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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.4 pp.103-110
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.4.103

Development of Video Transmission Device for Monitoring of a Cable-Based Retractable Roof

Soohong Ahn*, Sudeok Shon**, Seungjae Lee***, Joo-Won Kang****
*Acrovision Inc.
***Dept. of Architectural Engineering, Koreatech Univ.
****School of Architecture, Yeungnam University
교신저자, 정회원, 한국기술교육대학교 건축공학과 연구교수 Dept. of Architectural Engineering, Koreatech Univ. Tel: 041-560-1334 Fax: 041-560-1224 E-mail: sdshon@koreatech.ac.kr
November 6, 2019 November 20, 2019 November 20, 2019

Abstract


The cable-based retractable membrane roof makes it impossible to maintain its shape and stiffness during driving process, unlike the hard-type retractable roof. Consequently, monitoring using a relatively simple wireless video transmission device is required. However, since video data has a bigger transmission rating than other monitoring data in terms of the structure velocity or acceleration, there is a need to develop transmission device that is easy to install and entails low maintenance cost. This paper studies on a real-time video transmission system for monitoring the cable-based retractable membrane roof while driving. A video transfer software, using the mobile network, is designed and the embedded system is constructed. Ultimately, the data transmission server is tested. Connecting a trolley to the system allows testing of the validity and efficiency of the developed system through the video data transmitted in the driving process. Result of the test shows that the developed system enables multi-device data transfer with monitoring via the mobile network.



케이블-기반 개폐식 지붕의 모니터링을 위한 영상 전송 장치 개발

안 수 홍*, 손 수 덕**, 이 승 재***, 강 주 원****
*주저자, 정회원, ㈜아크로비젼, 대표이사
***정회원, 한국기술교육대학교 건축공학과 교수, 공학박사
****정회원, 영남대학교 건축학부 교수, 공학박사

초록


    1. 서론

    건축 구조물에서 개폐식 지붕은 스마트 시스템과 는 달리 자연으로부터 인간의 외부 활동을 보호하 기 위해 시도된 것으로 오래전 로마 콜로세움에서 도 찾아볼 수 있는 기계적 건축 요소이다. 현대 경 기장 지붕의 개폐 장치에 대한 요구는 과거와 크게 다르지 않지만 다양한 기술의 접목으로 규모와 기 능이 발전되었고, 개폐 지붕의 기술이 점점 대중화 되고 있다. 오늘날 세계 곳곳에서 개폐할 수 있는 기계화된 대형 스포츠 경기장을 어렵지 않게 찾아 볼 수 있다1-3).

    과거 로마 콜로세움 이후 개폐 지붕의 대중화는 그다지 발전하지 못하였다. 그 원인은 대형 기계화 된 건축 요소들의 설계, 제조 및 설치가 기존 경기 장의 재래식 설계 및 시공에 적합하지 않으며, 설계 표준, 가이드, 표준 사양과 같은 부분들이 잘 갖추 어지지 않은데 있다고 할 수 있다4). 하지만 현재는 대형 기계화 기능의 건설 비용 문제 및 잠재적 위험 에 대해서 기계화 설계의 효과적인 통합 방법과 다 양한 기술적 융합 시도로 효율적이고 신뢰성 높은 시스템을 제공하고 있다3),4). 기계화된 건축 요소는 근본적으로 유연성 있게 경기장을 개발하는 역할을 한다. 또한 다목적 경기장의 요구 조건을 쉽게 충족 할 수 있어 경제적인 측면에서도 유리하다. 특히 20세기 후반에 접어들면서 가변적 요소들의 발전과 함께 기능 적응 시스템 기술의 개발 속도도 빨라지 고 있다5),6).

    개폐 구조는 지지 구조 시스템과 운동 형식에 따 라 분류될 수 있으며7), 확장 시스템을 포함한 운동 방식의 분류와 동작 유형에 따른 분류가 Ishii(2000) 와 Masubuchi(2012)의 문헌에 소개되어 있다3),8). 운 동 방식에 따른 분류는 회전, 병진 등이 있으며, 축 을 중심으로 접혀지거나 수축하고 선회하는 방식 또는 축의 증가로 인해 변형된 운동 등이 있다. 또 한 구조물의 강성에 따라 개폐 구조를 분류하는 방 법도 있으며1),2), 케이블이나 막과 같이 비교적 가벼 운 무게의 시스템을 개폐하는 연성 개폐 구조와 육 중한 프레임을 이동시키는 강성 개폐 구조로 분류 되기도 한다<Fig. 1>9),10). 이러한 개폐 지붕은 운동 방식이 비슷하더라도 운행 조건이나 환경에 따라 개폐에 대한 특성이 다양하므로 구조 계획은 구동 제어에서 유지 관리까지의 설계가 요구된다.

    개폐식 지붕은 사용 목적, 요구 사항, 환경 조건, 규모, 경제성 외에도 구조적 측면에서 개폐에 따른 안전, 구조 안정성, 개폐 빈도와 속도, 개폐 제어, 시 스템의 유지 관리 등을 염두에 두고 개폐 구조물의 형식을 선택하여야 한다. 개폐 구조는 실내에서도 자연 환경의 안락함을 누릴 수 있는 경계 없는 환경 이 제공 가능한 독특한 설계를 하며, 설계 시 닫힌 상태와 열린 상태의 변환 과정에서 발생하는 구조 안전 문제를 고려해야 한다. 특히 지붕의 여닫는 과 정은 지속적인 모니터링이 필요하다.

    개폐 과정의 모니터링은 강성 구조물의 경우 타 워 크레인 기술에서 착안한 방법이므로 이와 유사 한 개폐 제어 시스템이 설계된다. 개폐 과정 모니터 링을 통해 동기화된 주행과 안정적인 구동력의 제 공, 효율적인 에너지 소비, 위급한 상황에서의 제동 시나리오 등이 가능하며 기술자에게 관련 정보를 제공해 준다. <Fig. 2>는 후쿠오카 돔의 개폐 제어 에 대한 정보 흐름을 나타낸 것이다. 풍속이나 가속 도와 같은 감지 센서 데이터와 주행 영상 데이터를 통하여 구조물의 상태를 파악하고 매뉴얼에 따라 개폐 여부를 판단할 수 있도록 대응한다. 텍사스 휴 스턴에 위치한 NRG 경기장9)도 지붕 상태 진단 및 문제 해결 기능을 갖춘 현대적 제어 시스템이 도입 되어 원격 조정이 가능하고, 작업자에게 고장 발생 에 대한 해결 방법을 알려주는 시스템이 설계되었 다<Fig. 3>. Riberich(2008)는 엔지니어로부터 실시 간 기술 지원을 받을 수 있도록 개폐 모니터링 시스 템이 설계되어야 하며, 개폐 조작 화면을 관찰하고 유선 원거리 기술 지원이 제공되어야 함을 언급한 바 있다4). 이와 같이 개폐 구조물의 유지 관리를 위 한 모니터링은 끊임없이 작동되어야 하며, 구조 안 정성을 확보하기 위해 기상 조건, 사용 조건 등에 따른 계획된 관리 체계를 세운다. 그러나 관리 계획 은 개폐 시스템에 따라 다소 차이가 있으며, 주로 케이블에 지지되어 개폐되는 가벼운 무게의 연성 개폐식 구조물은 중량이 큰 강성 개폐와 다른 개폐 시나리오를 가진다.

    케이블 기반의 개폐식 막 구조10)는 주로 케이블 지지 구조에 의지하여 개폐되며, 강성 구조와 달리 닫힌 상태가 될 때까지 독립적인 구조 안정성을 가 질 수 없다. 가벼운 소재의 막은 트롤리나 슬라이더 와 같은 비교적 작은 구동력이 있는 견인 장치에 이 끌려가며, 강성 개폐에 비해 빠르게 움직일 수 있다. 바람이나 적설에 대해서도 열린 상태로 유지하는 것이 구조물에 유리할 수 있다. 그러나 강성 개폐 모니터링에서는 영상 카메라나 센서가 구동부나 이 동하는 구조물에 고정되어 있고, 이동 중에도 형태 를 유지할 수 있어 전력 등을 쉽게 공급받을 수 있 지만 연성 개폐의 경우는 그렇지 않다. 이러한 까닭 에 연성 개폐에 필요한 무선 영상 전송과 전력 공급 이 용이하도록 설계된 모니터링 시스템에 대한 연 구가 필요하다.

    모니터링을 위한 가속도, 속도, 바람 등의 데이터 는 영상에 비해 전송 데이터의 양이 작기 때문에 제 품의 소형화, 구동 전력의 최소화 및 다양한 인터페 이스와의 연결이 가능하도록 개발되었다. 영상의 경 우 데이터의 양이 많기 때문에 여러 가지 어려움이 있으며, 최근 기존의 모바일 통신망을 이용하여 무 선 데이터를 전송받는 방법이 시도되고 있다11-14).

    본 연구에서는 케이블 기반의 개폐 지붕에 대한 구동 모니터링 시스템의 영상 전송을 위한 장치를 개발하고 케이블 지지 개폐 장치의 트롤리에 연결 한 후 구동 과정을 모니터링 하여 장치의 유효성과 데이터 전송 정도를 검토하도록 한다. 무선 전송을 위해 기존의 모바일 네트워크를 이용하는 장치의 설계 개념을 제안하며, 다중 장치에 데이터 전송이 가능한 시스템을 개발한다. 논문의 구성은 2장에서 영상 전송 장치의 설계와 모듈 테스트를 다루고, 3장 에서 데이터 전송 테스트 모델과 실험 전송 결과를 다루도록 한다. 4장에서 장치 설계와 전송 테스트 결과를 바탕으로 결론을 도출한다.

    2. 영상 전송 장치의 설계

    개폐 지붕의 구동 시스템은 개폐 상황이 발생되 는 한 지속적으로 모니터링 되어야 한다3). 또한 상시 육안 관찰을 위한 영상 정보가 정확하게 송신되어야 기술자가 개폐 상태를 판단하고 발생된 문제에 대한 해결 방안을 송신된 원거리에서도 제시할 수 있다.

    강성 개폐식 지붕은 카메라나 센서를 주행부에 설치하여 유선으로 전력을 공급받고 데이터를 전송 할 수 있다. 그러나 케이블에 지지되어 트롤리로 이 동하는 개폐 막의 경우 전력과 데이터 전송을 무선 으로 처리하여야 하고, 주행부가 매우 작은 트롤리 이므로 전송 장치도 가벼워야 한다. 특히 주행부의 특성상 케이블 포설이 어렵고, 통신 거리가 최대 30m 이내인 WiFi로는 경기장의 전 영역을 전담하 기에는 어려우며 추가 설치에 대한 비용도 발생한 다. 더군다나 신호 강도에 따라 재접속해야 하는 무 선 AP(Access-Point)의 특성상 자주 끊기는 현상이 발생하므로 지속적인 관찰에 문제가 생길 수 있다. 이러한 이유들로 인해 이동하면서도 통신의 신뢰성 을 보장할 수 있고 설치 비용 측면에서도 합리적인 기존 이동 통신망인 LTE망을 이용한 영상 전송 기 술을 적용하는 것이 적합하다.

    2.1 영상 전송 기술 개요

    기존의 IP를 가지는 영상 서버(CCTV 카메라 또 는 비디오)는 클라이언트(Client)가 서버(Server)에 접근하듯이 카메라와 비디오 서버에 접근하여 영상 을 가져온다. 이때 유동 IP는 고정 IP와 달리 클라 이언트의 접근이 어려워질 수 있다. LTE망의 경우 이동 통신 장비(Mobile device)인 스마트폰(Smart phone)에 맞추어져 있는데 유동 IP는 스마트폰에서 앱(App) 프로그램이 실행될 때 임시의 IP를 부여하 여 데이터 통신이 가능하게 하고, 작업이 끝난 후 IP를 회수하여 다음 접속자에게 할당한다. 이는 IP 자원의 한계성에 기인한 것으로 많은 장치(Device) 에 IP를 고정으로 할당할 수 없기 때문이다. 고정적 이고 안정적인 접속을 유지하는 방법을 개발하는 것은 영상 무선 전송이 당면한 큰 문제이다. 특히 고정 IP 회선의 비용은 유동 IP에 비해 비싸기 때문 에 유동 IP 환경에서 동작할 수 있는 방법이 필요하 다. 기본적인 설계 개념은 <Fig. 4>와 같은 방식으 로 고정 및 유동 IP에 모두 작동할 수 있게 설계한다.

    2.2 데이터 전송 소프트웨어

    LTE망을 이용한 데이터 전송은 클라이언트의 요 청을 무선 전송 장치의 서버 섹션에서 받아들이고, 클라이언트 섹션에서 실제 영상 정보 서버로 요청 하여 얻은 데이터를 LTE망을 통해서 전달한다. CCTV 또는 비디오 서버에 접속한 영상을 받는 클 라이언트 부분과 다른 외부 클라이언트의 접속에 대응하여 영상을 전송해주는 서버 부분을 하나의 장비(Device)로 소프트웨어를 구현하는 것이 중요 한 기술로서 <Fig. 5>에서 보는 바와 같이 최적화 되어 개발된다.

    장치의 작동 과정은 ① 클라이언트의 요청 시 라 우터와 인코더 간 통신 세션 연결, ② 서버 요청 시 인코더로부터 데이터 수신, ③ 인코더에서 수신한 데이터를 정의된 네트워크 스트림 전송 형식으로 변환, ④ 모바일 통신 네트워크 및 인터넷을 통한 데이터 전송으로 이루어진다. 프로그램 언어는 리눅 스에서 동작할 수 있게 C/C++로 개발되고, 임베디 드 보드(Embedded board)에 포팅(Porting)할 것을 염두에 두어서 <Fig. 6>의 가상 코드(Pseudo code) 와 같이 간결화 하였다.

    2.3 임베딩 보드와 인터페이스

    무선 영상 전송을 위한 하드웨어 장치는 임베디 드 프로세서를 탑재한 보드로 구현하는 것이다. 일 반 고성능 PC에 비해 제한적이지만 기본 프로그램 만 포팅하는 작업으로 하드웨어를 개발하는 것이 시간적인 측면에서 유리하다. 이미 다수의 프로젝트 에 적용되어 많은 어플리케이션 프로그램을 보유중 인 ARM9 CORE를 가진 프로세서가 탑재된 임베디 드 보드를 선정하였다. 포팅 결과, 기본 프로그램을 동작시키기에 적합한 성능을 보였다. 향후 예상되는 확장에 대비하여 Quad-Core ARM Cortex A53 64-Bit 프로세서를 선정하였으며 <Fig. 7>에서 보는 바와 같은 SOPINE A64 보드15)이다. 장치의 구성은 2G LPDDR3 RAM, 파워 매니지먼트 유닛(Power management unit), 128Mb SPI 플래시 메모리와 마 이크로 SD 슬롯, 다양한 주변 장치와의 인터페이스 모듈을 갖추고 있으며, 예상되는 확장에 대한 기능 의 구현이 가능할 것으로 판단된다.

    기본적인 동작 테스트를 수행한 SOPINE A64 보 드는 크기의 최소화를 위해 필요한 기능만 가지도 록 설계된 하드웨어이며, 회로 신호의 안정화를 위 한 패턴 임피던스(Impedance) 매칭과 전원의 안정 성 및 효율화에 중점을 두어 설계된 것이다. <Fig. 7> 과 같이 샘플 보드와 필요한 연결 부품들을 준비하 여 테스트 프로그램을 업로드(Upload)하였으며, 하 드웨어 기능의 동작 유무를 검증하였다. 최종적으로 모니터링을 위해 개발된 소프트웨어를 업로드 하여 영상 전송 장치로서의 동작을 테스트하며, 계속적인 알고리즘의 개선과 보완 과정을 통해 성능을 최적 화 하고 효율성을 높인다.

    2.4 영상 전송 모듈의 테스트

    개발된 영상 전송 장치로 전송된 데이터를 다중 장치에서 수신할 경우 각 클라이언트들이 서버에 접속하여 데이터를 받는 시스템이 필요하다. 이를 통해 전송된 영상은 PC나 스마트폰에서 동시에 확 인이 가능하다. 즉 관리를 위한 모니터링과 기술적 지원을 받기 위한 원거리 기술자들이 동시에 접속 할 수 있으며, 시각화된 데이터를 확인하기 위한 장 비들도 제어실뿐만 아니라 LTE망이 지원되는 장소 라면 어디에서든지 가능하다. 이들을 테스트하기 위 해서 <Fig. 8>과 같은 환경을 계획하고, 개발된 영 상 전송 장치의 LTE망을 통한 작동과 전송 성능을 검증하였다. <Fig. 8>에서 좌측의 녹색 장치 부분이 제작된 영상 전송 장치이며, 우측의 미디어 스트리 밍 서버 부분은 전송된 영상을 받아 디코딩 (Decoding)하여 화면에 표시한다. 특히 실시간 스트 리밍 프로토콜(Real Time Streaming Protocol: RTSP) 미디어 서버는 PC, 테블릿, 스마트폰 등 데 이터를 받고자 하는 여러 대의 단말기(Terminal device)의 멀티 접속(Multi-access)을 허용하고 영상 을 제공해주는 워크스테이션(Workstation)이며, 미 디어 서버 프로그램이 작동하고 있다.

    영상 전송 장치의 테스트를 위해서 <Fig. 8>에 따 라 <Fig. 9>의 테스트 블록을 구축하였다. 좌측에서 부터 본 연구에서 개발된 영상 카메라, 영상 전송 장치, LTE 라우터, 외부 인터넷이 연결된 공유기, 미디어 서버와 노트북이다. 서버에서 전달된 전송 결과는 <Fig. 10>과 같이 작동하고 있음을 확인하 였다. 라이브 영상 전송에서는 시점과 미디어 서버 가 받는 종점의 시차가 중요하다. 이를 위해 각 장 비를 시간 동기화하여 테스트한 결과, LTE망의 시 간 지연(Time-delay)이 약 2~4초 발생하는 것을 확 인하였다. 이는 LTE망의 기지국에서 전달되는 시간 차이로 볼 수 있다.

    3. 개폐식 지붕의 구동 영상 전송

    영상 전송 대상 구조물인 <Fig. 1 (a)>와 같은 개 폐식 지붕의 구동 방식은 구동원이 무엇이며, 어떤 방식이냐에 따라 다르지만 <Fig. 11>과 같은 고정 식 구동 시스템(Stationary driving system)을 대상 으로 영상 전송 상태를 살펴보도록 한다. 이 시스템 은 트롤리들에 연결된 접힌 막이 주행 트롤리를 따 라 펼쳐지며, 연결된 이동 트롤리들은 일정 거리가 펼쳐지면 구동 트롤리를 따라 움직인다.

    3.1 개폐식 막 지붕 구동 장치와 전송 장치

    영상 전송을 위한 테스트용 케이블 구조 시스템 은 <Fig. 12 (a)>와 같고, <Fig. 11>의 구동 시스템 개념과 동일한 방식이다. 대상 모형은 <Fig. 12 (b)> 에서 보는 바와 같이 주행 트롤리 1대와 연결된 이 동 트롤리 2대로 구성되어 있으며, 주행 트롤리를 연결한 케이블이 구동 모터에 의해서 움직인다. 스 포크-휠 케이블 구조에서 나타나는 케이블의 고정 점을 고정하기 위해서 연결된 트롤리는 케이블의 이동 거리가 10m이며, 2개의 케이블 고정 철물이 주행 중 나타난다. 데이터의 실시간 무선 전송이 목 적이므로 트롤리에는 접힌 막이 설치된 것이 아니 라 연결 철물로 일정 거리를 넘어서면 이동 트롤리 들이 연결된 트롤리를 따라 움직이도록 설계되었다.

    영상 및 음성 전송 장치의 설치는 <Fig. 13 (a)> 와 같고, 주행 트롤리 앞부분에 모니터링 카메라와 마이크가 설치되어 있다. 연결된 전송 장치와 배터리 및 소형 라우터를 트롤리 옆면을 따라 설치하였고, 주행 중 이탈하지 않도록 고정하였다. 주행 중 트롤 리들이 모두 펼쳐졌을 때는 <Fig. 13 (b)>와 같이 주행 트롤리를 따라 연결된 고리가 최대한 펼쳐진다.

    3.2 영상/음성 데이터 전송 및 저장

    무선 데이터의 LET 기반 전송 상황은 <Fig. 14> 와 같으며, 트롤리에 설치된 영상이 구동 중 실시간 으로 전송되는 것을 보여주고 있다. <Fig. 15>에 초 기 시작점과 연결 철물 및 최종 도달 위치에 대한 각각의 전송된 영상을 나타내었으며, 영상 정보와 주변 상황을 화면을 통해 알 수 있다.

    카메라를 통한 영상 정보와 마이크를 통해 전송 된 음성 정보는 <Fig. 16>과 같다. 음성 정보의 특 성은 스펙트럼 해석을 수행하여 나타내었으며, 데이 터에서 이동 중 나타나는 마찰음과 연결 철물에 의 해 발생하는 음성 정보를 힐베르트 변환과 파워 스 펙트럼으로 관찰할 수 있다. 이와 같은 영상 및 음 성 정보는 실시간으로 스마트폰, 테블릿, 컴퓨터 서 버에 전송되며, <Fig. 17>과 같이 일정 시간별로 서 버에 저장되어 특성을 분석할 수 있다.

    4. 결론

    본 논문은 케이블 기반 개폐식 지붕의 구동과 유 지 관리를 위한 모니터링용 영상 전송 장치에 대해 서 연구하였다. 실시간 영상 전송을 위해 기존의 영 상 전송 시스템과 달리 LTE망을 이용한 시스템의 설계 방법을 제안하였다. 설계된 무선 영상 전송 장 치는 클라이언트에서 영상 서버로 전달되는 호출을 개발된 장치 내 서버 섹션과 클라이언트 섹션에서 무선 영상 전송이 가능하도록 처리한다. 이 과정에 서 각 블록 단위 테스트 결과, 영상 장치의 데이터 전송 유효성이 검증되었고, 이동 통신 네트워크에 의한 간결한 시간 지연이 예상되었다. 개발된 장치 를 케이블 기반 개폐 장치의 트롤리에 설치하여 영 상 전송 테스트를 하였으며, 서버를 통해 이동 통신 장비에서 전송된 결과를 확인할 수 있었다. 테스트 결과, 트롤리의 주행 상태를 실시간으로 확인할 수 있었으며, 개폐 장치의 구동 모니터링에 유효함을 확인하였다. 이상과 같은 무선 영상 전송 장치의 개 발은 인터페이스의 확장을 통해 케이블-기반 개폐 지붕의 구동 및 유지 관리를 위한 모니터링 장치로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원(19AUDP-B100343-05)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Examples of soft- and hard-typed retractable roofs9),10)

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    Information flow relating to control - Hukuoka Dome3)

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    Control screen of the Reliant stadium in Houston4)

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    Example of a network environment according to embodiment

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    Flow-chart for a wireless video transmission software

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    Virtual code of the developed transmission software

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    SOFINE A64 Board15)

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    Demonstration environment of an embedded media streaming package

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    Developed video transmission device and testing

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    Process to transmit RTSP data to a client through a system

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    Driving cable system for retractable roof8)

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    Detail of driving test model

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    Driving test of trolley for developed transmission device

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    Video and sound monitoring by using LTE network

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    Video data during driving

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    Audio data and time-frequency spectrums

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    Real-time video and audio data storage of driving test

    Table

    Reference

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