자동차 계기판의 고급 그래픽
이 글은 고급 그래픽 기능을 탑재한 오늘날의 자동차 계기판을 설명하고 가까운 미래의 발전 방향에 대해 개략적으로 살펴본다. 자동차 계기판 분야는 가전 시장에 사용되고 있는 그래픽 솔루션의 영향으로 고객의 기대치가 높아지면서 빠르게 진화하고 있다. 그러한 기대치를 충족하면서 경제적인 비용으로 자동차 품질에 대한 요구를 충족하려면 새로운 방법과 도구를 사용하여 해결해야 할 과제가 있다.
글: 마이클 스타우덴마이어(Michael Staudenmaier) / Freescale Halbleiter GmbH
www.freescale.com / Michael.Staudenmaier@freescale.com
오늘날의 차량 계기판은 전자기계식 포인터 계기에서 그래픽 디스플레이 중심의 솔루션으로 변화하는 뚜렷한 동향을 보이고 있다. 이 글은 고급 그래픽 기능을 탑재한 오늘날의 자동차 계기판을 설명하고 가까운 미래의 발전 방향에 대해 개략적으로 살펴본다. 자동차 계기판 분야는 가전 시장에 사용되고 있는 그래픽 솔루션의 영향으로 고객의 기대치가 높아지면서 빠르게 진화하고 있다. 그러한 기대치를 충족하면서 경제적인 비용으로 자동차 품질에 대한 요구를 충족하려면 새로운 방법과 도구를 사용하여 해결해야 할 과제가 있다.
이 논문은 계기판에 대해 여러 주제(활용 사례, 그래픽 기술, 기술적 구현, 복잡한 임베디드 시스템에서 이루어지는 설계 의사결정)로 나누어 설명한다. 계기판에는 PC에 사용되는 다양한 기술이 도입되고 있으므로 해당 영역을 간략히 살펴본 다음 임베디드 제품에 대한 채택 양상을 설명하겠다.
특히 그래픽 컨텐트 및 HMI(인간 대 기계 인터페이스) 개발과 해당 분야에서 부각되는 도구 지원을 중심으로 살펴볼 예정이다. 이 논문은 HMI 그래픽 개발에서 임베디드 그래픽 가속기에 대한 이식 최적화까지 원활한 개발 흐름을 보장할 수 있는 몇 가지 접근 방식과 솔루션을 보여 준다.
현재의 설계 추세는 전형적인 포인터 계기판을 모방하는 것에 집중되어 있지만, 이 논문은 몇 가지 향후 동향과 고급 사용자 인터페이스 설계의 가능성을 제시한다.
계기판은 HMI의 가장 중요한 부분 중 하나
최근 수년 동안 일반적인 기계식 자동차 계기판에 전자 디스플레이가 점점 더 많이 도입되고 있다. 이러한 변화의 첫 번째 단계는 주행 거리와 기타 간단한 영숫자 정보에 사용되는 LCD의 등장이었다.
TFT 디스플레이의 가격이 하락하고 임베디드 공간에서 필요한 연산 성능을 사용할 수 있게 되면서 저렴한 그래픽 기반 솔루션을 구현할 수 있게 되었다. 계기판은 HMI의 가장 중요한 부분 중 하나일 뿐만 아니라 운전자의 눈에 잘 띄는 부분이므로 차량 제조업체들이 차별화해야 하는 중요한 기능이다. 이에 따라 제조업체들은 하이엔드 차량의 계기판에 대규모 투자를 시행하고 있다. 현재까지 이 분야에서 TFT 디스플레이는 첨단 기능으로 간주되기 때문에 운전자가 그 자체를 부가가치로 생각하는 경향이 있다.
이에 따라 고급 그래픽 기술을 사용하여 단순히 기계식 계기를 모방하려는 시도가 나타나게 되었다. 이 분야에 어마어마한 발전 가능성이 있는데도 불구하고 새로운 가능성의 탐색은 아직 초기 단계에 머무르고 있다. 가전 업계 제품에서 알 수 있듯이, 오늘날 효과적으로 정의된 사용자 인터페이스가 핵심 차별화 요소라는 것은 분명하다.
이 분야에서 일반적으로 인식된 최적화란 복잡한 정보를 간단하게 표시하는 것이다. 이러한 방식은 현재 자동차 계기판에서도 중요하게 부각되는 영역이다. 여기에는 단순한 기술적 측면뿐만 아니라 상업적 측면의 장점도 있다. 그래픽 기술을 사용하면 대시보드에 브랜드를 손쉽게 추가할 수 있다. 또한 HMI에 스킨을 사용하거나 추가 애플리케이션을 다운로드할 수 있도록 하여 새로운 수익원을 창출할 잠재성도 있다.
그래픽 디스플레이가 적용된 자동차 대시보드는 그러한 솔루션을 개발할 때 새로운 기술적 과제가 뒤따른다. 또한 복잡성의 수준이 최소한 한 자릿수 이상 증가한다. 이 분야에 사용되는 그래픽 기술 자체는 PC 분야에서 도입된 것이지만 차량에 적용하는 것은 새로운 시도이다. 이러한 시도에는 개발팀의 새로운 기술 역량이 필요하며 오랜 시간 동안 가파른 학습 곡선을 거쳐야 한다.
소비자들은 PC 그래픽 품질에 익숙해져 있지만, PC의 연산 성능은 임베디드 공간에서 사용 가능한 연산 성능보다 훨씬 높기 때문에 실제 사진에 가까운 이미지의 렌더링은 더욱 까다로울 수 밖에 없다.
PC 분야와 달리, 임베디드 솔루션에는 추가적으로 소비 전력 및 온도와 관련된 문제가 있으며 그 중 일부는 핸드헬드 디바이스의 문제와 유사하다.
자동차 솔루션의 핵심 기능은 컴퓨터 및 핸드헬드 시장에서는 요구되지 않는 기능적 안전성에 있다. 자동차 계기판에 표시되는 정보는 어느 정도 안전과 관련되어 있다. 여기에 잘못된 정보가 표시되는 것은 용납되지 않는다.
활용 사례
오늘날 시장에서는 그래픽 계기판이 여러 유형으로 뚜렷하게 구분된 것을 볼 수 있다. 중가에서 저가형 차량의 경우 여전히 대형 디스플레이 탑재에 필요한 추가 비용을 감당할 수 없기 때문에, 이와 같은 구분은 기본적으로 솔루션 비용에 의해 이루어진다. 공통점을 들자면, 모든 유형에 전자기계식 바늘로 구현하거나 실제 사진 품질의 정교한 그래픽 솔루션으로 렌더링되는 아날로그 바늘이 필요하다는 것이다.
센터 애드온 디스플레이
"애드온 디스플레이"는 현재 저가형 차량에까지 도입이 시작된 가장 일반적인 활용 사례이다. 계기판에는 아직 기계식 바늘이 사용되지만 일반적으로 게이지 사이의 중앙에 추가 디스플레이가 장착된다. 보급형 모델은 4인치 이하의 QVGA 또는 WQVGA 디스플레이를 사용한다.
이 디스플레이는 현재 연비, 온도 또는 기타 유용한 정보를 표시하는 데 사용되며, 인포테인먼트 시스템의 정보도 표시할 수 있다.
중상급에서 최고급 차량에는 더 큰 애드온 디스플레이가 일반적으로 사용된다. 이 디스플레이에는 나이트 비전, 후방 카메라, 버드뷰 주차 보조 이미지와 같은 카메라 이미지를 표시할 수 있다.
전자기계식 계기이므로 계기판의 파티셔닝이 고정되어 있고 상황에 따라 조정할 수 없다.
중앙 게이지를 포함한 2개의 디스플레이
기존 전자기계식 바늘을 기반으로 하지만 확장된 그래픽 기능을 제공하는 타협안이 중앙 기계식 게이지의 양쪽 측면에 2개의 디스플레이를 장착한 계기판이다. 이는 더 유연하게 정보를 표시할 수 있는 방식이지만 고정된 전자기계식 바늘로 인해 구성이 고정된다는 단점이 있다.
전체 구성 가능한 계기판
전체 구성 가능한 계기판의 경우 해상도가 1600x480 픽셀인 대형 디스플레이를 사용한다. 이러한 디스플레이는 여전히 상당한 비용이 드는 요소이므로 현재 최고급 차량에만 적용할 수 있다. 기계식 바늘을 사용할 수 없기 때문에 현재 구현된 계기판은 실제 사진 품질의 아날로그 바늘을 렌더링하는 데 상당한 노력이 필요하다. 계기판 콘텐츠는 소프트웨어로 완전히 정의 가능하므로 상황에 따라 유연하게 조정할 수 있다. 따라서 현재 상황과 관련 없는 콘텐츠를 줄이거나 이동하여 상황에 따른 추가 정보(예: 나이트 비전)를 계기판에 효율적으로 통합할 수 있다.
헤드업 디스플레이
헤드업 디스플레이는 앞유리에 그래픽 정보를 투사하는 기술로, 일반적으로 해상도가 비교적 낮고 그래픽 콘텐츠도 간단하다. 헤드업 디스플레이의 콘텐츠는 앞유리 곡면에 의한 왜곡을 보상하기 위해 사전 워핑 처리가 필요하다. 사전 워핑은 전용 하드웨어로 구현하거나 그래픽 가속기를 사용하여 소프트웨어에서 구현할 수 있다. 헤드업 디스플레이는 일반적으로 계기판의 TFT 디스플레이와 조합하여 사용된다.
기술
활용 사례는 복잡성에 따라 매우 다양할 수 있으며 그 원인은 다음과 같은 몇 가지 요소이다.
• 화면 크기: 화면 크기가 매우 다양하므로 생성해야 할 픽셀 수도 크게 달라진다. 현재 개발 중이거나 시판되고 있는 솔루션의 경우 한 프레임에 7만 5천 픽셀에서 최대 130만 픽셀까지 처리해야 한다.
• 애니메이션 빈도: 가능한 한 빠르게 동작을 표시해야 하므로 높은 애니메이션 빈도를 제공하는 것이 특히 중요하다. 예를 들면 속도계 또는 rpm 미터의 게이지 바늘이 중요한 사례이다.
• 화면 복잡성: 예상되는 광학 효과는 일반적인 그래픽 사용자 인터페이스 메뉴에서 조명, 반사 및 그림자 효과가 포함된 3D 렌더링 화면까지 다양하다.
앞장에서 설명한 것과 같은 매우 다양한 복잡성을 해결하려면 서로 다른 기술을 적용하여 그래픽을 생성할 필요가 있다.
그래픽 프로세서
래스터 그래픽
래스터 그래픽에서는 각 픽셀의 컬러 값이 저장된다. 그래픽 요소를 처리할 때는 일반적으로 픽셀의 직사각형 영역을 처리한다.
래스터 그래픽의 핵심적인 특징은 해상도에 의존한다는 점이다. 화면을 확대할 경우 광학적 특성이 크게 저하된다.
래스터 그래픽은 자연스러운 이미지(사진)에 일반적으로 사용되는 기술이며, 대부분의 그래픽 형식은 래스터 그래픽이다(jpg, bmp, png, gif). 래스터 그래픽을 처리하는 애플리케이션은 Adobe? Photoshop?, GIMP, Aperture 등 여러 가지가 있다.
래스터 그래픽 프로세서
래스터 그래픽을 가속하는 표준 솔루션은 픽셀의 직사각형 영역을 복사하고 채우거나 결합할 수 있는 래스터 그래픽 프로세서이다. 래스터 그래픽 가속기는 기본적으로 메모리 대 메모리 작업을 수행한다. 즉, 메모리에서 소스 데이터를 읽어 결과 데이터를 메모리에 쓴다.
널리 인정된 API 표준은 없으며, 몇 가지 독점적 API가 유사한 기능을 제공한다.
더 정교한 가속기는 이러한 기능 이외에 선, 원과 같은 기본적 그래픽을 그리는 기능을 제공한다.
다이렉트 블리팅 엔진(스프라이트 엔진)
다이렉트 블리팅 엔진은 래스터 그래픽 프로세서와 마찬가지로 픽셀의 직사각형 영역을 처리한다. 주요 차이점은 그래픽 연산의 결과를 다시 메모리에 쓰지 않는다는 것이다. 다이렉트 블리팅 엔진은 메모리의 다양한 위치에서 읽은 모든 프레임에 대해 최종 이미지를 조합하는 디스플레이 컨트롤러의 일부분이다. 임베디드 시스템에서 다이렉트 블리팅 엔진의 주요 장점은 메모리와 메모리 대역폭이 절감된다는 점이다. 뿐만 아니라, 픽셀 데이터 자체가 아니라 특정 직사각형의 위치와 같은 메타데이터만 수정하면 되므로 그래픽을 매우 효율적으로 생성할 수 있다. 다이렉트 블리팅 엔진의 가장 큰 단점은 제한적 성능이다. 기기 성능이 초과되는 즉시 더 복잡한 그래픽을 생성하기가 어렵게 된다. 래스터 그래픽 프로세서를 사용하는 경우 렌더링 시간만 늘어날 뿐이다. 이 분야의 솔루션에는 독점적 API가 있으며, 엔진의 기능 측면에서 상당한 차이점이 있다.
벡터 그래픽
벡터 그래픽은 2D 공간에서 형상을 해상도에 독립적이며 수학적으로 기술하는 방식이다. 따라서 품질 문제 없이 형상을 어떠한 해상도로도 렌더링할 수 있다.
벡터 그래픽은 오늘날 다양한 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 기술이다. 벡터 그래픽의 가장 두드러진 예는 트루타입 폰트이지만, 모든 최신 브라우저에서 지원하는 확장 가능한 벡터 그래픽 형식 SVG에도 사용된다. Adobe? Flash?와 같은 형식도 벡터 그래픽에 크게 의존한다.
벡터 그래픽을 생성하는 데 사용할 수 있는 애플리케이션은 Adobe? Illustrator?, Inkscape, Adobe? Flash? Professional 등 여러 가지가 있다.
벡터 그래픽 가속기에는 업계 표준 API인 OpenVG[0]를 사용할 수 있다.
3D 그래픽
현재 실시간 렌더링은 삼각형으로 구성된 3D 모델을 기반으로 하며, 적당한 결과를 얻을 수 있도록 삼각형에 텍스처를 적용한다. 얼마나 많은 삼각형으로 분할하는가에 따라 모델의 디테일 수준이 정의되며 렌더링 품질에 영향을 준다. 따라서 모델은 어느 정도 해상도에 의존적이다.
임베디드 공간의 경우 3D 그래픽에 관련된 두 가지 API 정의가 있다. 둘 다 원래 Silicon Graphics에서 제안한 OpenGL? 표준에서 파생된 것이다. 임베디드 디바이스와 그리 관련성이 없는 몇 가지 기능은 임베디드 버전에서 제거되었다. 그에 따라 하드웨어 가속기의 크기가 줄고 필수 드라이버도 간소화되었다.
OpenGL ES 1.1[1]: 고정 기능 하드웨어의 API. 고정 기능이란 기능 및 조명 모델이 정의되어 있어 개발자가 변경할 수 없음을 나타낸다.
OpenGL ES 2.0[2]: 프로그래밍 가능한 하드웨어의 API. 렌더링 파이프라인의 많은 측면은 일명 '셰이더'로 정의할 수 있다. 셰이더란 렌더링 프로세스의 작업 부하를 처리하는 데 최적화된 전용 코어를 의미한다. 셰이더의 정확한 기능은 C와 상당히 유사한 전용 언어를 사용하여 표준화된 방식으로 정의할 수 있다. 이러한 유연성으로 그래픽 결과를 크게 향상시킬 수 있으며, 이 기능 없이는 다수의 그래픽 효과를 구현하기 어렵거나 불가능하다.
3D 모델을 생성하는 데 사용할 수 있는 애플리케이션에는 여러 가지가 있으며 가장 일반적으로 Autodesk 3ds Max, Blender, Autodesk Maya가 사용된다.
개발 흐름
자동차 계기판의 개발 흐름은 아직까지 진화하고 있는 분야이다. 이 프로세스에는 기초 그래픽 기술에 따라 여러 가지 방법론이 사용되며, 프로세스는 여러 단계로 나뉜다.
일반적으로는 그래픽 요소 및 초기 기능, 전체 솔루션의 외형을 제공하는 예술 디자인 부서에서 시작된다. 이 시점부터 시작하여 현재에는 제품 개발에 두 가지 다른 개발 경로가 사용되고 있다.
수동 / 반자동 HMI 설계 흐름
수동 또는 반자동 HMI 설계 흐름에서는 그래픽 요소가 실제로 솔루션을 구현하는 데 필요한 프로그램 로직을 개발하는 소프트웨어 개발 부서로 전달된다. 대부분의 세부 내용이 완전히 정의되지 않은 경우가 많으므로, 일반적으로는 최종 결과가 디자인 부서의 기대를 충족할 때까지 이 과정이 여러 번 반복된다.
3D 이외의 그래픽에서 이러한 반복 주기를 단축할 수 있는 솔루션 중 하나는 Adobe? Flash?(애니메이션 시퀀스와 인간 대 기계 인터페이스를 픽셀 단위로 정의하는 데 적합한 그래픽 애니메이션 도구)이다. 그 다음 애니메이션 시퀀스가 임베디드 플랫폼에 적합한 형식으로 변환된다. 이 단계는 변환 도구를 사용하여 수행하거나, 또는 애니메이션을 수동으로 코딩할 수 있다. 또는 Adobe의 기본 기능을 처리할 수 있는 특정 라이브러리를 통해 수동 코딩을 지원할 수도 있다.
수동 / 반자동 설계 흐름의 경우, HMI 이면의 제어 로직은 일반적으로 C와 같은 프로그래밍 언어로 구현된다.
통합된 연속 개발 흐름이 없으므로, 애니메이션과 같은 그래픽 요소와 기본 제어 로직 사이의 동기화를 수동으로 확인해야 한다. 따라서 특히 개발 과정 후기에 변경을 적용하는 경우 HMI 설계가 어려워지며 오류에 취약하게 된다. 더구나 이러한 수동 개발 솔루션을 문서화하고 유지보수하려면 많은 노력이 필요하다.
통합형 HMI 설계 흐름
표준 그래픽 API가 소개되면서 요즈음 시장에 개발 프로세스를 능률화하고 특정 코드를 수동으로 작성할 필요가 없는 여러 솔루션이 나오게 되었다. 이러한 제품은 일반적으로 적절한 그래픽 디자인 애플리케이션으로 디자인된 그래픽 요소를 활용하며 계기판 HMI의 외형과 기능을 정의할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스를 제공한다. 이러한 HMI 빌더를 사용하는 데에는 프로그래밍 기술이 필요 없으며, 예술적 측면과 생성되는 HMI의 기능성에 초점을 맞추어 작업할 수 있다. HMI 개발 도구에서 생성되는 결과가 임베디드 대상에서 실행되는 런타임 환경에 의해 사용되는 정의 파일이거나, 또는 HMI 개발 도구에서 대상에 적합한 소스 코드를 출력할 수도 있다. 이 소스 코드는 대상 플랫폼에서 컴파일되고 일반적으로 런타임 환경을 제공하는 라이브러리와 연계된다.
편의성을 위해 개발 PC에서 직접 HMI를 테스트할 수 있는 시뮬레이터가 있다.
또한 일부 제품은 생성된 HMI의 일관성을 점검하고 문서 자료를 생성할 수 있는 기능도 제공한다. 반복적인 개발 프로세스를 간소화하는 동시에 최종 변경을 적용함으로써 높은 수준의 품질을 보장하는 기능도 있다. 가장 중요한 점은 추가적인 작업 없이 최신 문서 자료를 즉시 사용할 수 있다는 것이다.
HMI 빌더는 또한 HMI 로직에서 실제 표현을 분리하여 다양한 그래픽 기술 사이의 격차를 메울 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이에 따라 저가형 래스터 그래픽 플랫폼에서 간단한 HMI를 생성하고, 같은 HMI 정의를 사용하여 고급 3D HMI를 구현할 수 있다. HMI 제어 로직을 재사용할 수 있으므로 HMI의 이 부분을 구현하고 테스트하는 작업이 줄어들며, 다양한 제품 모델 사이에서 일관적인 사용자 인터페이스가 보장된다.
통합형 HMI 설계 흐름의 단점은 리소스 요구량이 증가된다는 점이다. 일반적으로 이러한 도구를 사용하여 설계한 솔루션에는 더 많은 메모리와 연산 성능이 필요하며, 이는 모두 임베디드 공간에서 중요한 리소스이다. 또 다른 단점은 설계 도구의 표준 요소를 사용함에 따라 기능성이 제한된다는 것이다. 이는 프로그래밍 언어로 구현해야 하는 고객별 위젯 클래스를 설계하는 방법으로 극복할 수도 있지만, 구현, 테스트, 문서 작성, 유지보수에 상당한 추가 작업이 필요하다.
두 설계 흐름 모두 장단점이 존재하므로 특정 흐름을 사용하는 결정에는 항상 비용 목표를 중심으로 사례별 기준에 따라 적용되어야 하는 하드웨어 리소스와 개발 작업 사이의 반대급부가 따른다.
토론
자동차 계기판에 사용되는 그래픽 기술은 수많은 새로운 가능성을 제공한다. 오늘날 대부분의 솔루션은 기계식 계기판의 외관과 느낌을 모방하는 데 집중하고 있다. 기술적 관점에서 이는 실제 사진 품질의 이미지를 실시간으로 생성해야 하는 어려운 작업이다. 특히 3D 그래픽의 경우 전용 3D 가속 블록에 많은 부하가 가해지며, 적절한 시각적 성과를 달성하려면 3D 게임 분야에서 알려진 몇 가지 기술을 적용해야 하는 경우도 있다.
그래픽 가속기의 성능이 더욱 향상될 것을 고려하면 실제 사진 품질의 이미지 렌더링이 실현될 가능성이 점점 더 높아지고 있다. 하지만 그와 같이 기계식 계기판을 완벽히 렌더링하더라도 결과는 수년 전의 차량에 장착되었던 계기판과 비슷한 모습일 뿐이다.
미래에는 향상된 HMI 인체공학의 새로운 기능을 활용할 수 있는 기술의 개발에 상당한 노력이 투자될 것이다. 이는 차별화 요소로 적극 활용할 수 있는 중대한 분야이다. 개발 가능성 이면의 일반적인 아이디어는 더 복잡한 정보를 간단하게 표시하는 것이다. 그러한 발전의 예는 현재의 차량에도 이미 구현되어 있는데, 예를 들면 주행 스타일을 디스플레이에 녹색 나뭇잎 수로 표시하는 경제성 표시 기능이 있다. 이 분야에서 다음과 같은 기능 향상이 실현될 수 있다.
- 스킨: 개별 스킨을 제공하여 사용자가 모양과 느낌을 정의할 수 있는 기능
- 흐려짐을 사용하여 운전자의 주의 집중
- 컬러를 적극 활용하여 운전자의 주의 집중. 예: 제한 속도를 초과할 경우 렌더링되는 속도 바늘의 컬러 변경
- 디스플레이의 동적 파티셔닝
- 상황에 따라 게이지를 닫고 특정 상황에 더 연관성 높은 정보 표시
최근 몇 년간 가전 업계에서는 HMI가 고객에게 중요한 구성요소라는 것이 입증되었으며 혁신적 신개념이 시장을 크게 변화시켰다. 미래의 차량에 무엇이 표준이 될 것인지는 알 수 없지만, 계기판이 진정한 차이를 만들 것이라는 점은 분명하다. 계기판은 운전자에게 중요한 정보원이므로 차량에 대한 전반적인 인식에 큰 영향을 준다.
참고자료
[0] Daniel Rice, Robert J. Simpson: OpenVG 1.1 Specification. www.khronos.org/openvg
[1] David Blythe, Aaftab Munshi, Jon Leech: OpenGL ES Common/Common-Lite Profile Specification 1.1.12, www.khronos.org/opengles/1_X/
[2] Aaftab Munshi, Dan Ginsburg, Dave Shreiner: OpenGL ES 2.0 Programming Guide, Addison-Wesley
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