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3차원을 실현하는 ToF 기술

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글/Eoin English, Senior Principal Engineer, Analog Devices

오늘날 우리는 마이크로소프트 팀즈(Microsoft Teams), 줌(Zoom), 구글 미트(Google Meet) 같은 프로그램을 사용하여 원격 회의를 하는데 익숙해졌다. 그렇지만 이러한 프로그램의 모든 상호작용은 여전히 2D로 이루어지고 있다. 우리가 정말 원하는 것은 몰입도 높고 실감 나는 3D 경험이다.

메타버스와 증강 현실/가상 현실(AR/VR)이 회자되고 있고 홀로포테이션(Holoportation: 사람의 고품질 3D 모델을 세계 어디서나 실시간으로 재구성 및 전송할 수 있는 기술)에 대한 이야기도 나오고 있지만, 궁극적인 확장 현실(extended-reality, XR) 헤드셋이 현실화하기까지는 아직 멀어 보인다.

2D 상호작용을 실감 나는 3D 상호작용으로 전환하기란 그리 쉬운 일이 아니며 많은 기술들을 융합해야 한다. 3D 디스플레이와 공간 음향(spatial audio) 콘텐츠가 등장한지 꽤 되었음에도, 이것들은 정적으로만 작동하므로 고정된 시청 및 청취 자세를 필요로 한다. 3D ToF(time of flight) 기술은 정적 3D 상호작용을 맥락 인식을 통한 몰입형 상호작용으로 변화시킴으로써 물리적 세상과 디지털 세상을 연결하는 것에 있어서 한 단계 더 나아가도록 한다. 다시 말해서 사람과 원격지의 사람, 사람과 기계, 기계와 기계를 비롯한 모든 유형의 환경에서 사용자와 기계의 맥락에 따라서 역동적으로 적응할 수 있는 것이다. 

초등학교 수준에서 대학원 수준으로 진화한 스마트 기기

아마존 알렉사(Amazon Alexa)와 구글 홈(Google Home) 같은 스마트 홈 기기는 이제 우리의 생활에서 자연스러운 일상이 되었다. IDC의 조사에 따르면, 2021년에 전세계 스마트 홈 기기의 출하량은 거의 12% 증가했으며 2026년까지 두 자릿수 성장이 전망된다. 이제 소비자들은 전구, 가전기기, 텔레비전, 자동차 같은 모든 것들이 진화하여, 더욱 스마트화해지고 손 댈 필요가 없어지기를 기대한다.

2021년 스마트 홈 기기 성장률

지난 10여년 사이에 스마트 홈이 빠르게 진화하면서 ‘스마트하다’는 것에 대한 정의 역시 진화하게 되었다. 기본적인 스마트 기기는 대체로 간단하다. 인터넷에 연결해서 제어하고 모니터링할 수 있는 것이다. 대표적인 예로 로봇 청소기를 들 수 있다. 이보다 좀더 진화한 스마트 기기는 맥락 인식이 가능하다. 예를 들어 GPS 기능을 지원해, 사용자가 버튼이나 스크린을 터치하지 않아도, 사용자가 일정 반경 안에 들어왔을 때 집의 난방을 가동할 수 있다.

여기서 더욱 진화한 스마트 기기는 사용자의 목소리를 듣고 말할 때 그 내용을 이해함으로써 일정 수준의 개인화 기능을 추가한다. 그러면 예컨대 스마트 스피커가 집사 역할도 해서 사용자가 잠자리에 들려고 하면 블라인드를 내리고, 조명의 조도를 낮추고, 실내 온도를 조절하고, 편안한 음악을 틀어줄 수도 있다.

스마트 혁신에 있어서 또 다른 진보는 이들 기기에 인간의 감각을 하나 더 추가하는 것이다. 바로 시각이다. 이러한 기기들은 주변을 감지 및 분석하고 그에 따라서 의사결정을 할 수 있다. 이를 가능케 하는 기술이 심도 감지(depth sensing)라고 하는 것이고, 이 기술의 토대가 되는 것이 ToF이다.

ToF란?

ToF 카메라는 대상 물체에 빛을 쏘았을 때, 발사한 빛이 물체에 반사되어 센서로 되돌아올 때까지 걸리는 시간 지연을 측정해서 거리를 계산한다. 이 프로세스는 초음파나 레이더와 마찬가지지만, 초음파는 빛이 아닌 소리를 사용해서 거리를 측정하고, 레이더는 무선파를 사용해서 거리를 측정한다는 점이 다르다. ToF 카메라는 정밀한 깊이 정확도로 초음파보다 더 빠르게 고분해능 깊이 맵(RGB 카메라와 마찬가지의 공간 분해능)을 생성할 수 있으며, 더 먼 거리를 측정할 수 있다. 빛의 속도가 소리의 속도보다 빠르기 때문이다. 레이더와 비교하면, 레이더가 더 멀리 측정할 수 있지만 ToF는 분해능이 더 높아 보다 정확한 측정이 가능하다.

ToF로 시간 지연을 측정하는 방법은 간접 ToF(iToF)와 직접 ToF(dToF)의 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 

* 간접 ToF와 직접 ToF

• iToF 시스템은 연속파(Continuous-Wave, CW) 기법을 사용해서 방출된 광 펄스와 수신된 광 펄스 사이의 위상 편이를 측정한다.

• dToF 카메라는 펄스 기반 기법을 사용해서, 방출된 광 펄스와 수신된 광 펄스 사이에 경과한 시간을 측정한다. CW iToF 이미지 센서를 사용할 때의 이점은, 기존 반도체 인프라를 활용해 대량 제조가 가능하고, 합리적인 가격대에서 근거리 이미징에 대해 높은 픽셀 밀도를 달성한다는 것이다.

iToF와 dToF 심도 이미징 시스템 중에서 어떤 것을 선택할 것인지는 애플리케이션의 필요와 활용 사례에 따라 결정된다. iToF는 높은 공간 분해능을 필요로 하는 근거리 이미징(0.5미터, 5미터, 10미터) 활용 사례에 적합하다. dToF는 더 긴 거리에 더 낮은 공간 분해능을 필요로 하는 활용 사례에 좀더 적합하다. 인공 지능(AI)과 광학 시스템 설계는 iToF와 dToF 기술 사이의 경계를 흐릿하게 만들었다. 맥락 인식이 가능한 지능적인 에지 시스템에서는 iToF와 dToF 센서 모두 RGB 이미저와 관성 센서를 융합하고 AI 지원을 더함으로써 성능을 높이고 아티팩트를 제거할 수 있다.

마우스가 컴퓨터 상호작용에 혁신을 가져오고 터치 스크린 기술이 스마트폰과 태블릿 도입을 앞당겼던 것과 마찬가지로, ToF 기술은 비접촉 3D 상호작용을 가능하게 할 것이다. ToF 기술은 인더스트리 4.0을 발전시키는 데 있어서도 중요한 역할을 하고 있다. 품질 검사를 위한 산업용 머신 비전에서부터 자산 관리용 체적 감지와 자율 제조를 위한 내비게이션에 이르기까지, 제조 분야에 이러한 센싱 기술들을 도입하여 열악한 산업용 환경에서 사용하기에 적합한 고해상 시스템을 향해 진보를 이뤄가고 있다.

그렇다면 ToF는 일상 생활에 어떤 혁신들을 가져다 줄 수 있을까? 컬러 텔레비전이나 PC에 버금갈 만한 다음 번 혁신은 어떤 것들일까?

HMI: ToF 애플리케이션

자동차의 실내 안전에서부터 홈 트레이닝 장비, 게임 장비, 실감 나는 3D 원격 협업에 이르기까지, 생활 곳곳으로 ToF 기술을 활용한 애플리케이션들이 등장하고 있다. 미래에는 자율 주행차에서도 ToF가 활용되어 레이더, 라이다, 그 밖에 다른 심도 센서를 보완할 것이다.

다음은 ToF 기술의 몇 가지 주요 활용 사례들을 정리한 것으로, 이들은 우리의 일상을 더 편리하고 안전하며 즐겁게 만들 것이다.

* 3D 원격 협업

ToF는 하드웨어와 소프트웨어 양쪽의 혁신을 모두 결합함으로써 멀리 떨어져 있는 친구나 가족, 직장 동료들을 마치 같은 공간에 함께 있는 것처럼 느끼게 만들 것이다. 실감 나는 3D 화상회의는 더 이상 밋밋한 2D 이미지에 머무르지 않고 3D로 구현된 실물 크기의 사람들과 같은 공간에서 실제로 회의를 진행하는 것 같이 느끼게 할 것이다.

* 자동차 ADAS 및 제스처 제어

자동차 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에 ToF를 활용하면 운전자 얼굴과 동작을 모니터링함으로써 운전자가 조는 것을 감지하거나 차선을 이탈했을 때 경고할 수 있다. ToF를 활용한 제스처 제어는 운전자가 도로 전방을 주시한 채 전화를 받고, 오디오를 작동하며, 에어컨이나 히터 등 차량 실내 온도 및 공조장치를 제어할 수 있게 해준다.

* 홈 트레이닝 장비

홈 피트니스 산업이 성장함에 따라서 온라인 스핀 강좌나 요가 강좌를 넘어서 이제는 스마트 피트니스 미러까지 등장하게 되었다. 이 미러의 빌트인 가상 트레이너가 여러분의 스쿼트 자세를 고쳐줄 때, 이를 가능케 하는 것이 ToF이다.

* 홈 시어터

홈 시어터 시스템에 ToF 기술을 활용하면 사용자의 위치나 가구 배치 변화와 같은 물리적 환경 변화에 대해 음향 이퀄라이제이션을 역동적으로 조절할 수 있다.

* 쇼핑

온라인 쇼핑이 편리해지고 빨라짐에 따라 사람들이 직접 보고 싶은 물건을 사기 위해 매장을 찾는 일이 점점 더 줄고 있다. ToF 기술을 활용하면 스마트폰으로 공간을 측정하고 집안을 다시 디자인할 수 있으며, 옷을 구입하기 전에 자신의 아바타에게 미리 입혀볼 수도 있다. 

* 게임과 메타버스

AR/VR 헤드셋의 경우, ToF 기술을 활용해 획득한 깊이 정보를 활용하면 사람이 손 추적을 통해서 실제 세상에 놓여 있는 가상의 물체와 교감하고, 물리적 세상과 디지털 세상을 좀더 정확하게 결합함으로써 보다 생동감 있는 경험을 할 수 있다.

* 스마트 팩토리

ToF 기술을 활용한 머신 비전은 유연한 적응식 생산 환경 설정을 가능하게 한다. 사람과 기계가 안전하게 협업할 수 있게 함으로써 생산성을 높이고 품질을 높일 뿐 아니라 공장 가동을 극대화하도록 한다.

상상을 현실로 만드는 ADI의 ToF 기술

지금과 같은 속도로 혁신이 계속된다면 우리는 앞으로 10년이나 20년 안에 우리의 일상을 완전히 바꾸는 또 다른 커다란 변화를 맞게 될 것이다. 심도 센서와 이미징 기술의 폭넓은 활용이 이전에는 상상할 수 없던 스마트 기기를 가능하게 하거나 혹은 전혀 새로운 기술이 등장해서 스마트 미러와 AR 헤드셋을 로봇 청소기처럼 일상적인 것으로 만들 수도 있다.

ADI는 고객들이 인텔리전트 에지(intelligent edge)로부터 통찰력을 함께 창조하고 증대시킬 수 있도록 지원하며, 그 솔루션 중 하나가 ToF이다. ADI의 첨단 ToF 이미징 센서는 완벽한 시스템 솔루션과 함께, 데이터 처리, 레이저 드라이버, 전원 관리, 소프트웨어/펌웨어를 단일 유닛에 통합하여 차세대 인텔리전트 에지 솔루션을 구현한다. 

leekh@seminet.co.kr
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