3DAR，即将出现在汽车挡风玻璃上

原创 SSDFans 2024-07-31 08:31

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在挡风玻璃上的向驾驶员提供图形数据以辅助驾驶已经是一项成熟的技术。但现有的“平视显示器”大多局限于二维展示，并且只能覆盖较小的视野范围，这意味着驾驶员必须在观察屏幕信息与观察道路之间频繁转移视线。

近日，英国的科研团队提出了一种创新思路：他们认为驾驶员完全可以实现保持对道路的注意力的同时，识别出前方的隐蔽障碍物。这一发现发表在《先进光学材料》期刊上（doi: 10.1002/adom.202301772）。该团队通过结合激光雷达（LIDAR）探测和计算机全息图生成技术，实现了在驾驶员视野中实时准确地展示障碍物的三维模型，并且确保这些模型的大小与实际物体保持一致。

英国的研究人员为汽车挡风玻璃开发了一种新型平视显示器，可将激光雷达感应到的前方道路上的物体以三维全息图的形式显示在驾驶员的视野内，从而减少事故的发生。左图为激光雷达点云，右图为重建后的三维视图。

追求无干扰的 AR

这些显示设备就是增强现实（AR）技术的一种应用。增强现实技术不是将用户带入一个完全由计算机生成的虚拟世界，而是在真实世界的感官体验中增加额外的信息，目前这种技术已经广泛应用于教育、医疗手术等多个领域。然而，在驾驶应用中，该技术存在一个潜在的问题：额外的信息可能会分散驾驶员的注意力，影响他们专注于驾驶。

为了克服这一难题，众多研究团队致力于开发三维的抬头显示系统，其中一些系统采用了全息技术。传统的全息图是通过物理方式——让物体光束与参考光束发生干涉来制作的，而AR中使用的全息图则完全不同，它们是通过计算机生成的。这种全息图利用从现实世界物体反射的光线或其他波动，然后计算出当这些波动与参考光束结合时产生的干涉图样，其关键在于必须能够足够快速和准确地执行这些计算，以便能够实时捕捉到移动车辆周围不断变化的环境。

通过激光雷达制作全息图

在最新的研究中，剑桥大学的Jana Skirnewskaja和她的团队成员，连同牛津大学与伦敦大学学院的学者们，共同展示了一种通过激光雷达技术（利用激光光束反射来测量目标物体距离的方法）来生成全息图的新途径。研究人员通过筛选并利用大量的激光雷达数据点，实现了即便在单次激光扫描数据较少的情况下，也能完整重现物体全方位的360度视角。Skirnewskaja指出，每个数据点都具有独特的空间位置和光强等级，只要有足够的点，即使移动车辆中只能部分看到物体，也是可能重建其三维结构的。

为了进一步探索这一技术，研究团队运用地面激光雷达扫描器，沿着伦敦大学学院附近的Malet Street收集了包括树木、货车以及站在自行车旁的行人等不同物体的点云数据。全息图的构建分为两个阶段，首先计算在虚拟平面内众多点发出的光波的叠加效；其次借助于光的衍射原理，从虚拟平面中构建出真正的全息图平面。通过这种方法，该团队成功地将现实世界的三维图像融入到增强现实技术中。

重建场景

为了从全息图中重建观察到的场景，Skirnewskaja及其团队采用了氦氖激光器发出的光线照射液晶显示屏，使得液晶的双折射分子根据全息图的干涉模式确定的电场特定排列。他们利用了“虚拟菲涅尔透镜”——即模拟真实透镜特性的一系列计算机代码，这样做不仅能够精确地在驾驶员的视野内定位重构的物体，同时也节省了车内空间。

在实验中，研究团队使用了从10点到40万点不等的点云记录全息图，并且使用了标准CPU和性能更强的GPU来处理这些数据。研究结果显示，GPU支持的并行处理能力极大地提高了全息图像的生成质量，并且处理时间的增加并不显著——处理100个点的数据需要12秒，而处理1000个点的数据仅需要额外的14秒（总共26秒），这表明使用GPU可以高效地处理大量数据，为实时生成高清晰度的全息图像提供了可能。

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考虑到行驶中的车辆对速度的要求，该研究团队提出了一种分阶段的信息展示方法。驾驶员可以首先使用只有25个点的激光雷达，在大约5秒钟后生成物体的轮廓，从而迅速向驾驶员发出警报。在21秒后，可以利用1000个数据点生成更为详尽的全息图像，为驾驶员提供物体的全方位视图，帮助他们准确判断，比如确定一辆卡车的确切长度。

Skirnewskaja透露，自从该研究进行测试以来，她和团队进一步完善了这项技术，现在能够利用红绿蓝（RGB）光纤激光器以全彩色展示隐藏障碍物。他们的目标是在2024年将这项技术应用到真实车辆的测试中，并与谷歌公司合作为不同视力状况的驾驶员定制显示系统。同时她也指出，在这项技术真正能够在道路上广泛应用之前，还需要进一步改进，包括将激光雷达扫描仪与摄像头结合起来，以便识别路标上的字迹以及重新创建物体的轮廓。