📚 지식 노트

네 가지 원리 한눈에 보기

내가 어디에 있는지를 위성 신호로 계산하는 GPS도 ②의 왕복 시간 대신 “한쪽으로 오는 시간”을 쓰는 거리 측정이다. 거리 여러 개로 위치를 찾는 것을 삼변 측량, 각도로 찾는 것을 삼각 측량이라 구분한다(위치 측정 노트).

① 각도: 삼각 측량

발광부와 수광부(또는 카메라 두 대) 사이의 간격(기준선)을 알고, 양쪽에서 물체를 바라본 각도를 알면 삼각형이 하나로 정해져 거리가 나온다. 실제 센서는 각도를 직접 재는 대신, 돌아온 빛이 센서 위 어디에 맺혔는지를 잰다.

• 적외선 거리 센서: 취미 전자 공작에서 흔한 작은 센서. 수 cm~1m 남짓을 잰다.
• 레이저 변위 센서: 공장에서 부품 높이·두께를 μm 단위로 잰다. 측정 거리를 짧게 잡아 정밀도를 끌어올린다.
• 보급형 로봇 청소기 LiDAR: 레이저와 작은 카메라를 함께 돌리며 방 안의 거리를 잰다.
• 스테레오 깊이 카메라: 카메라 두 대 사이 간격이 기준선이다. 같은 점이 두 화면에서 어긋난 정도(시차)로 깊이를 구한다. 무늬가 없는 흰 벽처럼 짝을 찾을 단서가 없으면 깊이를 못 잰다.
• 구조광 카메라: 점·줄무늬 패턴을 쏘고 옆 카메라가 패턴이 휘어 보이는 정도로 모양을 잰다. 스스로 무늬를 만들어서 흰 벽도 잰다. 햇빛이 강하면 패턴이 묻혀 실내 위주다.
• 게임기 리모컨 + 센서 바, VR 기지국 레이저 추적: 리모컨 카메라가 두 광원을 보거나, 헤드셋 광센서가 기지국 레이저가 닿는 시각으로 각도를 알아내 위치를 계산한다.

② 왕복 시간: 비행 시간(ToF)

신호를 쏘고 물체에 맞아 돌아오기까지의 시간을 재면 거리 = 시간 × 속도 ÷ 2다. 빛은 너무 빨라서 시간을 직접 재기 어려운 경우, 빛의 세기를 빠르게 흔들어 보내고 돌아온 빛이 얼마나 늦게 흔들리는지(위상)로 시간을 구하기도 한다.

• LiDAR: 레이저 펄스의 왕복 시간으로 수십~수백 m까지 잰다. 자율주행·드론·고급 로봇 청소기에 쓰인다.
• ToF 깊이 카메라: 화면의 모든 픽셀이 동시에 거리를 재는 카메라. 스마트폰의 깊이 센서, 동작 인식, 자동 초점 보조에 쓰인다.
• 초음파 거리 센서: 소리는 빛보다 훨씬 느려 값싼 회로로도 시간을 잴 수 있다. 자동차 주차 센서가 이 방식이다.
• 소나(SONAR, 능동): 물속에서 소리를 쏘고 메아리가 돌아오는 시간으로 거리를 잰다. 전파와 빛은 물속에서 금방 약해지지만 소리는 멀리 가서 물속에서는 소리를 쓴다. 어군 탐지기·해저 지형 측량·잠수함이 쓰고, 박쥐·돌고래의 반향 정위도 같은 원리다.
• UWB 거리 측정: 아주 짧은 전파 펄스를 주고받아 수십 cm 정확도로 거리를 잰다.

③ 도착 시간 차 (TDoA)

소리가 마이크 여러 개에 닿는 시간은 조금씩 다르다. 그 차이를 보면 소리가 어느 쪽에서 왔는지 알 수 있다. 보내는 쪽이 언제 소리를 냈는지 몰라도 되는 것이 장점이다. 스마트 스피커가 말하는 사람 쪽 소리만 골라 듣는 것(빔포밍)도 이 원리다. 울림이 심한 방에서는 반사된 소리 때문에 방향이 흔들린다.

수동 소나도 이쪽이다. 스스로 소리를 내지 않고, 여러 개의 수중 마이크(하이드로폰)를 늘어놓아 상대가 내는 소리가 마이크마다 닿는 시간 차로 방향을 찾는다. 들키지 않는 대신 거리는 바로 알 수 없어, 시간을 두고 방향이 바뀌는 모습으로 짐작한다.

④ 위상 차 (AoA · AoD)

전파가 비스듬히 오면 나란히 놓인 안테나마다 같은 파동의 다른 지점(위상)이 닿는다. 그 차이로 신호가 온 방향을 계산한다. 블루투스 5.1부터 있는 방향 찾기 기능이 이 방식이고, 매장·창고의 실내 위치 추적에 쓰인다.

레이더: 네 원리를 전파로 모두 쓰는 장비

레이더(RADAR)는 전파를 쏘고 반사파가 돌아오는 시간으로 거리를 재는 ② 왕복 시간 장비다. 여기에 반사파의 주파수가 살짝 바뀌는 도플러 효과로 다가오는지 멀어지는지와 그 속도까지 잰다(펄스 도플러 레이더). 땅·바다·비구름에서 오는 반사 속에서 움직이는 것만 골라내는 데 이 속도 정보가 핵심이다. 군용 레이더는 같은 원리를 극단적으로 쓰거나 섞어 쓰는 특이한 형태가 많고, 그중 상당수가 민간으로 내려왔다.

스포츠 중계의 구속 측정기와 과속 단속 카메라도 도플러 레이더다. 날씨 예보의 비구름 영상은 도플러 기상 레이더가 빗방울의 반사와 움직임을 잰 결과다.

원리를 섞어 쓰는 경우

• UWB 정밀 찾기(분실물 태그, 스마트폰 찾기): ② 왕복 시간으로 거리를, ④ 위상 차로 방향을 함께 재서 “앞으로 3m, 왼쪽”처럼 안내한다.
• 위상차 자동 초점: 렌즈의 왼쪽 가장자리로 들어온 빛과 오른쪽 가장자리로 들어온 빛을 센서의 서로 다른 픽셀이 따로 받아 상 두 개를 만든다. 초점이 맞으면 두 상이 겹치고, 안 맞으면 좌우로 어긋난다. 어긋난 방향과 양을 보면 렌즈를 어느 쪽으로 얼마나 움직일지 한 번에 안다. 조금 떨어진 두 자리에서 본 상이 얼마나 어긋났는지(시차)를 쓴다는 점이, 카메라 두 대로 거리를 재는 ① 스테레오 카메라와 같다(카메라 노트).
• 스마트폰 얼굴 인식: ① 구조광으로 얼굴의 입체 모양을 재고, 적외선 카메라로 어두운 곳에서도 얼굴을 찍는다.
• 소나: 능동 소나는 ② 왕복 시간으로 거리를, 송수신기 배열을 쓰면 ③·④처럼 방향까지 함께 잰다. 수동 소나는 ③ 시간 차로 방향만 잰다.
• 자율주행: ② LiDAR, ① 스테레오 카메라, 레이더(전파 왕복 시간·도플러)를 함께 써서 서로의 약점을 메운다.

흔한 오해

• “LiDAR는 다 같은 방식이다” — 보급형은 ① 삼각 측량, 고급형은 ② 비행 시간이 많다. 측정 거리와 정확도가 크게 다르다.
• “카메라 두 대면 먼 거리도 정확하다” — 기준선이 짧으면 먼 곳의 시차가 거의 없어 오차가 커진다. 멀리 재려면 두 카메라를 멀리 둬야 한다.
• “빛으로 재는 센서는 어디든 잴 수 있다” — 빛을 쏘아 되돌아오는 것을 보는 방식(① 레이저 삼각 측량, ② ToF·LiDAR)은 돌아오는 빛이 있어야 한다. 검고 빛을 먹는 면은 신호가 약하고, 유리·물은 빛이 통과하며, 거울·광택 면은 빛이 엉뚱한 쪽으로 튕겨 값이 비거나 튄다. 강한 햇빛도 센서를 덮어 거리를 줄인다. 로봇 청소기가 검은 러그나 거울 앞에서 헤매는 이유이고, 그래서 초음파·충돌 센서를 함께 단다.
• “휴대폰 측정 앱이면 줄자 대신 된다” — 휴대폰 LiDAR·카메라로 재는 길이는 대개 cm 단위로 틀리고, 거리가 멀거나 모서리가 흐릿하면 더 틀린다. 가구 배치를 가늠하는 데는 쓸 만하지만, 맞춰 잘라야 하는 치수는 줄자나 레이저 거리 측정기로 잰다.
• “삼각 측량과 삼변 측량은 같은 말이다” — 삼각은 각도로, 삼변은 거리로 위치를 구한다. GPS는 삼변 측량이다.