[첨단 헬로티]

 

LiDAR 시스템 및 센서 관련 국내 기술력 ‘기술개발 초기단계’

4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 전 세계적으로 LiDAR 기술개발에 집중하고 있다. 특히 캐나다 및 미국 등 선도국가에서는 지리정보학 분야에서 LiDAR 기술을 이용한 연구개발에 주력하고 있다. LiDAR를 비롯한 전후방 비즈니스 모델에 적응하기 위해서는 우수한 하드웨어와 소프트웨어 개발 교육 프로그램을 통해 많은 전문가를 적극 양성해 나갈 필요가 있다.

Ⅰ. 서언

스마트 미디어기기1)와 비약적인 발전을 지속하고 있는 이동통신 네트워크2) 기술력이 최첨단 측량장비인 LiDAR(Light Detection And Ranging) 기술3)과 접목되면서 커다란 성장잠재력을 보여주고 있다.

 

이 기술은 우리가 보고, 느끼는 주변상황을 디지털화된 방식으로 기록하는 방법에 획기적인 변화를 주도하고 있다. 아울러 교통/운송(Transportation), 수리학(Hydrology)4), 산림학(Forestry), 가상 관광(Virtual tour), 건설(Construction), 고고학/지리학/지질학/대기물리학 분야 및 원격탐지 등 매우 다양한 분야에 적용되면서 가치사슬(Value chain)을 확장시켜가고 있다. LiDAR 기술의 발전양상은 미국국립과학아카데미의 다양한 응용분야에 대한 최근 연구보고서를 통해서도 확인할 수 있다[1][2].

이 연구에서는 3D-GIS 기술의 전단계인 3D지도데이터를 가시화하는 데 필수적인 LiDAR 기술의 특장점과 파급효과에 대해 설명한다. 다양한 모듈로 구성되어 있는 LiDAR 센서, 모바일 LiDAR 및 주변기술 등 LiDAR의 기반기술에 대해 설명한다. 

아울러 LiDAR 기술의 핵심인 3D레이저 스캐너 기술의 개발동향 및 상용화 동향에 대해 설명한다. 끝으로 2020년 6억2,490만 달러의 대규모 시장형성이 예상되는 글로벌 시장성장 추이와, 항공/모바일/우주/근거리탐색 등 적용분야별 글로벌 시장점유율을 중심으로 LiDAR 기술의 시장성 분석정보를 제시한다.

Ⅱ. LiDAR 기술의 특장점 및 파급효과

1. LiDAR 기술의 특장점

LiDAR 기술은 3D-GIS(Geographic information system) 기술5)의 전단계인 3D지도데이터를 구축하고 이를 가시화(visualization)하는 데 필수적인 것이다. 이를 위해 2010년에 ⅰ)LiDAR에 의한 영상자료 획득 및 자동분류 기술, ⅱ)LiDAR 영상분석을 통한 3D 지도데이터 제작기술, ⅲ)3D 및 1D 지도데이터 융합을 통한 지도데이터 가시화(visualization) 기술, ⅳ)3D-GIS 관련 소프트웨어 기술, ⅴ)가상현실(VR) 및 증강현실(AR)과 GIS의 결합을 통한 자료생성 기술 등 다양한 첨단 기술이 개발된바 있다. 이를 기반으로 3D-GIS 기술과 접목되면서 더욱 가속화되고 있다[3][4]. 

아울러 LiDAR 기술은 높은 에너지밀도와 짧은 주기를 갖는 펄스신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 주변상황이나 물체에 대한 정밀한 관측성능과 거리정보를 포함한 3D 영상정보 수집을 가능하게 하고 있다. 이를 통해 지구과학 및 우주개발 분야, 로봇, 3D영상 카메라와 같은 산업 분야에 응용되면서 적용영역을 넓혀가고 있다. 특히 전 세계적으로 관심이 집중되고 있는 자율주행자동차 기술의 핵심으로 자리 잡고 있다.

2. LiDAR 기술의 파급효과

LiDAR 영상분석 기술을 통해 3D 지도데이터가 제작되고 가시화작업이 완료되어 완전한 3D-GIS 시스템이 구축되면서 다음과 같은 파급효과가 나타나고 있다.

- LiDAR 영상의 자동화 생성 프로그램에 의한 자동분류 정확도 및 속도를 개선할 수 있다.

- 3D 지도데이터 구축용 소프트웨어 개발에 필요한 요소 기술을 제공할 수 있다.

- 자동화 프로그램 이용 후에도 계속되는 수작업으로 인한 지도데이터화의 지연을 줄일 수 있어 LiDAR 영상분석 기술을 개선할 수 있다.

Ⅲ. LiDAR의 기반기술

1. 센서 기술

LiDAR 센서 시스템은 레이저 송신모듈, 레이저 검출모듈, 신호 수집 및 처리모듈, 데이터 송수신모듈로 구성되어 있다. 레이저신호의 변조방법에 따라 ToF(Time of Flight) 방식과 PS(Phase Shift) 방식으로 구분된다. ToF방식은 방사된 레이저 펄스신호가 측정범위 내의 물체로부터 수신기에 반사되는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 원리이다.

PS방식은 특정 주파수로 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방사하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 원리이다[5]. (그림 1 참조)

▲ 그림 1. LiDAR 시스템의 기본구성 및 동작원리

* 자료 : 김종덕 외(2012.12)

레이저 광원은 250㎚~11㎛ 파장영역에서 특정 파장을 가지거나 파장가변이 가능한 레이저광원이 이용된다. 최근에는 소형, 저전력 SLD(Semiconductor Lazer Diode)가 많이 이용되고 있다. LiDAR 시스템의 성능은 수신기의 측정각도를 나타내는 FoV(Field Of View), 측정범위를 선택하기 위한 field stop, 레이저 빔과 수신기의 FOV 오버랩 특성 등이 성능을 결정짓는 요인이다. 특히 광속에 대해 단위 데이터 수집을 위한 최소 시간은 거리 분해능(Range resolution)을 결정하는 요인이다6). 따라서 1m 이하의 거리 분해능을 위해서는 수ns 이내의 짧은 초정밀 데이터수집 및 처리기술이 요구된다.

2. 모바일 LiDAR 기술

이 기술은 향후 자율주행자동차의 핵심이 될 것으로 예상된다. 이를 통해 가상 여행에 대한 체험방법을 향상시킬 수 있는 획기적인 시각적 영상을 만드는 데 적용될 수 있을 것이다. 

이를 통해 언제 어디서든 현장감 있는 가상현실(Virtual reality)을 느끼게 될 수 있을 것이다. 특히 지능형 측량기술과 지능형교통시스템(ITS) 분야의 애플리케이션으로 발전할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

최근 우주왕복선 인데버(Endeavour)호7)가 대도시 도심지역의 거리를 거쳐 마지막 도착지점인 LA까지 가는 데에도 모바일 LiDAR 기술이 이용된바 있다. 

보다 더 획기적이고 새로운 애플리케이션의 개발은 충분한 관련 전문가들이 확보될 때까지 시간이 걸릴 것으로 예상하고 있다[6]. 이를 통해 특히 지리정보 및 위치정보를 기반으로 한 다종다양한 서비스가 가능해질 것이다.

3. 주변기술

LiDAR 시스템은 기상관측 및 거리측정, 무인 로봇 센서, 3D영상 모델링 등 매우 다양한 기술들이 포지셔닝 되어 있다. LiDAR 시스템의 주변기술들은 다음과 같은 것들이 개발되어 있다[5][7]. (표 1 참조)

▲ 표 1. LiDAR 시스템의 기본구성 및 동작원리

Ⅳ. 3D레이저 스캐너 기술

1. 개발동향

2D 레이저 스캐너를 활용하여 실시간으로 3D영상을 구현하기 위해서는 무엇보다 고속 데이터수집 기술이 필수적으로 요구된다. 이를 위해 회전방식의 3D레이저 스캐너는 다수의 레이저 및 수신기를 이용하여 특정 방향의 시야각(FOV)에 대해 동시 측정이 가능하도록 회전 스캐닝함으로써 3D영상 수집이 가능하다[5][7]. 

이 방식은 넓은 시야를 확보하기 위해 많은 레이저 및 수신기가 필요하고 비교적 고난이도의 패키징 기술이 요구되지만, 현재 상용화된 소자들을 활용하여 구현할 수 있는 장점이 있다. 

현재 상용화된 3D 레이저 스캐너는 대부분 제한된 수직방향의 시야각을 가지며, 수평방향에 대해 360도 또는 수 십도의 스캐닝각도를 지원한다. 3D레이저 스캐너 기술 분야의 글로벌 리더 기업으로는 Ibeo사(본사:독일, 자회사:네덜란드)와 Velodyne사(본사:미국, 자회사:중국,독일)를 들 수 있다. Ibeo사는 8-layer 기술을 적용하여 6.4도의 수직 시야각과 110도의 수평 시야각을 지원하는 제품을 출시한바 있다[8]. 

Velodyne사는 가장 넓은 시야각을 지원하는 제품을 출시한바 있다. 특히 Velodyne사의 제품은 각각 16개의 레이저로 구성된 4그룹의 레이저 출력부와, 각각 32개의 수신기로 구성된 2그룹의 수신부로 구성되어 있다. 이를 통해 총 64개의 레이저 및 수신기를 이용하여 0.4도의 수직해상도, 약 24.8도의 수직시야각, 360도 회전 스캐닝을 지원한다. 이 솔루션은 자율주행자동차 및 군용차량 등의 시험개발용으로 많이 적용되고 있다[9]. 

현재 출시되고 있는 3D레이저 스캐너는 반사율이 높은 물체의 최대 측정가능 거리는 120m, 200m, 250m가 가능한 상황이다. 반사율이 10%인 조건에서 측정 가능한 거리는 약 50m 수준이라는 것을 고려하면 상당히 먼 거리의 측정이 가능함을 알 수 있다. Ibeo사 및 Velodyne사 이외에도 여러 기업에서 360도 회전 가능한 제품들을 출시하고 있다.

2. 상용화 동향

레이저 스캐너 상용 제품을 출시하는 글로벌 기업으로는 Hokuyo, Omron 등이 있다. 외부환경(outdoor)에서 사용하기 위한 Velodyne, SICK, Ibeo, Hokuyo사의 3D/2D 레이저 스캐너 중 비교적 장거리 지원이 가능한 모델의 주요 사양을 표 2에 나타낸다[10][11].

▲ 표 2. 2D/3D 레이저 스캐너 주요 제품 및 사양

수직방향의 FOV 및 각도 해상도는 Velodyne사의 제품이 가장 우수하며, 초당 프레임을 결정하는 회전주파수(spin rate)는 5~50Hz까지 지원하는 제품이 있다. 일부 제품의 경우 온도 제어를 위한 cooling/heating 기능을 갖고 있으며, 데이터 입출력을 위해 10Mbps/100Mbps Ethernet 인터페이스를 지원한다. 

이외에도 CAN, RS232C 및 USB 등의 인터페이스 플랫폼을 지원하기도 한다. 특히 외부 환경에서 가장 중요한 동작온도의 경우 Ibeo사 제품이 -40~85℃까지 지원하며, Velodyne사의 제품은 초고온 및 초저온에서의 안정적인 동작을 위한 개선이 필요하다[5][7][11].

Ⅴ. LiDAR 기술의 시장성 분석

1. 글로벌 시장성장 추이

LiDAR 기술의 글로벌 전체 시장규모는 2017년 3억8,390만 달러에서 연평균 17.6%의 높은 성장을 지속하여 2020년에는 2017년 대비 약 2배정도인 6억2,490만 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다. 

특히 아시아/태평양 지역과 LAMEA(Latin America, Middle East & Africa) 지역의 성장률이 각각 24.2%와 23.6%로 북미와 유럽에 비해 더 높은 성장을 기록할 것으로 예상된다[10]. 

2017~2020년 동안 LiDAR 기술의 글로벌 시장성장 추이를 표 3에 나타낸다.

▲ 표 3. LiDAR 기술의 글로벌 시장성장 추이[백만 달러]

2. 적용분야별 글로벌 시장점유율

LiDAR 기술의 적용분야별 글로벌 시장점유율은 2017년의 경우 항공 분야 49%, 모바일 분야 25%, 우주 분야 18%, 근거리탐색 분야 8% 순으로 나타났다. 2020년에는 항공분야 44%, 모바일 분야 28%, 우주 분야 20%, 근거리 탐색 분야 8% 순으로 예상된다[10]. 

2017~2020년 동안 적용분야별 글로벌 시장점유율과 순위도 변화가 없을 것으로 예상하고 있다. 5G 이동통신 시스템의 상용서비스 개시시점인 2020년 이후가 되면 모바일 분야의 점유율이 획기적으로 높아질 것으로 전망된다. LiDAR 기술의 적용분야별 글로벌 시장점유율을 표 4에 나타낸다.

▲ 표 4. LiDAR 기술의 적용분야별 글로벌 시장점유율[%]

Ⅵ. 결언

4차 산업혁명 시대를 맞이하면서 전 세계적으로 LiDAR 기술개발에 집중하고 있다. 특히 캐나다 및 미국 등 선도국가에서는 지리정보학 분야에서 LiDAR 기술을 이용한 연구개발에 주력하고 있다. LiDAR를 비롯한 전후방 비즈니스 모델에 적응하기 위해서는 우수한 하드웨어와 소프트웨어 개발 교육 프로그램을 통해 많은 전문가를 적극 양성해 나갈 필요가 있다. 

LiDAR 센서 기술은 지구과학 및 우주 탐사 등의 목적으로 지속적으로 발전해오면서 현재는 항공기 및 위성에 탑재되어 정밀한 지구지형 및 환경관측을 위한 매우 중요한 수단으로 활용되고 있다. 아울러 우주정거장과 우주선의 도킹 시스템, 우주탐사 로봇 등에 폭 넓게 활용되고 있다. 

지상에서는 원거리 거리측정, 자동차 속도위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 LiDAR 센서 기술로 자리 잡고 있다. 최근에는 3D영상 복원을 위한 레이저 스캐너, 자율주행자동차를 위한 3D영상 센서 등의 분야에서 핵심기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 확대되어 가고 있다. 

현재 LiDAR 시스템 및 센서 관련 국내 기술력은 기술개발 초기단계로서 핵심기술 확보가 다소 미흡한 수준이다. 이에 기술선도국과의 기술격차를 줄이고 고부가가치가 잠재된 글로벌 시장선점을 위해 산/학/연 공동 연구개발에 주력할 필요가 있다. 

아울러 미래 유망 산업으로 주목받고 있는 LiDAR 시스템 및 센서 기술개발에 대한 정부차원의 제도적 지원이 필요하다.

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1. 스마트폰, PDA, PMP, MP3/4, Wi-Fi/WiMAX, 모바일IPTV, 넷북, 테블릿PC 및 GPS수신기 등 다양한 모바일기기

2. 이동통신시스템 기술은 1G(1984~2000/아날로그/음성)→2G(1996~/디지털/데이터/01x 번호유지/GSM방식)→3G(2001~/IMT-2000/멀티미디어/010번호통합)→4G-LTE(2010~/WiMax/WiFi에 이어 2020년 5G 시대를 준비하고 있다.

3. 적외선 범위(LaDAR(Laser Detection and Ranging)보다 더 짧음)에 가까운 정도의 짧은 파장과 전자기 스펙트럼을 이용하여 촬영 대상 개체의 표면과 검출범위에 레이저 펄스를 조사한 후 반응하는 신호펄스를 통해 개체의 속성을 측정하는 기술

4. 수리학(水理學) : 지표 및 지하의 물의 상태, 유래, 분포 및 이동 등에 대해 연구하는 학문으로서 수문학(水文學)이라고도 함

5. 3D 공간정보 기술로서 2차원 위치정보에 높이(심도), 영상 및 속성 정보를 추가하여 현실세계와 유사하게 표현한 정보기술을 의미한다. 이의 핵심은 3D 전자지도를 만들어 그 안에 관련되는 제반 정보를 모두 포함시켜 u-City, 텔레매틱스, LBS(Location Based Service), 도시계획/개발, 재난방재, 교통 제어 및 환경 등 공공분야 및 관련 산업의 기반을 마련하는 것이다.

6. 레이저의 파장은 대기의 온도, 구름 및 강우 등에 대한 투과성과 eye-safety에 직접적인 영향을 준다. 기본적으로 레이저 출력, 파장, 스펙트럼 특성, 펄스 폭 및 모양 등과 함께 수신기의 수신감도 및 다이내믹 레인지, 광학필터 및 렌즈의 특성이 LiDAR 시스템의 성능을 결정하는 주요 요인이다.

7. NASA의 퇴역한 우주왕복선으로 챌린저호 사고 후 새롭게 제작된 NASA의 5번째이자 마지막으로 건조된 것이다.

8. 이들은 대게 차량의 전/후방에 장착되어 특정 방향만을 관측하기 위해 설계된 경우 85도, 제한된 수평 방향의 FOV의 경우 110도를 지원하며, 대부분 약 0.1도 정도의 수평방향각 해상도를 갖는다. 

박세환 전문위원 한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램