나이트비전 시스템

나이트비전 시스템(Night Vision System)은 적외선 카메라로 포착한 이미지를 디스플레이에 표시하여 야간 시계를 확대함으로써 안전 주행에 기여하기 위한 야간 운전 시스템이다.

나이트비전 시스템(Night Vision System)

개요

나이트비전 시스템은 야간 운전으로 인한 사고 방지와 운전자의 인지능력을 향상해주기 위해 개발되었다. 보통 운전자의 경우 야간 운전 중, 길 가장자리에서 타이어를 교환하는 사람이 갑자기 보이거나 도로에 동물이 갑자기 나타났을 경우 등 시야에 들어오지 않은 어떤 물체가 나타났을 때 대부분 그것을 미처 피하지 못해 사고를 일으키게 되는데, 이와 같은 어둠 속에서 인간의 시각 능력을 훨씬 능가하는 시각 정보를 제공하여 운전자가 위험한 상황을 감지할 수 있도록 하여 자동차의 안전성을 배가시킨 획기적인 안전장치가 바로 나이트 비전이다. 또한, 이것은 상황에 따라 헤드라이트의 하향 광선보다 3~5배 멀리 있는 대상을 볼 수 있게 할 뿐 아니라 다가오는 차량의 헤드라이트 불빛보다 더 멀고 넓게 볼 수 있도록 설계된 장치이다. 나이트 비전은 또한 멀리서 접근해 오는 차로부터의 헤드램프 반짝임을 볼 수 있도록 도와준다. 예를 들어 운전자가 반대편 차의 전조등이 강해 일시적으로 보이지 않거나 길가에서 질주하는 사슴 모양을 구별할 수 없을 때 등 이와 유사한 상황에서 나이트 비전은 운전자에게 필요한 정보를 주어 안전 운행에 도움을 준다. 자동차 회사마다 개발하고 실용화하고 있지만, 비용상의 문제 때문에 모든 차종에 탑재할 정도에는 이르지 못하며, 일부 고급 차종 또는 용도가 정해진 특수차량 등에 한정해서 설치되어 있다.

역사

나이트비전 시스템의 역사는 군사용 기술이 그 원천이다. 2차 세계 대전 중 독일 전차 탑재용과 인간 장착용으로 개발한 것이 그 시작이었다. 이미지 강화 장치가 도입되기 전에는 야간 안경이 야간 투시의 유일한 방법이였으며, 특히 바다에서 널리 사용되었다. 2차 세계 대전 시대의 야간 안경은 일반적으로 렌즈 직경이 56mm 이상이고 배율은 7~8 배였다. 그 후에는 항공기용과 천문 관측용 등에 응용되어 지금은 경찰의 방범 기구와 소방서, 해양 구조대뿐 아니라 군사용으로까지 광범위하게 사용되고 있다. 대한민국 국군에서도 이러한 장비를 다수 운용 중이다. 흔히 군대에서 야투경이라 부르는 장비는 광증폭식 야간투시경이고, 이른바 TOD병이 사용하는 장비가 열상장비라고 보면 된다. 나이트 비전 첨단 기술을 세계 최초로 도입한 사례는 2000년, 미국 제너럴 모터스(General Motors)의 고급 차 브랜드인 캐딜락(CADILLAC)의 기함, 드빌(DTS)이다. 적외선 카메라를 이용해 흑백 영상을 헤드업 디스플레이로 운전석 정면 유리에 투영해준다. 제너럴 모터스는 이 기술을 1,970대부터 개발해 왔었다. 하지만 초기에는 컴퓨터의 성능이 낮아 실제 물체의 움직임과 모니터상에 표시하는 것이 시차가 있어 일치하지 않았다. 캐딜락 드빌을 통해 전 세계 자동차 업계에 처음으로 선보인 나이트 비전은 야간 운행 중의 안전 확보는 물론, 최첨단 기술의 상징으로 인식되었다. 원 캐딜락 드빌에 처음 사용된 나이트 비전은 열상장비에 해당한다. 열 영상 기술과 적외선 기술이 접목된 시스템이다. 캐딜락 드빌의 나이트 비전은 차량 전방의 적외선 카메라를 통해 열을 감지, 이를 기반으로 한 열 영상을 헤드업 디스플레이에 조사한다. 캐딜락 드빌의 이 장비는 이지스함의 레이더와 AIM-120 암람(AMRAAM), 사이드와인더(Side Winder), 패트리어트(Patriot), 매버릭(MEVERICK) 등의 각종 미사일로 유명한 미국의 방산업체 레이시온(Raytheon)과의 협업으로 개발되었다. 2000년 출시 당시, 이 장비는 선택 사양의 형태로 마련되어 있었는데, 옵션 가격이 무려 7,000달러에 달했다. 당시 환율로 계산하면 원화로 약 885만원 정도로 매우 비싼 가격이었다. 현재에도 이러한 형태의 열 영상 장비는 여전히 가격이 비싸, 고급 자동차에만 제한적으로 사용되고 있다. 캐딜락은 미국에서 판매되는 플레그십 세단, CT6에 이 장비를 선택 사양으로 제공하고 있다.

원리

나이트 비전은 열 영상 기술과 적외선 기술이 접목된 시스템이다. 이 열 영상은 물체가 열에너지를 방출한다는 것에 기초를 두고 만들어진 장치이다. 모든 사물은 어느 정도의 열을 발산한다. 특히 인간과 동물이 움직일 때는 주변 배경에 비해 높은 열을 발산하기 때문에 대조적으로 가상 영상을 분명하게 나타낸다. 가상 영상은 흑백 인화 사진과 같은 느낌을 준다. 뜨거운 물체는 흰색으로 차가운 물체는 검은색으로 나타난다. 이런 가상 이미지는 자동차 안의 대시보드 앞부분에 있는 헤드업 디스플레이(HUD)에 투영되어, 운전 중 앞쪽에 시선을 둔 상태에서 자연스럽게 전방 상황을 볼 수 있다. 이미지는 엔진 앞 끝부분에 설치되어 주변 시야를 방해하지 않는다. 운전자는 주행 중 다른 곳을 보더라도 가상 영상은 힐끗 보아도 알 수 있다. 작동원리를 간단히 살펴보면, 그릴 안쪽에 설치된 적외선 카메라가 물체의 열에너지를 감지하여 흑백 영상 이미지로 재현한 후 HUD(Head-Up Display) 기술을 이용하여 운전석 정면 좌측 유리에 투영시킨다. 나이트 비전은, 어두워졌을 때나 전조등을 켰을 때 작동이 가능하다. 인스트르먼트 패널에 스위치가 따로 설치되어 있으며, 운전자는 ON/OFF 스위치와 영상 각도, 강약 등을 조정할 수 있다. 이 시스템은 밤에만 작용한다. 운전자가 가상 영상의 위치를 위아래로 움직일 때 HUD에 비추어져 움직인다. 강력한 영상 조절은 최초의 위치에서 멈추었을 때 꺼진다. 센서가 준비되기 전 시스템이 워밍업을 하는 시간에 나이트 비전 로고가 나타날 것이다. 길 위의 장면은 열 영상에 의해 나타난다. 열에너지와 감지기가 초점을 맞추면 적외선 파장을 통해 시각으로 볼 수 있게 묘사된다. 검사 파의 성분은 그리드로 되어 에너지를 흡수하며 콘덴서(용량)의 변화에 응답할 것이다. 이러한 변화들은 전자적으로 진행되어 화면 영상에 흑백사진으로 나타나며, 고온의 물체는 백색으로 화면에 나타난다. 차에 부착되는 센서 기구는 센서의 크기, 온도의 안정, 기계적 안정, 청결함 그리고 돌 등에 의한 파손, 기송 면화 등에 대한 내구성 등이 고려되었다. 2000 드빌에 적용된 센서는 그릴 뒤쪽 중앙에 있었다. 시야를 방해하지 않고, 세차 때 청결을 유지할 수 있도록 배려되었다. 이 센서는 최상의 기능을 수행하기 위해 온도 조절 기능을 갖추고 있다. 또한 표면을 깨끗하게 지속해 주는 보호 창과 눈과 얼음을 방지해주는 내장 히터가 합쳐져 있다. 적외선 영상은 대기를 가장 쉽게 통과하는 IR 에너지의 선을 사용한다. 2가지선 중 최초는 3에서 5미크론을 포함했고, 8에서 14미크론은 중간파장 또는 긴 파장이라고 알려졌다. 적외선 열에너지인 이 두 파장은 공기 속의 물 분자에 의해서 가장 적게 흡수되었다. 운 좋게도 운전자들이 필요로 하는 정보는 이 영역에서 최대로 발산되었다. 예를 들어, 인간의 온도는 37℃이다. 나이트 비전에 적용된 센서는 열 영상을 잡아서 이를 전자 패널에 픽셀로 그려내는 자동 초점의 전자식 자동 카메라와 같은 역할을 한다. 이 카메라의 시야에 잡히는 것 중에서 복사열의 차이를 나타내는 사물을 분석해 보여 주는 것이다.

방식

• 근적외선(NIR)

근적외선 방식은 적외선 방사기를 통하여 방사된 적외선이 물체에 도달한 후 반사된 근적외선(파장 : 800~1,000nm)을 카메라를 통하여 감지하고 이를 LCD나 다른 디스플레이 장치를 통하여 운전자에게 표시하는 방법이다.

• 원적외선(FIR)

원적외선 방식은 물체가 발산하는 열(파장 : 1,000nm 이상)을 원적외선 카메라를 이용하여 감지하고 이를 LCD나 다른 디스플레이 장치를 통하여 운전자에게 표시하는 방법이다.

구분	근적외선 방식	원적외선 방식
개요
구성	카메라, ECU, IR Generator	카메라, ECU
장점	육안과 유사한 자연스러운 영상이다. 가격 경쟁력이 우수하며 저가이다. 생물체 및 무생물을 감지할 수 있다.	생명체와 같은 발열 물체 감지 우수하다. 근적외선 대비 긴 시야 거리를 가진다. 주변 빛에 영향을 받지 않는다.
단점	빛 번짐이 발생한다. 구성 부품이 많다. 시야 거리가 짧다.	고가의 카메라다. 주위온도와 비슷한 물체 감지가 미흡하다. 이미지 센서 해상도가 약하다.

특징

장점

• 어두운 시골길에서 상향등이 비추기도 전에 갑자기 나타나는 물체를 발견할 때 쉽게 확인할 수 있다.
• 반대 차선에서 다가오는 다른 차량의 헤드라이트 빛 때문에 순간적으로 안 보일 때, 위험한 상황에서 물체를 쉽게 확인할 수 있다.
• 고품질 디스플레이로 도로 경계와 장애물을 명확하게 볼 수 있어 야간운전 시 사고를 예방해준다.
• 운전자는 어둠 속에서 운전하는 동안 훨씬 더 자신감과 편안함을 느낀다.
• 운전자의 눈을 덜 피곤하게 해주며, 도로에 집중할 수 있다.
• 도로가 끝나고 연석이 시작되는 위치를 더 명확하게 결정할 수 있다.
• 디스플레이는 최적의 크기를 가지므로 운전자는 장치가 표시하는 내용을 자세히 볼 필요가 없고, 도로에서 주의를 분산시키지 않는다.
• 운전자가 직접 보는 것보다 더 선명한 사진을 제공하여 충돌을 방지하는 데 도움이 된다.

단점

• 대부분 모델은 고정된 물체 또는 교통 방향으로 움직이는 물체를 인식하여 도로를 건너는 동물은 빠른 이동 속도로 인해 구별하기 어려울 수 있다.
• 어려운 기상 조건인 짙은 안개와 비가 내리는 상황에서는 야간 투시를 사용할 수 없다.
• 항상 편리한 것은 아니다. 모니터에 표시된 이미지로 도로를 제어하려면 도로와 화면의 사진을 동시에 모니터링 해야 한다.
• 동시 모니터링으로 운전 방해가 될 수 있다.
• 제품에 따라 빛 번짐이 있을 수 있다.

활용

레이시온

레이시온(Raytheon)에서 개발된 원적외선 기술을 응용한 나이트 비전인 셔멀-아이(Thermal-eye)는 경찰, 소방서, 해양 구조대뿐 아니라 군대에 이르기까지 광범위하게 채택되어 야간운전 시 시야 확보에 사용되고 있으며, 이를 이용하여 검지 된 장애물을 위험성이 있는 장애물로 분류하여 경고하는 능동적 보행자 보호 시스템에 적용하고 있다. 자동차용 외장 나이트 비전으로 구성되어 있다.

혼다

혼다(HONDA)는 원적외선 기술을 적용하여 앞 범퍼에 2개의 원적외선 카메라를 장착하여 운전자의 야간 시야 확보는 물론 장애물의 검지 및 경고하는 지능화된 시스템을 개발하였다. 2대의 적외선 카메라로 보행자가 반대 차선 차량의 위치 및 움직임을 탐지하여 헤드업 디스플레이(Head-Up Display)에 표시하고 버저음을 울려서 운전자의 주의를 환기하는 등 유일하게 인텔리전트화 되어 있다. 2004년 올-뉴 혼다 레전드에 일본 국내 옵션으로 포함된다.

비엠더블유

비엠더블유(BMW)는 2005년 7시리즈에 장착하기 시작했다. 5/6/7 시리즈(Series)에 원적외선 카메라를 적용하였으며, 앞 범퍼에 위치한 원적외선 카메라로 컨트롤 디스플레이 창에 나이트 비전이 표시되며, 보행자 감지 시에 헤드업 디스플레이(HUD)에 보행자 아이콘을 표시하여 운전자에게 경고하는 시스템을 적용하였다. 또한 BMW의 나이트 비전은 차 안의 모니터로 사람이나 사물을 보여주는 것에 그치지 않고, 다이내믹 라이트 스포트 기능이 더해져 전방에 움직이는 물체가 있으면 불빛을 비춰 차가 오고 있다는 사실을 알려준다. BMW가 채택하고 있는 원적외선 형태의 나이트비전 시스템은 오토리브의 나이트비전 시스템을 기반으로 개발되었다. 인체공학적 설계로 영상은 센터 콘솔의 디스플레이에 표시되고, 주행속도, 주행상태 등에 따라 자동으로 팬크로매틱, 줌으로 바뀌는 기능이 있다.

메르세데스-벤츠

메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 근적외선 기술을 적용하여 헤드램프에서 근적외선 라이트를 조사하고 룸미러 반대편에 있는 카메라로 감지하여 클러스터 LCD 창에 디스플레이하며, 운전자의 야간 시야 확보는 물론 보행자 감지와 장애물의 변화를 감지 및 경고하는 지능화된 시스템을 개발하였다. 단순히 전방 시야를 확보하는 것을 넘어 지능형 나이트 비전으로 발전해 있다. 보행자를 감지했을 때 경고를 하는 것에서 발전해 보행자를 감지하면 스포트라이트로 보행자를 비춰 줘 운전자에게 보행자를 인지시킴과 동시에 보행자에게 차량이 접근하고 있음을 알리는 액티브 나이트 비전 플러스 시스템을 선보이기도 했다.

도요타

도요타(TOYOTA)가 개발한 시스템인 나이트 뷰(Night View)는 근적외선을 이용하고 있다. 최대 250ｍ 정도까지 조사할 수 있으며, 탐지 거리도 150ｍ다. 영상은 헤드업 디스플레이에 표시된다. 2002년에 처음으로 랜드 크루저 시그너스(rand cruiser Cygnus)에 옵션으로 포함되었다. 크라운 마제스터(Crown Majesta)에서는 헤드라이트의 상향등 측면에 가시광 컷 필터를 이용함으로써 적외선 투광기 역할을 하도록 하고 있다. 도요타는 헤드 램프에서 근 적외선 라이트를 조사하고, 룸미러 반대편에 있는 카메라로 감지하여 클러스터 LCD 창에 디스플레이하며, 운전자의 야간 시야 확보는 물론 보행자 감지와 장애물의 변화를 감지 및 경고하는 시스템을 개발하였다.

다임러·보쉬

다임러(Daimler)와 보쉬(Bosch)는 나이트비전 시스템인 나이트 어시스트(Night Assist)를 공동 개발했다. 근적외선 타입으로 상향등 모듈에 가시광선 컷 필터가 장착되었으며, 프런트 윈도우 내부에 있는 카메라로 촬영을 한다. 영상은 인스트루먼트(instrument) 패널의 LCD에 표시된다. 2005년 올-뉴 메르세데스 벤츠 S클래스에 처음 탑재되었으나 크라이슬러(Chrysler)에는 탑재된 적이 없다.

전망

한화시스템㈜은 자동차 전장 대표기업 이래에이엠에스㈜(AMS)가 주관한 컨소시엄에 참여해 주 야간 대응이 가능한 열 영상 융합형 3D 카메라 기술개발 과제의 우선협상 대상자로 선정됐다고 2021년 4월 28일 밝혔다. 이 과제는 자율주행기술 혁신사업 과제 중 하나로 자율주행차량의 필수 센서인 나이트 비전을 개발하는 대한민국의 유일한 과제다. 이번에 선정된 컨소시엄은 2025년 1월까지 주간 카메라와 열상 카메라를 융합한 차량용 열 영상 융합형 3D 카메라를 개발하게 된다. 4단계 자율주행 환경의 다양한 장애물에 대한 정보를 AI 기반 딥러닝 기술로 인식해 250m 이상 거리의 사물을 정확하게 인지할 수 있는 고성능 융합 카메라 개발을 목표로 하고 있다. 한화시스템은 이번 과제에서 2020년에 출시한 지능형 열상 엔진 모듈 퀀텀레드 기술을 적용해 XGA급(1024x768픽셀) 나이트 비전을 개발할 예정이다. 이는 국내 열 영상 카메라 중 최고 화질이다. 특히 퀀텀레드에는 세계 최초로 자동차 부품 신뢰성 평가규격인 AEC-Q100 인증을 받은 시스템온칩(SoC)이 사용돼 향후 자율주행차량에 최적화된 나이트 비전 공급이 가능해질 전망이다. AEC-Q100은 진입이 까다로운 자동차 전장 분야에 진출하기 위해 필수로 받아야 하는 인증이다. 자율주행기술의 핵심은 정확한 인지를 통한 최적의 판단 및 운행이다. 나이트 비전은 야간·안개 등 육안 식별이 어려운 주행 상황에서 원거리 적외선 센서를 활용해 사람과 동물을 영상으로 탐지·식별해낸다. 특히 급제동에 필요한 최소 거리인 100m 이상까지 탐지 가능해 사고를 미연에 방지할 수 있다. 이미 글로벌 자동차 시장엔 나이트 비전이 장착된 차량이 증가하는 추세이며, 기술적으로 단순히 전방 시야를 확보하는 것을 넘어 지능형 나이트 비전으로 발전하고 있다. 한화시스템은 40년간 감시 정찰용 전자 광학장비와 전차·장갑차 나이트 비전, 주야간 조준경·관측경 등을 개발 및 공급해오며 국내 방산 열 영상 카메라 시장 점유율 90% 이상을 차지하고 있다. 최초의 국산 전투기 KF-21 보라매에 탑재되는 전투기용 전자광학 표적추적 장비(EO TGP), 적외선 탐지추적 장비(IRST)가 국산화에 성공하며 국내 1위 기술 경쟁력을 다시 한번 입증하기도 했다. 또한 2020년 퀀텀레드를 출시하며 자동차 전장 전문업체인 트루윈과 OEM 생산 협약을 통해 본격적으로 나이트 비전 시장 진입을 알린 바 있다. 한화시스템 김연철 대표이사는 국내 최초로 열화상 카메라를 개발해낸 세계적 수준의 기술력을 바탕으로 국내 나이트 비전 산업의 본격적인 개화를 위해 힘쓸 것이라며 향후 차량용 나이트 비전 상용화를 넘어 항공 모빌리티 분야까지 사업 영역을 확대해 지속해서 성장 기회를 확보해 나갈 것이라고 말했다.

참고자료

• 글로벌오토뉴스, 〈나이트 비전, 자율주행차 인지를 위한 필수품으로 부상〉, 《네이버 포스트》, 2019-03-06
• 채영석, 〈나이트 비전 시스템의 기술 동향〉, 《글로벌오토뉴스》, 2011-07-18
• 박병하, 〈캐딜락이 세계최초로 도입한 군사 기술 - 캐딜락 나이트비전〉, 《모토야》, 2017-02-14
• Alexander Falchenko, 〈자동차 야간 투시경 시스템의 작동 원리 및 설명〉, 《아브토타키》, 2021-05-06
• 튜닝구루, 〈나이트비전(Night Vision) 이란?〉, 《네이버 블로그》, 2005-04-30
• 메신저, 〈자동차용 나이트비전 시스템〉, 《네이버 블로그》, 2012-03-20
• 〈한화시스템, 자율주행차 시대 앞당길 ‘나이트비전’ 개발 나선다〉, 《뉴스와이어》, 2021-04-28

같이 보기

• 카메라
• 디스플레이
• 야간운전

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