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카메라로 충돌 사고를 예방한다

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-06-30 01:06:59

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카메라로 충돌 사고를 예방한다.

21세기 자동차의 발전은 센서와 카메라, GPS, 스마트폰 등 전기전자장비의 발전과 궤를 함께 한다. 모두가 20여년 전에는 불가능하다고 여겨졌던 것들이 이제는 하나둘 실용화되고 있다. 이런 장비들의 채용이 늘수록 자동차는 운전자의 의지보다는 각종 전기전자장비의 힘으로 주행을 하게 될 것이다. 자동차 신기술의 90% 이상이 전기전자장비에서 이루어질 것이라는 예측이 구현되고 있는 것이다. 그중에서 카메라를 사용한 충돌방지 시스템에 대해 살펴 보자.

정리 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

카메라를 사용한 충돌 방지시스템으로는 스바루를 생산하는 일본 후지중공업의 아이사이트(EyeSight)가 있다. 글로벌오토뉴스를 통해 이미 소개된 적이 있는 아이사이트는 인식률을 높이기 위해 스테레오 카메라를 사용한 것이 특징이다. 하지만 최근에는 보다 저 비용의 단안 카메라를 사용하는 예가 증가하고 있다. 전용 카메라를 장착하거나 스마트폰의 어플리케이션 등이다. 그것이다. 자동 브레이크에는 대응할 수 없지만 충돌방지 시스템의 선택지는 크게 확대되고 있다.

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스바루는 1989년부터 스테레오 카메라를 사용한 화상인식기술을 개발해 왔다. 모든 사람들을 사고로부터 해방시킨다는 사고에서 시작된 것이다. 거의 모든 자동차 사고는 기계적인 실수보다는 운전자의 실수로 야기된다. 그 운전자의 실수를 최소화하기 위한 것이 아이 사이트(EyeSight)라고 하는 스테레오 카메라다.

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일본시장에서는 레가시에 채용되어 판매가 되고 있댜. 출시 1개월만에 레가시 구매자 60%가 옵션으로 선택하고 있을 정도로 높은 인기를 끌고 있다. 이 시스템은 1998년 처음 공개됐을 때는 ADA(Active Driving Assist)라는 명칭으로 불렸었다. 과거에는 주로 고급 그레이드에만 적용됐으나 사용자의 평가가 높게 나오면서 보급형 모델에까지 적용폭을 넓히고 있다. 가격도 1999년 당시 70만엔이었던 것이 지금은 10만엔까지 떨어졌다.

지금은 버전 2로 발전해 있는 아이 사이트는 프리 크래시 브레이크 등 다양한 기능이 채용되어 있다. 프리 크래시 브레이크는 전방의 보행자나 자동차와의 충돌 가능성이 있을 경우 경고음을 발생하며 회피할 수 없을 경우에는 30km/h 이하의 속도에서는 브레이크를 자동으로 작동해 피해를 피하거나 최소화해 준다.

모든 속도 추종 기능이 채용된 크루즈 컨트롤도 새로 개발한 것이다. 속도에 따라 감속, 정지, 정지상태를 유지하는 것 등이 가능하게 됐다. 기술적으로 특징적인 것은 센서로서 레이저, 레이더 등을 사용하지 않고 아이 사이트를 사용한다는 점이다. 이는 세계 유일의 기술이다. 볼보의 시티 세이프티는 레이더와 카메라가 조합된 것이다.

아우디는 60km/h의 속도에서도 자동으로 앞쪽의 장애물에 충돌하지 않고 정지하는 기능을 개발중에 있다. 이 시스템은 앞의 두 개와는 달리 센서 하나로 모든 것이 해결된다. 아주 가까운 거리에서 먼저 경보음이 울리고 장애물의 약 20cm 전방에서 급제동되며 차가 멈춘다.

일반적으로 레이더는 거기에 무언가가 있다는 것, 그리고 대상물까지의 거리를 감지할 수 있다. 하지만 그 형상은 파악할 수 없다. 그런데 스테레오 화상이라면 인간의 눈과 마찬가지로 대상물의 존재, 대상물까지의 거리, 그리고 형상까지 인식할 수 있다. 대신 데이터량이 압도적으로 많아진다. 일본 내에서 아이사이트는 안전장비의 개념을 바꾼 기념비적인 존재라고 평가받고 있다.

지금까지 자동으로 브레이크를 작동시키는 충돌방지 시스템에서는 고속까지 대응하는 밀리파 레이더와 자속역을 커버하는 레이저 레이더가 사용되는 일이 많았다. 하지만 차체와의 일체로 개발할 필요가 있어 장착차종이 한정되어 있으며 특히 밀리파 레이더의 경우 가격도 아주 높았다.

한편 카메라를 사용하는 경우는 시스템의 가격을 낮출 수도 있고 나중에 장착하는 제품도 개발이 가능하다. 악천후와 눈길 등에서 사용하는 것은 어렵지만 위험을 경고하는 시스템을 쉽게 구축할 수 있다.

카메라를 사용하는 시스템은 카메라의 종류와 브레이크 제어의 유무에 따라 크게 나뉜다. 자동차회사의 옵션으로 장착할 경우 차체를 감지해 추종 주행하는 ACC와 앞 차에 추돌하려고 하면 브레이크를 작동시킨다고 하는 고도의 기능을 실현할 수 있다. 후지중공업이 카메라만으로 이런 기능을 실현하고 있다. 그 외 밀리파 레이터와의 조합에서는 토요타자동차, 볼보자동차가 시스템을 구축하고 있다.

후지중공업과 달리 단일 카메라로 충돌경고만으로 기능을 줄인 것이 BMW다. 신형 1시리즈에서 옵션으로 설정된 이 시스템은 경고만 하는 간단한 시스템이다.

애프터 마켓 제품에서도 단일 카메라를 사용한 시스템이 증가하고 있다. 우선 전용 카메라와 표시장치를 세트하고 보행자와 차체, 차선이탈을 감지하는 타입이다. 네넬란드 모빌아이(Mobileye)사가 세계 42개국에 Mobileye C2-270이라는 이름으로 판매하고 있다.

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스마트폰에서도 미국 애플사의 아이폰과 구글사의 안드로이드 단말기용에 충돌을 경고하는 어플리케이션이 나와 있다. 가격은 무료도 있고 5천원 정도 수준. 내비게이션 시스템이 지금은 스마트폰으로 실현되고 있듯이 충돌방지시스템도 스마트폰에의 이식이 진행되고 있다.

스마트폰의 성능진화는 눈부시고 제휴는 지금도 가속되고 있다. 예를 들면 모빌아이사는 전용 표시장치를 스마트폰의 디스플레이로 대용한 제품을 제품화하고 있다. 또 아이폰용 앱을 공급하고있는 카메이트는 고장진단용의 OBD2 단자로부터 차량 정보를 취득하는 인터페이스와 연결해 안정되게 동작하도록 하는 앱의 개발을 추진하고 있다.

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내비게이션도 이런 기능을 채용하기 시작했다. 파이오니아의 최신 기종에서는 단일 카메라 또는 화상처리 유닛을 옵션으로 장착하면 차간거리의 표시와 차선이탈의 경고 속도 인식을 감지하는 기능이 있다.

단일 카메라로도 거리를 측정한다.

높은 정확도로 사람과 자동차를 감지하기 위해서는 인간의 눈과 마찬가지로 두 개의 카메라로 입체영상을 만들 수 있는 스테레오 카메라가 유리하다. 후지중공업은 350mm 떨어진 위치에 화소수 30만 정도의 두 개의 CCD(Charge Coupled Device 전하결합소자 電荷結合素字) 카메라를 설치해 좌우의 시차를 이용해 대상물까지의 거리를 계산한다.

이에 비해 단일 카메라는 스테레오 카메라와 달리 1장의 화상밖에 촬영할 수 없다. 때문에 그 화상 위에 있는 것이 자동차인지 지상에 고정된 물체인지를 판별할 수 없다. 그러나 단일 카메라로 거리를 측정하는 방법 중 하나가 화소 중 타이어의 설치면이 어디에 위치하는 가를 찾는 것이다. 앞쪽에 달리는 자동차는 차간거리가 짧은 만큼 크게 찍히고 타이어의 접지점은 아래 화소로 된다. 카메라를 지면과 수직으로 설치하면 화소의 중심은 무한원으로 되기 때문에 화소의 중심으로부터 얼마만큼 내려간 위치에 접지점이 있는가로 거리를 계산할 수 있다.

모빌아이사의 단일 카메라는 타이어의 접지점에 더해 자동차의 네 모서리가 만드는 사각형, 그리고 테일램프의 위치로 내 차까지의 거리를 구하고 있다. 모빌아이사는 기본적으로는 카메라를 높은 위치에 설치해 3~5도 아래로 경사지도록 하는 것을 권장하고 있다. 그렇게 하면 무한원으로부터 눈 앞의 노면까지를 넓은 각도로 포착하고 카메라의 종 방향의 화소를 유효하게 사용할 수 있기 때문이다.

한편 휴대전화를 사용한 시스템에서는 휴대전화를 지면과 수직으로 세트하는 것이 기본이다. 또 사후 부착형 제품과 달리 카메라의 위치를 정확히 교정할 수 있는 장치를 갖출 수 없는 것이 보통이다. 카메라도 스마트폰의 성능에 따른 것으로 전용 하드의 제품에 비하면 장해물과 차선을 인식하는 비율이 낮아진다.

순정 채용이 많은 모빌아이사

후지중공업은 하디치제작소제의 CCD(전하결합소자) 카메라와 화상처리 LSI를 사용해 시스템을 실용화했다. 한편 모빌아이사는 유럽자동차 메이커를 중심으로 단일 카메라용 SoC(System on Chip)를 제공하고 있다. 모빌아이사는 독자적으로 개발한 화상처리용 IC EyeQ2를 자동차 메이커용으로 공급하는 외 먼저 소개한 것 같은 사후 부착형의 C2-270도 제품화하고 있다.

EyeQ2는 이탈리아와 프랑스 합작회사인 STMMicroelectronics사와 공동 개발한 것으로 BMW 1시리즈의 충돌경고기능, 볼보의 시스템에 사용되고 있는 외 독일 오펠사, 미국 GM, 포드, 한국의 현대자동차 등 메이저 업체들에게 납품한 실적이 있다.

C2-270은 사후 부착형이기 때문에 자동차 브레이크 기능은 없고 앞쪽을 주행하는 자동차와 보행자, 2륜차, 자전거 등을 감지해 충돌할 위험성이 있을 경우에 아이콘과 함으로 경고한다. 종래 기종에 없었던 보행자의 인식 기능을 추가한 것이 특징이다.

주요 기능은 전방의 차량, 보행자와 충돌경고, 차선이탈경고, 차간거리 경고 등 세 가지. 전방의 차량에 충돌할 가능성이 있을 경우에는 충돌 2.7초 전에, 보행자의 경우는 2초 전에 음으로 경고하고 차량과 사람의 마크를 붉게 점멸시킨다. 차량을 감지할 수 있는 속도범위는 0-200km/h, 보행자 검출은 50km/h 이하에 한정된다. 차선 이탈에 관해서는 방향지시기를 켜지 않고 55km/h 이상으로 차선을 변경할 경우에 경고한다.

차건거리경보도 있다. 앞 차를 감지했을 경우 차건거리를 초수(앞 차와의 거리를 내 차의 초속으로 나눈 수치)로 표시한다. 설정할 수 있는 범위는 0.1~2.5초까지로 디폴트에서는 차간거리가 0.9초를 넘으면 경고음을 울린다.

감도를 3단계로 바꾸어 촬영

이 시스템은 카메라 유닛, 표시장치, 배선박스로 구성되며 전원이 들어와 있는 한 차량범위의 사람과 자동차를 계속 감시한다. 배선박스에는 차량으로부터 속도, 브레이크, 와이퍼, 방향지시기, 하이빔의 신호를 수집한다.



카메라는 VGA(640×480화소)의 해상도를 가진 미국 Aptina Imaging사제의 CMOS(상호보완형금속산화막반도체) 카메라 MT9V024다. 화각은 수평 38도×수직 30도로 약 80미터 앞의 장해물까지 검지한다. Eyesight사의 26도보다 수평 화각이 넓기 때문에 차량범위의 대상물을 넓게 인식할 수 있느 반면 예측거리는 20미터 정도 짧다.

센서는 저조도로도 물체를 감지할 수 있고 흑백으로 사용할 경우 0.1lx(보름달 밤의 밝기) 이하의 빛을 검출할 수 있다. 연구하고 있는 것이 감도를 3단계로 조정해 3프레임을 1세트로 해 촬영하는 것이다. 어두운 환경은 처음에는 감도를 높여 먼 곳의 빛을 포착하고 서서히 감도를 낮춰 지근거리의 빛을 포착한다. 카메라 자체는 매초 60프레임으로 촬영할 수 있지만 이 처리를 위해 매초 15프레임 정도로 계산한다.

화상처리 IC는 332MHz의 미국 MIPSTechnologies사의 32비트 마이콘 24Kf을 듀얼코어로 탑재해 화성처리용으로 8개의 64비트 엔진을 적재하고 있다.

시스템의 성능을 높이기 위해 C2-270은 설치시 카메라 위치의 입력과 교정작업을 한다. 카메라는 차량중앙에서 좌우 15cm의 범위로 수직에서 약간 하향으로 되도록 설치한다. 그 다음 카메라에서 좌우 필라까지의 데이터, 카메라에서 범퍼까지의 거리, 그리고 카메라 높이를 입력한다.

교정에서는 5cm 간격의 눈금이 있는 교정용 보드를 범퍼 직전에 두고 촬영, 그리고 1m 거리로 촬영하는 함으로써 카메라의 소실점(무한원), 정확한 카메라 높이를 알 수 있다. 그 결과 좌우의 차선까지의 위치와 대상물까지의 정확한 거리를 인식할 수 있다.

미국에서는 표시장치의 부분을 스마트폰에 앱을 설치해 실현하는 타입 550을 시판하고 있다. 카메라에서 블루투스로 무선통신하는 것으로 표시장치에의 배선이 필요없다.

가격은 C2-270과 거의 비슷하며 표시장치가 없는 만큼 낮아지지는 않지만 스마트폰의 보급에 따라 앞으로는 이쪽이 주류로 될 가능성이 있다.

아이폰용으로 전환한 카메이트

애프터 마켓용품 메이커인 카메이트도 전용 하드에 의한 충돌경고 또는 차선이탈경고 시스템을 개발하고 있다. 하지만 높은 가격 때문에 제품화를 포기하고 2011년 11월에 아이폰 어플리케이션으로 충돌을 경고하는 DriveMate SafetyCam을 출시했다. 이 소프트웨어는 아이폰 4S, 아이폰4, 아이폰3S 에 대응하며 애플스토어에서 0.99달러에 다운로드 할 수 있다.

주요 기능은 세 가지. 충돌경고, 차간거리 경고, 앞차의 발진을 알려주는 것이다. 차선이탈 경고는 없다. 아이폰의 카메라는 4와 3GS가 500만 화소, 4S가 800만 화소. 하지만 이 데이터를 모두 사용하면 처리능력이 떨어지기 때문에 VGA수준으로 매초 5~10프레임으로 낮춰 계산한다.

전방 주행차를 검출했을 경우 네 개의 3각형으로 구성된 붉은 마크가 점등한다. 전방 주행차에 가까워지면 '접근중'의 표시를 나타내며 충돌위험이 높아지면 '위험' 으로 바뀌며 음으로도 경고한다.

화면에 위험이라는 문자로 표시하는 경고의 기준은 차간거리를 내 차의 초속으로 나눈 수치가 1.8~2.0초를 밑돌 경우다.

SafetyCam의 장착차로 주간에 비가 오는 상황에서 동승 대체로 전방 주행차를 검출했다는 데이터가 있다. 이 차는 색의 분포를 포함한 패턴 매칭에 의해 차량을 검출하고 주간 인식율은 전용 하드로 개발했을 때와 같은 수준이라고 한다. 하지만 동사 관계자는 주간에 비해 야간에는 인식률이 나빠진다고 밝히고 있다.

동사는 OBD2 용 단자로부터 차량 정보를 취득할 수 있는 DriveMate Connect 라고 하는 인터페이스도 제품화하고 있으며 앞으로 그것과의 제휴를 꾀하고 있다. 정확한 차선과 브레이크, 방향지시기의 정보를 입수할 수 있고 GPS 기능을 사용할 수 없는 터널 안에서도 차량 속도를 알 수 있다.

스마트폰용 충돌경고 어플리케이션은 무로로 다운로드할 수 있는 것도 있다. 안드로이드 단말기용에서는 영어버전으로 iOnRoad와 Drivea가 있다. iOnRoad는 2012년 봄 아이폰용도 내놓을 예정이다. 아이폰용에서는 2.99달러로 영어버전 Augmented Driving 을 다운로드할 수 있다. 충돌방지와 차간거리, 차선이탈을 경고한다.

파이어니어는 카 내비게이션 AVIC-VH99HUD로 앞 주행차를 카메라로 검출해 차간거리를 표시함과 동시에 차선이탈을 경고하는 기능을 채용하고 있다. 하지만 차간거리의 검출을 정체 예방을 위한 것. 20미터 이내에서는 차간거리를 검출할 수 없고 위험을 경고하는 기능은 없다.
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