기술기고문

자동차 카메라 링크 기술의 과제와 솔루션

2021-05-28
글: 조 트릭스(Joe Triggs) 애플리케이션 매니저, 데릭 버크(Derek Burke) 애플리케이션 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

자동차에서 카메라 시스템과 카메라 링크 기술의 도입이 점점 늘어나고 있다. 운전자 보조 및 주행 경험 강화를 위해서다. 단일 카메라를 사용하는 기존의 후방 카메라(rear-view camera, RVC) 시스템은 이제 4개 혹은 그 이상의 카메라를 사용해서 360º 뷰를 제공하는 서라운드 뷰 시스템(SVS)으로 대체되고 있다. 주행 기록 장치, 사각지대 모니터링, 나이트 비전, 도로 표지판 인식, 차선 이탈 경고, 적응형 주행 제어, 비상 제동, 저속 충돌 방지 시스템 같은 다양한 기능들은 모두 운전자의 부담을 덜어준다. 주행 경험을 강화하기 위한 운전자 생체 신호 모니터링, 점유 감지, HMI(human-machine interface)용 동작 인식 같은 다양한 애플리케이션에서 카메라 사용이 빠르게 늘어나고 있다. 카메라 시스템의 발전 덕분에 자동차 제조사들은 윙 미러 같은 기존의 기능을 대체함으로써 자동차 외관에 변화를 도모할 수 있게 되었다.

 
그림 1: 최신 자동차에서 점점 더 늘어나고 있는 카메라 애플리케이션

앞서 소개한 다양한 카메라 애플리케이션들의 기원은 오늘날의 자동차에서도 여전히 많이 사용되고 있는 표준 화질(SD) RVC 시스템이다. SD 카메라 시스템은 지난 10년 넘게 자동차 애플리케이션에 꾸준히 채택되어 왔는데, 초기에는 고급형 차종에만 사용되다가 나중에는 관련 규정을 충족하고 소비자 기대에 부응하기 위해서 점점 더 다양한 차종으로 확대되었다. SD 비디오 솔루션은 자동차 OEM들에게 많은 이점을 제공했다. 컨수머 텔레비전 분야에서 이미 검증된 기술이라서 실패 위험성이 적은데다, 대역폭 요구가 낮아 저렴한 케이블과 커넥터를 사용해서도 방사를 통제된 수준으로 유지할 수 있었으며, 불안정한 비디오 입력 신호에 대한 처리 능력도 검증된 성숙한 기술 수준의 비디오 인코더와 디코더를 사용할 수 있었다.

오늘날에는 컨수머 기기에 초고화질(UHD) 디스플레이가 보편화됨에 따라 모든 차종의 자동차들에 보다 대화면에 고화질의 디스플레이가 요구되고 있다. SD 비디오 솔루션은 소형 디스플레이에서는 괜찮아 보여도, 대화면 기기에서는 화질이 떨어지는 것을 소비자들이 쉽게 느낄 수 있다(SD 비디오는 대역폭이 제한적이라서 고주파 디테일을 세밀하게 표시하지 못하며 변조된 신호에서 휘도와 색도 성분을 분리할 때 색 간섭 잡음이 발생할 수 있다). 디스플레이의 대형화 추세로 인해 자동차 OEM들로서는 자사의 카메라 아키텍처를 고화질로 업그레이드하는 것이 과제가 되었다. 이 요구를 충족하는 데 있어서 중요한 것이 카메라에서 수신 장치(ECU나 디스플레이)로 이미지 데이터를 전송하기 위해 필요한 카메라 링크 기술이다.

카메라 링크 기술을 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 것은 대역폭 요건이다. 카메라 시스템은 대역폭 요건은 카메라 시스템마다 다를 수 있다. SD 비디오 해상도를 사용하는 기존의 RVC 시스템은 대역폭 요구가 낮다(6MHz). 통상적으로 서라운드 뷰 모니터(SVM) 시스템은 낮은 속도로 구현되며, 노출을 극대화하기 위해서 낮은 프레임 레이트(30Hz)를 사용하므로 대역폭 요구 조건이 낮다. 윙 미러 대체 시스템은 자동차의 전체 동작 속도에 걸쳐서 동작하며, 지연시간을 최소화하기 위해서 더 높은 프레임 레이트(60Hz 혹은 그 이상)를 사용하므로 더 높은 대역폭을 요구한다. 자율 주행차 애플리케이션의 전방 카메라는 초고화질(18MPixel 이상)을 필요로 하므로 대역폭 요구가 매우 높다. 카메라 링크 기술은 이처럼 다양한 것들이 존재하고 폭넓은 범위의 대역폭을 제공한다. 카메라 링크 기술은 카메라 시스템과 전체적인 자동차의 다양한 측면을 고려해서 선택할 수 있다.

이미지 품질
카메라 링크 기술이 제공하는 이미지 품질은 아키텍처 설계에 있어서 핵심 요소이다. 대역폭이 충분하지 않은 카메라 링크 기술을 이용해 비디오 데이터를 전송하면 이미지 무결성이 저하되거나 심하면 이미지를 소실할 수도 있다. 카메라 링크 기술로 인한 이미지 저하는 이미지 선명도나 동적 범위 같은 요소들을 측정해서 판단할 수 있다.

케이블의 영향
최신 자동차에서 케이블 어셈블리나 배선 연결은 가장 복잡하고, 무겁고, 설치하기 까다로운 요소 중의 하나이다. 평균적으로 자동차의 총 배선 길이는 수 킬로미터까지 이를 수 있으므로, 하니스를 매우 중요하게 고려해야 한다. 대역폭 요구가 높을수록(예를 들어서 자율 자동차의 초고화질 전방 카메라) 고품질의 무거운 케이블이 필요하다. 내연 엔진 자동차와 전기차 모두 주행거리를 늘리기 위해 차를 더 가볍게 해서 연비를 높이려 하기 때문에 케이블 무게는 주요 관심사이다. 자동차 내부에 복잡하게 배선을 해야 하는 애플리케이션의 경우, 케이블의 굽힘 반경이 중요할 수 있다. 카메라를 차체의 힌지 부위에 설치해야 하는 경우에는(SVM 시스템의 경우에는 도어, RVC와 SVM 시스템 같은 경우에는 트렁크 리드) 이 부위를 열고 닫는 횟수에 대한 케이블의 견고성이 중요하다. 케이블이 열악한 환경에 노출되는 경우에는 방수 기능이 필요할 수 있다.

카메라 링크 기술과 케이블 유형을 어떤 것을 선택하든 상관없이, 케이블이 1센티미터 늘어날 때마다 비용이 증가하는데 이 비용을 모두 합치면 케이블 하니스는 자동차에서 세 번째로 많은 비용을 차지하는 요소가 된다.

기존의 SD 비디오 솔루션은 대역폭 요건이 낮기 때문에 극히 경제적인 가격대의 가벼운 케이블을 사용할 수 있다. 많은 경우에 SD 비디오 솔루션에는 CAN 같은 저속 제어 링크에 사용되는 것과 유사한, 비차폐연선(UTP) 케이블을 주로 사용한다.

커넥터
배선 하니스 및 그와 연결되는 모듈에 있어서 또 다른 핵심 요소는 전기적 커넥터이다. 커넥터는 하니스를 제어 모듈, 센서, 모터 등으로 연결할 뿐 아니라, 동일한 케이블을 여러 구간으로 나누어서 연결하기 위해서도 사용된다. 이것을 인라인 커넥터라고 한다. 자동차 업계에서는 하니스 구조, 설치, 수리를 단순화하고 용이하게 하기 위해 인라인 커넥터를 많이 사용한다. 예를 들어 카메라에 가깝게 인라인 커넥터를 사용하면 카메라가 손상되었을 때 자동차의 나머지 배선 하니스를 방해하지 않으면서 카메라를 손쉽게 교체할 수 있다.

커넥터 역시 케이블과 마찬가지로 어떤 제품을 선택하느냐가 카메라 시스템의 전반적인 비용에 크게 영향을 미칠 수 있다. 고해상 시스템일수록 더 높은 대역폭을 지원하는 커넥터를 필요로 하므로 커넥터 가격 또한 더 비싸진다.

이 밖에, 커넥터가 PCB 및 ECU에서 차지하는 면적, 커넥터의 밀봉 여부, 컬러 코딩/키잉(keying)이 필요한지 여부 등도 고려해야 한다.

기존의 SD 비디오 솔루션은 카메라와 ECU 또는 헤드 유닛(HU) 모두에 경제적인 가격대의 커넥터를 사용할 수 있다. 예컨대 SD 비디오 RVC 시스템의 비디오 신호는 다중 핀 커넥터를 통해서 다른 신호들(네트워크 제어나 전원 신호 등)과 함께 ECU나 HU로 전달할 수 있다. 디지털 링크는 전용 커넥터를 요구하므로 PCB나 패키징과 관련한 까다로운 제약이 ECU에 가해질 수 있다.

자동차 아키텍처
자동차 아키텍처에 따라서 적합한 카메라 링크 기술이 달라질 수 있다. 자동차에서 평균적인 케이블 길이는 길게는 수 킬로미터까지 이를 수 있으며, 소비자들이 덩치 큰 SUV 차량을 선호함에 따라 케이블 길이는 점점 더 길어지는 추세다. 어떤 자동차 아키텍처는 케이블 길이와 관련한 새로운 도전 과제를 제기하는 추가적인 기능을 포함할 수도 있다. 트레일러 후진 지원 기능 같은 것들이 그러한 예이다. 카메라 시스템 때문에 케이블 길이가 늘어나는 또 다른 자동차 아키텍처가 상용 차량이다. 대부분의 카메라 링크 기술은 어떤 자동차 아키텍처와 기능이든 지원할 수 있는데, 어떤 것들은 긴 케이블 길이를 지원하기 위해서 리피터나 리트랜스미터 같은 추가적인 모듈을 필요로 할 수 있다.

EMC
카메라 링크 기술을 선택할 때 또 다른 중요한 고려사항은 케이블 솔루션의 전자기 방사와 내성이다. 케이블이 자동차 내에서 안테나처럼 기능하여 해로운 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 자동차에서 전기 및 전자 시스템의 비중이 커지면서 이들 시스템이 공존해야 할 필요성 또한 높아지고 있다. 즉, 어떤 시스템(가령 RVC 시스템)이 다른 시스템(자동차 트랙션 모터나 전동 좌석 기능)에 영향을 미치거나 영향을 받지 않도록 해야 한다. 이를 위해서는 링크 기술 솔루션을 선택할 때 방사와 내성 성능을 검토해야 한다.

내부적 또는 외부적 요인이 자동차 시스템에 방해를 일으키지 않도록 하기 위해서 자동차 제조사들은 모든 시스템을 자사의 EMC 요건에 따라서 테스트를 실시한다. 이러한 테스트들은 시스템 차원에서 먼저 이루어진다(예를 들어서 후방 카메라나 서라운드 뷰 시스템). 이들 테스트는 비용과 시간이 많이 들고 까다로운데, 각 모듈을 자동차에 통합하기 전에 견고성을 확인할 수 있다. 시스템 차원의 테스트를 성공적으로 통과한 다음에는, 자동차에 통합한 후 고전력 복사 신호에 노출되어서도 시스템이 잘 작동하는지 테스트해야 한다(복사 내성). 또한 자동차 내에서 모든 안테나의 수신 대역(FM, GPS, 셀룰러, 와이파이 등)을 측정해서 어떠한 간섭 신호가 존재하지 않는지 확인해야 한다. 자동차 차원에서 EMC 문제를 해결하기 위해서는 더 많은 비용과 시간이 소요된다.

그 밖의 고려사항
지금까지 열거한 사항들 외에도 제어 채널 가용성, 픽셀 정확도, ASIL 등급 같은 것들을 고려해야 한다.

요약
카메라 시스템에 사용하기 위한 카메라 링크 기술을 선택할 때는 다양한 요소들을 고려해야 한다. 어떤 카메라 링크 기술을 선택하느냐 하는 것은 자동차의 여러 측면에 영향을 미친다. SD 비디오 기술을 사용하는 기존의 RVC 시스템은 자동차 내에서 비디오 전송을 위해서 신뢰성과 경제성이 매우 뛰어난 솔루션을 제공했다. 하지만 최근 몇 년 사이에 디스플레이가 대형화하면서 대형 디스플레이에서는 SD 비디오 시스템의 화질이 떨어지는 것을 소비자들이 인식하게 되었다. 규정이 엄격해지고 소비자들의 요구가 높아짐에 따라서 새롭게 출시되는 차량들에서는 카메라 대수가 점점 늘어나고 있다.

이러한 동향과 기술 개발은 오늘날 다양한 자동차 카메라 시스템에서 사용할 수 있는 카메라 링크 기술들이 폭 넓게 등장하게 된 배경으로 작용했다. 오늘날 카메라 링크 기술은 기존 SD RVC 시스템에서 검증된 SD 비디오 기술(CVBS 등)에서부터, 고화질 아날로그 링크 기술을 거쳐서 고화질 디지털 링크 기술들까지 이른다.

SD 비디오 기술은 대역폭 요구가 낮은 애플리케이션에 사용되는 대신, 경제적인 가격대의 케이블과 커넥터를 사용할 수 있다. 디지털 링크 기술은 높은 대역폭을 요구하는 애플리케이션에 사용할 수 있으며 픽셀 정확도 등에서 유리하다. 하지만 더 비싼 케이블과 커넥터를 필요로 한다. 고화질 아날로그 링크 기술은 두 가지 솔루션을 절충하여, 경제적인 가격대의 케이블과 커넥터를 통해서 고화질 비디오를 제공한다.

C2B™는 바로 그와 같은 고화질 아날로그 링크 기술이다. 자동차 OEM들과 일차 협력사들을 위해서 경제적인 가격대의 케이블과 커넥터를 사용하면서 EMC 요건을 충족하고 고화질 비디오를 제공하는 매력적인 솔루션을 제공한다.

C2B 자동차 카메라 링크 기술
C2B는 아나로그디바이스(Analog Devices)가 내놓은 고화질 아날로그 비디오 전송 기술이다.

애초에 자동차용 카메라 링크 기술로서 설계된 C2B는 트랜스미터에서 리시버로 최대 2MPixel(1920 x 1080)의 해상도로 HD 비디오를 전송할 수 있다. C2B는 SD 비디오 시스템에 사용되는 UTP 케이블과 커넥터의 대역폭 용량을 최대한 활용하도록 설계되었다. C2B의 혁신적인 균등화기 아키텍처는 케이블 길이를 최대 30미터까지 지원하므로 재전송이 필요 없다. 또한 C2B는 모든 자동차 요건을 충족하도록 EMC에 관련된 다수의 최적화 기능들(최적화된 신호 구축, 안티앨리어싱 필터, 스펙트럼 성형 필터 등)을 포함하며 자동차 분야에서 아나로그디바이스가 쌓아온 경험과 전문성을 바탕으로 하고 있다.  

또한 C2B는 최대 400kHz에 이르는 I2C 신호, 최대 4개의 GPIO 신호, 카메라 모듈로부터의 인터럽트 신호를 처리할 수 있는 제어 채널이 특징이다. 따라서 로컬 구성(카메라 모듈에 MCU 1개, ECU/HU에 MCU 1개 사용)뿐만 아니라 원격 구성(카메라 모듈을 구성하는 ECU/HU에 MCU 1개 사용)을 포함하는 시스템 아키텍처가 가능하다. 4개의 GPIO를 사용해서는 C2B 링크를 통해서 정적 신호를 전송할 수 있다. 2개의 인터럽트 신호는 C2B 트랜스미터가 C2B 리시버로 상태 정보를 통신할 수 있게 해준다. C2B는 제어 채널 데이터에 CRC 검사를 적용하고, 어떤 문제가 발생하면 자동으로 재전송한다.

 
그림 2: C2B 아키텍처 개요

C2B는 전송되는 데이터의 무결성을 파악할 수 있도록 케이블 진단(배터리에 대한 케이블 단락, 접지에 대한 단락 같은 이벤트가 발생했을 때 정보 수집)과 프레임 계수, 생성, 디코딩, 전송 같은 향상된 기능들을 지원한다. 

자동차 애플리케이션용으로 개발 및 설계된 C2B는 저렴한 UTP 케이블과 비차폐 커넥터를 통해 EMC 적합성을 달성할 수 있도록 다양한 기능들을 지원한다. 임피던스 불일치 시의 에코 제거, 광대역 공통 모드 제거(UTP 케이블을 사용할 때 유용), 방사를 낮추기 위한 출력 신호 스펙트럼 성형 등이 그러한 예이다. C2B는 디바이스 차원의 EMC 표준과 시스템 차원의 EMC 표준과 관련한 여러 시험들을 통과했다(CISPR 25 Class 5(방사), ISO 11452-2/ISO 11452-4/ISO 11452-9, ISO 7637-3(내성), ISO 10605(ESD)).

이러한 특징들을 바탕으로, C2B는 두 가지 유형의 자동차 제조사들에게 매력적인 솔루션을 제공한다. 하나는 지금도 SD 카메라 솔루션을 사용하고 있으면서 위험성 낮은 업그레이드 경로를 추구하고 있는 제조사들이고, 다른 하나는 디지털 링크 기술 기반 카메라 솔루션으로 전환했으면서 고화질 아날로그 링크 기술을 사용해서 비용을 낮추고자 하는 제조사들이다.

C2B가 다른 기술들보다 시스템 비용 면에서 커다란 이점을 제공할 수 있는 애플리케이션들로는 후방 카메라, 서라운드 뷰 카메라 시스템, e-미러, 점유 모니터링 시스템을 들 수 있다. 외부 기관을 통해서 확인된 C2B의 시각적 무손실 특성은 디지털 링크 기술에 맞먹는 고화질 성능을 제공하면서 시스템 비용을 상당히 낮출 수 있다.

 
그림 3: 디지털 링크(HDMI, 왼쪽)와 C2B 링크의 비디오 프레임 포착 비교

 
그림 4: 디지털 링크(HDMI, 왼쪽)와 C2B 링크의 비디오 프레임 포착 비교

맺음말
C2B는 자동차 제조사가 기존 SD 카메라 솔루션을 HD로 업그레이드하거나, 디지털 링크 기술을 사용하는 시스템을 보다 경제적인 시스템으로 이전할 수 있도록 하는 매력적인 링크 기술 솔루션을 제공한다. 아나로그디바이스의 C2B 기술과 자동차용 제품에 관한 자세한 정보는 analog.com/c2b에서 확인할 수 있다. 또한 아나로그디바이스는 사용자가 시스템 프로토타입을 신속하게 개발할 수 있도록 C2B 트랜스미터 평가 보드(ADV7992)와 C2B 리시버 평가 보드(ADV7382/ADV7383)를 제공한다. 리시버를 개발할 때는 C2B 트랜스미터 평가 보드를 C2B 소스로 사용할 수 있고, 카메라를 개발할 때는 C2B 리시버 평가 보드를 C2B 싱크로 사용할 수 있다.

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저자 소개
조 트릭스(Joe Triggs)는 아나로그디바이스 자동차 사업부 자동차 커넥티비티 및 센싱(ACS) 그룹의 애플리케이션 매니저이다. ACS 그룹은 C2B, A2B, 그리고 HoD(hands-on detection, 운전자 손이 핸들 위에 올려져 있는지 감지)와 ToF(time-of-flight) 같은 아나로그디바이스의 차내 센싱 기술을 담당하고 있다. 2002년에 코크 대학에서 공학 학사학위 및 2004년에 리머릭 대학에서 공학 석사학위를 취득했다. 2012년에 리머릭 대학의 케미 경영대학원에서 MBA를 수료했다. 문의: joe.triggs@analog.com
태그 :
RVC, SVS, OEM, ECU