장착되는 카메라

자동차가 안전성능 증대를 위한 센싱 성능 개선에 카메라를 적극적으로 이용하기 시작했다(그림 1). 이미지 센서 기술이 발전하면서 레이더, 라이더 등과 결합해 보다 향상된 예방안전 시스템 개발이 가능해지고 있다. 이에 따라 주차지원, 하이빔, 헤드램프 제어, 사각지대 감지, 나이트비전, 졸음방지 등 다양한 안전기술에 카메라 애플리케이션이 도입되고 있다.
CMOS 이미지 센서 개발자들은 향후 10년 내에 전세계에서 생산되는 자동차 6,000만 대가 대 당 5개에서 많게는 20개의 카메라가 장착될 것이라고 말한다. 예를 들어 차 한 대에 10개의 이미지 센서가 들어간다면 카메라 모듈, 이미지 센서 업체들에게는 모바일폰 출하량의 1/10에 해당하는 신규 시장이 형성되는 셈이다(그림 2).

- 전방 주시 카메라(Forward-looking Camera): 자동 하이빔 제어, 차선 유지, 적응순항 제어를 위한 근거리 감지, 나이트비전, 보행자 감지, 신호 확인
- 후방 주시 카메라(Rear-lookin Camera): 주차지원, 백업, 충돌 방지
- 측면 뷰 카메라(Side-view Camera): 사각지대 감지
- 내부 카메라(Interior Camera): 에어백을 위한 탑승자 감지, 졸음방지, 음주운전, 운전부주의 방지를 위한 운전자 모니터링

차량용 카메라는 CCD, CMOS, 적외선, 원적외선 카메라가 있다. 자동차 용도에 따라서는 크게 2가지로 구분하는데, 하나는 캡쳐한 화상 자체를 운전자에게 제공해 운전을 지원하는 기능을 수행하고, 또 하나는 화상 정보를 바탕으로 차량 제어 기능에 도움을 주는 역할이다. 일반적으로 전자에는 CCD 카메라를, 후자에는 CMOS 카메라를 사용한다. 그러나 필요한 화질 요구와 코스트 밸런스를 감안해 화상 그대로를 운전자에게 제공할 때에도 CMOS 카메라를 채용하는 경향이 늘고 있다.
CCD 카메라는 대부분 모니터 용도로 사용되기 때문에 촬영한 영상이 직시한 것과 차이가 없어야 한다. 근적외선 카메라는 광선을 조사해서 반사광을 잡는 타입이기 때문에 보고자 하는 것에 대해 적극적으로 조사해야만 한다. 시야 범위 확대가 어렵고, 대향차의 헤드램프에 영향을 주며, 수광부에 열이 발생하기 쉬운 점 등을 개선해야 한다. 원적외선 카메라는 게르마늄 렌즈를 사용하는 등 재료비가 높고, 인간이나 동물 이 아닌 열을 발하는 물체에도 반응하는 점이 문제가 되고 있다.
거의 모든 부품에 해당하는 사안이지만 자동차 시장에서 가장 중요한 문제 중 하나는 장난감처럼 저렴한 가격으로 군용 수준의 성능을 만족해야 한다는 점이다. 현재 차량용 카메라 화소수는 VGA(31만) 정도면 된다. 액정 모니터가 VGA 정도의 영상 밖에 표시하지 못하고 있고, 차선 마킹 감지 등의 인식도 충분한 데이터 양이기 때문이다. 반면 신뢰성에선 매우 높은 수준이 요구된다. 자동차 메이커들의 신뢰성 실험으로 -40도와 +105도 사이의 열충격 시험이나 렌즈의 흐림, 내수, 내충격, 진동 시험 등을 만족해야 한다.
현재 카메라는 보급 차량에 3~4개, 고급차종에 통상 6~7개가 탑재된다. CMOS 센서를 이용할 경우 코스트 경쟁력을 확보할 수 있어 CCD 대체가 늘고 있다. CMOS 카메라는 CCD와 비교해 스미어(Smear)가 발생하지 않고 반도체와 같은 제조 프로세스가 가능해 생산 코스트 억제가 가능하다. 또 기술 발전으로 CCD급 수준의 화질을 얻을 수 있게 돼 내년이면 탑재 기준으로 CCD 수량을 추월할 전망이다. 또 처리회로의 일체화나 디지털 처리에 의한 소형화가 가능하다. 반면 내열성, 다이내믹 레인지 향상, 고감도화, 노이즈 절감 등이 주요 해결과제로 남아 있다.
차량용 카메라는 대체로 차에 장착됐을 때 눈에 띄지 않도록 소형화해야 하며, 1개의 카메라로 넓은 범위를 커버할 수 있는 광시야각이 요구된다.

센서 융합 안전강화

주차지원
현재 카메라는 자동차 안전기술에 널리 사용되고 있고, 안전도 향상을 위해 레이더 등의 센서들과 결합돼 더욱 탑재량이 늘 전망이다(그림 3). 이 중 백업, 주차지원은 나이든 운전자나 여성들에게 높은 호응을 얻을 전망이며 능동안전 기술 중 빠른 시일 내에 높은 성장이 기대되는 분야로 카메라가 널리 사용되고 있다.
자동차 파손의 주원인 중 하나가 주차 중의 실수에서 발생하는데 독일의 경우 올해 자동차 모델의 약 60%가 초음파 주차지원(UWS)을 표준 또는 선택사양으로 제공하고 있다. 또 내비게이션 화면을 이용한 카메라 기반 주차지원 시스템은 약 30%가 제공됐다. 조만간 주차지원 및 사각지대 감지가 측면 커튼 에어백과 같이 표준 사양이 될 것이므로 카메라 탑재는 더욱 늘어날 전망이다.
유럽 메이커들의 2009년형 모델에 UWS를 공급키로 한 Hella는 UWS가 카메라 기반보다 경제적이기 때문에 차량 측면에 초음파 센서를 부착하고 센서를 중앙 전방 카메라, ABS, EPS와 통합하고 있다. 운전자가 기능을 활성화했을 때 초음파 센서는 차량 통과 시 주차 공간을 측정하고 공간이 충분하다고 판단하면 음성과 시각적 신호를 운전자에게 보낸다. 이 시스템은 병렬 주차에 필요한 최적 경로를 계산하기 위해 휠 속도와 스티어링 각도 데이터를 이용한다.
그러나 UWS는 경제적인 만큼 안전성이 떨어진다. 미의회 보고서에 미국 고속도로 교통안전위원회(NHTSA)는 초음파 및 레이더 기반 시스템은 차량 뒤쪽 어린이 보행자 감지에 열악하고 산발적이며 범위가 제한적이라고 보고했다. 시스템 감지 범위가 보행자 및 기타 물체와의 충돌 방지에 부적절하다는 것이다. NHTSA는 카메라 기반 시스템이 운전자에게 후진 시 차량 경로 판단에 신뢰성 있는 정보지원을 제공할 수 있다며, 악천후나 햇빛 등의 특수 상황에서의 대책이 필요하다고 했다.
카메라는 기본적으로 앞에 놓인 물체 종류를 이해할 수 있지만 정확한 거리 측정이 어렵다. 물체의 정확한 위치와 크기 특성은 여러 센서를 조합 사용해 간접적으로 알아내야 한다. Valeo의 Park4U는 폭스바겐의 티구안 등의 차량에 장착돼 Park Assist라 불리는데, Connaught Electronis의 기술을 적용한 최신 버전의 경우 초음파 센서와 뷰 카메라를 결합하고 있다. 액셀러레이터와 브레이크는 운전자가 조작하고 스티어링 휠은 자동 조작하도록 해 15초 이내에 운전자가 좁은 공간에 주차할 수 있도록 돕는다. 카메라와 초음파 또는 레이더, 라이더 센서를 이용한다. Valeo는 2010년까지 16개의 자동차 모델에 Park4U가 장착될 것이라고 밝혔다.
GM은 뷰익 Enclave 등 몇몇 캐딜락 모델에 후방 백업 카메라와 UWS를 결합하고 있다. 토요타는 Aisin Seiki와 공동개발해 렉서스 LS460L에 Intuitive Parking APGS(Assist/Advanced Parking Guidance System)를 장착했다. 덴소의 초음파 센서와 카메라 기반 이미지 인식 기술을 결합한 것으로 색상 콘트라스트를 기반으로 주차공간 라인 인식 기능을 향상시켰다. 주차된 차량의 위치 감지를 위해선 전후방에 10개의 초음파 센서를 내장했다.

나이트비전
DVD 내비게이션 시스템이 없는 마쓰다 CX-9 모델은 Auto-Dimming Mirror Display를 포함한 후방 뷰 미러 Back-up카메라를 제공하고 있다. 이 시스템은 차량이 후진하게 되면 LCD 화면에 자동으로 후방 뷰 미러의 반사표면이 나타나 차량 후방부에 대한 실시간 파노라마 뷰를 보여준다. 후진 상태에서 기어가 변속되면 디스플레이는 사라진다. Gentex Corporation이 개발한 반투과형 코팅 및 조명 기술을 사용한 2.4인치 능동-매트릭스 비디오 디스플레이는 뒤에 따라오는 차량의 헤드라이트 빛에 따라 자동으로 빛을 줄이는 리어 뷰 미러에 장착돼 운전을 보다 안전하게 한다.
카메라는 헤드라이트 제어에도 사용되는데, Mobileye는 유럽 자동차 메이커들의 2008년 모델을 위해 적응형 헤드라이트 제어 시스템을 생산하고 있다. 카메라 이미지 그래버(Image Grabber) 기반의 이 시스템은 전방 400 m 이내에 테일 라이트가 인식되거나, 반대 차선 차량이 800 m 내로 들어오면 자동으로 하이빔을 끈다.
보쉬는 S-클래스 메르세데스 차에 설치된 나이트비전 시스템을 개발했는데, 이 시스템은 근적외선(NIR) 열 이미지 처리기술을 사용했다.
렉서스, 메르세데스가 나이트비전을 구현하기 위해 근적외선 기술을 적용하는데 반해 BMW와 혼다는 원적외선을 이용한다. BMW 시스템은 이미지를 카메라가 감지한 열량을 토대로 광도로 표시해 사람과 동물을 확연히 구분한다. BMW 기술자들은 현재 교통상황에 대한 상세 이미지를 표시하는 것은 이미지 내의 사람, 동물에 대한 운전자의 인식을 지연시킬 수 있다고 판단해 ‘덜 중요한’ 이미지를 제거해 운전자에게 보여주고 있다. BMW의 원적외선 기술은 근적외선 시스템의 두 배인 1,000피트에 가까운 투사를 통해 보다 멀리 볼 수 있도록 하고 있다.
NIR 기술을 사용한 델파이의 나이트비전 시스템은 반대 차선의 교통과 관계없이 하이빔 수준의 가시성을 제공한다. ACC, LDWS, 헤드라이트 제어, 능동 나이트비전, 우천 감지, 도로신호 인식, 보행자 인식 등의 애플리케이션을 위해 비전 감지 요건을 충족하는 단일 CMOS 카메라를 사용했다. 단일 카메라는 제한된 윈드실드 공간을 고려할 경우 효용이 높다.
OmniVision Techlogies는 NIR 기능을 단일 칩 CMOS 이미지 센서 제품군에 추가해 낮, 밤 이중 모드로 동작하도록 해 두 개의 독립 시스템 요구를 제거했다. 센서의 스펙트럼 빛 감도를 NIR 감도와 동등 수준인 1050 나노미터로 확장했다. 결과적으로 몇 개의 저 파워 발광다이오드를 사용해 완전히 어두운 곳에서 물체를 감지할 수 있고 헤드라이트 조사 범위를 넘어서는 곳도 볼 수 있게 했다.
사각지대 감지
백업, 주차지원, 나이트비전 애플리케이션에서와 달리 벤더들이 제공하는 사각지대 감지 적용 기술은 다르다. 레이더는 모든 기후 조건에서 동작하는 장점이 있으며 이동 물체에 대한 안전거리 측정, 잠재적 충돌 경로에 있는 차량의 상대속도 측정이 정확하다. 카메라는 레이더에 정확한 위치 정보를 제공하고 이동, 정지 상태의 물체를 인식함으로써 레이더의 장애물 감지 시스템 정확도를 향상시킨다. 사각지대 감지에는 현재 넓은 지역을 볼 수 있는 레이더가 최상의 솔루션으로 인정되고 있고, 3D 카메라와 라이더는 가격과 제한된 범위가 문제시 되고 있다.
Simens VDO(현 Continental)는 사각지대 감지를 위해 77 GHz FMCW 레이더 기술을 적용하고 있다. 지멘스는 FMCW 레이더 모듈을 IEC 61508에 따라 리어 범퍼에 장착했다. 반사는 시간에 따라 모니터링 되어 속도 벡터로 분류되고, 모니터링 되는 차량에 대해 물체가 움직이는지, 속도는 얼마인지를 결정한다. 운전자 상태를 결정하기 위해 차량 속도와 스티어링 각도를 기준으로 처리한다.
2008년형 재규어 XF의 Valeo 시스템은 리어 범퍼 뒤의 레이더로 차량의 양 측면을 모니터링한다. 다른 차량이 사각지대에 들어오면 운전자는 사이드 뷰 미러에 표시된 아이콘으로 경계 정보를 받는다. 볼보의 BLIS(Blind spot Information System)는 리어 뷰 미러 아래에 위치하거나 도어 미러에 통합된 두 개의 디지털 카메라로 구성된다. 다른 차량이 사각지대에 들어오면 황색 광이 번쩍인다. 이 시스템은 지난해 일부 볼보 모델에 채용됐으며 현재 전 모델에 옵션으로 채택돼 있다.
독일 쉐프네커는 후방 미러, 카메라 기반 센서 기술을 새롭게 디자인했다. 이 회사의 카메라 기반 사각지대 감지 시스템은 볼보의 차들에 채용되는데, 쉐프네커 측은 자사의 시스템이 10 km/h의 속도에서부터 경보를 할 수 있는데 반해 일반적인 레이더 기반 시스템들은 50~60 km/h에서부터 시작한다고 주장한다.
Aisin Seike는 120도 사각지대 감지를 위해 사이드 뷰 미러에 카메라를 포함할 수 있는 운전자 지원 시스템을 제공한다. 이 시스템은 어안 렌즈 효과를 해결하기 위한 소프트웨어를 포함하고 있다. 또 렌즈 제조사 Sunex도 광학적으로 이미지 경계부의 정보를 연장하는 재단된 왜곡 렌즈를 제공해 왜곡을 줄이고 운전자 가시성을 향상시키고 있다.
GM은 뷰익 Lucerne와 캐딜락 STS, DTS에 Side Blind Zone Alert 시스템을 제공하고 있다. 차량 측면의 리어 패시아 뒤에 있는 레이더 센서는 인접 교통 차선을 감지해 각 측면에서 약 11피트, 후방 16피트 구역을 커버한다. 외부 리어 뷰 미러의 황생 심볼은 옆 차선의 차량이 측면 사각 지대에 진입하면 운전자에게 경계신호를 보낸다. 이 시스템은 측면 사각지대 외부에 있는 차량은 감지하지 않으며 보행자, 자전거, 동물을 볼 수 없다. 또 소화전이나 주차된 자동차와 같은 것은 무시하도록 설계돼 다른 차량을 지나가는 경우 경고를 내지 않는다.
델파이는 적외선 센서를 사용해 운전자에게 차량 또는 물체가 옆 차선에 있을 때 알린다. Forewarn Infrared Side Alert 시스템은 측면 사각지대에 이동 차량이 진입하면 측면 뷰 미러 아이콘에 불이 들어온다. 각각의 적외선 측면 경고 장치는 시간 경과에 따라 옆 차선 온도를 측정하는 두 개의 수동 적외선 열전대열 센서를 포함한다. 두 센서 간의 측정 값 변화는 물체가 있음을 나타낸다. 델파이의 적외선 시스템은 리어 테일 라이트, 사이드 마커 램프, 범퍼 패시아 등의 기존 차량 기능에 통합될 수 있다. 이 시스템은 기계식 장착 위치와 뷰 범위에 대해 정의된 광 특성을 바탕으로 수평 3미터, 길이 6미터 범위의 구역을 모니터링 한다. 잘못된 경보를 최소화하기 위해 정지된 도로 측 물체는 무시한다.
Hella는 조리개 각도가 180도인 전방, 후방, 양 사이드 미러의 4개 카메라로 구성된 톱 뷰 시스템을 제공한다. 카메라가 전송하는 개별 이미지는 전체 차량을 보여주는 복합 이미지로 결합 생성돼 사각지대를 제거한다. 운전자는 줌 기능을 사용해 트레일러 히치 등 차량의 특정 부위에 있는 개별 카메라를 자세히 볼 수 있다.
HCL은 rvAid라는 190도 파노라마 리어 뷰 안전 카메라를 제공한다. 사각지대 감지 및 주차지원을 목적으로 하는 이 시스템은 차량 리어 범퍼의 2개, 사이드 뷰 미러 2개, 총 4개 카메라로 구성돼 있다.