최근 IT 대기업 구글(Google)과 급성장 중인 차량 호출 서비스 우버(Uber)가 LIDAR 기술을 두고 법적 분쟁을 벌이면서, 이 기술의 이름이 언론에 자주 등장하고 있습니다. 이 글에서는 어느 회사가 먼저 개발했는지, 특허 분쟁의 세부 경위 같은 이야기보다는, LIDAR 기술이 무엇인지 그 기본 개념과 현재 활용되고 있는 분야를 초보자도 쉽게 이해할 수 있도록 정리해 보겠습니다.
LIDAR 기술이란?
LIDAR(Light Detection and Ranging)는 펄스 레이저 형태의 빛을 이용해 지표면까지의 거리를 측정하는 원격 탐사(remote sensing) 방식입니다. 항공 시스템이 기록한 다른 데이터와 빛 펄스 정보를 결합하면, 대상 물체의 형상과 표면 특성에 대한 정밀한 3차원 정보를 얻을 수 있습니다.
LIDAR 시스템은 과학자와 지도 제작 전문가들이 자연 환경과 인공 환경 모두를 높은 정확도와 유연성으로 분석할 수 있게 해줍니다. 미국 해양대기청(NOAA)은 LIDAR를 활용해 더욱 정밀한 해안선 지도를 작성하고, 지리정보시스템(GIS)용 디지털 고도 모델(DEM)을 생성하며, 긴급 재난 대응 작업을 지원하는 등 다양한 용도로 이 기술을 사용하고 있습니다.
LIDAR의 종류
1. 항공 LIDAR(Airborne LIDAR)
항공 LIDAR는 고정익 항공기나 헬리콥터에 시스템을 장착하는 방식입니다. 적외선 레이저 빛을 지상으로 발사하면, 이동하는 항공 센서로 반사광이 되돌아오는 원리입니다. 항공 센서는 크게 두 가지로 나뉩니다.
- 지형 측량형(Topographic): 근적외선 레이저를 사용하여 육지의 지형을 측정합니다.
- 수심 측량형(Bathymetric): 물을 투과하는 녹색 레이저 빛을 사용하여 해저와 하상(河床)의 고도까지 함께 측정할 수 있습니다.
2. 지상 LIDAR(Terrestrial LIDAR)
지상 LIDAR는 매우 조밀하고 정확도 높은 포인트 데이터를 수집하여 물체를 정밀하게 식별할 수 있습니다. 이렇게 만들어진 밀집 포인트 클라우드는 시설 관리, 고속도로 및 철도 조사, 건물 내외부의 3D 도시 모델 제작 등에 활용됩니다. 지상 LIDAR 역시 두 가지 주요 유형이 있습니다.
- 모바일형(Mobile): 이동 플랫폼에서 LIDAR 포인트 클라우드를 수집하는 방식입니다. 이동 차량에 여러 개의 LIDAR 센서를 장착하여 운영할 수 있습니다.
- 고정형(Static): 고정된 위치에서 포인트 클라우드를 수집하는 방식입니다. 삼각대나 고정 장치에 설치되는 휴대용 레이저 거리 측정 및 영상 시스템으로, 건물 내부와 외부 모두에서 데이터를 수집할 수 있습니다. 주로 엔지니어링, 광업, 측량, 고고학 분야에서 활용됩니다.
LIDAR의 작동 원리
LIDAR의 원리는 전자 거리 측정기(EMI)와 유사합니다. 송신기에서 레이저(펄스 또는 연속파)를 발사하고 반사된 에너지를 수신한 뒤, 레이저의 비행 시간(time of flight)을 이용해 송신기와 반사체 사이의 거리를 계산합니다. 반사체는 자연 물체일 수도 있고, 프리즘 같은 인공 반사체일 수도 있습니다.
측정 원리는 다음과 같은 간단한 공식으로 설명할 수 있습니다.
다시 말해, LIDAR 센서는 레이더(Radar) 기술과 비슷하게 작동하지만 전파 대신 초당 최대 10,000회에 달하는 레이저 빛 펄스를 사용한다는 점이 다릅니다. 빛 펄스를 발사하는 순간의 정확한 시각을 기록하고, 반사 신호가 수신된 시각 역시 기록합니다. 빛의 일정한 속도를 이용해 이 시간 지연을 '사선 거리(slant range)'로 변환하고, 센서의 위치와 자세를 기준으로 반사면의 XYZ 좌표를 계산합니다.
LIDAR 시스템을 구성하는 핵심 부품
LIDAR 시스템은 아래 부품들이 유기적으로 결합되어 높은 정확도의 결과물을 만들어냅니다.
- 레이저: 파장에 따라 분류됩니다. 1550nm 파장의 레이저는 눈에 초점이 맺히지 않아 더 높은 출력에서도 '눈에 안전(eye-safe)'하기 때문에 널리 사용되며, 장거리·저정밀도 용도에 적합합니다. 또한 야시경에 감지되지 않아 군사용 응용 분야에도 적합합니다.
- LIDAR 센서: 항공기가 비행하는 동안 좌우로 지면을 스캔합니다. 일반적으로 녹색 또는 근적외선 대역을 사용합니다.
- 관성 측정 장치(IMU): 항공기의 고도와 위치를 추적합니다. 정확한 지형 고도 값을 얻는 데 필수적인 변수입니다.
- 컴퓨터: 스캔을 통해 수집된 데이터를 저장하고 관리하는 데이터 저장·관리 시스템으로 사용됩니다.
- 스캐너 및 광학 장치: 영상 생성 속도는 시스템에 데이터를 스캔하는 속도에 따라 달라집니다.
- 광검출기 및 수신 전자 회로: 광검출기는 시스템으로 되돌아오는 신호를 읽고 기록하는 장치입니다.
- 고정밀 클록: 레이저 펄스가 스캐너를 떠난 시각과 돌아온 시각을 기록합니다.
- 항법 및 위치 측정 시스템: GPS 수신기가 항공기의 고도와 위치를 추적하여 정확한 지형 고도 산출을 돕습니다.
LIDAR 기술의 현재와 미래
장애물을 감지하기 위해 신호를 보내고, 반사 신호를 받아 시간 차이를 계산해 물체의 위치를 파악하는 방식 자체는 기술 세계에서 전혀 새로운 것이 아니며, 레이저 빛을 활용하는 것도 마찬가지입니다. 진짜 새로운 점은 이 기술을 자율주행차 메커니즘에 적용하고 발전시키고 있다는 데 있습니다.
구글의 자율주행차 사업체인 웨이모(Waymo)는 이 기술을 자율주행 차량에 탑재하여 도로 위 장애물을 스캔하고 감지하는 데 활용합니다. 여기에 고급 소프트웨어 연산이 더해져 방향 변경이라는 결과물을 만들어내고, 차량이 그에 따라 실제 주행을 수행하는 것입니다. 우버 역시 무인 택시 서비스에 LIDAR 기술을 적용하여 서비스 품질을 높이고 있습니다.
다음 글에서는 LIDAR 기술이 실제로 어떤 분야에서 사용되고 있는지, 그리고 각 분야에서 어떤 목적을 달성하는지 구체적으로 살펴보겠습니다.