[기고] 일반 운전자를 위한 오토모티브 인포테인먼트 제스처 컨트롤

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 오토모티브 인포테인먼트 제스처 컨트롤은 아직 최고급 사양의 차종에서만 볼 수 있지만 운전자의 안전과 편안함을 높여주는 편의 기능임에는 반론의 여지가 없다. 운전자가 터치스크린이나 다이얼을 조작하기 위해 전방에서 눈을 돌리지 않아도 되고 볼륨과 공조장치 조절, 블루투스 폰의 수신·거부, 플레이리스트 변경도 전방을 계속 주시하면서 안전하게 제스처 만으로 조정할 수 있어 편리하고 안전하다.

이 기술의 장점 때문에 중저가 차량에도 제스처 컨트롤 기술을 도입하려는 움직임이 일어나고 있다. 이 글에서는 일반적인 애플리케이션에 대해 살펴보고 더 많은 자동차에 제스처 인식을 도입할 수 있도록 하는 고도로 집적화되고 비용 효율적인 혁신적 방식에 대해 소개한다.

제스처 컨트롤은 터치스크린 사용을 최소화해 주의를 분산시키지 않으며, 음성 컨트롤 기능을 보완할 수 있다. 예를 들어 운전자들은 주행 내내 시선을 전방에 둔 상태에서 AI에게 원하는 음악을 재생하도록 요청하고 손짓으로 볼륨을 높일 수 있다. 음성 인식은 다양한 언어와 사투리까지 해석해야 하기 때문에 주요 데이터베이스가 필요해 클라우드 프로세서에 대한 LTE 연결이 꼭 필요하다. 또 윈도우가 다운되면 작동이 멈출 수도 있고, 창문이 열려 있거나 음악 소리가 큰 경우에는 인식하기 어렵다. 하지만 제스처 인식은 훨씬 안전하게 작동할 수 있을 뿐만 아니라 음성 인식 기술을 활용할 수 없는 시각·청각 장애인들도 사용 가능하다. 또 터치 패널 조작은 대부분 운전자들이 버튼의 위치를 기억하고 촉감에 의존해 조작하기 때문에 표면 마모가 불가피한 반면, 제스처 인식 기술은 디바이스 마모가 발생하지 않는다.

일반 시스템의 과제

[그림 1]은 ToF(Time-of-Flight) 카메라에 의존해 3D 상황을 식별·스캔하는 일반적인 기술을 보여준다. ToF 기술은 분석할 대상에 적외선 빔을 전송하는 기술이 적용되며 반사된 신호는 아날로그 프론트엔드(AFE)에서 처리되고 원천 데이터는 제스처 인식을 위해 애플리케이션 프로세서(AP)로 이동한다.

이 시스템은 픽셀 수가 6만으로 매우 높으며 안구·안면, 신체·손가락을 추적하고 복잡한 제스처를 인식하며 맥락을 인지할 수 있는데, 막대한 양의 데이터를 생성하므로 데이터 처리에 필요한 MCU가 필요하다. 이 시스템은 기능이 매우 다양하지만 카메라와 복잡한 MCU를 사용하므로 비용이 높다는 단점이 있다. ToF는 많은 제스처를 인지할 수 있지만 오토모티브 분야에 적용하기엔 너무 복잡해 고객들이 이를 프로그램으로 설정하려면 설명서를 숙지해야 할 만큼 일반 사용 환경에서는 활용도가 떨어진다.

혁신적 기술

인포테인먼트 제스처 컨트롤 부문에서는 간단하면서도 중요한 기능의 제스처 컨트롤을 대중화하기 위해 설계의 복잡성과 비용을 줄이고자 하는 노력이 활발히 이뤄지고 있다. 새로운 광다이오드 어레이 ASIC는 [그림 2] 같이 광학 소자와 광검출기 어레이, 아날로그 프론트엔드(AFE)를 통합했다.

이 통합형 제스처 센서는 인지 프로세스를 위해 SPI 또는 I2C 버스를 통해 단순한 MCU에 연결되며, 이런 통합은 광학 QFN 패키지(4×4㎟)를 통해 가능해졌다. [그림 3]은 ASIC 위에 광학 필터링과 함께 탑재된 센서 광다이오드를 포함한 전체 구성도를 보여주고 있다.

이 센서 어레이는 태양광 방사로부터 보호해야 한다. 940㎚에서는 대기에서의 수분(H2O) 흡수로 인해 태양광 방사의 하강이 일어나는데, 이 지점에서 센서가 작동한다. 고역 광필터는 875㎚ 미만의 모든 태양광 방사를 제거한다[그림 4].

4개의 940㎚ IR-LED 다이오드가 대상을 비춘다. 이에 반사된 빛이 ASIC에 탑재된 60픽셀 센서 어레이에 의해 감지되는데, ASIC에는 신호 디지털 전환과 제어에 필요한 모든 기능도 탑재돼 있다[그림 5].

통합형 제스처 센서 운영

[그림 3]에 있는 ‘개구부’는 빛 유입을 제한하는 독점적 블랙 코팅 레이어의 구멍을 포함한다.

커다란 개구부를 지닌 표면 핀홀 카메라 방식은 초점이 잘 맞는 이미지가 아닌 방울 형태의 블랍(blob) 이미지나 희미한 이미지를 생성한다. 10×6 광검출기 어레이는 방울 형태의 블랍 이미지 전체를 캡처하는데, IR 다이오드 어레이가 광펄스 정지와 방출을 25μ 간격으로 지속하는 것이 그 예다. 이 광검출기는 발광 시에 빛을 통합하고 멈출때 차감한다. 멈춤 시 빛을 차감하는 것으로 주변광 공통 모드를 제거해 블랍 이미지의 조도를 측정한다. 총 변환 주기는 20㎳로 초당 50프레임이 생성된다.

각 프레임은 MCU에 전송돼 벡터 모션을 계산한다. 이 벡터 데이터의 처리가 완료되면 해당하는 제스처 이벤트가 알고리즘에 의해 출력된다.

이 기술은 60개의 적은 픽셀 수로 근접성, 손가락 추적, 회전 등 기본적이지만 중요한 제스처를 인식한다.

애플리케이션 회로

[그림 6]은 MAX25205의 단순한 애플리케이션 회로를 보여준다. 제스처·근접 센싱 감지를 위한 이 저비용 데이터 획득 시스템은 다음과 같은 중요한 개별적 제스처를 인식한다.

저전력 저비용의 비부동소수점 CPU는 센서로부터 유입되는 데이터를 처리하기 위해 필요하다. 이 CPU는 ARM Cortex-M0 또는 다른 CPU의 예비 MIPS가 될 수 있다. 이에 대한 자재비용은 매우 적은데, 몇 개의 필터링 커패시터와 분산형 MOSFET 트랜지스터가 각각의 IR-LED를 구동한다.

제스처 인식은 운전자의 안전을 높여 주며, 많지 않은 비용으로 차량에 대한 고급 경험을 제공한다. 지금까지는 ToF 기반 솔루션의 높은 복잡성과 비용으로 인해 이 기술의 도입이 고가의 차량에 한정돼 왔다. 하지만 이번에 소개한 이 설계 솔루션에서 광소자, 센싱, AFE를 독점적인 소형 사이드 웨터블(측면 단자) 광QFN 패키지로 통합해 제공하는 혁신적인 제스처 인식 ASIC를 소개했다. 이 ASIC는 저렴한 CPU와 함께 연동해 ToF 카메라에 비해 낮은 비용과 복잡성으로 제스처 인식 기능을 제공한다. 따라서 이 새로운 기술은 더 많은 차종과 소비재 제품에 도입될 것으로 기대된다.

글: 스즈캉 이시엔(Szukang Hsien) 오토모티브 디스플레이 전력 및 제스처 솔루션 사업부 총괄
스캇 앤더슨(Scott Anderson) 오토모티브 사업부 제품 디파이너
나짜레노 로세티(Nazzareno (Reno) Rossetti) 아날로그 및 전력 관리 전문가
자료제공: 맥심인터그레이티드(www.maximintegrated.com / now part of Analog Devices)