Binary CDMA 무선통신 기반의 자동차 후방카메라 시스템의 개발방법 및 설계

Development Methods and Design of a Car Rearview Camera System based on the Binary-CDMA Wireless Communication Technology

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  • ABSTRACT

    자동차 후방카메라 시스템은 후진시 차량 후방을 모니터 영상으로 보여주어 인명보호와 주차의 편리, 운전자의 안전 운전을 위한 다양한 서비스를 제공한다. 본 논문에서는 우리나라가 독자 개발한 개인용 무선통신 Binary CDMA 신기술을 이용하여 설치가 자유롭고 설치비용과 기술료를 절감할 수 있는 자동차 후방카메라 시스템의 개발방법 및 설계에 관해 연구하였다.


    Car rear-view camera system supplies various services for life protection, ease of parking, and safe driving by showing the rear of the vehicle through monitor when reversing the car. In this paper we researched development methods and design of a Car Rear-view Camera System based on the Binary CDMA technology - new technology of wireless personal area network developed by Korea - that makes free installation without wired cables restriction and reduces installation costs and technology royalties.

  • KEYWORD

    자동차 무선 카메라 시스템 , 자동차 후방 무선카메라 시스템 , 바이너리 CDMA 무선통신

  • Ⅰ. 서 론

    최근 출시되는 차량에는 전방 카메라, 후방 카메라, 블랙박스형 카메라 등 자동차 카메라 장착이 필수 옵션으로 채택되고 있다. 특히, 후방 카메라는 후진 시 시야 확보가 어려운 차량 후방을 모니터 영상으로 보여주어 인명보호 및 접촉사고를 사전에 예방할 수 있게 한다.

    미국은 후진 시 시야확보가 어려워 발생할 수 있는 교통사고 발생률을 줄이기 위해 정부 차원에서 새로 출시되는 신차에 후방 카메라 장착을 권고하고 의무화 방안을 추진 중에 있다[1]. 이는 자동차 후진 사고로 해마다 많은 아동이 사망하면서 미국 내 여론이 들끓고 있기 때문이다. 법안이 발효되면 당장 2~3조원의 신규 시장이 형성될 것으로 기대된다. 미국에서 매년 판매되는 신차 1500만대 중 후방 카메라를 장착한 차량은 절반에도 못 미친다. 신차 시장뿐 아니라 애프터 마켓 시장 규모도 적지 않아 후방 카메라 수요는 더욱 늘어날 것으로 보인다. 우리나라도 2014년부터 어린이 통학차량과 대형 화물차에 후방 카메라 장착이 의무화된다[2].

    Binary CDMA는 우리나라가 독자 개발한 새로운 무선통신 기술로 2009년 1월 국제표준(ISO)으로 최종 제정되었다. 이로 인해 과거 근거리 무선통신 제품 개발을 위해 비싼 기술료에도 불구하고 블루투스, 지그비와 같은 외국 표준 기술을 사용해왔던 국내 기업들이 Binary CDMA 기술을 적용한 제품 개발을 더욱 활발히 할 수 있는 기반이 마련되었다. Binary CDMA는 디지털 기기를 무선 연결하여 음성, 영상, 데이터 등을 자유롭게 통신할 수 있는 기술로서 기존의 근거리 무선통신 기술에 비해 데이터 전송품질(QoS)을 개선한 최대 55Mbps의 초고속 데이터 전송이 가능한 근거리 무선통신기술이다.

    국내는 물론 전 세계 자량용 카메라 산업의 높은 성장 잠재력에 비해 차량용 카메라 시스템은 아직은 유선을 기반으로 하고 있어 설치상의 제약과 설치비용이 요구되고 있는 실정이다. 극히 제한적인 무선 기반의 차량용 카메라 시스템도 WiFi 무선 LAN에 기반을 두고 있어 로얄티 등의 기술료가 발생하고 있다. 그러므로 우리나라가 독자 개발한 개인용 무선통신(WPAN) 신기술을 이용하여 설치가 자유롭고 설치비용과 기술료를 절감할 수 있는 차량용 무선 후방카메라 시스템에 대한 연구는 기술적 측면은 물론 경제․산업적 측면에서도 중요한 의미를 가진다.

    이에 본 논문에서는 Binary CDMA 무선통신 기반의 자동차 후방카메라 시스템의 개발방법 및 설계에 관해 연구하였다. 이를 위해 먼저 신기술 Binary CDMA 무선통신 표준을 소개하고, Binary CDMA 기반의 자동차 후방카메라 시스템의 요구사항을 분석하였다. 그리고 Binary CDMA 무선 기반의 자동차 후방카메라 시스템의 개발방법 및 설계에 관해 연구하였다.

    Ⅱ. Binary CDMA 자동차후방카메라 시스템

    유선의 설치 제약 없이 자유롭게 설치 가능한 Binary CDMA 무선 자동차카메라 시스템에 대한 소개와 이의 개발을 위한 기존 시스템의 문제점과 시스템 요구사항을 분석하였다. 그리고 시스템의 새로운 요구를 충족시킬 수 있는 Binary CDMA 무선통신 기술에 대해 소개하였다.

       2.1. Binary CDMA 기술

    Binary CDMA는 디지털 기기들을 무선으로 연결하여 음성, 영상, 데이터 등을 자유롭게 주고받을 수 있는 우리나라가 개발한 새로운 무선통신 기술이다. 기존의 근거리 무선통신 기술에 비해 멀티미디어 전송품질 (QoS)을 개선한 최대 55Mbps의 초고속 데이터 전송 및 저전력 소모의 녹색기술이다.

    Binary CDMA는 그림 2와 같이 멀티 레벨 신호를 Binary 파형으로 바꾸어 일반적인 TDMA용 RF 모듈을 이용해서 멀티 채널 CDMA 신호를 전송할 수 있어 송수신 시스템 구조의 획기적 단순화, 기존 TDMA 장비와의 호환으로 인한 부품비 절감, 다중 채널의 동시 통신, 빠른 전송속도와 전송품질 향상 등 기존 CDMA와 TDMA 기술의 장점을 특화하였다[3].

    Binary CDMA는 서비스 반경이 수십 미터 범주인 개인용 무선통신 기술(WPAN: Wireless Personal Area Network)로 타 근거리 무선통신에 비해 HDTV급 고화질 영상의 무선 송수신과 장애물 통과가 우수하고, 최대 55Mbps의 초고속 데이터 전송과 탁월한 원거리 무선 송수신을 지원한다. 개인용 무선통신 기술의 비교는 그림 3과 같다. Binary CDMA 무선 기술의 장애물 통과의 우수성, 우수한 영상품질(QoS)의 동영상 전송, 여러 동시 채널의 빠른 전송 지원, 우리나라 자체 보유 무선 기술로서의 기술료 절감은 자동차 후방카메라 시스템 개발을 위한 무선통신 기술로 적합하다.

       2.2. 자동차 후방카메라 시스템

    운전자의 안전 운전을 위한 자동차 카메라에는 그림 4와 같이 전방 카메라, 후방 카메라, 블랙박스형 카메라 와 사이드, 코너, 내부 등의 다양한 카메라가 있다[4]. 전방 카메라는 골목길에서 대로변 진입 시 운전석에서 보이지 않는 좌우측 사각지대를 모니터로 확인 후 안전하게 진입할 수 있게 하고, 후방 카메라는 후진 시 시야 확보가 어려운 차량 후방을 모니터에 영상으로 보여주어 인명보호 및 접촉사고를 사전에 예방할 수 있다. 블랙박스형 카메라는 주행 중 상시 녹화가 이루어져 차량사고 당시의 상황을 확인할 수 있게 한다.

    자동차 후방카메라 시스템은 자동차 후방카메라와 모니터(LCD, TV, DVD, 내비게이션), 통신을 위한 장치와 전원, 부가장치와 서비스의 결합으로 후진 시 운전자의 안전 운전을 위한 시야확보와 주차의 편리는 물론이고 다양한 부가서비스를 제공한다.

       2.3. 시스템 요구사항

    Binary CDMA 자동차 무선 후방카메라 시스템은 그림 5와 같이 유선의 제약 없이 자유롭게 설치 가능한 자동차카메라와 이의 영상을 무선으로 전송할 수 있는 무선영상전송기와 수신된 영상을 차량모니터에 출력하여 실시간 모니터링이 가능하도록 중계하는 무선영상중계기로 구성되어 있다. 무선영상전송기와 무선영상중계기에는 TCP/IP를 탑재하여 후방카메라의 영상은 무선 인터넷을 통해 무선영상전송기에서 무선영상중계기로 전송된다.

    본 연구에서는 Binary CDMA 무선통신 기반의 자동차 후방카메라 시스템을 개발하고자 하며, 이의 구체적인 요구사항은 다음과 같다. ①기존 유선 후방카메라 시스템의 설치 상의 제약 없이 무선에 의한 자유로운 설치가 가능하도록 한다. ②후방카메라와 모니터 간의 무선통신을 가능하게 하는 무선 영상전송기와 중계기는 차량 범위 내에선 어느 정도의 장애물에도 자유롭게 통신할 수 있어야 한다. ③HDTV급 고화질 영상을 위해 초당 30~40 프레임의 무선 송수신이 가능하도록 한다. IPTV를 기준으로 보면 압축 프레임은 30 KB를 가지므로 7~9 Mbps 속도를 유지하여야 한다. ④무선영상전송기는 기종에 제약을 받지 않고 자유롭게 기존의 상용 자동차 후방카메라와 연결할 수 있는 표준 영상인터페이스를 제공한다. ⑤무선영상중계기도 LCD, TV, DVD, 내비게이션과 같은 기존의 상용 모니터와 연결할 수 있는 표준 영상인터페이스를 제공한다. ⑥국내 표준화 개인용 무선통신 Binary CDMA로 기술료 부담을 줄여 제품가격을 낮출 수 있도록 한다. 또한 무선에 의한 설치의 편리와 더불어 설치비용 절감이 가능하도록 한다. ⑦향후 시스템 확장을 위해 최소 4개 동시 채널을 지원하여야 한다. 무선영상중계기는 최소 4채널의 동영상을 동시에 통신 가능하도록 하여 전방, 후방, 사이드 등의 자동차카메라로부터 동시에 동영상을 수신할 수 있도록 한다. 또한 다중 채널의 모니터 출력 제어에 의한 여러 차량 카메라를 동시에 모니터링 가능하도록 한다. ⑧향후 블랙박스형 카메라 지원을 위해 무선영상중계기는 수신한 카메라 영상을 직접 연결된 DVR를 통해 녹화 및 실시간 모니터링이 가능하도록 한다.

    Ⅲ. Binary CDMA 자동차후방카메라 시스템 설계

    Binary CDMA 무선통신 기반의 자동차 후방카메라 시스템 개발을 위한 시스템 설계에 관해 연구하였다. 먼저 전체 시스템 구조를 설계하고, 이를 구성하는 각 서브시스템과 응용프로그램을 설계하였다.

       3.1. 시스템 구조

    Binary CDMA 자동차후방카메라 시스템의 구조는 그림 6과 같다. 본 시스템은 클라이언트-서버 구조를 가진다. 클라이언트는 무선영상전송기와 후방카메라로 구성되고, 서버는 무선영상중계기와 모니터로 구성된다. 클라이언트, 서버 응용프로그램은 영상처리부의 코덱 라이브러리를 이용하여 카메라 영상을 인코딩/디코딩하고, TCP/IP의 탑재로 영상전송은 네트워크통신부의 소켓 라이브러리를 이용한다. 멀티미디어 통신보드 및 RF 모듈은 동영상․음성의 Binary CDMA 무선통신을 지원하고, 리눅스 커널의 디바이스 드라이버는 카메라, 모니터, 오디오 등의 입출력장치와 Binary CDMA 무선 PAN의 제어를 수행한다.

       3.2. 시스템 설계

    멀티미디어 통신보드와 RF 모듈은 자동차카메라 영상의 Binary CDMA 무선통신을 지원하고, 이를 기초한 무선영상전송기는 카메라 영상을 H.264 인코딩하여 소켓을 이용하여 Binary CDMA 무선 전송을 하고, 무선 영상중계기는 이를 소켓으로 무선 수신하여 디코딩한 후 모니터로 출력한다.

       3.2.1. 멀티미디어 통신보드 및 RF모듈

    멀티미디어 통신보드는 동영상의 Binary CDMA 무선통신을 지원하고, 기존 상용 자동차 후방카메라와 모니터의 연결을 위한 표준 영상·오디오 인터페이스를 제공한다. 멀티미디어 통신보드는 Binary CDMA SoC (KWPAN1200)와 RF IC를 가지는 대우전자부품의 RF 통합 모듈과 삼성의 S3C6410 멀티미디어 전용 CPU를 시스템 통합하여 제작한다.

    삼성의 S3C6410 멀티미디어 무선통신 전용 CPU는 자동차 후방카메라와 모니터 동영상의 인코딩/디코딩과 고속의 무선통신을 지원한다[5]. KWPAN1200은 Binary CDMA MAC과 PHY 계층을 내장하고 있는 SoC IC 이다. 2.4G 대역의 RF IC를 외부에 장착한 모듈 형태의 제품은 Binary CDMA 무선통신을 지원한다[6].

       3.2.2. 영상처리부

    고화질 영상의 무선 송수신을 위해 차세대 동영상 압축 표준인 H.264를 이용하여 실시간 영상압축과 전송을 한다. 자동차후방카메라 클라이언트/서버 프로그램은 삼성 제공의 Multimedia Acceleration 드라이버를 이용하여 MFC(MultiFormatCodec) Encoding/Decoding을 한다.

       1) 자동차 카메라 동영상의 입 · 출력 이동 경로

    자동차 카메라 영상의 입 · 출력시 S3C6410 MFC CODEC 메모리 이동은 그림 9와 같다. ① Camera Codec Path를 경유하여 MFC Frame Buffer 에 Camera Raw Data 영상을 복사한다. ② Frame Buffer에 저장된 Camera Raw Data를 인코딩한 후, MFC Stream Buffer로 출력한다. ③ Stream Buffer에 저장된 압축 Data를 네트워크로 전송한다. (무선영상전송기 전송단계) ④ 네트워크로부터 수신한 압축 Data를 Stream Buffer에 복사한다. (무선영상중계기 수신단계) ⑤ Stream Buffer에 저장된 압축 Data를 디코딩한 후, MFC Frame Buffer로 출력한다. ⑥ MFC Frame Buffer에 저장된 복원 Data를 자동차 모니터에 출력한다.

       2) 자동차 카메라 영상의 H.264 인코딩/디코딩 절차

    자동차카메라 영상의 H.264 인코딩/디코딩은 삼성의 S3C6410 MFC 코덱 라이브러리를 이용한다. 인코딩 절차는 그림 10과 같고, 카메라로부터 입력된 Camera Raw Data를 Frame Buffer에 저장한 후, 프레임 별로 인코딩하여 Stream Buffer로 출력을 반복한다. 디코딩 절차는 그림 11과 같고, 초기 Config Frame에서 H.264 압축 정보를 획득한 후, 수신된 압축 영상 데이터를 Stream Buffer에 저장한 후, 프레임 별로 디코딩하여 Frame Buffer로 출력을 반복한다[7].

       3.2.3. 네트워크 통신부

    네트워크 통신부는 Binary CDMA 무선통신으로 영상전송기와 중계기 간에 영상을 전송한다. 물리망은 Binary CDMA 무선망으로 구성되어 있지만 영상전송기와 중계기에는 TCP/IP를 탑재하여 이의 응용프로그램은 소켓을 이용한 무선 인터넷 통신이 가능하다.

       1) 네트워크 통신부의 구조

    RF 통합 모듈은 Binary CDMA 무선 통신을 위한 MAC과 PHY 계층을 내장하고 있으며, 2.4G 대역의 RF IC를 외부에 장착한다. Network Driver는 네트워크 디바이스 제어를 위한 소프트웨어로 RF 통합 모듈과의 인터페이스 기능을 수행한다. 이의 상위에 TCP/IP 네트워크 소프트웨어를 설치하고 소켓 라이브러리를 장착하여 TCP/UDP 소켓을 이용한 응용프로그래밍이 가능하다. 네트워크 통신부의 구조는 그림 12와 같다.

       2) S3C6410과 KWPAN1200 연결 구성

    Binary CDMA 무선 통신을 위한 멀티미디어통신 전용 CPU S3C6410과 Binary CDMA SoC KWPAN1200의 하드웨어 연결은 그림 13과 같다.

       3) Binary CDMA Frame 송신 내부동작

    Binary CDMA 프레임의 송신절차는 그림 14와 같고, 이의 반복으로 무선망으로 Binary CDMA 프레임을 전송한다. ① INT_EN Register의 TX_INT Enable ② TX_CFG Register의 TX_DMA_Count 초기화 ③ INT_STS Register의 TX_STS가 IDLE인지 확인 ④ TX DMA에 의해 TX Buffer로 Frame 복사 ⑤ RF를 통해 Frame 전송 ⑥ INT_STS의 TX_INT Set ⑦ CPU측으로 TX IRQ 송신 ⑧ ISR이 INT_STS 조회하여 TX 완료 INT이면 다음 프레임을 전송한다.

       4) Binary CDMA Frame 수신 내부동작

    Binary CDMA 프레임의 수신절차는 그림 15와 같고, 이의 반복으로 무선망을 통해 전달되는 Binary CDMA 프레임을 수신한다. ① INT_EN Register의 RX_INT Enable ② RX_CFG Register의 RX_DMA_Count 초기화 ③ RF를 통해 RX Buffer에 Frame 도착 ④ INT_STS Register의 RX_INT Set ⑤ CPU측으로 RX IRQ 송신 ⑥ ISR이 INT_STS 조회하여 어떤 Interrupt가 발생하였는지 확인 ⑦ RX DMA 처리를 위해 DPQ에 등록 ⑧ RX DMA에 의해 Frame을 읽는다.

       3.2.4. 무선영상전송기 클라이언트 프로그램

    무선영상전송기 클라이언트는 자동차 후방카메라의 영상을 입력받아, 차세대 동영상 압축 표준 H.264로 Encoding한 후, 압축 동영상을 UDP 소켓을 이용하여 무선망을 통해 무선영상중계기 서버로 전송한다. 클라이언트 프로그램의 수행절차는 그림 16과 같다.

       3.2.5. 무선영상중계기 서버 프로그램

    무선영상중계기 서버는 UDP 소켓을 이용하여 무선망으로부터 압축 동영상을 수신하고, Decoding하여 재생한 카메라영상을 자동차 모니터로 출력한다. 서버 프로그램의 수행절차는 그림 17과 같다.

    Ⅳ. 결 론

    자동차 후방카메라 시스템은 후진 시 시야확보가 어려운 차량 후방을 모니터 영상으로 보여주어 인명보호와 주차의 편리는 물론이고 운전자의 안전 운전을 위한 다양한 부가서비스를 제공한다. 본 논문에서는 우리나라가 독자 개발한 개인용 무선통신 Binary CDMA 신기술을 이용하여 설치가 자유롭고 설치비용과 기술료를 절감할 수 있는 자동차 후방카메라 시스템의 개발방법 및 설계에 관해 연구하였다.

    본 시스템은 클라이언트-서버 구조를 가진다. 클라이언트는 차량후방카메라와 이의 영상을 Binary CDMA 무선 전송할 수 있는 무선영상전송기를 가지고, 서버는 전송 영상의 수신과 중계를 위한 무선영상중계기와 자동차모니터로 구성된다. 클라이언트-서버 응용프로그램은 영상처리부의 코덱 라이브러리를 이용하여 카메라 영상을 인코딩/디코딩하고, TCP/IP의 탑재로 영상전송은 네트워크통신부의 소켓 라이브러리를 이용하여 무선 인터넷 통신이 가능하도록 설계하였다.

    자동차 후방카메라 영상의 Binary CDMA 무선 전송을 위한 멀티미디어 통신보드와 RF 모듈은 전자부품 연구원의 Binary CDMA SoC 칩 (KWPAN1200)과 대우전자부품의 RF 통합 모듈과 삼성 S3C6410 멀티미디어 전용 CPU를 통합하여 제작한다. 이는 기존 상용 자동차 후방카메라와 모니터의 연결을 위한 표준 영상‧오디오 인터페이스를 제공한다.

    고화질 영상의 무선 송수신을 위해 차세대 동영상 압축 표준인 H.264를 이용하여 실시간 영상압축과 전송을 한다. 자동차후방카메라의 클라이언트/서버 프로그램은 삼성 제공의 Multimedia Acceleration 드라이버를 이용하여 MFC(MultiFormatCodec) Encoding/Decoding 을 한다. 후방카메라로부터 입력된 Camera Raw Data는 무선영상전송기의 Frame Buffer와 Stream Buffer를 거쳐 전송되고, 수신된 압축 영상 데이터는 무선영상전송기의 Stream Buffer와 Frame Buffer를 거쳐 모니터에 출력된다.

    영상전송기와 중계기의 네트워크 통신부는 영상전송기와 중계기 간에 Binary CDMA 무선 영상통신을 수행한다. 영상전송기와 중계기 간의 Binary CDMA 프레임의 송수신을 위한 절차를 기술하였다. 영상전송기와 중계기에는 TCP/IP를 탑재하여 이의 응용프로그램은 소켓을 이용한 무선 인터넷 통신프로그래밍이 가능하도록 한다.

    후방카메라의 영상을 입력받아 H.264로 Encoding한 후, UDP 소켓으로 전송하는 무선영상전송기의 클라이언트 프로그램과 수신한 압축 동영상을 Decoding하여 자동차 모니터로 출력하는 무선영상중계기의 서버 프로그램의 수행을 설계하였다.

    향후 Binary CDMA 자동차 후방카메라 시스템에 대한 연구를 계속하여 본 설계를 기초로 Binary CDMA 무선 기반 자동차 후방카메라 시스템을 구현할 것이다.

  • 1. 2013 Electronic Times, United States Mandatory Promotion of Car Rearview Camera google
  • 2. 2013 Electronic Times, Hyundai Mobis Automotive Camera Technology[Internet] google
  • 3. 2003 “Binay CDMA Technology Overview” google
  • 4. 2010 “Market Trends of Car Cameras” [CCTV Journal] google
  • 5. 2008 “S3C6410X Application Notes”, S3C6410X RISC Microprocessor google
  • 6. 2004 “Physical Layer and Data Link Layer Specification of Koinonia Standard” google
  • 7. 2008 “S3C6400/6410 Multi-Format Codec API Document”, S3C6400/6410 RISC Microprocessor google
  • [그림 1.] 자동차 후방카메라 미국 시장수요 (Dara: KOTRA)
    자동차 후방카메라 미국 시장수요 (Dara: KOTRA)
  • [그림 2.] Binary-CDMA 전송방식
    Binary-CDMA 전송방식
  • [그림 3.] 개인용 무선통신 기술 비교
    개인용 무선통신 기술 비교
  • [그림 4.] 자동차 카메라
    자동차 카메라
  • [그림 5.] Binary CDMA 자동차 무선 후방카메라 시스템
    Binary CDMA 자동차 무선 후방카메라 시스템
  • [그림 6.] Binary CDMA 자동차후방카메라 시스템 구조
    Binary CDMA 자동차후방카메라 시스템 구조
  • [그림 7.] 멀티미디어 통신 보드의 블록도
    멀티미디어 통신 보드의 블록도
  • [그림 8.] Binary CDMA RF 통합 모듈
    Binary CDMA RF 통합 모듈
  • [그림 9.] 자동차 카메라 동영상의 입출력 이동 경로
    자동차 카메라 동영상의 입출력 이동 경로
  • [그림 10.] 카메라 영상의 H.264 인코딩 절차
    카메라 영상의 H.264 인코딩 절차
  • [그림 11.] 카메라 영상의 H.264 디코딩 절차
    카메라 영상의 H.264 디코딩 절차
  • [그림 12.] 네트워크 통신부의 구조
    네트워크 통신부의 구조
  • [그림 13.] S3C6410과 KWPAN1200 연결 구성도
    S3C6410과 KWPAN1200 연결 구성도
  • [그림 14.] Binary CDMA 프레임 송신 내부 동작
    Binary CDMA 프레임 송신 내부 동작
  • [그림 15.] Binary CDMA 프레임 수신 내부 동작
    Binary CDMA 프레임 수신 내부 동작
  • [그림 16.] 무선영상전송기 클라이언트 프로그램
    무선영상전송기 클라이언트 프로그램
  • [그림 17.] 무선영상중계기 응용프로그램
    무선영상중계기 응용프로그램