AR-HUD增強(qiáng)抬頭顯示技術(shù)詳解

為了實(shí)現(xiàn)人車新對(duì)話形式，國際汽車零部件供應(yīng)商大陸集團(tuán)開發(fā)出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示器（AR- HUD）。該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示器通過內(nèi)部特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)將圖像信息精確地結(jié)合于實(shí)際交通路況中,從而擴(kuò)展了或者說增強(qiáng)了駕駛者對(duì)于實(shí)際駕駛環(huán)境的感 知。 因此, AR-HUD技術(shù)極有可能成為汽車人機(jī)界面 (HMI) 最具創(chuàng)新性的發(fā)展方向。

AR-HUD 現(xiàn)已達(dá)到試生產(chǎn)開發(fā)的后期階段。 演示車輛一方面用于證明其可行性，另一方面為批量開發(fā)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。 大陸集團(tuán)預(yù)計(jì)在2017年達(dá)到批量生產(chǎn)水平。

AR-HUD： 所見即所知

“AR-HUD光學(xué)系統(tǒng)能夠在駕駛員的視野區(qū)域合理的疊加顯示駕駛員輔助系統(tǒng)的狀態(tài)以及這些信 息的含義，”大陸集團(tuán)車身電子事業(yè)部 HUD 技術(shù)專家 Pablo Richter 博士說道。 “為此，作為人機(jī)界面新成員的 AR-HUD 在試生產(chǎn)階段就已與駕駛員輔助系統(tǒng)的環(huán)境傳感器以及GPS數(shù)據(jù)、地圖資料和駕駛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)建立密切的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。”

在演示車輛上大陸集團(tuán)首次示范使用這項(xiàng)新技術(shù)的后期研發(fā)成果。 所選車輛在前保險(xiǎn)杠和后視鏡上分別安裝有雷達(dá)傳感器和一個(gè) CMOS 單攝像頭。 為 AR-HUD 應(yīng)用所選擇的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）包括車道偏離警示系統(tǒng)（LDW）、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）和導(dǎo)航系統(tǒng)路線指示。

“如果駕駛員輔助系統(tǒng)識(shí)別到重要情況，AR-HUD會(huì)將報(bào)警信息以虛擬圖像的方式呈遞給駕駛 者。” Richter 解釋說。 “除了直接帶來安全好處外，這種對(duì)話形式還是未來自動(dòng)化駕駛的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 “這種增強(qiáng)的信息顯示效果將更容易讓駕駛者建立起對(duì)于自動(dòng)駕駛這種新駕駛功能的信任。”

兩個(gè)不同投影距離的投影面 - 基于兩個(gè)不同的成像單元

大陸集團(tuán)的 AR-HUD 可以實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)不同投影距離產(chǎn)生的投影面，其也被稱為近投影或狀態(tài)投影面，和遠(yuǎn)投影或增強(qiáng)投影面。近景投影出現(xiàn)在駕駛員前方的發(fā)動(dòng)機(jī)罩末端，能夠顯示駕駛 員所選的狀態(tài)信息，如即時(shí)速度、有效距離限制如禁止超車和限速、或 ACC 當(dāng)前設(shè)置。 如要查看這些信息，駕駛員只需稍稍將視線下調(diào)約 6°。 狀態(tài)投影信息的視域尺寸為 5°x 1°（相當(dāng)于 210 mm x 42 mm），投影距離 2.4 m。 其相當(dāng)于“傳統(tǒng)”抬頭顯示器的虛擬圖像，該傳統(tǒng)方式的抬頭顯示器是基于一個(gè)反射鏡光學(xué)系統(tǒng)和成像單元（PGU）。 后者由一個(gè) TFT（薄膜晶體管）顯示器組成，使用 LED 強(qiáng)背光顯示內(nèi)容。 此成像單元極其緊湊地集成在 AR- HUD 模塊的上部。 這個(gè)反射鏡光學(xué)系統(tǒng)將虛擬顯示的內(nèi)容放大。 這些功能借助曲面反射鏡得以實(shí)現(xiàn)。 為了實(shí)現(xiàn)不同投影距離的兩個(gè)投影面，大陸集團(tuán)在 AR-HUD 中采用了精巧的光學(xué)設(shè)計(jì)。 兩個(gè)投影面的光路在內(nèi)部微微重疊。 近投影面的光路只使用AR- HUD 鏡（非球面）的上緣區(qū)域，不需要另外一個(gè)“反射鏡”。 AR-HUD 系統(tǒng)的這一部分代表了大陸集團(tuán)第二代 HUD 在量產(chǎn)車輛上的現(xiàn)有技術(shù)。

以電影技術(shù)增強(qiáng)汽車

“AR-HUD 中的主角當(dāng)然是增強(qiáng)投影面。 它的投影距離在駕駛員前方 7.5 m，可將增強(qiáng)的顯示符號(hào)直接投射在道路上，與當(dāng)前交通狀況相融合”，Richter 說。 遠(yuǎn)投影面的內(nèi)容是由大陸集團(tuán)首次在 IAA 2013 展出的新成像單元生成。 與在電影數(shù)字投影機(jī)中一樣，由數(shù)字微鏡元件（DMD）生成圖像元素。 PGU 的核心是一種擁有數(shù)十萬微小反射鏡矩陣的光學(xué)半導(dǎo)體，其可借助靜電場(chǎng)單獨(dú)傾斜。 微反射鏡矩陣按時(shí)間順序被三色 LED（紅色、藍(lán)色和綠色）快速交替照亮。 用帶濾色功能的偏轉(zhuǎn)反射鏡（即雙色濾鏡）確保三色光準(zhǔn)直（平行方向）。 這些特殊鏡子根據(jù)顏色讓光線通過或反射。 為了與點(diǎn)亮的顏色同步，該顏色的所有微反射鏡傾斜，使射入的光線通過透鏡反射出去，在后面的成像屏幕上形成該顏色的單個(gè)像點(diǎn)。 所有三種顏色的同步方法是相同的。 人眼“綜合”成像屏幕上的所有三種顏色，得到全色圖像。

從成像屏幕正面看，接下來的光學(xué)路徑類似于傳統(tǒng)的抬頭顯示器的光學(xué)路徑： 成像幕上的圖像通過第一個(gè)鏡子（反射鏡）反射到第二個(gè)更大的鏡子（AR HUD 鏡）上。 從那里射向風(fēng)玻璃。 增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的出射面幾乎達(dá)到 DIN A4 尺寸。 由此形成視域尺寸為 10°X 4.8°的增強(qiáng)投影面，相當(dāng)于直接視野內(nèi)有幾何寬度 130 厘米和高度 63 厘米的可增強(qiáng)視域。 如要讀取這個(gè)遠(yuǎn)投影面中的信息，駕駛員的視野可稍稍下調(diào) 2.4°。 兩個(gè)投影面（狀態(tài)和增強(qiáng)投影面）的成像單元能夠配合環(huán)境亮度調(diào)整顯示亮度，光密度可達(dá)到 10000 坎德拉/平方米以上。 因此，幾乎在任何強(qiáng)烈的環(huán)境光條件下都能清晰顯示。

在試驗(yàn)車中,系統(tǒng)使用大陸集團(tuán)兩個(gè)不同投影距離的投影面的 AR-HUD 后，優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的： 在大多數(shù)交通情況下，用 7.5 m 遠(yuǎn)投影面直接在行駛道路上增強(qiáng)內(nèi)容，而 2.4 m 近投影面則用于顯示狀態(tài)信息。

AR-Creator 融合數(shù)據(jù)和生成圖像

大量模擬實(shí)驗(yàn)和大陸集團(tuán)真人實(shí)驗(yàn)表明，增強(qiáng)圖像顯示出現(xiàn)在車輛前方約 18 到 20 m且根據(jù)路線持續(xù)大約 100 m時(shí)，駕駛員會(huì)感到比較舒適。 負(fù)責(zé)研發(fā) AR-Creator 的 Peter Giegerich 闡述了圖像提示的生成原理以及正確放置這些圖像提示的方法： “AR-Creator 是一種極具挑戰(zhàn)的最新發(fā)展方向。 此控制器須對(duì)大量數(shù)據(jù)流進(jìn)行評(píng)估，以使圖像元素在成像幕上精確定位，從而準(zhǔn)確投影到駕駛員的 AR- HUD 視域中。 其中一些需要進(jìn)行相當(dāng)多的運(yùn)算。”

AR-Creator 將對(duì)三個(gè)來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合： 單攝像頭可用于繪制道路幾何形狀。 其中包括回旋曲線、車輛前方車道曲率的數(shù)學(xué)描述。 車輛前方物體的大小、位置和距離來自雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)與對(duì)照的相機(jī)數(shù)據(jù)組合。 最后，大陸集團(tuán)的電子地平線（eHorizon） 提供地圖框架，將現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)編譯其中。 在演示車輛上 eHorizon 仍是靜態(tài)的，僅僅使用導(dǎo)航數(shù)據(jù)資料。 大陸集團(tuán)業(yè)的高動(dòng)態(tài)聯(lián)網(wǎng)eHorizon產(chǎn)品已到達(dá)批量生產(chǎn)水平，它可以處理各種來源（車對(duì)車、交通控制中心等）的數(shù)據(jù)并在AR-HUD 上顯示。 通過整合行駛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)和 GPS 數(shù)據(jù)在數(shù)字地圖上定位車輛位置。

AR-Creator利用 融合的數(shù)據(jù)計(jì)算出從駕駛員位置看到的車前方道路的幾何圖形。 這樣可行是因?yàn)轳{駛員眼睛的位置是知道的： 在演示車輛上司機(jī)在駕駛前需正確設(shè)置一下眼睛識(shí)別框的位置。 這個(gè)操作可以通過內(nèi)部攝像頭自動(dòng)進(jìn)行。 它能夠識(shí)別駕駛者眼睛的位置并指導(dǎo)眼睛識(shí)別框定位。 眼睛識(shí)別框是一個(gè)矩形區(qū)域，其寬度和高度與理論“視窗”相當(dāng)。 就只要駕駛員從這個(gè)窗口看向道路，他就能看到完整的AR-HUD 圖像。 乘客看不到 HUD 和 AR-HUD 顯示的內(nèi)容。

“AR-Creator 從眼睛識(shí)別框的可調(diào)節(jié)位置知道，駕駛員眼睛在哪里，以及正在以哪個(gè)角度查看交通狀況和周圍環(huán)境。”Giegerich 解釋道。 駕駛員輔助系統(tǒng)如果探測(cè)到什么情況，相應(yīng)的虛擬圖像提示就會(huì)生成并投射到AR-HUD屏幕的正確位置上。

少即是多

據(jù)人機(jī)界面（HMI）開發(fā)人員 Stephan Cieler 稱，大部分開發(fā)工作都是圍繞虛擬提示的設(shè)計(jì)進(jìn)行的。 “經(jīng)過無數(shù)次的設(shè)計(jì)研究和真人實(shí)驗(yàn)，我們?cè)?AR-HUD 上也貫徹了： 少即是多的座右銘。”因此最初的想法，在車道上鋪一條透明的彩色地毯，很快就被丟棄。 “我們希望只給駕駛員提供必要的最少的圖像提示，不遮住真實(shí)的駕駛視野。”

例如作為導(dǎo)航輔助的折角箭頭，可以選擇將它們“平放”在車道上，以及換向時(shí)直立旋轉(zhuǎn)到新的行駛方向，就像一個(gè)指示牌。 這樣的設(shè)計(jì)在急轉(zhuǎn)彎處也能提供虛擬提示，但在這種情況下由于缺少遠(yuǎn)景視距不能實(shí)際增強(qiáng)。

越過車道邊界的警告也會(huì)謹(jǐn)慎地提示。 只有當(dāng)駕駛員無意中越過所有預(yù)示標(biāo)志后，演示車輛的 AR-HUD 才會(huì)強(qiáng)調(diào)車道邊界。

如果 eHorizon 預(yù)先收到事故信息，一個(gè)設(shè)置了高關(guān)注值的危險(xiǎn)標(biāo)志就會(huì)適時(shí)出現(xiàn)在駕駛員視野內(nèi)。 “只要安裝了這種與駕駛者的新型交互形式，HMI 就能提供多種途徑使駕駛者了解和預(yù)見行車情況。 就像司機(jī)與汽車展開了一場(chǎng)無聲的對(duì)話”，Richter 說。