나이트 비전 시스템
어두움은 운전자의 시각에 두 가지 중요한 제한을 초래합니다.
첫째, 제논 및 LED 헤드램프와 같은 최신 조명 기술에도 불구하고 매우 제한된 조명 시야만 사용할 수 있습니다. 예를 들어 일반적인 로우빔 헤드램프의 범위는 50~60m에 불과합니다. 하이빔 헤드램프를 사용하면 가시 범위를 150m 이상으로 늘릴 수 있지만, 이는 다가오는 차량에 눈부심을 유발하는 경향이 있기 때문에 야간 운전 중에는 거의 사용할 수 없습니다.
둘째, 주간과 다른 색상 및 대비로 어둠 속에서 물체를 인식하는 기능이 종종 크게 감소합니다. 예를 들어 어두운 옷을 입은 보행자는 하향등 헤드램프 범위 내에 있더라도 인식하기 어려운 경우가 많습니다. 나이트 비전 시스템과 최첨단 헤드램프 기술은 이와 관련하여 도로 안전을 높이는 데 크게 도움이 됩니다.
카메라 기반 야간 투시 시스템은 기본 스펙트럼 범위에 따라 원적외선 시스템과 근적외선 시스템의 두 가지 유형으로 분류됩니다.
원적외선 시스템
동작 원리
원적외선(FIR) 기반의 야간 투시 시스템은 수년 동안 군사용으로 사용되었습니다. 그들은 가시 스펙트럼 범위(따라서 "원적외선")에서 상대적으로 멀리 떨어져 있는 7~12μm 사이의 스펙트럼 범위에서 열 복사를 사용합니다. 그들은 미국에서 2000년에 자동차 응용 분야에서 처음으로 사용되었습니다. 그들은 열화상 카메라로 물체에서 방출되는 열복사를 감지합니다. 물체를 비추기 위해 추가 방사원이 필요하지 않기 때문에 "수동" 시스템이라고 합니다.
초전기 열화상 카메라 또는 마이크로볼로미터 카메라는 7~12μm의 파장 범위에서만 민감합니다. 앞 유리의 유리는 이러한 파장에 대해 투명하지 않으며 카메라는 차량 외부에 위치해야 합니다.
열화상 카메라는 게르마늄 렌즈 또는 다량의 게르마늄과 해당 전송 대역이 포함된 텍스 유리를 사용합니다. 현재 사용 가능한 카메라의 해상도는 최대 VGA 해상도(비디오 그래픽 어레이, 640 × 480픽셀)입니다. 카메라 신호는 ECU에서 처리됩니다. 생성된 비디오 신호는 열화상을 볼 수 있는 디스플레이(계기판, 센터 콘솔 또는 헤드업 디스플레이로 앞유리에 있음)로 출력됩니다.
근적외선 시스템
동작 원리
근적외선 시스템(NIR)은 가시 스펙트럼(근적외선)에 가까운 800~1000nm 사이의 적외선 방사를 기반으로 합니다. 물체는 이 파장 범위의 방사선을 방출하지 않습니다. 차량 전방 영역은 적외선 헤드램프로 밝혀야 합니다(그림 1b).
이러한 이유로 이러한 시스템을 "활성" 시스템이라고 합니다. 적외선에 민감한 카메라는 장면, 즉 물체에서 반사되는 적외선을 기록합니다. 이미지 신호는 원적외선 시스템에서와 같이 처리된 이미지를 디스플레이로 전달하는 제어 장치로 전송됩니다. 운전자는 두 시스템 모두에서 영화처럼 재생되는 도로 상황의 현재 이미지를 봅니다.
작동 원리
근적외선 야간 투시 시스템은 인간의 눈과 전자 실리콘 기반 이미지의 다양한 분광 감도를 이용합니다. 인간 눈의 분광 감도는 V(λ) 곡선(그림 3)으로 설명되며 380nm(보라색)에서 780nm(빨간색)까지의 파장 범위로 구성됩니다. 최대 감도는 550nm(녹색) 범위에 있습니다. 이에 비해 이미저의 분광 감도는 높은 파장 범위에 훨씬 더 도달하여 약 1,100nm에서 끝납니다.
적외선 헤드램프
자동차 전조등에 일반적으로 사용되는 것과 같은 할로겐 램프에는 적외선 방사 성분이 있습니다. 이는 가시 스펙트럼의 한계(380 – 780nm)에서 2,000nm를 초과하는 파장까지, 최대 범위는 900nm에서 1,000nm 사이입니다. 비디오 카메라를 사용할 때 유용한 파장의 상한은 실리콘의 감도 한계인 1,100nm입니다. 이러한 이유로 기존의 할로겐 하이빔 헤드램프 모델은 적외선 헤드램프로 사용됩니다. 할로겐 하이빔 헤드램프 모델에서 가시광선은 사용 가능한 적외선 부분을 크게 줄이지 않고 광 경로의 추가 필터에 의해 차단됩니다.
방출된 방사선은 사람의 눈으로 감지할 수 없습니다. 사용되는 적외선 헤드램프는 기존의 하이빔 헤드램프와 유사한 범위 및 공간 특성을 가지고 있습니다. 즉, 달성된 가시 범위는 비슷하지만 다른 도로 사용자를 부정적으로 눈부시게 하지 않습니다.
필터 특성 곡선의 적절한 선택은 경쟁 요구 사항을 고려합니다. 이미저의 분광 감도는 파장이 증가함에 따라 감소합니다. 민감한 범위를 활용하려면 낮은 파장에 대한 필터 가장자리가 가시광선 한계에 근접해야 합니다. 한편, 전면 헤드램프에 허용되지 않는 적색 인상을 방지하기 위해 필터 에지를 더 높은 파장 쪽으로 더 이동시켜야 합니다. 가시 범위의 전송, 필터 가장자리의 위치 및 가장자리 가파른 정도를 신중하게 선택하면 두 가지 요구 사항을 모두 충족할 수 있습니다. 적외선 헤드램프는 헤드램프 모듈에 통합되거나 외부 모듈로 장착됩니다.
이미저
극한의 조명 조건 – 어둠과 매우 높은 강도의 역학, 다가오는 차량의 전조등으로 인해 카메라 렌즈와 이미저의 프로젝션 속성에 대한 요구 사항이 매우 높아집니다. 이미저의 어둠에 대한 민감도는 시스템이 달성할 수 있는 가시 범위를 결정합니다. 역학의 정도는 눈부심에 대한 저항에 의해 크게 결정됩니다.
CCD 칩(전하 결합 장치)은 어둠에 대해 매우 높은 감도를 제공하지만 일반적으로 추가 조치 없이는 필요한 강도 역학을 달성하지 못합니다. 또한 이미지의 밝기 차이가 큰 경우 개별적이고 밝은 이미지 영역을 무시하는 경향이 있습니다. CMOS 칩(Complementary Metal Oxide Semiconductor)은 어둠에 대한 감도가 낮지만 100dB 이상의 강도 역학을 달성합니다. 이 기술의 고정 패턴 노이즈의 모든 픽셀에 대한 보상이 필요합니다. 조정 가능한 비선형 특성 곡선은 이러한 이미저를 변화하는 조명 조건에 맞게 매우 쉽게 조정하고 조정할 수 있음을 의미합니다.
700nm에서 1,000nm(적외선) 사이의 파장 범위에서 방사선으로 도로 장면을 비추면 조명 강도와 조명 장면의 스펙트럼 반사 기능에 따라 달라지는 유용한 신호를 카메라 이미저에 제공합니다.
활성화 전략
시스템의 주요 측면 중 하나는 적외선 헤드램프의 자동 활성화입니다. 그들은 인간이 인지할 수 없거나 미미한 정도로만 인지할 수 있는 높은 강도의 빛을 방출합니다. 짧은 거리에서 눈에 띄지 않는 노출로 인한 눈의 손상을 방지하기 위해(예: 정비소에서 작업하는 정비공) 적외선 헤드램프는 특정 상황에서만 자동으로 활성화됩니다.
하향 전조등이 켜진 상태에서 주행 속도에 도달합니다. 만약에
속도가 임계값 아래로 떨어지면 자동으로 비활성화됩니다. 이것은 긴 노출과 배출원에 대한 공간적 근접성의 중요한 조합의 발생을 배제합니다. 또한 적외선 헤드램프는 인접한 로우빔도 켜져 있는 경우에만 켜집니다.
이를 통해 헤드램프를 바라볼 때 깜박임 반사가 일어나 눈의 노출이 크게 줄어듭니다.
1세대 나이트 비전 시스템
첫 번째 시스템은 2000년 캐딜락 자동차의 미국 시장에 도입되었으며 헤드업 디스플레이(HUD)에 FIR 카메라의 이미지를 보여주었습니다. 그 뒤를 이어 헤드업 디스플레이를 사용하는 일본 시장의 NIR 시스템이 뒤따랐습니다. 1차 시야의 움직이는 이미지로 인해 운전자의 주의가 산만해질 위험이 높기 때문에 이러한 시스템은 몇 년 후 시장에서 철수했습니다. 유럽 시장에서도 돌파구를 마련하지 못했습니다. 일본에서 이러한 최초의 NIR 기반 시스템은 2003년에 이미지 디스플레이 측면에서 기존 CCD 카메라 기술과 함께 간단한 버전으로 처음 소개되었습니다.
2005년에는 성능이 크게 향상된 NIR 야간 투시 시스템이 Mercedes S-Class(야간 투시)에 도입되었습니다.
독일 자동차의 경우 카메라에서 처리된 이미지(원적외선 및 근적외선 시스템 모두)가 계기판(Mercedes) 또는 중앙 콘솔 영역(BMW)의 그래픽 가능 모니터에 있는 첫 번째 시스템에 표시되었습니다. 차량에 모니터를 배치할 때 모니터가 전면 유리에 최대한 가깝고 운전자의 정상적인 시야에서 너무 멀리 떨어져 있지 않은지 확인하여 운전자가 주의를 다른 곳으로 돌릴 필요가 없도록 하는 것이 중요합니다. 도로와 교통이 너무 깁니다. 인체공학적 테스트는 판독 시간과 계기판의 모니터 배열에서 산만함과 관련하여 최상의 결과를 나타냈습니다.
2세대 야간 투시 시스템
새로운 이미지 처리 절차를 통해 보행자는 일반적인 윤곽(머리 및 어깨 영역)을 참조하여 안정적으로 분류할 수 있습니다. 이를 통해 운전자에게 청각적으로 경고할 수 있을 뿐만 아니라 위험한 상황에 대한 운전자의 인식을 개선하기 위해 모니터에서 감지된 보행자를 강조 표시할 수도 있습니다. 이것은 원적외선 시스템에서 특히 중요합니다. 이상한 모양으로 인해 이미지가 근적외선 이미지보다 해석하기 더 어렵기 때문입니다.
이 기능은 보행자와 관련된 사망 사고의 대부분이 야간에 발생한다는 점에서 중요합니다. 이러한 방식으로 그러한 시스템은 보행자와 관련된 야간 사고를 크게 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 보행자 인식 시스템은 이제 독일 차량의 두 가지 기술(근적외선 및 원적외선 시스템)에 표준으로 장착됩니다.
헤드업 디스플레이 기술의 추가 개발은 기본 시야에서 보행자가 감지되면 추가 경고 표시를 제공합니다. 앞유리에 경고 기호를 표시하는 것은 방해 요소를 최소화하면서 효과적인 디스플레이 형식을 나타냅니다.
더 단순한 시스템의 대안은 감지된 장애물의 방향을 표시하는 앞유리 바닥의 비용 효율적인 광학 경고입니다. 이러한 디스플레이 형식은 저급 차량에 대한 비용 효율적인 대안이 될 것입니다.
3세대 나이트 비전 시스템
한편 새로운 헤드램프 기술은 이미지 디스플레이를 생략할 수 있게 하여 결과적으로 운전자가 디스플레이를 보면서 주의를 분산시키지 않습니다. 이미지 처리 시스템에 의해 감지된 보행자는 작은 추가 헤드램프의 도움으로 켜지거나 "깜박일" 수 있습니다. 이것은 자동으로 운전자의 주의를 보행자에게 향하게 하고 이제 보행자는 자신이 감지되었음을 알게 됩니다.
빛이 마이크로 미러에 의해 회절되는 수많은 고출력 LED가 포함된 새로운 픽셀 조명 개념은 거의 모든 모양의 조명 원뿔을 생성하고 상향등에서 연속 주행을 용이하게 합니다. 보행자나 마주 오는 차량이 이미징 시스템에 의해 분류되면 눈부심이 더 이상 발생하지 않을 정도로 명암 경계가 자동으로 낮아집니다.