詳解增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示系統(tǒng)

德國(guó)汽車零部件供應(yīng)商大陸集團(tuán)(Continental)在開(kāi)發(fā)一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示系統(tǒng)(AR-HUD)，旨在方便地在車輛和駕駛員間提供一種新的對(duì)話形式。下面就讓我們來(lái)看看它是如何工作的。

該顯示系統(tǒng)對(duì)駕駛員看到的現(xiàn)實(shí)交通情況予以展延(增強(qiáng))：光學(xué)投影裝置精確地將包含了交通狀況信息的圖形圖像投放成外部顯示。這樣，AR-HUD就可以顯著增強(qiáng)車輛的人機(jī)界面(HMI)了。

AR-HUD目前已達(dá)預(yù)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的后期階段。演示車一方面用來(lái)展現(xiàn)其可行性，另一方面，又對(duì)后續(xù)開(kāi)發(fā)提供了寶貴借鑒。大陸集團(tuán)計(jì)劃在2017年完成生產(chǎn)準(zhǔn)備。


圖1：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平視顯示系統(tǒng)概述。

AR-HUD：所見(jiàn)即所知

AR-HUD的光學(xué)系統(tǒng)使司機(jī)能看到駕駛員輔助系統(tǒng)狀況的增強(qiáng)顯示、以及在其直接視域場(chǎng)這些信息的權(quán)重。作為人機(jī)界面的新部件，眼下的這款預(yù)生產(chǎn)的AR-HUD已經(jīng)與駕駛員輔助系統(tǒng)環(huán)境傳感器、以及GPS數(shù)據(jù)、地圖素材和車輛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等緊密整合。

雷達(dá)傳感器集成在前保險(xiǎn)杠，一個(gè)CMOS單通道攝像頭(mono-camera)集成在后視鏡底座。所選的相關(guān)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)支持自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）、來(lái)自導(dǎo)航系統(tǒng)的道路信息、以及車道偏離警告(LDW)等最初的這些AR-HUD應(yīng)用。

如果其中一個(gè)駕駛員輔助系統(tǒng)檢測(cè)到一種相關(guān)情況，AR-HUD顯示的虛擬圖形信息，能使駕駛員意識(shí)到這一情況。除了直接強(qiáng)化了駕駛安全，這種形式的交互也是自動(dòng)駕駛的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該增強(qiáng)技術(shù)使得駕駛員更容易建立起對(duì)新的駕駛功能的信任。

在大陸的AR-HUD中，可產(chǎn)生基于不同投影距離的兩個(gè)投影面，分別稱為“近端”(或“狀態(tài)”)面和“遠(yuǎn)端”(或“增強(qiáng)”)面。“近端”狀態(tài)面投射顯示在司機(jī)前方發(fā)動(dòng)機(jī)罩的前部位置，它向司機(jī)有選擇地顯示狀態(tài)信息，例如：當(dāng)前車速、需遵守的諸如禁止超車區(qū)等距離限制和限速、或自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)的當(dāng)前設(shè)置等信息。司機(jī)只需降低約6°視角，就可看到這些信息。狀態(tài)信息的視場(chǎng)大小為5°×1°(相當(dāng)于210mm×42mm)，投影距離為2.4m。


圖2：投影光路原理圖。

其相當(dāng)于“傳統(tǒng)”平視顯示器的虛擬圖像，基于反射鏡光學(xué)和圖像生成單元(PGU)。PGU由薄膜晶體管(TFT)顯示器構(gòu)成，其內(nèi)容使用LED背光。PGU采用緊湊設(shè)計(jì)被集成進(jìn)AR-HUD模塊的上部。鏡頭光學(xué)對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行放大以實(shí)現(xiàn)虛擬呈現(xiàn)，它是由曲面鏡實(shí)現(xiàn)的。大陸集團(tuán)在AR-HUD內(nèi)采用精心打造的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)由不同投影距離生成的兩個(gè)畫面。在此，這兩個(gè)光路在內(nèi)部稍微重疊。近端面光路只使用大的AR-HUD鏡(大的非球面鏡)的上部邊緣區(qū)，沒(méi)有另外的“折疊鏡”。AR-HUD系統(tǒng)的這一部分類似于大陸集團(tuán)集成在現(xiàn)產(chǎn)汽車的第二代HUD所用的先進(jìn)技術(shù)。

借助電影技術(shù)的車輛增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)

而增強(qiáng)面自然在AR-HUD內(nèi)扮演著主角。它將增強(qiáng)了的顯示符號(hào)直接投射在駕駛員前方7.5米處的道路上，內(nèi)容會(huì)基于當(dāng)前的交通狀況進(jìn)行調(diào)適。該遠(yuǎn)端面顯示的內(nèi)容是由大陸集團(tuán)首次在IAA 2013展出的一款新的圖像生成單元生成的。圖形元素是由數(shù)字微鏡器件(DMD)以與數(shù)字電影放映機(jī)相同的方式生成的。PGU的核心是由幾十萬(wàn)微鏡矩陣構(gòu)成的光學(xué)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每一微鏡都可單獨(dú)由靜電場(chǎng)偏置。

該微鏡矩陣由三色LED(紅、綠、藍(lán))按時(shí)間順序快速、連續(xù)、交替點(diǎn)亮。通過(guò)帶濾色功能(“分色鏡”)的偏置鏡，產(chǎn)生平行方向的三色光視覺(jué)瞄準(zhǔn)(collimation)。根據(jù)顏色的不同，這些特殊的微鏡或允許光線通過(guò)或反射光線。處理這三種顏色的所有微鏡被當(dāng)前點(diǎn)亮的顏色所同步偏置，所以它們通過(guò)鏡頭反射了入射光，并在光路后面的聚焦屏上將這種顏色呈現(xiàn)為獨(dú)立象素。對(duì)所有三種顏色來(lái)說(shuō)，這是同時(shí)發(fā)生的。人眼在聚焦屏幕上對(duì)這三種彩色畫面進(jìn)行“調(diào)和”，并得到全彩畫面的主觀視覺(jué)。

從聚焦屏的前面看下去，其后的光路相應(yīng)于一款常規(guī)抬頭顯示器，其中：經(jīng)由聚焦屏、使用第一個(gè)鏡頭(折疊鏡)將圖像反射到第二個(gè)更大的鏡頭(AR-HUD鏡)的。再經(jīng)由AR-HUD鏡，圖像被反射到前方屏幕。用于該增強(qiáng)功能的光學(xué)系統(tǒng)的射光面約為一張A4紙大??；也即，在增強(qiáng)級(jí)，視域相當(dāng)于10°×4.8°，換算成可直接觀看的增強(qiáng)視域約為：130cm(寬)×63cm(高)。司機(jī)只需稍微將其視線下調(diào)2.4°，就可看到該顯示面信息。近端和遠(yuǎn)端這兩種圖像產(chǎn)生單元可根據(jù)環(huán)境光亮度產(chǎn)生不同亮度的顯示，亮度可達(dá)超過(guò)10,000坎德拉/平米。因此，幾乎在所有環(huán)境光條件下，都可容易地看清顯示信息。

大陸在測(cè)試車輛上的AR-HUD所采用的、在不同投影距離生成兩個(gè)畫面的系統(tǒng)方法具有顯著優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)交通條件下，可同時(shí)在遠(yuǎn)端和近端面呈現(xiàn)內(nèi)容。這就允許將所有相關(guān)的駕駛和狀態(tài)信息顯示在司機(jī)可直接觀看的視域。

AR-Creator的數(shù)據(jù)融合和圖形生成

眾多的模擬和大陸集團(tuán)的真人測(cè)試(subject tests)表明：當(dāng)對(duì)從車前約18到20米開(kāi)始、并接續(xù)到大約100m的這段道路實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)時(shí)，駕駛員感覺(jué)最爽，當(dāng)然這還與路況相關(guān)。AR-Creator控制單元必須評(píng)估若干傳感器數(shù)據(jù)流以將圖形元素投放在聚焦屏的確切位置，再經(jīng)由聚焦屏，這些圖形被精確地反射進(jìn)司機(jī)的AR-HUD視域。這需要大量運(yùn)算。

AR-Creator將三個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。單通道攝像頭提供道路布局的幾何形狀。還將“羊角曲線(Euler spirals)”或車輛前方車道曲率如何變化的數(shù)學(xué)描述考慮在內(nèi)。基于雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)和對(duì)相機(jī)數(shù)據(jù)的解釋這兩個(gè)因素綜合判斷車輛前方可檢測(cè)目標(biāo)的大小、位置和距離。最后，大陸集團(tuán)的eHorizon提供地圖框架，在該框架內(nèi)讀取感知的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。演示車所用的這款eHorizon是靜態(tài)的，僅使用導(dǎo)航數(shù)據(jù)資料。大陸集團(tuán)已經(jīng)著手生產(chǎn)后續(xù)的聯(lián)網(wǎng)和高度動(dòng)態(tài)的eHorizon產(chǎn)品，將支持?jǐn)M用于在AR-HUD上顯示的多種(即來(lái)自車到車、交通控制中心等的)數(shù)據(jù)源。整合了車輛動(dòng)態(tài)信息、攝像頭和GPS數(shù)據(jù)后，可在數(shù)字地圖上顯示車輛的位置。

AR-Creator還利用合并的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算：從駕駛員的位置，觀察前面道路的幾何布局會(huì)是怎樣一種情況。因?yàn)橐阎{駛者的眼位置，所以這是可能的。在開(kāi)始駕車前，駕駛員要在演示車輛設(shè)置“眼睛盒(eye box)”的正確位置。該過(guò)程可由批量生產(chǎn)(series production)的內(nèi)部相機(jī)自動(dòng)完成。該攝像頭可檢測(cè)駕駛員眼睛的位置，并可以跟蹤眼睛盒的位置。術(shù)語(yǔ)“眼睛盒”表示一種矩形區(qū)域，其高度和寬度相當(dāng)于理論上的“視窗”。當(dāng)通過(guò)該視窗查看道路時(shí)，駕駛員只會(huì)看到完整的AR-HUD畫面。車內(nèi)乘客看不到HUD和AR-HUD顯示的內(nèi)容。

基于可調(diào)節(jié)眼鏡盒的位置，AR-生成器“知道”駕駛員的眼睛所在，以及駕駛員在從哪個(gè)角度查看道路和周圍環(huán)境。如果輔助系統(tǒng)報(bào)告一個(gè)相關(guān)觀察，相應(yīng)的虛擬信息就會(huì)出現(xiàn)在AR-HUD的正確點(diǎn)上。

少即是多

大陸集團(tuán)為設(shè)計(jì)虛擬信息進(jìn)行了大量研發(fā)工作。經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)研究和真人測(cè)試，大陸集團(tuán)研發(fā)AR-HUD時(shí)，遵循“少即是多”這一宗旨。開(kāi)發(fā)人員希望僅將最少的必要信息呈現(xiàn)給駕駛員，以避免遮礙真實(shí)路況觀察。

例如，作為導(dǎo)航輔助工具，可選擇是否將角箭頭“平放”在道路上。在轉(zhuǎn)向時(shí)，角箭頭可以直立起來(lái)并指向擬轉(zhuǎn)的方向，它們看起來(lái)像個(gè)方向標(biāo)志。這種設(shè)計(jì)使得能以窄曲線給出虛擬信息，盡管在這種情況下，由于缺乏透視視覺(jué)范圍，真正的增強(qiáng)不可能。

對(duì)于壓越車道的行為予以謹(jǐn)慎警告。若駕駛員很可能是無(wú)意壓越車道，演示車輛的AR-HUD僅對(duì)車道邊界進(jìn)行高亮警示。

以后，若eHorizon事先收到事故信息，具有相應(yīng)高注意值的危險(xiǎn)符號(hào)會(huì)充分提前地出現(xiàn)在駕駛員的視野內(nèi)。一旦安裝了這種新的與駕駛員的交互形式，HMI就有很多選擇主動(dòng)向駕駛員提供具有場(chǎng)景內(nèi)容的前瞻性信息。車輛和駕駛員就會(huì)開(kāi)始“交談”，即便這是場(chǎng)無(wú)言的交流。