞지?

(음성인식 보안 장치)

1~2 차시

고등학교

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[학생용]

학습목표

2009 개정 교육 과정

물리

Ⅰ

- 파동의 특성과 관련하여 소리의 굴절, 반사, 회절 등을 이해하 고 소리 정보의 활용, 초음파의 의미와 발생장치 및 실생활의 이용을 안다.

기술 가정

- 기술 혁신과 발명, 기술 연구 개발 활동이 인류와 사회에 미친 영향을 이해하고, 제도와 설계의 기초적 이해를 통하여 공학적 문제를 창의적으로 해결할 수 있다.

내용 목표

- 음성 신호를 파동과 관련하여 설명할 수 있다.

- 음성인식의 원리를 설명할 수 있다.

- 음성인식 기술을 적용한 제품을 창의적으로 설계할 수 있다.

과정 목표

- 음성인식 기술을 이용한 나만의 보안장치를 설계, 제작해봄으로써 성 취감 경험한다.

- 미래사회에서 사용되는 상품을 생각해보는 과정을 통해 과학 기술의 유용성을 인식한다.

- 음성인식 기술을 이용한 아이디어를 창출하는 과정에서 의사소통의 중 요성 인식한다.

고등학교 STEAM

너의 목소리가 맞지?

(음성인식 보안 장치)

프롤로그

■ 생체인식기술

(출처 : 생체인식 기술현황 및 전망 – 한국정보통신기술협회)

생체인식이란 개개인으로부터 평생불변과 만인부동의 특성을 갖는 특징을 찾아 이를 자동화된 수단으로 등록 시 제시한 정보와 비교/판단하는 것으로 요약할 수 있다. 현재까지 연구된 생체인식 방법으로는 얼굴모양, 홍채, 망막, 정맥, 지문, DNA 등의 신체적 특성을 이용한 방법과 서명, 음성, 걸음걸이 등의 행동학적 특성을 이 용하는 방법으로 분류할 수 있다. 이들은 각기 장단점이 있으며 우리가 원하는 이 용분야에 따라 적절한 것과 그렇지 못한 것 등이 있어 활용계획에 따라 면밀히 검 토할 필요가 있다. 대표적인 생체인식 기술에 관하여 소개하면 다음과 같다.

가. 지문

현대 지문 비교 기술은 1684년 영국 네에미 아 크류가 처음으로 사람들의 지문이 서로 다 르다는 것을 알게 되면서부터 시작되었고, 또 그것들이 말발굽 모양, 소용돌이 모양 등과 같 이 몇 가지의 대표적인 범주로 분류될 수 있음 을 알았다.

지문인식은 범죄수사와 같은 실제 업무에서 도 20여 년 전부터 활용되어 왔으며, 생체인식 분야 중 가장 오래되고 일반화된 기술이다. 대 규모 금융기관에서는 현금자동지급기(ATM)의 고객인증을 위해 지문인식 시스템을 활용하고 있으며, 뉴욕과 캘리포니아의 복지담당관청에 서는 복지수당의 이중인출을 방지하기 위해 지 문 인식시스템을 사용하고 있다.

출처 : gettyimages.com

지문인식 시스템은 일반적으로 지문 융기의 분기점, 끝점 등으로 구성되는 특징점의 위치와 속성을 추출, 저장, 비교하는 알고리즘을 채용하고 있는데, 땀 이나 물기가 스캐너에 배어있는 경우 에러 발생률이 크게 높아진다는 점, 여러 사람이 연속적으로 접촉한 곳에 자신의 손가락을 댄다는 불쾌감, 지문이 닳아 없어진 사람도 간혹 있다는 점 등이 지문인식 시스템의 한계로 인식되고 있다.

[참고자료]

생체인식 기술현 황 및 전망 – 한국정보통신기 술협회

[참고자료]

생체인식기술의 효과적 활용과 문제점 - 정연 덕(홍익대학교)

나. 홍채

사람의 눈을 이용한 생체 인증에 서 눈은 홍채와 망막의 혈관이 인 증을 목적으로 사용되고 있다. 홍채 인식은 자연스런 상태에서 획득된 영상을 이용하므로 망막 인식에서 와 같은 단점이 없어 많은 분야로 의 적용이 기대되는 분야이다. 특히 사람의 홍채는 신체적으로 상당한 특징이 있는 유기체조직으로, 쌍둥 이들도 다른 홍채 패턴들을 가지고 있고 통계학적으로도 DNA 분석보 다 정확하다고 알려져 있다.

출처 : gettyimages.com

그리고 외상 또는 아주 드문 병을 제외하고는 홍채는 사람의 일생 동안 변화 되지 않으며, 콘택트렌즈나 안경을 착용해도 인식이 가능하므로 활용 범위가 넓다. 또한 복제가 거의 불가능한 것으로 알려져 높은 보안성을 요구하는 곳에 이용되어 왔으며, 미국, 캐나다, 영국, 네덜란드, 아이슬란드 등의 국가는 공항에 서 이용하고 있다. 그러나 높은 가격과 사용자 거부감 및 이용의 불편함 등은 해결해야 할 과제이다.

다. 얼굴

얼굴을 이용한 인식 방법은 생체인식 방법 중 가장 자연스런 방법으로, 지문과 같이 지문 입력 장치에 손가락을 접촉하 지 않고 비접촉으로 자연스럽게 인식할 수 있는 장점이 있다.

얼굴인식기법은 사용자의 기분과 상황 에 따라 표정이 변하게 되는 특성을 고려 해야 하며, 주위 조명에 많은 영향을 받게 되는 등의 단점이 있다.

출처 : gettyimages.com

[참고자료]

생체인식 기술현 황과 전망 – 한 국전자통신 연구 원

라. 음성

음성을 이용한 개인인식은 화자인식이 라고 하며, 다른 생체인식에 비해 에러 발 생률은 높지만 음성인식과 관련하여 활발 하게 연구되고 있는 분야이다. 특히, 다른 생체 획득 장치와는 달리 음성 취득 장치 인 마이크는 저가이고 일반 PC 또는 PDA, 핸드폰 등에 기본적으로 탑재되어 있으므로 다른 생체인식에 비해 취득 장 치에 드는 비용이 거의 없다는 장점이 있

다. 출처 : gettyimages.com

또한, 전화나 인터넷을 이용하여 원격지에서도 사용이 가능하여 텔레뱅킹 등 다른 생체인식방법을 적용할 수 없는 응용분야에서 사용될 수도 있다.

이러한 음성 인식 시스템은 원격지에서도 전화를 이용하여 신분 확인을 할 수 있다는 것과 별도의 교육이 필요하지 않고 시스템 가격도 저렴하다는 장점 이 있다. 하지만 음성이 일반 공중 전화망을 통하여 전달되기 때문에 컴퓨터에 접수되는 샘플은 잡음에 의해 손상될 수 있으며, 등록 시 사용한 전화와 다른 전화를 사용할 경우 전송되는 음성이 변조될 수 있는 것, 또 사용자의 목이 쉬 었을 경우나 녹음, 사용 환경상의 강도 높은 소음 등이 약점이라 할 수 있겠다.

마. 손 모양

생체인식 분야에서 가장 먼저 자동 화된 기법으로 스탠포드 대학의 한 연구팀이 개인마다 손가락 길이가 다 르다는 점에 착안, 약 4000명의 손가 락 형태를 분석하여 이를 데이터화하 여 만든 시스템이다. 이처럼 손 및 손 가락의 모양도 사람마다 고유한 특징 을 가지므로 손가락의 길이와 형태를 3차원으로 측정한 기하학적 정보는

수집 및 처리가 비교적 쉽다. 출처 : gettyimages.com

그러나 상대적으로 정확도가 떨어져 보안의 중요성이 그다지 높지 않은 곳에 주로 쓰인다. 즉, 지문이나 눈을 이용하는 시스템에 비해서는 열악한 환경에서 도 안정적으로 동작하고 정보 저장량이 적기 때문에 건설현상이나 야외에서 주 로 사용된다.

바. 손 혈관

손등의 정맥 인식시스템은 손등의 피부로부터 정맥 패턴을 추출하는 방 법으로 적외선 조명과 필터를 사용해 피부에 대한 혈관의 밝기를 최대화한 다음, 입력된 디지털 영상으로부터 정 맥 분포 정보를 추출한다. 지문인식과 같이 특징점을 좌표로 인식할 뿐 아 니라 전체적인 혈관 모양도 비교한다.

특히 혈관을 투시한 후 잔영을 이용 해 신분을 확인하는 방법적 특성은 인식에 활용되는 정보가 외부에 노출 되지 않는 피부 내 혈관이기에 복제 가 거의 불가능하다는 특징이 있다.

그러나 하드웨어 구성이 복잡하고 소형화가 불가능하여 전체 시스템 비 용이 매우 높은 편이다. 손등정맥인식 시스템은 지문이나 손 모양을 이용하 는 방법에 비해 사용자의 거부감을 줄일 수 있고 지문이나 손가락이 없 는 사람도 이용할 수 있다는 장점이

있다. 출처 : gettyimages.com

사. 기타

유일하고도 측정 가능한 신체적 또는 행동적인 특징은 한 사람의 신원을 확인하 는 데 사용될 수 있다. 물론 이런 특징들 중 어떤 것이 사용하기 쉽고 어려운가에 는 차이가 있다. 앞서 언급한 특징 이외에 현재 개발되고 있는 시스템은 귀 인식, 근전도 신호, 걸음걸이 인식, 타이핑 리듬 인식, 입술 인식 등이 있다.

타이핑 리듬에 의한 인식은 사람이 타이핑을 함에 있어 숙련자이든 한 손라락 만 을 사용하는 사람이든 그들 자신의 타이핑 리듬을 가지고 있다는 사실에 기초하고 있다. 개발의 목표는 로그온한 사용자를 대신하여 다른 누군가가 컴퓨터를 사용하 는 것을 탐지하는 시스템을 개발하는 것이다. 그러나 계속적인 모니터링은 사용자 의 신체적, 정신적 상태에 따라 타이핑 리듬이 많이 변화하기 때문에 어려움이 있 다.

귀 모양에 의해 개인을 증명하는 시스템으로는 프랑스와 네덜란드에서 개발하고

상황제시

영화 ‘아이언 맨’을 보았는데, 아주 독특한 컴퓨터가 나의 마음을 사로잡았습니다.

‘자비스’라는 컴퓨터는 주인공을 돕는 비서이며 집사 역할을 훌륭히 소화하며, 영화 스토리상으로도 많은 비중을 차지하는 중요한 역이었습니다. 컴퓨터 책상에 앉아 키보드와 마우스를 눌러야만 하는 지금으로서 사람과 대화할 수 있는 컴퓨터가 있 다면 첨단기기에 익숙하지 못한 부모님, 어린 동생도 컴퓨터를 사용하기에 편리할 것이라는 생각이 들었습니다.

늦잠을 자게 된 어느 날, 부랴부랴 학교 갈 준비를 하고 가방을 챙겨 집을 나 섰지만, 깜빡하고 휴대폰을 두고 온 게 생각이 났습니다. 문 앞에서 가방을 아무 리 뒤져도 열쇠가 보이지 않아 짜증이 나는 순간.‥ ‘이럴 때 아이언맨의 컴퓨터 자비스처럼 내 목소리만으로 문을 열 수가 있다면 좋을 텐데…’ 라는 생각이 들었 습니다.

[참고자료]

(동영상) 아이언맨과 자비 스의 대화

목표:

열쇠의 장점과 단점, 개선책

특성 해결(발명)해야 할 기술

장점

❏

❏

❏

❏

❏

단점 개선책

목표:

열쇠를 대신할 신체부위와 특징 분석

신체 부위 장점 및 단점

지문

활동과 내용

■ (활동 1) : 열쇠를 대체할 수단은?

개선이나 발전의 첫 단계는 현재 상태를 자세히 분석하는 단계입니다. 먼저, 현재 많이 사용되고 있는 열쇠의 특성을 파악해 봅시다. 또한, 열쇠를 대신하여 신체부위 를 이용해 문을 열수 있다면 어떤 신체부위가 적당할까요? 그 기술이 실현되기 위 해서는 어떤 기술이 발명되어야 할까 생각해 봅시다.

■ (활동 2) : 스마트폰은 어떻게 내 말을 알아들을까?

요즘 스마트폰은 대부분 사람의 음성을 알아듣고 원하는 작동을 수행합니다. 목 소리는 어떤 성질을 가지고 있으며 스마트폰에서 어떤 과정을 거쳐 입력되고, 해석 되는 것일까요? 음성인식 기술에 대해 알아봅시다.

1. 사람의 목소리는 어떻게 발생하는 것일까요? 조사하여 발표해 봅시다.

2. 소리는 파동의 형태로 전달됩니다. 파동의 기본적인 특성은 무엇이고, 목소리를 파동으로 나타내면 어떤 모양일까요? 조사하여 발표해 봅시다.

3. 스마트폰은 음성신호를 어떻게 처리하여 작동할까요? 스마트폰의 음성인식 작동원리에 대해 조사하여 발표해 봅시다.

■ 목소리의 생성 원리

(출처 : 네이버 원리사전)

우리가 소리를 알아듣는 방법을 이 해하기 위해서는, 우선 사람이 소리를 내는 방법을 알아야 한다. 우리가 소 리를 내면 공기를 매질로 한 파동이 만들어지고 그 파동은 듣는 사람의 귀 고막을 두드리는 것으로서 음성정 보를 전달하게 된다. 그럼 사람은 소 리를 어떻게 내는 것일까? 첫 번째 단계는 횡격막이 수축하면서 허파 속 의 공기가 밖으로 나오는 단계이다.

이때 공기는 목에 있는 성문을 지나 게 되는데, 성문에는 성대라는 한 쌍 의 주름이 있다.

[참고자료]

음성인식의 원리 – 네이버 원리사 전

우리가 ‘아~’라는 음을 발성하면서 손을 목에 대었을 때 진동을 느끼게 되는데 바로 그 부분이 성대가 떨리고 있는 부분이다. 그럼 왜 그곳에서는 진동이 발생하 는 것일까? 우리는 지하철 플랫폼에서 전동차가 막 지나갈 때 플랫폼 쪽에서부터 철로 방향으로의 힘을 느끼게 되는데, 이것은 베르누이 정리 때문에 발생하는 일이 다. 사람의 성문에서도 그런 현상이 발생한다. 공기가 성문을 지나게 될 때 그 부분 의 압력이 낮아지고, 힘은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 향하므로 그 결과 양옆 에 있는 성대들이 서로 부딪히게 된다. 성문에서 발생하는 이러한 사건들은 사람의 목소리에 어떤 영향을 주는 것일까? 바로 음의 높낮이를 결정하게 된다. 우리가 공 기를 빠르게 보내면 압력이 더 낮아지고, 성대들이 서로 부딪히는 속도는 빨라지며 음의 높이는 높아지게 된다.

그럼, 실제 ‘아’, ‘어’와 같은 소리의 언어적 정보는 어디에서 만들어지는가? 성대 에서 입술과 콧구멍까지의 통로를 성도라고 부르는데 바로 이 성도를 지나면서 여 러 가지 음이 만들어지게 된다. 성도의 상태, 즉 입을 크게 벌렸는지 작게 벌렸는 지, 혀끝이 윗잇몸에 붙었는지 아닌지와 같은 여러 가지 상태에 따라서 다양한 소 리가 나오게 된다.

■ 목소리와 파동의 특징

(출처 : 네이버 원리사전)

위에 보이는 그림은 ‘카’라고 발성했을 때의 음성 파형이다. 위 그림에서 0.13초까 지 ‘ㅋ’음에 해당하는 음성파형이고 그 이후부터는 ‘아’음에 해당한다. ‘ㅋ’과 ‘아’음성 파형 중 ‘아’파형을 관찰해보면 시간 축 상에서 커다랗게 나타나는 피크들이 보이는 것을 알 수 있다. 바로 이 피크들의 간격을 주기라고 말하고 이 시간 차이가 성대 가 떨리는 주기와 일치하게 된다. 한편 ‘ㅋ’파형은 그런 피크들이 보이지 않는데, 이 는 성대가 떨리지 않고 난류를 일으킨 무성음이기 때문이다.

(1) 진폭

파형에서 보듯이 진동의 세기를 진폭이라고 한다. 진폭이 클수록 소리가 크고, 진 폭이 작을수록 소리가 작아진다. 따라서 진폭은 곧 소리의 강도(intensity)를 나타낸 다.

[참고자료]

음파의 일반적 성질 - 군자출 판사

(2) 주기

주기는 공기의 진동이 이루어지는 횟수를 나타내며 공기 입자가 부딪혀 튕겨 나 갔다가 다시 제자리로 돌아오는 것을 한 주기라고 한다. 보통 소리의 특성을 이야 기할 때 ‘주파수(frequency)’라는 말을 사용하는데, 주파수는 1초 동안 진동이 몇 번 일어났는지를 나타내는 것이다. 주파수는 Hz(헤르츠)라는 단위를 써서 나타낸다. 만 약 200Hz 라면 1초 동안 200번 진동이 반복한 것이다. 주파수가 높을수록 높은 소 리가 되고, 주파수가 낮을수록 낮은 소리가 된다.

■ 음성 인식 시스템

(출처 : 네이버 원리사전)

음성인식 기술은 인식의 대상에 따라 화자독립 시스템과 화자종속 시스템, 그리 고 발음의 형태에 따라 고립어 인식 시스템과 연속어 인식 시스템으로 나뉜다. 화 자종속 음성 인식은 화자독립 음성 인식에 비해 인식률이 높아 실용화에 유리하며 대체로 화자종속 시스템의 성능이 화자독립 시스템보다 인식률이 높게 나온다. 화 자종속 시스템은 현재 휴대폰에 탑재되어 사용되는 음성 다이얼링 시스템에 이용되 고 있다.

사용자 음성을 저장, 등록하여 실제 인식을 수행할 때는 입력된 음성의 패턴과 저장된 음성의 패턴을 비교하는 기법이다. 전화를 걸 때 사람 이름만 말하면, 전화 번호를 찾아 자동으로 전화를 걸어주는데 이용되고 있다. 화자독립 시스템은 불특 정 다수 화자의 음성을 인식하기 위한 시스템으로 시스템 동작 전 음성 등록의 번 거로움이 없고 다수화자의 음성을 수집하여 통계적인 모델을 학습시키고, 학습된 모델을 이용하여 인식을 수행하여 각 화자의 특징적인 특성은 사라지고 각 화자 간

구현하기 간단해 널리 이용되고 있으나 사용자 이용하기가 불편하다는 단점이 있 다. 연속어 인식 시스템은 문장 단위로 인식을 수행하는 시스템으로 문장을 인식하 기 때문에 사용자가 단어 단위로 끊어 발음하지 않아도 된다. 문장은 평상시와 같 이 발음되며, 특별히 단어 사이의 묵음이 있을 필요는 없다.

■ 음성 추출 알고리즘

(출처 : 네이버 원리사전)

음성추출 방법으로는 LPC, MFCC, VQ, HMM 등 여러 가지 음성추출 알고리즘이 있다. LPC(Linear Predictive Coding) 추출은 과거의 일정 개수의 샘플 값들에 계수 를 각각 곱하고 이를 총합한 값으로 현재의 샘플 값을 예측하려는 시도에서 출발하 였다. 계수는 선형예측계수(LPC)라 하고 전달함수 입장에서 보았을 때 전극 (All-pole)모델을 이루며 LPC를 추출하는 과정으로는 구간 내 자기 상관계수를 구하 고 이를 재귀적인 방법을 통해서 빠르게 계산을 하여 LPC 계수를 기반으로 하여 음성인식에 효과적은 캡스트럼계수(LPCC)로 변환하여 사용한다.

HMM(Hidden Markov Model)은 통계적 패턴인식을 이용한 방법으로 통계적인 정보를 확률모델 형태로 저장하고 미지의 입력패턴이 들어오면 각각의 모델에서 이 패턴이 나올 수 있는 확률을 계산한다. 음성 신호를 상태천이 확률과 각 상태에서 의 관찰확률 이라는 두 단계에 걸친 확률 과정으로 표현한다. 현재 가장 널리 사용 되는 방법으로 음성처리 및 언어처리를 단일구조로 처리할 수 있다는 장점이 있다.

음성인식 기술은 그 기술의 난이도를 따라 ‘고립 단어 인식’과 ‘연속 음성 인식’으 로 크게 나뉜다. 예를 들어 인식 대상 어휘가 ‘서울’, ‘부산’두 개라고 가정하자. 이 때 전자는 ‘서울’과 ‘부산’, 딱 두 개 어휘만 인식하는 기술이고, 후자는 이 두 개 어 휘의 모든 조합, 즉 ‘서울 서울’, ‘서울 부산 서울’과 같이 어떠한 길이의 어휘 조합 도 모두 인식하는 기술이다. 당연히 후자가 더 어려운 기술이다. 그리고 사람과 같 은 수준의 음성 인식기를 개발하고자 한다면, 후자의 기술이 사용되어야 한다. ‘연 속 음식 인식’을 수학식으로 표현하면 아래와 같다.

[참고자료]

음성인식 알고리 즘 - 한국전자 통신학회

[참고자료]

음성 개인식별

위 음성 인식 수식을 보면, 모든 후보가 되는 단어 열에 대한 확률을 모두 구해 야 하고 그 중 가장 높은 확률을 낸 단어 열을 선택하게 되어 있다. 한편, 단어 열 길이에 대한 제한이 없으므로, 상식적으로 생각해도 우리가 찾아야 하는 탐색 공간 은 무한대가 되어 버린다. 그러므로 어떻게 빠르게 단어 열을 찾을 것인가가 중요 한 문제가 된다. 이에 대한 해결책은 매우 단순하다.

모든 후보 단어 열에 대한 가능성을 열어두고 음성을 듣다가 정답이 아닐 것 같 은 후보들을 탈락시키는 것이다. 마치 축구에서 토너먼트 경기를 하면서 한 팀씩 탈락하는 것처럼, 음성을 들으면서 가능성이 없는 후보는 빨리 탈락시킨다. 음성 신 호가 모두 처리되었을 때는 그 험한 경쟁에서 살아남은 최종 승리자가 최종 인식 결과가 된다.

■ (활동 3) : 목소리를 눈으로 듣자!

이제 목소리를 알아듣는 문을 발명해 봅시다. 목소리를 통한 개인 식별은 스마트 폰의 음성인식 기술과는 목적이 조금 다릅니다. 스마트폰은 음성신호가 어떤 단어 인지 식별하는 능력이 중요한 반면, 목소리를 알아듣는 출입문은 내 목소리를 다른 사람의 목소리와 구분하는 것이 중요합니다.

사람의 목소리를 시각적으로 표현해주는 방법 중의 하나로 소리 스펙트로그램 (Spectrogram)이 있습니다. 스펙트로그램에서는 시간 축과 주파수 축의 변화에 따 라 진폭의 차이를 인쇄 농도 / 표시 색상의 차이로 나타내어 실제 음성 스펙트럼과 가장 근사한 형태로 분석할 수 있어 음성연구 분야에서 널리 이용되고 있습니다.

1) Cool Edit를 실행시킵니다.

(창이 Maintrack View 라면 Edit View로 바꿉니다.)

2) 녹음버튼을 눌러 녹음합니다.

(OK 버튼을 누름과 동시에 녹음이 시작됩니다.)

3) 녹음된 파일을 wav 파일로 저장합니다. (file → Save as)

나. 녹음된 파일을 음성분석 소프트웨어를 이용하여 스펙트로그램으로 변환한 후 서로의 목소리 차이점을 분석해 봅시다. (공통점은 파란색으로, 차이점은 빨간색으로 표시해봅시다.)

1) Praat를 실행시킵니다.

[참고자료]

음성분석 프로그 램 ‘Praat’

2) 녹음된 음성파일을 불러옵니다. (Open → Read from file...)

3) 음성파일의 스펙트로그램을 생성합니다. (Analyze Spectrum → To

Spectrogram...)

(스펙트로그램이 생성되었습니다.)

4) 스펙트로그램을 그림으로 표시합니다. (Draw → Paint)

5) 스펙트로그램을 그림으로 저장합니다. (File → Save as PNG file)

Sound Spectogram 1

Sound Spectogram 2

Sound Spectogram 3

Sound Spectogram 4

5) 저장된 그림을 인쇄하여 서로 비교합니다.

Sound Spectogram 1

Sound Spectogram 2

다. 모둠원 중 한사람이 헬륨가스를 마시고 동일한 단어를 녹음합니다.

라. 헬륨가스를 마셨을 때 목소리의 변화를 스펙트로그램을 통해 분석합니다.

(공통점은 파란색으로, 차이점은 빨간색으로 표시해봅시다.)

■ 음향학 기초

(출처 : Praat를 이용한 음성분석의 이론과 실제, 양병곤, 만수출판사)

소리를 녹음하게 되면 시간 축 위의 해당 시간점에서 얼마의 진폭으로 공기가 진 동했는지를 나타낸다. 이때 1초를 몇 등분하여 해당 지점의 소리 크기(진폭)를 저장 하는가를 표본추출속도(sampling rate)라고 부른다. 보통 컴퓨터에 입력하는 소리는 11025 Hz 나 22050 Hz 의 표본속도를 시용하는데 이것은 바로 1/11025 초마다 하나의 표본을 뽑아 소리의 크기를 저장함을 뜻한다. 소리 파형을 확대해보면 같은 시간점에서의 소리의 크기로 나타나 있다. 이 때 표본속도의 반에 해당하는 주파수 를 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency)라고 하는데 일반적으로 표본추출방식으로 컴퓨터에 저장하는 음성정보는 표본속도의 반에 해당하는 주파수까지의 모든 정보 가 다 들어있다고 한다. 다시 말해서 CD 음질로 저장하는 44100 Hz의 표본 속도는 사람이 들을 수 있는 범위인 20 ~ 22050 Hz 의 정보를 모두 다 저장할 수 있다.

실제 음성의 중요한 정보들은 8000 Hz 범위에 모두 들어가 있기 때문에 그것의 두 배인 16000 Hz 의 표본속도나 22050 Hz 의 속도를 많이 사용한다. 표본속도 주파 수가 두 배가 되면 정보량도 두 배가 되어 하드디스크의 공간을 더 많이 차지한다.

[참고자료]

음성분석 프로그 램 활용법 – 원 광 디지털대학교

그런데 음성을 녹음할 때는 보다 좁은 범위의 주파수를 나누어 사용하기 때문에 (약 300 ~ 3400 Hz 범위) 표본속도를 8000 Hz 로 설정하여 녹음하면 필요한 정보 를 모두 포착하게 된다. 일반적으로 표본속도를 낮게 하면 고주파영역의 성분이 걸 러져 약해지기 때문에 코맹맹이 소리처럼 둔탁한 음성으로 들린다.

사람의 음성은 매우 복잡한 파형으로 나타난다. 이러한 파형을 이해하기 위해서 는 먼저 단순한 파형의 구조와 특성을 살펴보아야 한다. 단순한 진동을 나타내는 파형을 단순음이라고 하는데, 두 개 이상의 단순음이 합쳐진 음파를 복합음이라고 한다. 사람의 음성은 복합음에 해당한다. 두 개의 단순음을 합치는 것을 그림과 같 이 두 파형에서 동일한 시간점의 진폭을 더한 것이 된다. 따라서 복합음의 진폭 값 은 단순음 두 개의 파형보다 더 높게 나타난다.

두 단순음 파형을 합치면 세 번째 복합음파형이 나오는 과정과는 정반대로, 세 번째의 복합음파형에서 각각의 성분이 되는 단순음파형으로 분리하는 과정이 푸리 에 변환이다. 푸리에 변환과정은 기본적으로 음파의 값의 앞뒤 값의 곱을 통해 곱 한 값이 가장 크게 나타나는 지점들을 뽑아서 주기성을 찾아내는 과정이라고 말할 수 있다.

위 그림은 실제 음성으로 발음한 모음‘아’의 확대된 파형을 보여주고 있다. 앞의 복합음파형과 유사하나 더욱 더 복잡한 것을 알 수 있다. 실제 사람의 음성을 푸리 에 변환한 스펙트럼을 살펴보면 아래 그림과 같이 나타난다. 음성파형을 스펙트럼 분석을 한 뒤 시계 반대방향으로 90°돌려서 주파수축과 진폭축의 위치를 바꾸면 아 래 그림처럼 나타나고 스펙트럼 정보에서 진폭 값이 높은 언덕 부분은 진하게 표시 하고 낮은 골 부분은 연하게 각 시간점마다 연속하여 표시하면 두 번째 나타나 있 는 스펙트로그램이 된다.

■ 스펙트로그램을 이용한 음성분석의 실제

(출처 : 음성분석 프로그램 활용법 – 원광디지털대학교)

(1) 공명주파수(포먼트)

모음은 여러 개의 단순파들이 합쳐진 소리라고 했는데, 모음을 조음할 때는 여러 주파수대의 단순파들이 만들어진다. 그런데 이들 단순파들은 입 모양에 따라 특정 주파수대의 소리가 증폭되고 어떤 주파수대의 소리들은 상쇄되기도 한다. 이처럼 성대에서 나온 기류가 입을 통과하면서 크게 증폭되는 주파수 영역이 있는데 이것 을 ‘공명주파수(포먼트)’라고 한다. 성대의 떨림에 의해 만들어지는 소리는 같은데, 이것이 입을 통과하면서 ‘아’, ‘이’, ‘오’등과 같이 서로 다른 모음이 되는 것은 바로 입모양에 따라 공명주파수가 달라지기 때문이다. 공명주파수의 수는 이론적으로는 무한하다고는 할 수 있지만 고주파수대로 갈수록 에너지가 약해지기 때문에 음성을 분석하는 데 의미가 있는 공명 주파수로는 세 번째 공명주파수까지를 꼽는다. 이것 을 각각 F1, F2, F3라고 표현한다.

F1은 구강의 앞부분에서 협착이 일어나면 F1값이 낮아지므로 모음의 개구도와 관련이 크다. 고모음은 F1이 낮고, 저모음은 F1이 높다.

F2는 입술이나 연구개에서 협착이 일어나면 F2값이 낮아진다. 모음의 전후설과 관련이 크다. 전설모음(경구개 쪽에서 협착)은 F2가 높고 후설모음(원순모음은 입술 과 연구개에서 협착, 평순모음은 연구개에서 협착)은 F2가 낮다.

F3는 입술이나 경구개에서 협착이 일어나면 F3값이 낮아진다. 전설고모음/ㅣ/는 경구개에서 협착이 일어나므로 F3이 낮고, 원순모음/ㅗ,ㅜ/는 입술에 협착이 일어나 므로 F3이 낮다.

(2) 여러 발음의 음향적 특성

폐쇄음은 기류의 흐름이 구강 내에서 막았다가(폐쇄) 뒤따라오는 모음을 발음하 기 위해 막았던 부분을 떼는데(파열), 이 때 성대가 열리면서 바로 아래쪽의 공기가 따라 나오고(기식) 이어서 후행 모음이 발음된다.

마찰음은 구강의 어느 부분을 좁혀서 기류가 마찰을 일으키도록 하는데, 이후 뒤 따라오는 모음을 발음하기 위해 좁혔던 부분을 벌리면서 성대 아래쪽의 공기가 따 라 나오고(기식) 이어서 후행 모음이 발음된다.

파찰음은 파열음(폐쇄음)과 마찰음의 특성을 모두 가진 음으로 먼저 구강의 어느 한 부분을 막아(폐쇄) 기류가 흐르지 못하게 한다. 이후 막은 부분을 여는데(파열), 한꺼번에 입을 크게 벌리는 것이 아니라 공간을 좁혀서 공기가 마찰을 일으켜 나가 도록 한다. 이후 뒤따라오는 모음을 발음하기 위해 좁혔던 부분을 벌리면서 성대 아래쪽의 공기가 따라 나오고(기식) 이어서 후행 모음이 발음된다.

비음은 구강 내에서 막힘이 있고 구강으로 기류가 흘러나가면서 구강 내 외벽에 부딪히기 때문에 소리가 많이 약해져 비음은 전반적으로 에너지가 약한 것이 특징 이다.

탄설음은 혀끝을 튕겨서 순간적으로 잇몸에 붙었다 떨어지는 소리이다. 설측음은 혀끝을 잇몸에 붙이고 혀뿌리 쪽을 내려 혀의 양 옆으로 공기가 새어나갈 수 있도 록 해서 내는 소리이다.

목소리로 열리는 출입문 설계하기

‘알리바바와 40인의 도적’을 읽어보셨나요?

알리바바는 나무 위에서 도적들의 주문을 듣고는

‘열려라 참깨’를 외치고

동굴 안의 보물을 차지할 수 있었습니다.

우리 집 대문도 목소리로 열 수 있다면 어떨까요?

우리 가족의 목소리만 반응하여 열리는 출입문을 설계해 봅시다.

※ 목소리로 열리는 출입문이 갖추어야 할 조건!!!

1. 음성인식 기술을 이용해 열리는 출입문 제시 2. 과학적 원리가 들어간 참신한 장치

3. 원활한 작동을 위해 필요한 기능들을 나누어 구성요소로 제시 4. 보안 기능과 미적 외관을 모두 충족하는 디자인 고안

5. 현재 개발되어 적용 가능한 기술뿐만 아니라, 향후 개발되어야 할 기술을 창 의적으로 조합하여 제시

6. 최종 아이디어를 스케치하고 설명을 첨부하여 아이디어 제안서에 작성하여 제출할 것

■ (활동 4) : Open Sesame~(목소리로 열리는 출입문 설계하기)

1. Mission 설명

<프로젝트 해결>

■ 어떻게 문제를 해결할까?

문제를 해결하는 방법이 꼭 1가지만 있는 것 은 아닙니다. 따라서 상황과 조건에 맞추어 가 장 좋은 해결방법을 찾는 것이 문제를 해결하 는데 가장 좋은 방법이라 할 수 있습니다. 한 사람의 생각보다는 여러 사람의 생각을 모아 힘을 합치면 더 좋은 결과를 만들어 낼 수 있 겠죠?

그럼 여러분의 미션을 돕기 위해 제시된 미션을 해결하는 방법으로 가장 많이 쓰 이는 프로젝트법 하나를 소개하고자 합니다. 프로젝트법은 상황의 문제를 스스로 발견하고 발견한 문제를 해결하기 위해 아이디어 및 자료를 모으고, 아이디어와 수 집된 자료를 바탕으로 팀원 사이의 토의를 통하여 가장 좋은 해결방법을 제시합니 다.

1. 아이디어 산출 준비단계

아이디어 산출 준비단계에서는 아이디어 산출을 시작하기 전에 프로젝트와 관련된 지식을 정리하고, 선행학습으로 어떤 것을 배웠는지 정리를 합니다. 그리고 프로젝 트의 수행에 필요한 상황과 제공되는 조건들을 꼼꼼히 체크해 봅니다. 체크한 상황 과 조건을 바탕으로 미션 수행을 위한 아이디어를 생각해 봅니다.

2. 아이디어 선정단계

팀원 개인적으로 생각한 아이디어를 공유하며 미션을 해결하기 위한 가장 좋은 방 법을 결정하는 단계입니다. 이 단계에서는 팀의 프로젝트 주제를 정하고 구체적인 세부 활동 계획을 정합니다. 주제를 정할 때는 팀원들의 관심과 흥미를 고려해야 하고, 이미 활동 했던 것을 참고할 수 있습니다. 그리고 이 단계에서는 여러 가지 현실적인 고려사항을 참조하여 아래와 같은 아이디어 선정기준을 활용하는 것이 좋 습니다.

1. 해결 과제의 목표와 관련이 있는가?

2. 해보고 싶은가?

3. 주어진 시간에 해결할 수 있는가?

4. 수행 인원이 적절하게 구성되었는가?

5. 아이디어가 실현 가능성이 있는가?

6. 아이디어가 창의적인가?

[교수․학습상 의 유의점]

아이디어 산출을 시작할 때 아무 렇게나 시작하면 미션을 수행할 때 많은 어려움 을 겪게 됩니다.

꼭 필요한 일을 빼먹거나, 하지 않아도 될 일을 반복적으로 하는 일이 발생할 수 있습니다. 그러 므로 아이디어 산출 계획을 철 저하게 세워 운 영할 수 있도록 해 주세요. ‘어 떻게 문제를 해 결할까?’ 꼭지는 이러한 일련의 과정을 모두 담 고 있습니다. 제 시된 순서대로 진행하시면 큰 어려움 없이 아 이디어 산출이 진행될 것입니 다.

필요한 기능상 구성 요소

각 구성요소에 적용할 수 있는 기술

제품의 설치 위치 및 디자인

제품 적정가격 및 시장 발전가능성

예상되는 문제점과 해결방안

다른 기능의 제품과 융합가능성

■ 아이디어 정리하기

아이디어를 개략적으로 정리해 봅시다.

■ 아이디어 제안서 작성하기

토의를 통해 얻은 아이디어를 제안서로 작성해 봅시다.

아이디어 제안서(상세)

문서분류

페이지번호 / 페이지 작성자

작성일자

아이디어제안자 성

명

소 속

학 번 내 용

아이디어의 종류

제목

개요 (그림포함)

현재의 문제점

기 대 효 과

현재 문제개선효과

■ 아이디어 평가 및 피드백

아이디어가 완성되면 평가를 하고 잘된 점은 더욱 발전시키고, 잘못된 점은 개선 해야 합니다. 그러기 위해서는 자체점검을 해보아야 합니다. 만약 문제가 생겼다면 어떤 단계에서 생겼으며, 해결 방법은 무엇인지 논의를 할 수 있는 기회를 가질 수 있습니다.

아이디어 명

해결과제 수행정도

해결과제

과제 수행정도

매우

좋음 좋음 보통 나쁨 매우

나쁨

아이디어의 잘된 점

•

•

•

•

아이디어의 단점 분석

및 보완 방법 (나의 생각)

나의 생각

고쳐야 할 점 방법

시제품 단점 분석

및 보완 방법 (우리의 생각)

우리의 생각

고쳐야 할 점 방법

■ 평가

다음의 체크리스트를 활용하여 학습 활동 전반에 대해 동료평가와 자기평가를 실시한다.

( )동료평가, ( )자기평가

체크리스트

평가 점수 평가 항목

평가 대상 ( ) 5

(매우우수)

(우수)4 3

(보통) 2 (미흡)

1 (매우미흡)

문제 상황 분석하기

열쇠의 장단점을 올바르게 파악하여 정 리하였는가?

열쇠를 대체하는 아이디어를 창의 적으로 기술하였는가?

음성의 특성과 음성인식 원리

조사하기

음성의 파동적 특성과 스마트폰의 음성인식 원리를 바르게 찾아 정리 하였는가?

목소리를 눈으로 듣자

컴퓨터 소프트웨어를 이용한 목소 리 스펙트로그램을 올바르게 추출 하였는가?

조원간 스펙트로그램의 공통점과 차이점을 바르게 기술하였는가?

목소리로 열리는 출입문

설계하기

목소리로 열리는 출입문의 아이디 어를 개발 제한점에 적합하도록 개 발하였는가?

아이디어 제안서에 아이디어를 효 과적으로 표현하였는가?

정의적 태도

모든 활동에서 모둠원들을 배려하 며 협업을 잘 진행하는가?

모든 활동에서 다른 학생에 대한 발표를 경청하고, 질문을 하면서 적 극적으로 수업에 임하였는가?

총합 ( )점 가. 동료평가

학생들은 모둠별로 다른 모둠의 학습 활동 전반에 대한 평가를 실시한 후, 평가 점수를 기록한다.

나. 자기평가

학생 스스로 자신의 학습 활동 전반에 대한 평가를 실시한 후, 평가 점수를 기록한다.

정보보안전문가를 꿈꾸며!

(스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기)

3~5 차시

고등학교

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[학생용]

학습목표

2009 개정 교육 과정

정 보

- 정보보안의 개념과 목표를 설명할 수 있다.

- 정보보안에 대한 위협에 알맞은 대응기술을 찾아내어 활용할 수 있다.

기 술 가 정

- 미래 기술과 우리 사회와의 관계를 이해하고, 미래 기술이 개인 적, 사회적, 환경적 측면에 미치는 영향을 평가 및 예측하며 미래 기술의 직업 세계를 탐색할 수 있다.

내용 목표

- 암호의 기초 용어와 암호문 작성 및 해독의 기본 원리를 설명할 수 있다.

- 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템의 원리를 설명할 수 있다.

- 정보 보안의 중요성을 이해하고, 정보 보호를 위한 실천 방안을 제시 할 수 있다.

과정 목표

- 스도쿠 게임을 활용한 패스워드인증 체계를 설계해 보는 활동을 통해 성취감 경험한다.

- 첨단 정보화 사회에서 정보 보호의 중요성을 알고, 실천하려는 태도를 갖는다.

- 정보 보호를 위한 실천 방안에 대한 토론 활동을 통해 협동과 배려, 소통의 중요성을 인식한다.

고등학교 STEAM

정보보안전문가를 꿈꾸며!

(스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템

만들기)

프롤로그

정보보안전문가는 구체적으로 어떤 일을 할까? 기본적으로 정보보안전문가는 컴 퓨터시스템의 정보를 보호하는 일을 한다. 해킹으로부터 온라인 및 오프라인 상의 보안을 유지하기 위해 필요한 프로그램을 개발하고 보안 상태를 점검하며 정보 보 호를 위한 다각적인 해결책을 제시하는 전문가를 『정보보안전문가』라고 한다. 정보 보안전문가들의 구체적인 업무는 다음과 같이 나눌 수 있다.

구분 세부 업무

CERT (Computer Emergency Res pons e Team)

컴퓨터 침해사고 대응팀으로, 보안관련 전반적인 업무를 수행한다. 해커 가 침투하여 시스템이 손상되면 신속히 복구하고, 해커를 역추적하여 찾아낸다.

보안관제 전문가

고객의 정보기술 자원 및 보안 시스템에 대한 운영 및 관리를 전문적 으로 담당한다. 각종 침입에 대하여 중앙 관제 센터에서 실시간으로 감 지 및 분석, 대응하는 서비스를 수행한다.

모의해킹 전문가

고객의 사이트나 시스템을 모의로 해킹하여 취약점 파악과 대응 방안 을 제시해주는 업무를 수행한다.

침해대응 전문가

정보 유출 시 발생하는 피해에 대해 발생 경로, 증거 수집 등을 진행하 며 주로 수사 기관이나 회사의 감사팀에서 담당하는 업무를 수행한다.

백신 개발자

악성코드 분석을 통한 문제점 파악 후 보안 프로그램(알약, V3 등)을 개발한다.

악성코드 분석 전문가

발생한 악성코드 파일을 분석하여 그에 대한 진단 방법을 만들어 엔진 에 적용하는 일을 한다.

보안 컨설턴트

IT분야의 오랜 경험과 실력을 바탕으로 기업의 보안 리스크를 최소화하 기 위해 위험 요소들을 분석하고 이에 따른 대응 방안과 정보시스템 구축 상담을 한다.

보안솔루션 개발자

통합보안 시스템 개발이나 장비개발 등 보안장비 관련 개발을 담당한 다.

출처 : http://k.daum.net/qna/openknowledge/view.html?qid=5AMWK 본격적인 정보화 시대가 시작되면서 국가 또는 기업 차원의 정보 보안뿐 아니라 개인 차원에서의 정보 보안도 갈수록 중요성이 부각되고 있다. 특히 최근 모바일 기기의 보급 속도가 빨라지고 휴대성이 증대되면서 점점 더 정보 보안이 핵심 문제 로 떠오르고 있다. 하지만 개인 이용자들의 정보 보안의 중요성에 대한 인식과 실 천 수준이 매우 낮은 편이어서 해커의 공격에 무방비로 노출된 경우가 많다.

상황제시

오늘 아침 뉴스에 지난주에 발생한 금융 기관 및 언론 기관에 대한 해킹 공격에 대한 피해가 보도 되었다.

2013년 금융 기관 전산 마비 사태 3월 20일 KBS, MBC, YTN, 신

한은행, 농협, 제주은행 등의 정보시스템 해킹에 따른 악성 코드 감염으로 내부시스템 파 괴 등의 사고 발생 이후 오늘 까지 추가적 피해신고 사례는 없었다. 금융기관 중 ○○은행 과 ○○은행은 복구를 완료하 여 정상화되었으며, ○○은행은 복구 작업이 진행 중에 있다.

KBS, MBC 등의 언론 기관도

약 10% 수준의 복구율을 보이고 있다. 이에 따라, 정부는 피해기관의 PC 복구 지원을 위하여 피해 PC의 삭제 자료 복구 기능을 탑재한 전용 프로그램을 개발 하고, 피해기관의 요청이 있는 경우 오늘부터 적극 지원할 계획이다.

<미래창조과학부 보도자료 중에서>

○○은행에서 일하시는 아버지 는 해킹 사건 이후로 벌써 1주일 째 야근 중이시다. 어제도 밤늦게 들어오셨는데 벌써 아침 일찍 출 근하셨다. 아버지께서는 무척 피 곤해 보였는데도 가족을 위해 웃 는 모습을 보여주시면서 출근하 셨다. 평소 컴퓨터 프로그램에 관 심이 있었는데 이번 사건을 계기 로 꼭 하고 싶은 일이 생겼다. 세 계 최고의 정보보안전문가가 되

고 싶다. 미래의 첨단 정보화 사회에서는 해킹에 의한 범죄가 더더욱 심해질 것이 다. 이런 해킹에 대한 방어뿐만 아니라 중요한 첨단 정보 시스템이 효과적으로 운 용될 수 있도록 해주는 전문가가 될 것이다. 최고의 정보보안전문가가 되려면 무엇

[참고자료]

2013년 3월 21 일 SBS 8시 뉴 스 화면

활동과 내용

Ⅰ. 생각 열기

■ (활동 1) : 정보보안전문가가 되려면?

1) 문제 상황을 간단히 정리해 봅시다.

2) 정보보안전문가의 세부 영역은 매우 다양합니다. 여러분은 어떤 영역에 가장 관심이 있나요? 한 가지를 선택하고, 해당 분야의 전문가가 되기 위해서 구체 적으로 배워야 하는 과목과 학습 내용을 정리해 봅시다.

세부 영역 과목 학습 내용

3) 정보 보안의 중요성과 가치에 대해 정리해 봅시다.

용어 설명 암호

(Cryptograph) 평문 (plaintext)

암호문 (ciphertext)

암호화 (encryption)

복호화 (decryption)

키 (Key)

■ (활동 2) : 정보보안전문가의 첫걸음: 암호학이란?

정보보안전문가가 되기 위해서는 암호, 암호화 알고리즘, 암호 분석의 원리를 이해 하고, 이를 통해 암호를 활용하는 방법을 알아야 합니다.

1. Flipped Learning(거꾸로 학습) 동영상을 통해 학습한 내용을 정리해 봅시다.

1) 제2차 세계대전과 에니그마(Enigma) : 암호 전쟁의 역사에 대해 정리해 봅시다.

2) 암호학에서 사용되는 용어의 뜻을 정리해 봅시다.

[교수․학습상 의 유의점]

이 활동을 수행 하기 위해서 학 생들은 수업 전 에 아래의 사이 트에 들어가서 동영상을 시청하 고, 수업에 참여 해야 합니다.

[참고자료]

(거꾸로 학습) 동영상 (1) EBS 영상 http://clipbank.

ebs.co.kr/clip/d etl/selectClipDe tail?subType=5 0000002&subM enu=50000003

&subList=50000 215&typeId=&cli pUuid=a87d77e 7-475a-470a-9 da8-7406ee0ee 697

(2) 블로그 http://blog.nave r.com/leonardo 19/2201334065 63

(3) YTN 과학 http://science.y tn.co.kr/progra m/program_vie w.php?s_mcd=

① 평문의 문자를 다음의 표를 이용하여 숫자로 나타낸다.

변환 전 A B C D E F G H I J K L M

변환 후 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

변환 전 N O P Q R S T U V W X Y Z

변환 후 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 (예) He is alive ⇨ 0805 0919 0112092205

② 숫자로 대치된 평문이 쉽게 해독될 수 있으므로 각 숫자마다 3을 더한다.

(예) 0805 0919 0112092205 ⇨ 1108 1222 0415122508

③ 암호문(1108 1222 0415122508)을 전달한다.

④ 암호문의 각 숫자에서 3을 뺀다.

⑤ 과정 ④에서 얻은 숫자를 과정 ①의 표에 대입하여 평문으로 해독한다.

■ (활동 3) : 암호의 원리는?

1. 줄리어스 시저의 암호

암호의 시작은 로마시대로 거슬러 올라갑니다. 줄리어스 시저가 자신의 가족들과 소통하기 위해 사용한 암호에 대해 알아봅시다.

1) 위의 내용에서 암호화 과정, 복호화 과정, 키(Key)를 찾아 설명해 봅시다.

2) 위의 방식을 한글에 적용하여 평문 ‘융합적 사고’를 전달해 봅시다.

2. 폴리비우스의 암호

폴리비우스는 그리스 시대의 역사학자였고, 그는 체스판 형태의 암호표를 이용한 암호 시스템을 만들어 사용하였습니다.

[출처]

‘암호문과 암호 해독 프로그램을 만드는 소수와 소인수분해’ / 안재찬 저

① 아래의 [그림 1]과 같이 체스판 형태의 암호표를 만든다. 이때 철자 i, j는 하 나의 자리에 배치한다.

② 알파벳이 일정한 순서로 배열되어 있으므로 암호 해독이 쉽다. 암호표의 순서 를 “mobile phone"을 이용하여 [그림 2]와 같이 바꾼다.

행 열 1 2 3 4 5

1 a b c d e

2 f g h i / j k

3 l m n o p

4 q r s t u

5 v w x y z

[그림 1]

행 열 1 2 3 4 5

1 m o b i / j l

2 e p h n a

3 c d f g k

4 q r s t u

5 v w x y z

[그림 2]

③ 평문 “STEAM”을 [그림 2]를 이용하여 암호문으로 바꾼다. 예를 들어 S에 해 당하는 암호는 숫자 43이고, T에 해당하는 암호는 숫자 44이다.

(예) STEAM ⇨ 43 44 21 25 11

④ 암호문(43 44 21 25 11)을 전달한다.

⑤ [그림 2]를 이용하여 암호문을 해독한다.

사용자의 편의성 측면

•

•

•

•

1) 위의 내용에서 암호화 과정과 복호화 과정을 설명해 봅시다.

2) 폴리비우스의 암호 방식과 줄리어스 시저의 암호 방식을 사용자의 편의성 측면 과 암호의 안전성 측면에서 비교해 봅시다.

■ (활동 4) : 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력 시스템 만들기!

1. 은행에서 현금 인출기를 인출할 때 4자리 숫자의 비밀번호를 이용합니다. 하지만 이런 방식은 보안에 매우 취약한 편입니다. 사용자의 정보를 알아내기 위한 공격 방법에는 어떤 것들이 있을지 생각해 봅시다.

2. 스도쿠 게임이란?

스도쿠는 숫자 퍼즐로, 가로 9칸, 세로 9칸 으로 이루어져 있는 표에 1부터 9까지의 숫 자를 채워 넣는 퍼즐이다. 게임 방법은 가로 와 세로 9칸씩 모두 81칸으로 이루어진 정사 각형의 가로줄과 세로줄에 각각 1에서 9까지 의 숫자를 한 번씩만 써서 채우는 것이다. 이 때 큰 정사각형(9행×9열)은 가로 · 세로 각 3 칸으로 모두 9칸인 작은 사각형(3행×3열) 9 개로 이루어져 있는데 그 9칸짜리 작은 사각 형 안에서도 1에서 9까지 숫자가 겹치지 않 아야 한다.

3. 스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 이해하기

사용자가 가지고 있는 정보(기존의 비밀번호)를 스도쿠 게임판에 대입하여 새로운 임 시 비밀번호를 생성하여 사용하기 때문에 사용자는 자신의 고유 비밀번호를 노출시킬 필 요가 없다. 비밀번호 입력시스템을 사용 과정은 다음과 같다.

(가) 9행×9열의 스도쿠 게임판(총 9개 블록)이 화면에 표시된다.

(나) 블록 숫자가 사용자에게 제공된다. 이때 다른 사람이 알 수 없도록 고객 이름 으로 등록된 전화를 통해 음성 또는 문자로 알려준다.

(다) 본인의 암호(기존의 비밀번호)와 블록을 비교하여 교차로의 숫자 확인한다.

(라) 임시로 생성된 비밀번호(교차의 숫자)를 입력한다.

[블록]

9×9의 스도쿠게 임판은 3×3의 작은 영역 9개 로 이루어져 있 는데 이를 블록 이라고 한다.그 림에서 블록을 초록색 큰 숫자 로 표시하였다.

[스도쿠퍼즐]

수학자 펠겐하우 어와 자비스는 동일하지 않는 스도쿠 퍼즐을 구성할 수 있는 경우의 수가 5,472,730,538 개라고 하였다.

사용자의 편의성 측면

•

•

•

암호의 안전성 측면

•

•

•

문제점 개선 방안

비밀번호가 35인 경우

< 비밀번호 입력시스템 이용 예 >

① 블록 ‘2’와 ‘6’을 사용자에게 알려준다.

② 사용자의 비밀번호를 ‘35’라고 할 때 ∙ 블럭 2에서 숫자 ‘3’, 블럭 6에서 숫자 ‘5’

의 위치를 확인한다.

∙ 십자 형태의 교차로(초록색과 붉은색)가 서로 겹쳐지는 위치의 숫자를 확인한다.

③ 교차로가 겹쳐지는 위치의 숫자 ‘6’과 ‘9’

가 임시로 생성된 비밀번호이다.

④ 생성된 비밀번호 ‘69’를 입력한다.

위에서 설명한 ‘스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템’을 사용자의 편의성과 암호의 안전성 측면에 대해 자신의 생각을 정리해 봅시다.

5) ‘스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템’의 개선 방안에 대해 토론해 보고 개선된 입력시스템을 제안해 봅시다.

① 문제점과 개선 방안을 정리해 봅시다.

모둠명 ‘비밀번호 입력시스템’

아이디어의 핵심 안전성 편의성

② 개선된 ‘비밀번호 입력시스템’의 이용 설명서를 작성해 봅시다.

③ 모둠별로 발표한 ‘비밀번호 입력시스템’의 이용 설명서에 대해 정리해 봅시다.

실천 방안 이유 또는 목적

Ⅱ. 생각 다지기

■ (활동 5) : 개인정보보호를 위한 실천방안을 논의해 보자!

모둠별로 개인정보보호를 위해 우리가 일상생활에서 실천할 수 있는 여러 가지 방안에 대해 토론해 봅시다.

■ 마무리 정리

‘정보보안전문가를 꿈꾸며!’ 라는 주제의 활동을 하면서 자신이 느낀 점들을 자유 롭게 정리해 봅시다.

■ 평가

자신과 친구들이 발표한 새로운 아이디어에 대해 자기/동료 평가를 합니다.

평가

방법 평가영역 평가기준

평 가

상 중 하

자기 평가

감성적

체험 ◆ 즐거운 마음으로 활동에 참여하였는가?

창의적 설계

◆ 아이디어의 발상과 선택이 창의적이었는가?

◆ 제품(스도쿠 게임을 활용한 비밀번호 입력시스템 만들기) 의 설계가 창의적인가?

◆ 여러 가지 요소(경제적, 환경적)를 생각하기 위하여 노력 하였는가?

동료 평가

감성적 체험

◆ 모둠별로 역할 분담이 잘 되었으며 협동적으로 활동이 이루어졌는가?

■ 보상

교사와 학생들의 평가 점수를 합산하여 상위 팀 또는 개인에게 상장 및 상품을 제공합니다.

나를 지켜주는 자동차

(육상교통안전)

6~8 차시

고등학교

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[학생용]

학습목표

2009 개정 교육 과정

물 리

Ⅰ

- 뉴턴의 운동법칙을 1차원 운동에 적용하고, 스포츠 등에서 충격량 과 운동량 변화의 관계를 이해한다.

공 학 기 술

- 미래의 공학기술 동향과 발전하게 될 공학 분야의 직업의 세계에 대한 이해를 통해 자신의 진로와 연관 지어 자기 적성 인식을 강 화하고 이를 진로 계획 수립에 적용할 수 있다.

내용 목표

- 자동차 안전에 관련된 기술을 자동차 모형을 이용해 설명할 수 있다.

- 모의 충돌 실험을 통해 운동량과 충격량의 관계를 설명할 수 있다.

- 모의 충돌 실험을 통해 충격량을 최소화시키는 방안을 설계할 수 있 다.

과정 목표

- 모의 충돌 실험을 통한 안전한 자동차를 설계, 제작해봄으로써 성취감 경험한다.

- 현재 자동차 안전기술을 조사하는 과정을 통해 과학 기술의 유용성을 인식한다.

- 자동차 설계를 위한 아이디어를 창출하는 과정에서 의사소통의 중요성 인식한다.

고등학교 STEAM

나를 지켜주는 자동차

(육상교통안전)

프롤로그

■ 지능형 자동차

지능형 자동차는 전기, 전자, 통신, 기계, IT 기술과의 융합을 통해 안전성 및 편 의성을 획기적으로 향상시킨 자동차로 주행 안정성을 극대화시킨 첨단 안전차량이 다. 지능형 자동차는 고안전 지능형차량(Advanced Vehicle Safety : ASV), 차량정보 통신 텔레메틱스, 첨단교통시스템(Inteliigent Transportation System : ITS)로 구성되 어 각기 자율주행, 차량 네트워크 시스템, 첨단안전시스템, 차량정보통신 내비게이 션, 텔레메틱스로 이루어져 있다.

지능형 자동차의 안전 기술은 종래의 자동차 기계기술에 IT 기술과 전자제어기술 등의 융합을 통해 차량의 결함, 사고 예방 및 회피, 충돌 등 위험상황으로부터 운전 자 및 탑승자를 보호하여 교통사고 및 피해를 획기적으로 줄일 수 있는 기술로 정 의된다.

등장배경으로는 첫째, 매년 증가하는 교통사고 건수와 인명 및 재산피해에 대한 위험은 안전성 개선에 대한 연구와 투자를 더욱 증대시킨다. 교통사고 사망자 수를 줄이기 위해 세계적으로도 자동차 탑승자의 안전과 편익을 우선해 오던 자동차 기 술이 요즘에는 보행자를 보호하는 쪽으로 진화하고 있다.

둘째, 자동차 부품의 전자화이다. 자동차에 장착되는 IT 기기 센서, 소프트웨어가 증가하고 있으며, 최근 애플 등 IT 기업의 자동차 시장 공략이 본격화되고 있다. 전 자부품 및 기기의 제조원가 비중이 2012년에 20~25%에서 2015년에는 40%로 증 가할 것으로 전망된다.

셋째, 자동차 안전에 대한 각국 정부의 규제 강화 및 표준화 확대이다. 안전 규제 및 시스템 장착을 의무화하고 있으며, 시스템 상용화를 위한 국제 표준 제정 작업 도 활성화되고 있다. 보행자 안전을 고려한 자동차 기술은 선택이 아니라 의무로 변해가고 있다.

[출처]

지능형자동차 안 전기술 개발 동 향 – 대구기계부 품연구원

용, 차량-노변간, 차차간 정보를 융․복합한 V2X 통합 안전기술이 있다.

지능형 자동차 안전시스템은 정보제공 및 경고, 사고회피, 추돌 피해 경감, 충돌 후 피해 경감, 피해 확대 방지 등으로 분류된다.

정보 제공 및 경고로는 지능형 순항제어(Intelligent Cruise Control : ICC), 차선유 지 도움장치(Lane Keeping Assist System : LKAS), 적응형 전조등 시스템(Adaptive Frontlighting System : AFS), 지능형 야간 투시 시스템(Intelligent Night Vision System : INVS), 사고 회피로는 브레이크 잠김 방지(Anti-lock Brake System : ABS), 차량 안정 어시스트(Vehicle Stability Assist : VSA), 추돌 피해 경감으로는 충돌 완 화 브레이크 시스템(Collision Mitigation Brake System : CMBS), 비상 스티어링 어 시스트(Emergency Steering Assist : ESA) 등이 있다. 충돌 후 피해 경감으로는 안전 차체 구조(Safety Body Structure : SBS), 보행자 안전시스템(Pedestrian Safety System : PSS), 에어백, 안전벨트 등이 있다. 피해 확대 방지로는 차량 화재발생 제 어, 차량 탈출/구출 용이 설계, 의료기관 지원시스템, E-Call 등이 있다.

이러한 안전기술 중 능동형 머리보호장치(Active Head Restraint : AHR)는 운전 중 갑자기 자동차 뒷면의 충돌사고가 발생할 때 즉각 앞으로 튀어나와 운전자의 머리 를 지지하여 다시 부딪히는 것을 방지한다. 추돌사고 시, 목에 가해지는 압력을 최 소화하여 골절 위험을 줄여주며, 의자 등받이와 머리 지지대가 동시에 쿠션 역할을 하여 머리와 허리의 충격을 완화시켜 줌으로써 목 부상을 줄여주는 카 시트에서 진 화된 것이다.

둘째, 스마트 에어백은 차량 충돌 감도의 검출/결정, 승객들의 위치와 데이터의 검출, 안전벨트 사용 여부 및 유아시트 존재여부 검출 등을 신속히 판단해서 충돌 시 에어백과 승객 시트벨트 프리텐셔너(pretensioner)의 작동을 명령하여 승객의 상 해를 최소화한다.

셋째, 첨단 안전벨트 제어기(Advanced Seat Belt Pretentioner : ASBP)이다. 기존 의 안전벨트 제어기 시스템은 차량사고가 발생했을 때 운전자가 확실히 의자에 안 착할 수 있도록 안전벨트를 조여준다. 반면, 첨단 안전벨트 제어기는 충돌이 임박했 을 때 자동적으로 의자와 벨트를 조정하여 충돌로부터 신체를 보호한다.