[기고] 왜 최신 자동차는 갈수록 비전 시스템을 찾을까

  • 2020-08-06
  • 글 / 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)


단순한 리버싱 카메라 넘어 강력한 이미징 솔루션으로 발전

다양한 방식의 센서들이 자동차에 사용되고 있으며, 센서들을 결합한 센서 융합을 통해서 안전성을 높일 수 있다. 미래의 자동차를 위해서는 비전 기능이 핵심적이며, 이미 다수의 중급형 모델들이 다중의 비전 센서를 사용해서 자신의 주변을 감지하고, 도로 표지판을 판독하고, 운전자를 모니터링할 수 있게 되었다.



미국 고속도로 교통 안전국(NHTSA)에 따르면, 모든 이동하는 자동차에는 위험한 요소가 하나 있는데 그것은 바로 운전대 뒤의 사람이라고 한다. 이 기관에서 2,189,000건의 도로 교통 사고에 대해서 조사를 실시한 결과, 이 중의 94%(2,046,000건)가 운전자 과실인 것으로 판명되었다. 운전자 과실의 주된 원인은 주의력이 떨어지거나 산만해지는 것이었다.

이것이 운전자 과실로 인한 사고의 41%를 차지했다. 도로 사용자의 안전은 무엇보다도 중요한 문제이며, 이러한 인식에서 세계 주요 자동차 업체들이 자사 차량으로 운전자를 보조할 수 있는 기능들을 계속해서 추가하고 있으며 장기적으로 미래에 운전자가 필요 없게 될 향상된 시스템을 개발하고 있다.

운전자의 가장 중요한 역할은 주변을 살피고 속도와 방향을 조절해서 적절히 대응하는 것이다. 그러기 위해서는 운전자가 장애물, 속도 제한, 여타 도로 표지판, 날씨 상황 같은 많은 것들에 주의를 기울여야 한다. 자동차가 운전자를 보조하기 위해서는, 그리고 궁극적으로 자율 운전을 통해서 완전히 사람을 대신하기 위해서는, 자동차가 이러한 일들을 적어도 사람과 같은 수준으로 수행할 수 있어야 한다.

자동차 회사들이 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 기술을 도입함에 따라서, 자동차로 다양한 방식의 센서들을 사용해서 다양한 데이터를 포착하고 있다. 이 중에서도 가장 빠르게 증가하고 있는 것이 비전 기반 센싱으로서, 단순한 리버싱 카메라를 넘어서 고도로 향상된 강력한 이미징 솔루션이 가능할 정도로 빠르게 발전하고 있다.

차량용 카메라 애플리케이션

전방 카메라가 하이엔드뿐만 아니라 중급형 차량으로까지 빠르게 도입이 늘어나고 있다. 카메라와 함께 적합한 이미지 프로세싱 소프트웨어를 사용해서 장애물을 감지할 수 있으며, 스티어링 휠 센서를 결합함으로써 장애물이 자동차의 경로 안으로 들어오는지 판단할 수 있다. 좀더 진화된 시스템은 보행자의 경로를 예측해서 자동차 경로와 교차할지를 판단할 수 있다. 그러므로 사고를 방지할 수 있다. 이때 자동차의 ADAS는 기능의 복잡한 정도에 따라서 다양한 방식으로 대응할 수 있다. 단순히 경고만 하거나, 또는 스스로 회피 조치를 취할 수도 있다.

비전 기능은 전방 카메라만으로 국한되지 않는다. 오늘날 하이엔드 모델들은 다중의 카메라를 사용해서 자동차 주변으로 360도 뷰를 제공할 수 있다. 이 기능은 사소하게 차량이 부딪히는 사고를 방지할 뿐만 아니라, 애완동물이나 어린아이 같이 운전자가 알아채지 못한 무언가가 차량 가까이에 있는 것을 식별할 수 있다는 점에서 좀더 중요한 의미를 갖는다.

속도 제한을 위반하는 것은 벌금만 물면 되는 것이 아니다. 그보다 훨씬 심각한 결과를 초래할 수 있다. 사람을 다치게 하거나 또는 사망까지도 이르는 사고가 발생될 수 있다. 이제는 비전 시스템이 기존의 전방 카메라나 전용적인 카메라 유닛을 사용해서 도로변의 속도 표지판을 인식할 수 있게 되었다. 이에 대한 대응은, 운전자 시야로 디스플레이 상에 속도 표지판을 똑같이 보여주거나, 소리로 경고를 해서 속도 제한을 넘었다고 알려주거나, 자동으로 자동차 속도를 제한해서 속도 한계를 준수하도록 하는 것에 이르기까지 다양할 수 있다.

조명 기술이 발전하고 가로등과 자동차 전조등이 전통적인 램프에서 LED 기반 조명으로 전환함에 따라서, 깜빡임이 비전 시스템으로 해결해야 할 과제가 되었다. 깜빡임은 인간의 시각 특성상 운전자에게는 감지되지 않으나, 일정한 간격으로 포착되는 영상으로 검은 띠로 나타난다. 그러므로 속도 제한 표지판의 숫자 같은 문자 인식을 어렵게 한다.

첨단 이미지 포착 알고리즘은 다중의 이미지를 거의 순간적으로 포착하고 합쳐서 고품질 합성 이미지를 제공할 수 있다. 그러므로 문자를 정확하게 판독할 수 있다. 이것을 플리커 완화(flicker mitigation) 기법이라고 하며, 최신 차량용 이미지 센서에 채택되고 있다.

카메라는 자동차 외부에만 사용되지 않고 내부에도 사용된다. 자동차를 제어하기 위해서 운전자가 계속해서 중요한 역할을 하고 있기 때문에(적어도 당분간은) 이미징 기술을 사용해서 운전자를 모니터링할 수 있다. 이렇게 함으로써 돌발 상황에서 운전자가 재빨리 대응할 수 있으며, 만약에 그러지 못하면 ADAS가 개입할 수 있다.

카메라가 지속적으로 운전자의 얼굴과 머리 위치를 모니터링한다. 그리고 인공 지능(AI)이 운전자가 수시로 미러를 확인하는지 검사해서 졸음이나 주의력을 판단할 수 있다. 운전자가 주의력이 떨어지거나 피로한 것으로 보이면 주의를 환기시키거나 또는 쉬었다 가도록 제안할 수 있다. 이러한 모니터링은 동승자석 사람의 높이와 체격을 판단해서 충돌 시에 에어백이 적절하게 전개되도록 하는 데도 사용될 수 있다.

운전자 카메라는 편의성을 높일 수도 있다. 간단한 얼굴 인식 소프트웨어를 사용해서 한 운전자와 또 다른 운전자를 인식하고 좌석 위치, 운전대 위치, 미러, 차내 온도 같은 것들을 사전에 구성된 값으로 조절할 수 있다. 그러므로 좀더 안락한 운전 환경을 조성할 수 있다. 또한 차량 탑승자들에 대해서 이미징을 적용해서 기후 제어를 할 수도 있다.

차량용 비전 기술

어떤 기술이든 변화하지 않고 있을 수 없으며, 자동차에 사용되는 비전 센싱 하드웨어(와 소프트웨어)도 마찬가지로 계속해서 진화하고 있다. 차내 통신이 CAN 버스에서 이더넷으로 이전함에 따라서 더 높은 프레임 레이트로 더 높은 해상도의 비디오를 수용할 수 있게 되었으며, 그럼으로써 이미지 품질을 높이고 결과적으로 안전성을 높일 수 있게 되었다.



현재 주목할 만한 차량용 이미지 센서로는 온세미컨덕터(ON Semiconductor)의 AR140AT를 들 수 있다. 이 제품은 1/4인치 1.0메가픽셀 CMOS 디바이스로서 1280x800의 액티브 픽셀 어레이를 제공한다. 빛이 낮은 조건에서 운전할 때 적합한 점으로서, HDR(high dynamic range) 모드와 회전 셔터 리드아웃을 특징으로 한다. AR140AT는 정지 모드와 비디오 모드(60fps) 모두로 극히 선명한 디지털 영상을 생성한다. 또한 인-픽셀 비닝과 윈도잉 같은 차세대 카메라 기능을 포함하며, AEC-Q100 인증을 완벽하게 충족한다(PPAP 가능).

ADAS 시스템에 대한 의존도가 높아질수록 보안과 안전 문제 또한 중요해진다. FS32V234는 CSE에 16kB의 온칩 보안 RAM과 ROM, 시스템 JTAG 컨트롤러를 포함하며, ARM의 보안 TrustZone 아키텍처를 지원한다. 기능안전성과 관련해서 ISO 26262 ASIL(automotive safety integrity level)을 지원하며, 안전성 매뉴얼과 포괄적인 FMEDA 보고서를 제공한다. 또한 FD-CAN과 FlexRay 인터페이스를 제공하므로 최신 자동차의 ADAS 인프라로 손쉽게 통합할 수 있다.



비전 기술을 활용한 차량 제어


자동차로 비전 시스템 사용은 다른 혁신적인 애플리케이션들로 확대되고 있다. 자동차 회사들이 제한적인 공간으로 갈수록 복잡해지는 자동차 시스템으로 직관적인 인간 기계 인터페이스(HMI)를 제공하고자 함에 따라서, 동작 인식 HMI를 사용해서 운전자가 도로에서 눈을 떼지 않고서 명령을 실행할 수 있으므로 운전 중에 주의를 뺏기지 않는다.

ToF(time-of-flight) 기술에 기반 한 멜렉시스(Melexis)의 새로운 칩셋은 동작 기반 HMI 용으로 간편하게 모듈 식으로 3D 비전 시스템을 설계할 수 있다. 이 칩셋은 MLX75023 1/3인치 광학 형식 ToF 센서와 MLX75123 자매 IC로 이루어진다. MLX75123은 3D 비전 솔루션을 개발하기 위해서 필요한 다수의 소자들을 포함한다.

또한 관련 평가 모듈을 제공한다. 고도로 통합적인 이 칩셋을 사용함으로써 디자이너들이 더 이상 비싼(그리고 자리를 많이 차지하는) 외부적 FPGA와 ADC를 추가할 필요가 없다. 그러므로 크기를 축소하고, 설계를 단축하고, 비용을 낮추고, 빠르게 제품을 출시할 수 있다.



MLX75023 ToF 센서는 멜렉시스의 향상된 픽셀 기술을 적용해서 빛이 어두운 조건에서 HDR 기능을 제공한다. MLX75123 자매 칩은 센서 IC를 호스트 MCU로 곧바로 인터페이스 할 수 있도록 하며 데이터를 빠르게 리드아웃한다. 센서와 자매 (프로세싱) 칩을 분리시키는 모듈러 접근법으로 전체적인 시스템 아키텍처를 변경할 필요 없이 센서 유닛을 필요에 따라서 업그레이드할 수 있다.

맺음말

자동차로 경제성, 편의성, 그리고 무엇보다도 안전성을 높이기 위해서 계속해서 기술들이 추가되고 있다. 첨단 센서 기술이 ADAS를 통해서 운전자를 보조하고 있으며, 기술 발전이 계속됨에 따라서 궁극적으로 자동화 시스템이 운전자를 대신하게 될 것이다. 다양한 방식의 센서들이 사용되고 있으며, 센서들을 결합한 센서 융합을 통해서 안전성을 높일 수 있다.

미래의 자동차를 위해서는 비전 기능이 핵심적이며, 이미 다수의 중급형 모델들이 다중의 비전 센서를 사용해서 자신의 주변을 감지하고, 도로 표지판을 판독하고, 운전자를 모니터링할 수 있게 되었다. 이미지 센서가 점점 해상도가 높아짐으로써 영상을 더 선명하게 식별할 수 있으며, 픽셀 기술이 향상됨으로써 야간이나 악천후 같이 빛이 낮은 조건에서도 정확성을 높일 수 있게 되었다.
 

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