AR-HUD技术介绍

01 什 么 是 H U D 技 术 HUD（head up display抬头显示器）是将重要信息显示在挡⻛玻璃上的⼀种显示系统，基本原理是：投影仪发出的光信息，经过⼀系列的折射、反射等投影到挡⻛玻璃上，⼈眼就能看到投射在上⾯的信息，感觉信息就像悬浮在前⽅⼀样。 02 怎 样 实 现 H U D HUD 的 原 理 简 单⽽⾔， 我 们 可 以 把 它 理 解 为⼀个 幻 灯⽚投 影 的 过 程 。 由⼀个 模 组 提 供 光 源（可以理解为⼀个投影仪），光源发出图像，通过反射镜反射到投影镜上，再由投影镜反射到挡⻛玻璃上，从⽽在挡⻛玻璃的前⽅产⽣⼀个虚像，在驾驶员的位置上，⼈眼能够观察到这个虚像。 03 什 么 是 A R - H U D AR，全称Augmented Reality，⼜称为“增强现实”，也就是我们平时所说的“所⻅即所得”。 AR-HUD(Augmented Reality Head Up Display)，即增强现实与抬头显示的结合，是⼀种将渲染元素投影在真实世界的技术，也是⽬前⽤户理解成本最低的展示⽅式。 它利⽤了AR的成像技术，在我们看到的真实世界中覆盖上数字图像，使得HUD投射出来的信息与真实的驾驶环境融为⼀体。 A R - H U D 的 优 点 AR-HUD通过其特殊的光学成像原理，结合某些光源，能够很⼤程度地提⾼成像亮度，使得驾驶员在⾼亮的环境光下，同样能够看清图像； AR-HUD的成像距离能够达到5-7.5⽶，使得虚像能够与20⽶以外的物体或路⾯实景发⽣叠加，形成增强现实的效果，让驾驶员可以观察现实环境的同时获取到提示信息，不再有视觉盲区的存在； AR-HUD的成像尺⼨可以达到30⼨以上，显示的信息更加丰富、多彩； AR-HUD本体埋于IP⾯之下，成像也不需要借助外置的玻璃，通过挡⻛玻璃就能够形成⼀个虚像，因⽽不存在安全隐患； 由于成像利⽤的是挡⻛玻璃，所以可通过使⽤楔形玻璃来解决重影的问题； 05 A R - H U D 的 缺 陷 ⾸先是成本，AR-HUD作为⼀种新型的HUD，其技术⽅案更加复杂，研发、⽣产成本⾃然也会⽐传统的HUD更⾼； 其 次 是 尺⼨， 传 统 HUD 的 光 机 尺⼨⼀般 在 7 升 左 右 ，⽽AR-HUD 的 光 机 尺⼨会 达 到 11 升 以上； 然后是热量，由于AR-HUD的亮度更⾼，随之⽽来的代价则是温度的升⾼。 06 A R - H U D 的 技 术 难 点 我们就从光源、光学效果、标定、算法等⼏⽅⾯来展开介绍⼀下AR-HUD的技术难点。 1）光源 ⽬前 ，⾏业 内⽤于 AR-HUD 的 三 条 基 本 技 术 路 线 ， 分 别 是 基 于 TFT 、 DLP 或 者 LCOS 激 光 技术，还有⼀种是全息投影技术，后两种技术被认为是未来的趋势。 前⾯我们也提到了，AR-HUD的⼀⼤优缺点就是亮度与温度，⽽光源的选择会直接影响到这两⽅⾯的效果，所以我们先⼀起来看⼀下适⽤于HUD的⼏类光源。 1、TFT Thin Film Transistor，即薄膜晶体管。TFT光源是各类笔记本电脑和台式机上的主流显示设备，也是传统HUD的主流配置。在HUD中使⽤的⼀般都是⼩型TFT，尺⼨在1.8⼨以下。TFT⾃身 不 发 光 ， 需 要 背 光 源 进⾏照 明 ， 亮 度⼀般 在 8000 cd/m2 以 内 ， 颜⾊饱 和 度 达 80% 的NTSC⾊域，在亮度达到8000 cd/m2的情况下，其功耗超过10W。然⽽，TFT有⼀个致命的缺点，它的光源利⽤率⾮常低，在4%~8%之间，对反射⻆度和距离都有⽐较⾼的要求，所以在⾼亮的⽇照情况下，TFT光源显得有些⼒不从⼼，图像会⽆法看清。 2、DLP Digital Light Processing，⽬前有两种成像⽅式：⼀种是 TI（美国德州仪器）技术，采⽤mems 芯⽚，通过由数百万微型震镜组成的震镜阵列以不同⻆度开合反射成像，成本相对较低；另⼀种是美国公司 microvisin 激光 DLP 投影技术，通过⼀枚震镜⾼速振动打光成像，光源利⽤率更⾼，但成本昂贵。DLP的亮度能够达到15000 cd/m2，颜⾊饱和度达到125%的NTSC⾊域，⽽且，在亮度达到15000 cd/m2的情况下，功耗能够控制在10W以下。所以⽆论从亮度、⾊彩饱和度还是功耗来看，DLP都⽐TFT有着⽐较⼤的优势。 3、激光投影技术 该技术的⼯作原理与旧式CRT显示类似，激光⼊射⾄MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem ， 微 机 电 结 构 ） 上 ， 由 MEMS 扫 描 式 的 激 光 在 屏 幕 上 的 单 点 显 示 从 左 到 右 ， 从 上 到下，“之”形线路扫描形成显示。该技术⽬前主要运⽤于室外⼤型投影和演出上，由于并不是全平⾯投影，激光投影技术具有⾊域⼴、亮度⾼、聚焦效果好的特点。不同于TFT与DLP，由于激光投影是数字聚焦投影，并不需要HUD配备复杂的光学系统。但激光投影的成本较⾼，同时也存在安全隐患，⽽且，激光⼆极管对温度较为敏感，⽆法达到⻋规要求的85℃的⼯作要 求 。 虽 然 ，⽬前 已 有⼀些⼚商 研 制 出 了⼀套 TEC （ ThermoelectricCooler ， 半 导 体 致 冷器）来⽤于激光器的控温，但其带来的体积增⼤、可靠性等问题还有待进⼀步解决。 2）光学效果 通常，我们会从以下⼏个⽅⾯对AR-HUD的光学效果作出评价。 1、 成像距离与成像⼤⼩ 就我们的直观感受⽽⾔，成像能够覆盖的距离越远，成像尺⼨越⼤，AR-HUD的效果就会越好。然⽽有得必有失，要达到那样的效果，在成像过程中使⽤到的“投影镜”的尺⼨就会相应增⼤，随之⽽来的光机尺⼨也会随之变⼤。⽽对于⼀款需要布置在IP⾯以下的前装设备⽽⾔，空间直接决定了其量产的可⾏性。所以，如何优化光学设计来缩⼩体积，就成了AR-HUD产品的⼀个⾄关重要的因素。 2、 亮度 对⼀款视觉设备⽽⾔，适应不同环境光的能⼒是其基本要求。利⽤上⾯提到的⼏种光源，虽然能够获得⾼亮度的图像，但是在阴天、隧道、夜晚等情况下该怎么办？如果始终保持⾼亮度显示，不但会引起温度过⾼的问题，还会导致刺眼等情况的发⽣，从⽽给驾驶带来安全隐患。为此，⼀款合格的AR-HUD产品，结合光感实现亮度⾃动调节的功能也是必不可少的。 Field of View，⼜名“视场⻆”，在光学仪器中，FOV就是以光学仪器的镜头为顶点，以被测⽬标的物像可通过镜头的最⼤范围的两条边缘构成的夹⻆。 设想⼀下，⼀个⼈在屋⼦内透过⼏扇窗户观察屋外，看到屋外场景的⼤⼩是不⼀样的，这是为什么？不是因为屋外的场景变化，⽽是因为窗户的⼤⼩不同，导致了他看到的场景尺⼨的变化。⽽FOV就决定了我们在观察AR-HUD图像时的“窗户”⼤⼩。传统HUD的FOV⼀般在5度以内，⽽AR-HUD对FOV的要求⾄少需要达到10度以上，在保证成像距离、⼤⼩的同时，要扩⼤FOV，这对功耗控制与光学设计带来了更⾼的技术要求。 4、 重影 挡⻛玻璃由于其本身厚度原因，相当于存在2个反射⾯，光线在经过它两个⾯的反射后会形成2个虚像，也就是我们平时所说的重影。重影的存在，会极⼤地影响AR-HUD的成像质量，那么如何才能消除重影呢？ ⽅法之⼀就是使⽤楔形玻璃。普通的挡⻛玻璃是由两层玻璃之间夹着⼀层PVB膜组成的。整块PVB膜的厚度原本是⼀致的，⽽楔形玻璃就是根据挡⻛玻璃的弧度变化重新设计了PVB膜的厚度，使得光线在经过两个反射⾯的反射后能够汇聚成⼀条光路，这样⼀来重影也就消失了。 5、 眼盒 所谓“眼盒”，可以理解为⼀块眼睛可移动的区域，如果眼睛位于这块区域内则能够看清整个图像，反之出了这块区域，则⽆法看全整个图像。由此便带来⼀个问题，每个⼈的身⾼不同，在开⻋过程中头部位置也会发⽣变化，那如何才能够保证所有⼈在整个开⻋过程中都能够看清整个投影屏幕呢？ 这就需要AR-HUD系统有⼀个眼部追踪 + 图像位置实时⾃动调节的功能了，⽽这也正是AR-HUD的设计难点之⼀。 6、 光斑 众所周知，在通常情况下光线的传播是双向的，换⾔之HUD能够把内部光源发出的光传播出去，那外界的阳光也⾃然能够轻易的进⼊HUD内部，这么⼀来，⼀部分外部光线经过HUD内部反射器件的反射之后，就可能进⼊驾驶员的眼睛，从⽽产⽣所谓的“光斑”。光斑可能导致驾驶员⽆法看清前⽅的局部路况的情况，哪怕只是短时间的，也会给驾驶带来安全隐患。所以，如何消除光斑也是AR-HUD不得不解决的⼀个问题。 除此之外，因为挡⻛玻璃并不是⼀块平⾯玻璃，⽽是⼀块曲⾯镜，它不同位置的曲⾯变形程度都是不⼀样的，这么⼀来，⼀个正常的图像经过这块曲⾯玻璃的反射，最终形成的虚像也会发⽣不规则的变形，我们称之为“畸变”，这有点类似于我们⼩时候看到的哈哈镜。那如何才能把这种变形给矫正回来？⼿段有很多，⽐如通过特殊的镜⽚制作⼯艺打磨投影镜，但这种⽅法虽然能改善畸变的程度，但效果有限，⽽且对镜⽚的制作⼯艺要求很⾼。除此之外还有⼀种⽅式，就是对挡⻛玻璃的畸变做标定，通过软件的⼿段来解决这个问题，这种⽅式相对成本较 低，对⽣产⼯艺也没有太⼤的要求，但对算法的要求则会⽐较⾼，算法的好坏会直接影响到畸变矫正的效果。 3）算法 在上⾯的介绍中，我们也提到了算法，其实在整个AR-HUD产品中，算法是其关键的组成部分之⼀，算法的好坏不单单会影响到畸变矫正的程度，还直接决定了最终AR效果。 我们举个例⼦来说，⼏乎所有的HUD产品都搭载了⾏⻋导航的提示功能，那AR-HUD与传统HUD的导航功能有什么区别呢？ 传统HUD⼀般提示的是离下⼀个转弯路⼝的距离、转弯类型、以及路名等等，对⼀个对路线完全不熟悉的⼈来说，还是很容易⾛错，尤其是在⾼架或⾼速上⾏驶的时候，⼀旦错过⼀个出⼝，那就可能意味着要多开⼏公⾥甚⾄是⼏个⼩时的冤枉路。⽽AR-HUD除了会提供这些信息之外，还会在驾驶员看到的路⾯上绘制图像，告诉驾驶员当前⻋辆应该⾏驶的路线、⽅向等等，当接近每⼀个路⼝时也能够明确地告诉驾驶员应该如何⾏驶，这⼀改变不单单是视觉效果上的改善，还很好的解决了前⾯所说的驾驶问题。 ⽽这个功能正是结合了导航信号、实时定位信号、实时路况信号、实时⻋速、⽅向等多⽅⾯的信息，经过⼀定的算法加以融合才达到的效果。在这个过程中，需要考虑到AR的显示策略、实时性、信号丢失、误差等等多⽅⾯的问题，⽽算法的价值就体现在对这些综合问题的解决程度上。 随着智能驾驶技术的不断⾰新，越来越多的外部传感器的加⼊，AR-HUD的功能与效果会得到 进⼀步 的 提 升 。 我 们 相 信 ， 在 不 远 的 将 来 ， 就 能 看 到⼀款 真 正 的 量 产 AR-HUD 产 品 的 问世，⽽随着整个汽⻋市场智能化、⽹联化的不断深⼊，这款产品会焕发出越来越璀璨的光芒。 来源：CSDN@进击的横打 原⽂链接： https://blog.csdn.net/Last_Impression/article/details/139544650