大陸AR-HUD增強抬頭顯示技術詳解

為了實現(xiàn)人車新對話形式，國際汽車零部件供應商大陸集團開發(fā)出增強現(xiàn)實抬頭顯示器（AR-HUD）。該增強現(xiàn)實抬頭顯示器通過內部特殊設計的光學系統(tǒng)將圖像信息精確地結合于實際交通路況中,從而擴展了或者說增強了駕駛者對于實際駕駛環(huán)境的感知。 因此, AR-HUD技術極有可能成為汽車人機界面 (HMI) 最具創(chuàng)新性的發(fā)展方向。

AR-HUD 現(xiàn)已達到試生產開發(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)提供寶貴經驗。 大陸集團預計在2017年達到批量生產水平。

AR-HUD： 所見即所知

“AR-HUD光學系統(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，”大陸集團車身電子事業(yè)部 HUD 技術專家 Pablo Richter 博士說道。 “為此，作為人機界面新成員的 AR-HUD 在試生產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)、地圖資料和駕駛動態(tài)數(shù)據(jù)建立密切的網(wǎng)絡聯(lián)系?！?/P>

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

“如果駕駛員輔助系統(tǒng)識別到重要情況，AR-HUD會將報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，這種對話形式還是未來自動化駕駛的一項關鍵技術。 “這種增強的信息顯示效果將更容易讓駕駛者建立起對于自動駕駛這種新駕駛功能的信任?！?/P>

兩個不同投影距離的投影面 - 基于兩個不同的成像單元

大陸集團的 AR-HUD 可以實現(xiàn)由兩個不同投影距離產生的投影面，其也被稱為近投影或狀態(tài)投影面，和遠投影或增強投影面。近景投影出現(xiàn)在駕駛員前方的發(fā)動機罩末端，能夠顯示駕駛員所選的狀態(tài)信息，如即時速度、有效距離限制如禁止超車和限速、或 ACC 當前設置。 如要查看這些信息，駕駛員只需稍稍將視線下調約 6°。 狀態(tài)投影信息的視域尺寸為 5°x 1°（相當于 210 mm x 42 mm），投影距離 2.4 m。 其相當于“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反射鏡光學系統(tǒng)和成像單元（PGU）。 后者由一個 TFT（薄膜晶體管）顯示器組成，使用 LED 強背光顯示內容。 此成像單元極其緊湊地集成在 AR- HUD 模塊的上部。 這個反射鏡光學系統(tǒng)將虛擬顯示的內容放大。 這些功能借助曲面反射鏡得以實現(xiàn)。 為了實現(xiàn)不同投影距離的兩個投影面，大陸集團在 AR-HUD 中采用了精巧的光學設計。 兩個投影面的光路在內部微微重疊。 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“反射鏡”。 AR-HUD 系統(tǒng)的這一部分代表了大陸集團第二代 HUD 在量產車輛上的現(xiàn)有技術。

以電影技術增強汽車

“AR-HUD 中的主角當然是增強投影面。 它的投影距離在駕駛員前方 7.5 m，可將增強的顯示符號直接投射在道路上，與當前交通狀況相融合”，Richter 說。 遠投影面的內容是由大陸集團首次在 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半導體，其可借助靜電場單獨傾斜。 微反射鏡矩陣按時間順序被三色 LED（紅色、藍色和綠色）快速交替照亮。 用帶濾色功能的偏轉反射鏡（即雙色濾鏡）確保三色光準直（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像點。 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，接下來的光學路徑類似于傳統(tǒng)的抬頭顯示器的光學路徑： 成像幕上的圖像通過第一個鏡子（反射鏡）反射到第二個更大的鏡子（AR HUD 鏡）上。 從那里射向風玻璃。 增強光學系統(tǒng)的出射面幾乎達到 DIN A4 尺寸。 由此形成視域尺寸為 10°X 4.8°的增強投影面，相當于直接視野內有幾何寬度 130 厘米和高度 63 厘米的可增強視域。 如要讀取這個遠投影面中的信息，駕駛員的視野可稍稍下調 2.4°。 兩個投影面（狀態(tài)和增強投影面）的成像單元能夠配合環(huán)境亮度調整顯示亮度，光密度可達到 10000 坎德拉/平方米以上。 因此，幾乎在任何強烈的環(huán)境光條件下都能清晰顯示。

在試驗車中,系統(tǒng)使用大陸集團兩個不同投影距離的投影面的 AR-HUD 后，優(yōu)點也是顯而易見的： 在大多數(shù)交通情況下，用 7.5 m 遠投影面直接在行駛道路上增強內容，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

大量模擬實驗和大陸集團真人實驗表明，增強圖像顯示出現(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，駕駛員會感到比較舒適。 負責研發(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。 此控制器須對大量數(shù)據(jù)流進行評估，以使圖像元素在成像幕上精確定位，從而準確投影到駕駛員的 AR- HUD 視域中。 其中一些需要進行相當多的運算?！?/P>

AR-Creator 將對三個來源的數(shù)據(jù)進行融合： 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)學描述。 車輛前方物體的大小、位置和距離來自雷達傳感器數(shù)據(jù)與對照的相機數(shù)據(jù)組合。 最后，大陸集團的電子地平線（eHorizon） 提供地圖框架，將現(xiàn)場傳感數(shù)據(jù)編譯其中。 在演示車輛上 eHorizon 仍是靜態(tài)的，僅僅使用導航數(shù)據(jù)資料。 大陸集團業(yè)的高動態(tài)聯(lián)網(wǎng)eHorizon產品已到達批量生產水平，它可以處理各種來源（車對車、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。 這樣可行是因為駕駛員眼睛的位置是知道的： 在演示車輛上司機在駕駛前需正確設置一下眼睛識別框的位置。 這個操作可以通過內部攝像頭自動進行。 它能夠識別駕駛者眼睛的位置并指導眼睛識別框定位。 眼睛識別框是一個矩形區(qū)域，其寬度和高度與理論“視窗”相當。 就只要駕駛員從這個窗口看向道路，他就能看到完整的AR-HUD 圖像。 乘客看不到 HUD 和 AR-HUD 顯示的內容。

“AR-Creator 從眼睛識別框的可調節(jié)位置知道，駕駛員眼睛在哪里，以及正在以哪個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)如果探測到什么情況，相應的虛擬圖像提示就會生成并投射到AR-HUD屏幕的正確位置上。

少即是多

據(jù)人機界面（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計進行的。 “經過無數(shù)次的設計研究和真人實驗，我們在 AR-HUD 上也貫徹了： 少即是多的座右銘?！币虼俗畛醯南敕?，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，不遮住真實的駕駛視野。”

例如作為導航輔助的折角箭頭，可以選擇將它們“平放”在車道上，以及換向時直立旋轉到新的行駛方向，就像一個指示牌。 這樣的設計在急轉彎處也能提供虛擬提示，但在這種情況下由于缺少遠景視距不能實際增強。

越過車道邊界的警告也會謹慎地提示。 只有當駕駛員無意中越過所有預示標志后，演示車輛的 AR-HUD 才會強調車道邊界。

如果 eHorizon 預先收到事故信息，一個設置了高關注值的危險標志就會適時出現(xiàn)在駕駛員視野內。 “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見行車情況。 就像司機與汽車展開了一場無聲的對話”，Richter 說。