지속적으로 자동차 이용자 수가 늘어나면서, 교통안전 확보에 대한 필요성도 커지고 있다. 독일은 2011년 약 4천여 명의 교통사고 사망자를 기록한 바 있다. 이는 전년대비 약 10%가 증가한 수치다. 물론 도로교통 안전을 위한 인프라 구축과 교통법규 시행 등이 선행되어야겠지만, 이 외에 자동차 내에서 교통사고를 미리 예방할 수 있는 기술적인 무엇인가가 필요할 것으로 보인다. 이 글에서는 교통안전을 확보하기 위한 기술적인 부분에 대해 알아본다.
매해 교통사고 발생 수가 늘어나고 있다. 자연스레 부상자와 사망자 수가 증가하면서 자동차를 이용한 이동과 도로 수송을 더 안전하고 원활하게 할 수 있는 적절한 조치가 취해져야 할 필요성이 제기되고 있다. 인프라 구조의 개선과 교통 법규의 엄격한 시행 외에도 자동차 내에서 기술적으로 교통안전을 위한 새로운 개념을 발굴하는 데 보다 노력해야 한다. 어떤 기술이 필요할까? 현재로서는 높은 해상도와 감도, 동적 범위를 갖는 이미지 센서가 가장 유력한 대안인 것으로 보인다.
도로 교통안전을 위한 조치
독일 연방 통계국(German Federal Statistic Office)이 최근 발표한 수치는 우리의 안전의식에 경종을 울리고 있다. 2011년에는 3,991명이라는 기록적인 교통사고 사망자를 기록했다. 이 수치는 2010년에 비해 9.4%나 증가한 수치다. 또 부상자 수는 391,500명을 기록해 전년 대비 5.5% 증가했다. 따라서 독일 정부는 도로 교통안전을 전반적으로 개선하기 위한 적절한 조치를 고려해야 했다.
독일 교통안전공단(DVR, Deutscher Verkehrssi-cherheitsrat)에서는 ‘교통사고 사망 제로 - 아무도 죽지 않는다. 모두 살아서 도착한다(Vision Zero - Nobody dies, everybody arrives alive)’라는 모토를 세우고 교통사고 사망자가 한 명도 나오지 않게 한다는 장기적 목표를 수립하고 적합한 조치를 취하기 시작했다.
교통안전을 증대시키는 데 필요한 조치는 세 가지 측면으로 접근했다. 이는 국제적인 용어로 종종 엔지니어링(Engineering), 교육(Education), 시행(Enforcement)이라는 도로 안전의 3E로 불린다.
3E 중 첫 번째인 엔지니어링은 이와 같은 공식의 기술적인 측면으로서 교통 인프라 향상과 혁신적 자동차 기술을 모두 포함하는 개념이다. 이 분야는 지난 20년여 년에 걸쳐 비약적인 발전을 보였다. 예를 들어 교통사고가 빈번히 발생하는 교차로와 T정션(T-junctions)을 회전교차로(roundabout)로 재설계하여 도로 흐름을 향상시키고, 운전자가 차선의 가장자리에 너무 가까이 다가갈 경우 진동을 통해 운전자에게 청각적으로 경고해 위험을 벗어나도록 유도하는 방식 외에도 데이케어 센터나 학교, 노인 거주 시설에 설치하는 과속 방지턱, 그리고 불빛을 받으면 빛을 발하는 글자로 표기함으로써, 눈에 잘 띄는 교통 표지판을 구현, 도로 교통 조건을 향상시키는 데 기여하고 있다.
혁신적 자동차 기술과 이러한 기술의 확산은 동일한 방향성을 갖는다. 몇 가지만 꼽아보면 ABS, 안전벨트, 에어백, 어린이 카시트 등을 꼽을 수 있다. 이들 모두 교통사고 사상자를 감소시키기 위해 도입된 것이다. 이러한 기술은 앞으로도 차량과 교통안전을 향상시키는 데 지속적으로 중요한 역할을 할 것이다. 또한 조만간 특정 도로 구간에서 모든 차량을 무선 애드혹 네트워크로 상호 연결하고 실시간 교통 흐름 통제와 통신 기능을 갖춘 인텔리전트 교통 인프라를 구축함으로써 이러한 기술을 완벽하게 구현하게 될 것으로 보인다.
두 번째로 교육은 교통사고를 예방하고 희생자 수를 낮출 수 있는 또 다른 중요한 방법이다. 교통안전 교육은 가능한 일찍 시작해야 하며 평생 동안 배워야 하는 과정으로서 교통안전 교육과 운전자 교육으로 구성된다. 교통사고의 주요 원인에 대한 연구와 실제 사례에 대한 종합적인 분석 또한 위에서 언급한 안전 향상에 도움을 줄 수 있다. 하지만 무엇보다 이 모든 것은 사회의 모든 계층에 공유되는 안전을 중시하는 태도로 수렴되어야 한다.
마지막으로 3E 중 교통 법규 시행은 오늘날 과속 탐지, 적색 교통 신호등 위반, 안전벨트나 헬맷 미착용, 음주 또는 약물 복용 운전, 운전 중 휴대기기나 휴대전화 사용 적발 등으로 제한되고 있다. 이와 같은 사항은 법룰 사례를 구성하기 위해 명확한 증거가 요구되는 법적 영역이므로, 고해상도 교통 카메라를 적용할 경우 가장 크게 기여할 수 있는 분야이기도 하다.
교통 감시 카메라에 대한 요구에 대응, CMV20000
빛이 적거나 기상 상황이 좋지 않은 경우에도, 빠르게 달리는 차량의 이미지를 깨끗하고 선명하게 캡처해야 한다. 이에 교통 카메라의 해상도, 동적 범위, 동작 속도나 보다 정교한 이미지 센서에 대한 요구가 증가하고 있다.
최근까지 이미지 센서는 어레이 센서의 사용 가능한 산업용 제품 라인에서 선택했으며, 이를 교통 카메라 애플리케이션의 특정 요구사항에 맞게 개조해 사용했기 때문에 항상 최적의 상태를 제공하는 것은 아니었다.
현재, GATSO와 CMOSIS는 각기 다른 전략을 취하고 있다. GATSO는 제품의 특정한 요구사항을 만족하는 이미지 센서를 원했기에, CMOSIS를 파트너로 선택했다. 따라서 새로운 고성능 20메가픽셀의 CMV20000’ CMOS 이미지 센서가 교통 감시 시스템을 생산하는 선도적 제조업체인 GATSO에 독점 공급하기 위해 설계되었다. 하지만 라이센싱 계약 하에 다른 분야에서도 이 센서를 사용할 수 있다. 예를 들면 산업용 이미징, 의료용 전자기기, 자동화 공정 등과 같은 교통 분야 이외의 애플리케이션 등이다.
1. 다목적 이미지 센서
그림 1은 교통 감시 작업에 사용되는 CMV20000이다. 이 제품은 CMOS 기술로 제작되었으며, 6.4µm²의 픽셀 그리드 및 5120×3840 픽셀 해상도로 32.8×24.6mm 액티브 센서 영역을 제공한다. 이는 35mm 카메라의 광학 포맷에 해당한다.
▲ 그림 1. CMOS 기술로 제작된 CMV20000.
CMV20000은 파이프라인 방식으로 동작하는 글로벌 셔터를 탑재했기 때문에, 처리된 프레임을 판독하는 동안 이미 다음 프레임에 대한 노출을 시작한다. CMOSIS의 특허형 8-트랜지스터 센서 셀을 사용하고 CDS(correlated double sampling)를 적용함으로써 다크 노이즈(dark noise)를 줄이고 센서가 66dB의 확장된 동적 범위를 지원하는 수준까지 센서 매트릭스의 비균일도를 완화하는 것 또한 이 제품의 장점이다.
아울러 이 센서는 이미지 캡처를 위한 독립적인 서브시스템으로 사용할 수 있다. 또한 16개 LVDS 출력을 통해 12비트 디지털 형식으로 데이터를 제공하며, 초당 30 풀 이미지의 프레임 속도와 480MHz 클록 속도를 갖는다.
2. 유연한 프로그래밍
CMV20000의 관련 파라미터는 직렬 인터페이스를 통해 프로그래밍할 수 있어 손쉽게 다양한 동작 모드와 애플리케이션에 적용할 수 있다. 예를 들면 노출 시간은 내부적으로 설정할 수 있을 뿐 아니라 외부에서 인가하는 신호에 의해 제어할 수 있다. 이에 따라 캡처하는 물체와 현장의 기존 조도 레벨에 기본적인 조정이 가능하다.
교통 현장은 어두운 영역과 너무 강한 광원이 동시에 존재하고 눈부신 빛을 반사하는 등 빛의 상태가 매우 안 좋은 경우가 많다. 또 자동차 번호판은 종종 차량의 동체에 부분적으로 가려져 번호판을 식별하기가 매우 어려울 수 있다.
이와 같은 조도 수준의 큰 차이를 수용하기 위해 센서는 세그먼트로 나눈 변환 특성을 프로그래밍하는 특수한 기법을 제공한다. 3개의 선형 세그먼트가 로그 변환 곡선을 근사화한다. 이것은 센서의 동적 범위를 90dB 이상으로 확장한다. 또한 그림 2에서 보듯이 조도 수준(전자 수와 같음)이 증가되면서 센서의 감도는 2단계 낮아진다.
▲ 그림 2. 조도 수준이 증가되면서 센서의 감도는 2단계 낮아진다.
3. 부분 이미지 고속 캡처
특정 목적을 위해 영상의 일부만 필요한 경우에는, 전체 현장을 캡처하고 처리할 필요가 없다. 일례로 대부분의 교통 애플리케이션에서 관심 있는 이미지 영역은 교통 법규 위반자로 의심되는 차량의 번호판을 보여주는 부분이다. 이러한 부분적 뷰를 허용하기 위해 센서 어레이는 유연한 win-dowing 기능을 제공한다. 최대 8 line-wide 윈도우를 높은 프레임 속도로 프로그래밍하고 판독할 수 있다. 처리해야 하는 데이터 양 또한 크게 줄일 수 있다.
현장의 빠른 스냅샷을 위해 CMV20000는 서브 샘플링 기능을 제공한다. 이 기능은 단 몇 라인으로 구성되는 프리뷰 이미지를 생성한다. 컬러 버전 센서에서 이 기능은 라인 쌍으로 되어 있으므로 베이어 패턴의 잘못된 컬러 렌더링을 피할 수 있게 한다.
4. 교육 및 테스트 패턴
센서 입력과 센서의 LVDS 출력을 동기화하기 위해 알려진 데이터 패턴을 출력 채널에 제공할 수 있다. 이 패턴은 출력 워드의 정확한 타이밍을 위해 카메라 시스템의 LVDS 인터페이스를 교육하는 데 사용된다.
5. 폭넓은 데이터 스트림
초당 30 프레임의 프레임 속도에 20메가픽셀로 캡처된 이미지의 방대한 데이터를 수용하기 위해 480Mbit/s 대역폭을 갖는 16개 LVDS 출력 채널이 제공된다. 만약 특정 애플리케이션에 이러한 데이터 속도가 너무 높거나 카메라 회로에 부담이 되는 경우, 출력을 다중화하여 단 8개 출력 채널로 줄일 수 있다. 이렇게 하면 프레임 속도도 절반으로 줄어든다. 또한 사용하지 않는 출력 채널을 끄면 전력 소모를 줄일 수 있다.
교통 감시 카메라, GT20
CMOSIS CMV20000 이미지 센서는 GATSO의 GT20 교통 감시 카메라를 위해 특별히 설계되었다. 이 센서를 탑재한 카메라는 효율적인 교통 감시 시스템에 새로운 표준을 제시한다. 카메라는 4개의 인텔 아톰 프로세서를 포함하고 있어 초당 30 프레임의 풀 프레임 속도로 자동차 번호판의 자동 인식과 적색 교통 신호등 위반자 검출을 위한 풍부한 컴퓨팅 성능을 제공한다.
이러한 구성으로 인해 여러 번 반복적인 교통 법규 위반 사항에 대해 녹화할 수 있다. 카메라에 내장된 J2K 데이터 압축 장치는 전체 해상도로 초당 4 프레임을 처리하는 동시에 초당 30 고해상도 비디오 이미지(1,280×960 픽셀)를 제공한다. 이러한 데이터를 적절히 전송하기 위해 카메라에는 2개의 GigE 및 Wifi 802.11 b/g/n 인터페이스를 탑재하고 있다. 시스템 r 제어 기능은 CAN 버스를 통해 호출된다. 일반 제어 버스로서 CAN 버스는 T-시리즈 플랫폼의 모든 기능적인 요소를 조정한다(그림 3).
▲ 그림 3. 과속 및 적색 교통 신호등 위반 검출을 위한 교통 감시 장치에
사용되는 아키텍처.
1. 다목적 교통 감시 장치
그림 3에 보이는 아키텍처는 그림 4의 과속 및 적색 교통 신호등 위반 검출을 위한 교통 감시 장치에 사용된다. 윗부분에 장착된 GT20 교통 카메라는 비디오 녹화를 위해 현장에 빛을 비추는 적외선 스트로브와 동기화된다. 실리콘 기반 센서의 감도(양자 효율)는 870nm의 파장으로 다소 낮다. 그러나 IR 스펙트럼의 우수한 LED 조명을 제공하므로 모든 조명 조건에서 지나가는 차량에 대한 빠른 비디오 녹화 캡처에는 충분하다. 레이더 장치는 레이더 아래에 배치되며, 지나가는 차량 12대의 속도와 위치를 동시에 결정할 수 있다. 제논 플래시는 정지 영상을 위한 추가적인 조명 소스를 제공한다. 비디오 프레임은 적외선 플래시에 의해 비추어지므로 교통과 주변 환경에 대한 교란을 피할 수 있다.
▲ 그림 4. 과속 및 적색 교통 신호등 위반 검출을 위한 교통 감시 장치.
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매우 높은 해상도의 CMV20000 이미지 센서와 풍부한 컴퓨팅 리소스를 기반으로 하는 GT20 교통 감시 카메라는 교통 관리 시스템의 까다로운 애플리케이션을 만족할 수 있으며, 그 영역을 전통적인 과속 및 적색 교통 신호등 위반 검출 작업을 훨씬 넘어 확장하고 있다. 또한 검증된 성능의 센서는 현재의 시스템 제한을 극복하므로 산업용 이미징, 공정 자동화, 의료용 전자기기와 같은 까다로운 애플리케이션에서 충분히 고려할 수 있다.
빔 부이츠 (Wim Wuyts) _ ams
