ICT 신기술 라이다 (LiDAR) 센서기술및시장동향 오세윤정보통신기술진흥센터수석 I. 서론 라이다 (Light Detection and Ranging: LiDAR) 란레이저를이용하여거리를측정하는기술로써 3 차원 GIS(Geographic Information System) 정보구축을위한지형데이터를구축하고, 이를가시화하는형태로발전되어건설, 국방등의분야에응용되었고, 최근들어자율주행자동차및이동로봇등에적용되면서핵심기술로주목을받고있다. 자동차용라이다는주행중인차량이앞차와의충돌을피하거나또는충격을최소화할수있도록차간거리를실시간으로측정하여경고또는차량자동제어를할수있도록하는장치로써 9 대국가전략프로젝트로선정 (2016 년 8 월 ) 된자율주행차의차량거리센서시스템의 8 대부품 ( 라이다 / 레이다, 영상센서, 통신, 3D 맵등 ) 의가장필수적인부품이다. 본고에서는자율주행자동차의핵심부품인라이다센서의기본원리및종류, 기술및시장동향등을살펴보고, 국내기반기술및상용화개발이취약한라이다센서에대한이해를돕고자한다. II. LiDAR 의원리및관련기술 라이다기술은 1960 년대레이저의발명및거리측정기술과함께발전되어 1970 년대에항공지도제작등에활용되었다 [1]. 1970 년대이후레이저기술의발전과함께다양한분야에응용가능한라이다센서기술들이개발되었으며, 선박설계및제작, 우주선및탐사로봇에도장착되는등응용범위를넓히고있다. 라이다센서는마이크로웨이브기기에비해측정가능거리및공간분해능 (spacial resolution) 이매우높은편이다. 아울러실시간관측으로 2 차원및 3 * 본내용은오세윤수석연구원 ( 02-612-8141, osy@iitp.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 정보통신기술진흥센터 15
주간기술동향 2016. 9. 28. < 자료 > 한국전자통신연구원, 전자통신동향분석제 27 권제 6 호, 2012. [ 그림 1] 라이다시스템기본구성및동작원리 차원공간분포측정이가능한장점이있다. 라이다시스템은레이저송수신모듈및신호처리모듈로구성되며, 레이저신호의변조방 법에따라 ToF(Time of Flight) 방식과 PS(Phase Shift) 방식으로구분될수있다. ToF 방식은레이 저펄스신호가측정범위내의물체에서반사되어수신기에도착하는시간을측정함으로써거 리를측정하는원리이며, PS 방식은특정주파수를가지고연속적으로변조되는레이저빔을 [ 표 1] 라이다기술종류 라이다기술 Elastic-backscatter LiDAR Raman LiDAR Differential-absorption LiDAR Resonance Fluorescence LiDAR Doppler LiDAR Laser Rangefinder 내용 레이저파장의변화없이입자들의운동량에따라 back scattering 되는빛의 spectral broadening 특성을이용하여대기중의에어졸및구름의특성측정등에활용되는기술 분자에너지상태에따라분산되는레이저빛의주파수변화및 Raman band 내의세기분포분석을통해대기중의수증기및온도분포등의측정에활용되는기술 각기다른레이저파장을가지는레이저빔들에대해측정대상물질의흡수차이를이용하여대기오염물질등의농도분포를측정할수있는기술 원자, 이온또는분자의에너지천이와동일한에너지를가지는레이저빛에대해동일파장의빛또는긴파장의빛을방출하는특성을이용하여중간권역대기중의원자및이온농도를측정하는기술 Doppler 효과에의한레이저빔의미세한주파수변화를측정하여바람등의속도를측정하는기술 물체로부터반사되는레이저빔의수신시간을측정하여거리를측정하는가장간단한형태의라이다기술 레이저빔의진행방향에대한거리정보를포함하여공간에대한영상모델링이가능한기술로써 laser rangefinder 기술을기반으로 point-scanning 을통해 point Imaging LiDAR cloud 정보를수집하거나광각의 flash-laser 에대해반사되는레이저빛을다중배열수신소자를통해수집함으로써 3 차원영상구현이가능한기술 < 자료 > 한국전자통신연구원, 전자통신동향분석제 27 권제 6 호, 2012. 및전자정보센터, 산업기술보고서, 2013. 16 www.iitp.kr
ICT 신기술 방출하고, 물체로부터반사되어오는레이저신호의위상변화량을측정하여거리를측정하는방식이다. 라이다기술은기상관측및거리측정을목적으로연구되었으며, 최근에는무인로봇센서, 자율주행차량용센서및 3 차원영상모델링을위한다양한기술로발전하고있다. III. LiDAR 기술현황및응용분야 1. 항공측량및재난방재레이저펄스의지상도달시간을측정함으로써반사지점의공간위치좌표를계산하여 3 차원의정보를추출하는측량기법을이용할경우대상물의특성에따라반사되는시간이모두다르기때문에건물및지형지물의정확한수치표고모델생성이가능하며, 고해상도영상과융합되어건물레이어의자동구축, 광학영상에서획득이어려운정보의획득, 취득된고정밀수치표고모델을이용하여지형과건물및구조물을구분하여정보를생성함으로써신속하고효율적으로 3 차원모델을생성할수있는장점이있다. 정밀한 3 차원지형정보측정은국토방재측면에서중요한정보를제공한다. 미국의사례를살펴보면라이다장비를활용하여 3 차원홍수위험지도를제작하여수해발생시주민들의단계별대처방안을제공하고있다. 라이다의활용은홍수위험지도제작을위한데이터취득에소요되는시간이나비용측면에서도기존의측량방법보다훨씬뛰어난것으로알려져있으며, 우리 < 자료 > 구글 [ 그림 2] 라이다항공측량및라이다스캐너 정보통신기술진흥센터 17
주간기술동향 2016. 9. 28. < 자료 > https://www.loc.gov/exhibits/911/911-maps.html [ 그림 3] 라이다항공측량을활용한 WTC 9.11 테러전후비교정보 나라에서도 2001 년부터하천지도전산화사업의일환으로추진되고있는홍수지도시범제작에라이다기술을적용하고있다. 아울러, 접근하기어려운재난지역의신속한자료획득과처리가가능한장점을이용하여광범위한재난지역에대한대처방안을마련하기위한정확한데이터를제공할수있다. 항공측량기술과유사한개념인 Mobile Laser Scanning System 은차량에 Laser Scanner, GPS 등을장착하여도로경계선, 도로시설물등의 3 차원공간정보를추출하는시스템으로라이다에서구축하지못한도심지역의정밀데이터취득에효율적으로활용가능하다. 이러한정보를활용하여최근에는재난, 재해, 토목, 건설공사등으로쓰임새가넓어지고있으며, 터널과도로의균열, 차선의도색상태, 건물노후화측정등과같은실생활과밀접하게연관되는정보까지획득할수있는장점이있다. 기존수미터에달하던오차율을수센티미터로줄여현실에가까운위치정보를취득할수있다. < 자료 > MnSOFT [ 그림 4] 모바일라이다차량및취득데이터예시 18 www.iitp.kr
ICT 신기술 2. 대기원격탐사및기상측정라이다기술은레이저를대기중에조사한후되돌아오는광신호를원격으로분석하여대기중에존재하는오염물질의농도를거리별로측정할수있으므로, 대기오염측정및감시에있어서시공간적제약을극복하는대기오염측정기술로활용할수있다. 특히, 자동차에탑재한측정장비는감시대상지역을순회하면서의심이가는곳을집중적으로관측할수있기때문에오염감시에매우효율적이다. 대기중물질을측정하는방식은특정물질에서흡수가크게일어나는파장과흡수가일어나지않는두개의파장을동시에대기중으로조사하여산란특성을조사함으로써대기중에존재하는특정물질을검출하는 DIAL(Differential-absorption LiDAR) 기술을이용하며, 이방식은검출한계가매우낮고, 원거리까지측정할수있으므로가장많이사용하고있는기술이다. 파장차이가거의없는두개의레이저빔을대기중에조사하면, 대기중에존재하는입자나공기분자와충돌하여산란이일어나며, 이중일부는레이저를발사한방향으로반사되어광센서에수신된다. 두개의레이저파장중하나가특정오염물질에흡수 ( 공명 ) 가되도록파장을선택하면, 반사된두산란신호사이에는미세한차이가생기게되어, 이차이로부터특정물질의거리에따른농도분포를계산할수있다. 사용된레이저는아주짧은펄스형태이므로레이저발사후되돌아오는신호와의시간차이는바로거리로환산된다. 이를이용하면후쿠시 < 자료 > Journal of Environmental Monitoring, Issue 8, 2011. [ 그림 5] DIAL(Differential-absorption LiDAR) 의원리 정보통신기술진흥센터 19
주간기술동향 2016. 9. 28. 마원전사고에서와같이원전주변접근이어려운지역의방사성물질의원격탐지및확산 경로관측이가능하여원격감시를통한원전안전성확보에기여할수있다. 3. 고속지상레이저스캐닝 3 차원스캐너를이용하여레이저를대상물에투사하고대상물의형상정보를취득하여디지털정보로전환할수있으며, 이러한 3 차원스캐닝기술을이용하면볼트와너트를비롯한초소형대상물을비롯해항공기, 선박심지어는빌딩이나다리혹은지형같은초대형대상물의형상정보를손쉽게취득할수있다. 3 차원스캐너로부터얻어진형상정보는다양한산업군에필요한역설계 (Reverse Engineering) 나선박등제작제품의세부측량을통해설계대비제작결과물의품질관리 (Quality inspection) 분야에적극적으로활용되고있다. 기존에는특정제품의형상정보를얻기위해대상제품을일일이캘리퍼스와같은도구를이용한수작업에의해대상물의측정이이루어졌지만이런방식은작업시간도많이소요될뿐더러정확한작업이이루어질수없는한계가존재한다. 또한, 범죄현장조사에서분석이나사고재현을위해서사용되며, 문화재등역사적유물을디지털로보존하여지진등에의한파손시복구하기위한기초자료로활용되고있다. < 자료 > 구글 [ 그림 6] 레이저스캐너제품및스캐닝사례 20 www.iitp.kr
ICT 신기술 4. 자율주행자동차차량주행과관련된주변정보를빠르게수집하고, 이를해석하여의사결정을빠르고정확하게실행하기위해자동차용센서가자율주행자동차의핵심기술로인식되고있다. 과거에는차량의작동상태나주행상황등을측정하기위한목적으로사용되어오던센서가최근에는차량, 신호등및차선, 장애물등주행외부환경에대한데이터를수집하는역할로진화하였다. 완성차및부품업체뿐만아니라 IT 업체들까지첨단운전지원시스템 (ADAS) 개발에주력하고있는것으로나타났다. 미국및유럽신차평가프로그램등교통인명사고를줄이려는자동차주요소비국의안전규제가강화됨에따라, 다양한외부환경을인지해야하는센서시스템은보다중요한핵심사업으로부상하고있다. 현재물체판독기능이가능한카메라와야간환경을위한적외선카메라, 원거리의악천후상황에서도객체검출이가능한레이더 (RADAR), 측정각도가넓고주변을 3 차원으로인지할수있는라이다, 또한감지거리가짧지만레이더시스템이나광학시스템에비해가격이저렴한초음파센서등이핵심분야로자리잡고있다. [ 표 2] 주행환경인지장치별주요특징구분 카메라 레이다 (Radar) 레이저스캐닝 초음파센서 < 자료 > 참고문헌 [2]~[3] 참조 주요특징 - 인간의눈과같이다양한사물을한번에인지할수있음 - 날씨조건에민감함 - 장거리탐지능력 / 저해상도 - 날씨조건에상대적으로자유로움 - 고가, 감지범위가넓음 (360 도감지가능 ) - 날씨조건에민감하며, 정밀도가높음 - 저가, 감지거리가짧음 - 날씨조건에민감함 자율주행자동차부문에서크게두각을나타내고있는테슬라와구글은차량주변상황을탐지하는센싱기술에있어서차이를보이고있다. 테슬라는도로에서실시간교통상황에대한정보를획득하기위해서 12 개의 360 도장거리초음파센서와반자율주행실현을위한전방인지레이더시스템을장착하고있으며, 카메라를통해획득한이미지정보처리등을통해주변사물인식, 신호인식및보행자감지기능까지수행할수있다. 정보통신기술진흥센터 21
주간기술동향 2016. 9. 28. [ 그림 7] 테슬라오토파일럿시스템및구글자율주행라이다시스템 구글은무인자동차에라이다기술을적극적으로활용한대표적인예로서벨로다인 (Velodyne) 등소수업체가독점적기술을가지고있어수천만원을호가하는높은가격이단점으로지적되고있다. 그러나 2015 년 1 월구글이라이다를자체개발중임을밝혔고, 가격이벨로다인의 1/3 에불과하지만성능이유사한쿼너지 (Quanergy) 라이다가각광을받고있어중저가라이다기술이확산될전망이다. 또한, 다양한부품업체들이라이다센서의사양을낮춰저가화, 소형화에집중하고있는추세로가격경쟁력이점점높아질것으로전망되고있다. IV. LiDAR 시장및산업동향 2015 년 2.9 억달러수준인세계라이다시장은 2020 년까지 17% 의연평균성장률을보이며 6.2 억달러규모로확대될것으로전망된다. 아시아의경우에는 2015 년 4,000 만달러에서 2020 년에는 1.3 억달러까지매년 23% 성장률로확대될것으로전망되고있다. ( 단위 : 백만달러 ) 기타아시아유럽북미 < 자료 > IRS Global, 2015. 8. [ 그림 8] 2015~2016 년세계라이다시장전망 22 www.iitp.kr
ICT 신기술 최근자율주행자동차등으로인해서주목받고있는모바일라이다세계시장규모는 2015 년 6,800 만달러수준에서 2020 년 1.8 억달러로연간 20% 성장세를보일것으로전망되며, 단점으로지적되고있는높은가격은 2015 년평균 4 만 2,000 달러에서 2020 년에는 2 만 4,000 달러로단가가큰폭으로떨어질것으로보인다. 라이다제조사별제품군을살펴보면전통적인지형탐지및탐사목적의라이다제품군과지상용 3D 레이저스캐너제품군, 최근주목을받고있는모바일라이다제품군으로구별될수있으며, 제품군별제조사는 [ 표 3] 과같다. [ 표 3] 라이다제품군및용도별제조사현황제품군용도제조사 항공관측 지상 모바일 < 자료 > 참고문헌 [7]~[15] 참조 지구지형및환경관측산림관리및계획해안선관리 3D 레이저스캐너 3 차원모델링 자율주행자동차환경감지및정보수집 RIEGL Laser Measurement Systems Optical Galaxy Airborne Lidar Trimble Leica I-Site 3D Laser Scanning Technology Velodyne, Quanergy IBEO, SICK, Sparkfun 국내에서는자율주행자동차의다양한 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 의상용화를 목표로라이다기술연구가진행중이며, 아직차량용라이다생산및제품화단계까지는진행 되지않은상황이다. 국외에서는자율주행자동차를위한소형, 저가형의라이다센서를개발하는단계에있으며, 저가형의경우 1,000 달러이하제품도출시하고있다. 현재전세계저가형라이다제품중가 격대비우수한성능을갖춘제품으로평가되고있는 Quanergy 제품 (The Mark VIII) 을살펴보면 음료수캔절반크기로, 8 개의레이저및수신소자를포함하고 360 도회전스캐닝이가능한 구조로되어있으며, 차량내부및외부설치에는용의하나, 자율주행을위해필요한충분한정 보를수집하기위해서는다수의제품을설치해야하는단점이존재한다. V. 맺음말 라이다모듈은지구과학및우주탐사를목적으로지속적으로발전해왔으며, 최근자동차의 안전및자율주행을위한핵심요소로수요가급증하는추세이며, 이에따른연구개발도활발 정보통신기술진흥센터 23
주간기술동향 2016. 9. 28. 하게진행중에있다. 현재국내에서는라이다센서관련핵심기술의확보를위한기술개발이진행중에있으나확보된기술의상대적인수준이미흡한수준이다. 선진국과의기술격차를좁히고전기자동차의등장및자율주행자동차시장과더불어급성장하고있는센서시장의선점을위해적극적인관심과연구개발을위한투자가필요한시기이며빠른기간내에기술확보가필요할것으로판단된다. 본고에서는미래에새로운시장창출이가능할것으로예상되는라이다센서기술의이해를돕고자라이다센서의기본구성및원리부터최근응용분야에이르기까지기술개발및시장동향에대해요약하였다. [ 참고문헌 ] [1] Light Detection and Ranging(LiDAR), Portland State University [2] 김종덕외, 라이다센서기술동향및응용, 한국전자통신연구원, 전자통신동향분석제 27 권제 6 호, 2012. [3] 박세환, LiDAR 기술개발추이및시장현황, 전자정보센터 (EIC) 산업기술보고서, 2013. [4] https://www.loc.gov/exhibits/911/911-maps.html [5] Rod Robinson, Infrared differential absorption Lidar(DIAL) measurements of hydrocarbon emissions, Journal of Environmental Monitoring, Issue 8, 2011. [6] 자율주행차의핵심기술로주목받는자동차용센서시장전망과개발동향및참여업체사업전략, IRS Global, 2015. 8. [7] http://www.airbornelidarmapping.com/ [8] http://www.rieglcom/ [9] http://www.advancedscientificconcepts.com/ [10] http://www.velodynelidar.com/ [11] http://www.quanergy.com/ [12] http://www.ibeo-as.com/ [13] https://www.sick.com/ [14] http://leica-geosystems.com/ [15] https://www.sparkfun.com/ 24 www.iitp.kr