LiDAR(라이더)란?

LiDAR 센서는 레이저 광을 방출하여 주변을 스캔합니다. 레이저 광이 가장 가까운 표면에 닿으면 반사되어 다시 LiDAR 장치로 되돌아가고 이 장치는 들어오는 신호를 수신합니다. 사용된 기술에 따라 LiDAR는 빔이 되돌아오는 데 걸린 시간을 기록하거나 들어오는 신호의 위상 변위를 분석하여 가장 가까운 표면까지의 거리를 계산합니다.

센서는 두 가지 주요 구성 요소 즉, 송신기와 수신기로 구성됩니다. 송신기는 스캔 중인 표면 방향으로 최대 수십만 개의 레이저 광 펄스를 방출합니다. 펄스가 표면에 도달하면 펄스가 되돌아오거나 후방 산란되고 수신기가 신호를 수신합니다. 타이밍 전자 장치는 펄스가 센서에서 표적 표면까지 이동했다가 되돌아오는 데 걸리는 시간을 계산합니다. 더 정확하게 말하면 복귀 지연을 계산합니다.

이것이 길수록 센서로부터 표면이 멀리 떨어져 있는 것입니다. 이 기술을 비행 시간 레이저 스캐닝이라고 합니다. 이동식 또는 공중식 LiDAR 시스템에는 IMU(가속도계, 자이로스코프 및 기타 센서로 구성된 관성 측정 장치)와 레이저 펄스가 전송되는 각 시점에서 송수신기의 XYZ 좌표를 얻기 위한 GPS 추적기가 있습니다. 이 모든 데이터는 컴퓨터로 분석되며 출력은 포인트 클라우드 데이터 형식의 표면 3D 맵입니다.

비행 시간 외에도 위상 변위 기술이 있습니다. 위상 기반 스캐닝은 스캐너에서 방출되는 레이저 에너지의 일정한 빔을 사용합니다. 그런 다음 스캐너는 되돌아오는 레이저 에너지의 위상 변위를 측정하여 거리를 계산합니다.

핵심 용어

비행 시간: 펄스가 두 지점 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 이용하여 지점 사이의 거리 계산.

위상 변위: 동일한 주파수 또는 시간에서 방출되는 두 파형 사이에 존재하는 지연 계산.

비행 시간 스캐너와 위상 기반 스캐너 사이의 한 가지 주요 절충점(tradeoff)은 획득 속도와 동적 범위 사이에 있습니다. 비행 시간 장치는 일반적으로 초당 수백에서 수천 포인트의 속도로 데이터를 캡처합니다. 반대로 위상 기반 장치는 초당 수십만 개의 포인트를 캡처합니다. 위상 기반 장치는 더 빠르게 캡처할 수 있어 많은 응용 분야에 사용되는 도구입니다.

반면에 비행 시간 장치는 동적 거리가 훨씬 더 길며 1미터 가까이에서 최대 1킬로미터까지 유용한 데이터를 제공할 수 있습니다. 비행 시간 장치는 측정할 범위가 긴 경우 가장 많이 사용하는 장치입니다.

이미 이동식과 공중식 두 가지 유형의 LiDAR에 대해 알아봤습니다. 이 두 가지 유형에 고정식 유형을 추가하면 세 가지 유형이 있게 됩니다.

고정식 LiDAR 스캐너

먼저 기술의 핵심인 고정식 LiDAR 스캐너를 살펴보겠습니다. 다른 모든 유형의 LiDAR는 이 스캐너에서 비롯됩니다. 고정식 LiDAR 스캐너는 일반적으로 이동식 및 공중식 시스템에 비해 더 작은 영역을 커버합니다. 그러나 최고의 정밀도를 자랑합니다.

고정식 LiDAR 스캐너는 리버스 엔지니어링 및 품질 검사에 광범위하게 사용됩니다. LiDAR를 통해 땅, 공기, 물 또는 외부 공간을 가로지르는 모든 종류의 방, 건물 및 차량을 스캔할 수 있습니다.

수십 평방미터에 달하는 배관 시스템을 개조해야 하거나 건물의 수리를 계획 중이거나 비행기 동체를 리버스 엔지니어링하는 것을 고려하고 있다고 상상해 보십시오. 이 모든 경우에 관련 표면적의 정확한 치수가 필요하며 이때 고정식 LiDAR 스캐너가 유용할 것입니다. 이는 예를 들어 표면의 일부 또는 전체가 지면보다 너무 높은 곳에 있어 맞춤형 비계를 세우지 않는 한 휴대용 스캐너로 도달할 수 없는 경우에 특히 적절합니다.

고정식 LiDAR 3D 스캐너인 Artec Ray로 만든 배관의 3D 스캔.

이제 한 걸음 물러서서 위의 스크린숏에 표시된 결과를 얻는 방법을 살펴보겠습니다. 즉, LiDAR 스캐너로 어떻게 스캔합니까? 사실, 사용자가 할 일은 많지 않습니다. 스캐너를 삼각대에 장착하여 스캔할 물체 또는 장면 앞에 놓습니다. 한 번 클릭하면 Artec Ray는 스캔할 영역의 미리 보기를 생성하기 시작합니다. 이 미리 보기에서 사용자가 이 영역이 캡처해야 하는 영역이고 스캐너 위치를 변경할 필요가 없다고 판단하면 Ray는 물체 또는 장면의 모든 데이터를 완전히 캡처합니다.

처리 단계에서 정렬이 더 빨리 되게 하거나 3D 스캔 데이터의 정확도를 높이려는 경우 해당 영역에 표적을 배치할 수 있습니다. 스캐너는 거의 모든 환경에서 이러한 표적을 쉽게 감지할 수 있으며 스캐닝이 끝나고 모든 데이터가 수집되면 스캐너의 소프트웨어는 표적을 사용하여 모든 스캔을 가장 빠르고 효율적인 방식으로 정렬합니다.

물체와 그 주위에 배치된 표적의 예

예를 들어 Artec Ray와 같은 일부 LiDAR 유형 스캐너는 스캔을 정합하고 정렬하는 데 표적이 항상 필요하지는 않지만 매우 높은 정확도를 제공합니다. Ray는 오늘날 시중에 나와 있는 최고급 계측 등급 장치 중 하나입니다. 표적 표면에서 최대 110미터 떨어진 곳에서 작동하는 Ray는 자동차 본체에서 대형 항공기 또는 건물에 이르는 물체를 스캔할 수 있습니다. 후자와 같은 대규모 프로젝트의 경우, 엄청난 양의 노이즈가 발생하거나 스캔 정렬 오류를 처리해야 하거나 스캐너를 다른 날 같은 곳으로 가져가 처음에 제대로 캡처 안 된 영역을 다시 스캔해야 하는 상황을 원하지 않을 것입니다.

Artec Ray를 사용하면 그런 걱정을 할 필요가 없습니다. 이 스캐너는 물체로부터 최대 10~15미터 떨어진 곳에서 스캔할 때 1밀리미터 이하의 거리 정밀도와 넓은 표면 영역에서 매우 정확한 결과를 얻을 수 있는 동급 최고의 각도 정밀도를 자랑합니다. 그리고 스캔할 표적의 미리 보기를 표시하여 스캐너의 현재 위치가 주어진 표면 영역을 캡처하는 데 가장 적합한지 또는 장치의 위치 변경을 고려해야 하는지 확인할 수 있습니다.

Artec Ray의 일상적인 작업 흐름: 유지 보수실에서 3D 데이터 수집. 데이터는 스캐너에 연결된 노트북뿐만 아니라 무선으로 iPad 및 iPhone으로도 스트리밍할 수 있습니다.

Ray 스캔 데이터의 고정밀도를 통해 3D 모델을 기반으로 산업용 물체를 리버스 엔지니어링하고, 품질 관리를 위해 대형 기계 부품의 3D 모델을 CAD 모델과 비교하고, 유산 보존을 위해 동상을 3D로 디지털화하고, 전 세계 박물관을 위한 온라인 갤러리를 만들 수 있으며, 그 응용 분야의 범위는 정말 넓습니다.

공중식 LiDAR 스캐너로 매핑

LiDAR 센서를 공중에서 사용하면 응용 분야의 범위가 훨씬 더 넓어집니다. 이는 엔지니어들이 새로운 도로를 건설하거나, 산등성이에 배관 작업을 하거나, 새로운 골프 코스를 설계하기 전에 하는 일입니다. 비행기나 헬리콥터에 장착된 LiDAR 스캐너는 수백 평방 킬로미터에 걸쳐 3D 데이터를 수집할 수 있습니다. 공중 LiDAR 시스템은 물론 매우 넓은 지역을 커버하긴 하지만 1밀리미터 이하의 정확도는 제공할 수 없습니다. 이 경우 허용 오차는 몇 센티미터에 이를 수 있지만 대부분의 대규모 프로젝트에서는 이 정도면 충분합니다.

이동식 LiDAR 응용 분야

정확도와 스캔 영역의 크기 사이의 황금 비율은 이동식 LiDAR 센서에 구현되어 엔지니어를 위해서 뿐만 아닌 훨씬 더 흥미로운 전망을 열어줍니다. 자율주행차에 설치된 LiDAR 시스템은 충돌을 피하기 위해 주변을 지속적으로 스캔하여 가장 가까운 차량, 보행자 및 모든 종류의 장애물과의 거리를 실시간으로 계산합니다.

원격 감지를 사용하여 안전한 운전 보장

iPad Pro 및 iPhone Pro의 LiDAR 스캐너

LiDAR 센서의 소비자 수준 응용 분야에는 자율주행차에 국한되지 않습니다. Apple의 iPad Pro 및 iPhone Pro(버전 12부터) 사용자는 LiDAR 기술의 이점을 누리고 있습니다. 최대 5미터 떨어진 물체를 스캔하는 이 장치들은 KEA Place와 Hot Lava와 같은 앱과 통합되어 사용자의 방을 AR로 제공하고 주변 공간을 게임 챌린지로 변환합니다.

Apple의 LiDAR는 제조 산업에 필요한 정확도와 해상도에는 미치지 못하지만 AR 쇼핑과 게임은 대체로 이 솔루션의 가장 기대되는 응용 분야로 간주됩니다. iPad 및 iPhone에 LiDAR를 도입하면서 대상 응용 분야 개발에 박차를 가하여 3D 스캐닝 기술 사용자 수를 획기적으로 늘렸습니다. 예전에는 계측 엔지니어와 측량사의 영역이었던 것을 이제 Apple 장치의 일반 사용자가 수용하고 있습니다.