자동차 사고 원인에서 운전부주의와 졸음운전은 상당한 비중을 차지한다. 운전자의 시선을 쫓는 아이트래킹(eye-tracking) 기술은 이같이 운전자의 시선이 도로에서 멀어져 발생할 수 있는 위험 상황을 감지하고 예방토록 해 자동차의 안전성을 높인다. 비용, 기술의 한계를 넘어서려는 개발 노력이 지속되고 있다. 

네버엔딩 스토리

글로벌 자동차 산업에서 아이트래커(eye tracker) 개발은 언제나 이슈였다. 시스템의 개발은 단순히 운전자 머리의 움직임을 감지하는 수준을 넘어 운전부주의를 판단하는 핵심 열쇠가 될 수 있는 운전자의 시선을 감지하는 방향으로 발전했다.
대개 아이트래킹 시스템의 작동과 개발 이슈에 대해 전문가들은 두 가지 관점에서 이야기한다. 하나는 아이트래킹 기술 자체에 대한 것이고, 다른 하나는 개발의 목적과 기능성에 대한 것이다. 후자의 몇몇 부분은 진실된 아이트래킹 기술은 아니지만 예를 들어 졸음운전 여부를 판단하기 위해 단순히 헤드 무브먼트(head movement)나 눈의 깜빡임을 측정함으로써 달성할 수도 있다. 헤드 무브먼트와 눈 깜빡임은 아이트래커에 대한 기술의 성숙, 높아진 기능성 요구에 따라 결합됐다.
볼보 테크놀러지의 트렌트 빅터(Trent Victor) 선임 연구원이 말하는 아이트래커 개발의 대전제는 ‘이 시스템이 실질적으로 동작해야만 한다’는 것이다. 즉 소비자가 이 시스템을 사용할 것인가? 아이트래커가 실제로 운전자들을 도울 수 있을까?란 질문에 만족할 수 있도록 사실적인 시스템을 개발하는 것이다. 이같은 이유에서 빅터 선임의 대부분 연구가 “만일”, “무엇이라면”의 레벨에서 머물고 있다.
빅터 선임은 “예를 들어 씨잉머신(Seeing Machines), 트랜서큐러티(Transecurity)와 같은 회사들은 꽤 성숙된 시스템을 시장에 선보이고 있다. 그러나 상용 시스템 개발과 연구 부문은 구분돼야 한다고 생각한다”고 말했다.
유럽에서는 스마트 아이(Smart Eye)와 같은 아이트래킹 전문기술 업체들이 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 또 티어1 서플라이어들도 아이트래커 개발에 적극적이다. 그러나 진실된 아이트랙커의 개발, 상용화는 언제나 같은 이야기만 되풀이 되고 있다.  
예를 들어 1992년 지멘스VDO(현 콘티넨탈)는 졸음방지 시스템에 대한 연구 보고서를 내며 수년 내에 자동차에서 상용화될 것으로 전망했지만 그런 일은 일어나지 않았다. 델파이도 다양한 프로젝트를 수행하는 등 졸음방지 시스템 개발에 적극적이었지만 마찬가지였다. 프로토타입에 기반한 상용화의 꿈은 모두 물거품이 됐다. 
자동차가 요구하는 아이트래킹 기술의 개발과 상용화는 매우 까다롭다. 가장 큰 장애가 바로 기술이다. 기술이란 대시보드 내에 탑재하기 위해 저렴하면서 심플하고 작은 시스템을 만드는 것이다. 특히 요구하는 적정 가격 수준에 시스템을 맞춘다는 점은 기능성도 그 수준에 머물러야 한다는 것을 의미한다.


 

드라이브비전 프로(DriveVision Pro)는 각각의 운전자 행동 모니터링(driver behavior monitoring), 전방충돌 경고, 차선이탈 경고 시스템을 통합한 컴팩트한 안전 시스템이다. 시스템은 다양한 센서를 통해 얻은 정보와 정교한 알고리즘으로 운전자의 행동을 평가해 운전자에게 피드백한다. 피드백은 즉시와 오프라인의 두 가지 형태로 진행된다. 오프라인 피드백은 정보를 수집하고 저장해 관리 정보 시스템에 보내져 플릿 매니저가 이에 접속해 정보를 보고 운전자에게 의미있는 피드백을 할 수 있도록 돕는다.

채광산업에서 본 가능성

가장 성공적인 상용 시스템으로 평가받는 것은 씨잉머신(Seeing Machines)의 DSS(Driver State Sensor)다. 이 시스템은 모든 기능이 차량에 임베디드돼 수행되지는 않지만 아이트래킹 시스템에 요구되는 기능에 가장 올바른 접근 방식을 취하고 있다는 평가를 받고 있다. 게다가 DSS는 ‘채광’이란 틈새 애프터마켓을 타깃으로 해 매출을 올리고 있다.
미국의 고속도로교통안전국(NHTSA)에 따르면 대형차(heavy duty) 사고의 30%는 졸음운전에서 비롯된다. 또 사고의 정도를 분석하면 승용차는 단지 3%가 치명적 사고로 분류되지만 대형차의 경우엔 20%가 치명적 사고로 이어진다. 운전자의 피로도를 측정하는 기준 중 하나인 PERCLOS
(Percentage Closure of Eyes)를 보면 93%의 사고가 졸음운전과 연관 관계를 갖는다. 채광업에서는 피로와 운전부주의에 따른 대가가 다른 운송 분야보다도 높게 나타난다. 때문에 자연스럽게 예방을 위한 끊임없는 투자가 이뤄지고 있고, 또 투자비용 절감을 위한 다양한 시도가 이뤄지고 있다. 이같은 경향은 향후 다른 플릿(fleet)에서도 나타날 것이다.
DSS는 대형 트럭에 장착돼 운전자의 피로도를 측정하고 경고한다. 시스템은 대시보드에 장착된 소형 비전 센서를 이용해 운전자의 피로도를 측정하고 피드백을 보내 사고 위험을 저감시킨다. DSS는 기본적으로 운전자의 안면과 머리의 움직임을 조사하고, 눈꺼풀의 깜빡임 수를 카운트 해 피로도의 정도를 판단한다. 이 결과를 토대로 운전자에게 피드백을 줌으로써 졸음운전 등 운전부주의 사고를 예방한다. DSS는 운전자의 졸음운전 또는 기타 운전부주의 요소가 감지되는 즉시 오디오를 통해 경고를 보낼 뿐만 아니라 피로도에 따라 운전에 방해가 되지 않도록 경고의 강도를 조절한다.
DSS는 차량에 장착되는 풀오토 시스템이다. 새로운 운전자에 대한 캘리브레이션 절차가 필요치 않고, 시스템의 동작은 매우 간단하고 명료하게 이뤄진다. 운전자가 안경 등과 같은 보조 장비 착용이 필요 없고 부수적인 셋업 작업이 요구되지 않는다. DSS에 대한 별도의 교육 또한 필요 없다.
DSS 시스템은 플릿 매니지먼트(fleet management) 솔루션으로 활용된다. 피로, 운전부주의와 관련된 데이터들은 사후 분석을 위해 저장되며, 중요한 데이터들은 GPRS나 위성을 통해 실시간으로 플릿 매니지먼트 시스템에 보내진다. 이벤트 정보들을 통해 관리자는 문제점을 정확히 찾아내고 조치할 수 있다. 사업자들은 DSS 피로 관리 시스템 도입을 통해 다양한 관리 개선 효과를 얻을 수 있다. ▶플릿의 기본적인 피로 수준을 파악할 수 있고 ▶차량에서의 디테일한 이벤트 데이터를 획득함으로써 운행 스케줄을 효과적으로 관리하고 문제가 있는 패턴을 회피할 수 있다. ▶운전자들의 전반적인 피로 수준과 변화를 감지함으로써 이를 개선키 위한 조치를 강구할 수 있다. ▶결과적으로 사고 저감은 물론 사고의 경중, 보험 등의 비용 문제를 덜 수 있다.
DSS는 현재 광산에서 운용되는 중장비 트럭(haul truck)에 장착돼 성능을 입증하고 있다. 예를 들어 프리포트 모렌시 광산에 84대, 4개의 북미 광산에 88대, 페루 광산에 28대, 칠레 광산에 32대, 퀸즐랜드 광산에 10대의 유닛이 장착됐다. 아프리카 지역에서는 채광 안전장비 전문업체 부이코(Booyco Electronics)를 유통사로 선정하고 DSS를 남아프리카공화국과 가나의 광산에 론칭시켰다. 칠레, 페루, 브라질 등에서는 파트너사와 함께 5개의 메이저 파일럿 프로젝트를 론칭시켰다. 이중 칠레에서는 GDT와 함께 대략 200대의 하울 트럭이 운용되는 에스콘디다 프로젝트를 론칭했다.
최근의 DSS 파일럿 프로그램들은 전체 플릿에 대한 DSS 장착을 뛰어 넘어 혁신적인 미래 DSS 비즈니스 파이프라인 제공이 이뤄지고 있다. 칠레, 콜롬비아, 브라질, 남아프리카공화국, 가나, 인도네시아, 캐나다, 미국, 호주에서의 파일럿 프로그램은 씨잉머신의 유닛 판매 실적뿐만 아니라 플릿 운용에 대한 성공적 관리 체계가 공급된다는 점에서 중요하게 받아들여지고 있다. DSS는 피로도 관리 계획(FMP) 시스템과 결합되면서 운전부하와 피로도와 관련해 뛰어난 사고저감 효과를 발휘함을 입증하고 있다.
아이트래커는 프리미엄 카에도 장착되게 될 것이다. 차선이탈 경고(LDWS), 전방추돌 방지 시스템(FCS) 등의 운전자 지원 시스템(ADAS)과 결합돼 그 기능성을 크게 높일 것이다. 그러나 이를 위해선 반드시 선행돼야하는 사안이 있다. 바로 다른 안전 솔루션들과 차별된 아이트래커만의 안전 혜택을 입증해야만 한다는 것이다. 이와 관련된 하나의 기능성은 ‘시부주의 경고(visaul distraction alert)다. 이 시스템은 운전자의 시선이 도로에서 너무 자주, 또는 너무 장시간 멀어지면 경고를 한다. 기능은 단순해 보이지만, 씨잉머신의 DSS와 같은 시부주의 경고 시스템은 차량의 안전도를 크게 높인다. DSS의 경우 80%의 사고 저감 효과를 이끌어냈다.

정교한 기술의 완성

HMI 전문기업 다이나복스(DynaVox)의 기술리더이자, “패시브 아이 모니터링”의 저자로 유명한 리아드 하무드(Riad Hammoud) 박사는 몇년 전까지 델파이의 첨단안전 개발 부문과 함께 다양한 아이 트래킹 개발 프로젝트를 진행했었다.
아이트래킹 시스템 개발은 두 분야로 나뉜다. 하나는 하드웨어이고 다른 하나는 알고리즘과 소프트웨어 부문이다. 하드웨어에서 가장 중요한 것은 광학, 즉 카메라 해상도, 근적외선 감도, 이미지 퀄리티다.
하무드 박사는 “일반적으로 자동차 업계에서는 텍사스 인스트루먼트의 DSP 유닛을 이용하는데, 중앙 유닛에서 실시간으로 운전자의 눈동자 이미지가 처리된다. 처리된 이미지의 루틴에 따라 결과가 주어진다”며 “운전자가 피곤하다고 말한다면 시스템이 눈의 깜빡임 빈도에 주목하기 시작한다. 이후 특정 시간 동안의 깜빡임의 퍼센트를 실시간으로 체크하고 사전에 정의내린 데이터와 비교를 해 졸음 여부를 판단한다”고 말했다.
언뜻 듣기에는 별거 아닌 기술 같지만 하무드 박사는 매우 고난도의 작업이라고 평가했다. 하무드 박사는 “경고의 큰 이슈 중 하나는 운전자가 잠들기 전에 기능을 온셋(onset)하는 것이다. 이는 실시간 작동을 개시하거나 아예 쓸모가 없어지는가의 문제다. 또 다른 도전은 다양한 조도, 눈동자의 색, 가느다랗게 뜬 눈 등 다양한 조건에 완벽히 대응하는 비전 시스템과 이미지 프로세싱 알고리즘의 개발하는 것”이라고 말했다.
아이트래킹 기술의 이용은 무인 자율주행 기술과 연결된다. MIT의 컴퓨터 사이언스/인공지능 랩에서 로봇 비전 시스템과 센서 네트워크 개발을 담당하고 있는 루크 플레처(Luke Fletcher) 박사는 “아이트래킹이 나아가는 길에는 운전자가 스티어링 휠을 잡지 않고 다른 일을 보면서 원하는 목적지에 갈 수 있는 무인차가 있다”고 설명했다.
 

<씨잉머신의 DSS(Driver State Sensor> 안티슬립 솔루션의 메이저 신호는 눈꺼풀 개폐, 시선 방향, 머리의 움직임이다. 이들 신호는 비디오카메라를 통해 측정된다. 과거의 아이트래킹 시스템들은 스테레오 비전 카메라 등 멀티 카메라 시스템을 요구했고, 실험실에서 세팅된 대로 디자인돼 높은 비용이 문제가 됐지만 스마트 아이 안티슬립은 적외선 플래시 일루미네이터를 포함한 VGA 해상도의 한 개의 카메라를 이용하고 60 Hz의 속도로 측정한다.

로봇 비전 시스템 연구를 수행하는 동안 플레처 박사는 호주국립대(ANU)에서 스핀오프해 아이트래킹 기술의 상용화에 성공한 씨잉머신을 예의주시했다. 그리고 이 기술(eye-gaze tracking)을 도로에서의 컴퓨터 비전 기술에 끼워 넣을 방법을 찾기 시작했다. “운전자가 무엇을 보고 있는지 알 수 있다면, 무엇을 보고 있지 않는지도 알 수 있다”는 것이 그의 아이디어다.
플레처 박사가 말하는 최선의 아이트래킹 시스템은 비디오 카메라와 적외선 기술이 결합된 것이다. 일반적인 접근은 각막반사를 이용하거나 적외선 카메라를 사용하는 것이다. 즉 운전자가 무엇을 주시하는지에 대한 올바른 평가를 정확한 머리 자세와 안구의 지향점을 포착해 제시하는 것이다.
플레처 박사의 논문은 운전부주의에 포커스한다. 이는 운전부주의에 관련해 ‘실시간 시선방향 추정’에 대한 것으로 운전자의 눈이 단순히 열리고 닫히는 것을 감지하는 것이 아닌 특정 시간에 특정 방향을 보고 있는지를 판단하는 것이다. 이슈는 “단지 보는(see) 것이 아니라 실제로 보는(look)지를 알아내는 것”이다.
시스템 개발에 대한 플레처의 작업은 2007년 MIT와 미방위고등연구계획국의 도심 무인주행대회(DARPA Urban Challenge)에 나서면서 본격화됐다. 이후 프로젝트는 주행안전 시스템에 자율주행 기술을 응용하려는 포드의 지원으로 스핀오프하게 됐다.
플레처 박사는 시장에서의 아이트래킹 시스템의 가치에 대해 “아이트래킹은 미래기술로 취급되고 있지만 발상을 전환해 사람들이 실제로 사용하길 원하는 시스템을 개발할 필요가 있다”고 말했다.


<스마트 아이 안티슬립 3.0>


시선에 대한 ‘거짓양성(false positive)’이 제거될 수 있다면 잘못된 경고를 없애고 연관된 안전 시스템들을 더욱 유용하게 만들 수 있을 것이다. 이에 따라 가속, 조향에 피드백을 제공하는 시스템과 인터페이스가 더 자연스러워질 것이다.   
   

휴먼 인터페이스

승용차에서 아이트래킹 시스템의 상용화는 더 똑똑하고, 저렴해지지 않는다면 열리지 않을 것이다. 이중 더 똑똑한 시스템을 위해서는 휴먼 인터페이스가 매우 중요하다.
MIT 에이스랩의 브라이언 레이머(Bryan Reimer) 박사는 심장박동과 피부 전도도 등의 정신 생리학적(psycho-physiological) 측정에 포커스하며 운전자의 시선과 운전부주의 관련 연구를 진행해왔다.


<채광산업에서 증명된 효과>

레이머 박사는 “자동차에 새로운 신기술을 넣으려 한다면 아이트래킹과 시주의 모니터링(visual attention) 기술을 이용해 매우 강력한 효과를 발휘할 수 있을 것”이라고 말했다.
그는 비외과적 시스템 개발이 가야할 길이 멀었지만 시선을 쫓는 아이 게이즈(eye gaze), 아이트래킹 시스템을 통해 단기간에 많은 것을 성취할 수 있다고 봤다.
특히 레이머 박사는 많은 사람들이 “보기는 하지만 보지 않는(looking but not seeing)” 이론과 인지장애(Cognitive Distraction)를 과소평가하고 있다며 전방에의 시선집중, 인지부하 난이도, 운전자의 스트레스와 같은 아이디어에 포커스해 ‘경고(alarming)’ 기능을 연구한다면 차량 안전도를 크게 높일 수 있다고 전망했다. 
레이머 박사는 “운전자를 위해 모든 인터페이스와 정보를 동원해야 할 것이지만 인지부하와 관련해 이를 어떻게 관리할 것인가, 어떻게 경고할 것인가가 중요할 것”이라며 “또한 개별 운전자에 따른 대응이 필요한데 예를 들어 고령자, 연령에 따른 차별화된 접근이 필요하다”고 했다.
그의 연구는 운전자의 시선을 통해 인지장애를 측정할 수 있음을 보여준다. 비교적 인지장애 난이도가 낮은 상황에서는 운전자가 도로 상황을 면밀히 주시할 수 있다. 그러나 난이도가 증대된다면 도로를 주시하기 힘들어진다. 연구는 상용화된 아이트래킹 시스템인 씨잉머신을 이용해 진행됐다.
레이머 박사는 이같은 시스템의 파생기술이 시장에서의 성공 가능성을 입증할 것이라 믿고 있다. “도로에서 시선이 떨어지는 등의 시각적 방해를 감지하는 초기 기술과 제품들은 완벽한 정보를 제공하지는 않지만, 운전부주의 문제를 풀기 위한 기초 기술이다. 이 기술은 개별 운전자의 캐릭터에 대응해야 할 것”이라고 말했다.
아이트래킹은 어떻게 운전자에게 피드백을 제공하고 다른 차량 시스템에 통합될 것인지가 중요하다. 그러기 위해 아이트래킹 기술은 그 자체로서의 명확한 안전 혜택과 정보를 제공할 수 있어야만 한다.   

AEM_Automotive Electronics Magazine