AR-HUD技术介绍

谈思实验室 2024-10-23 17:48

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什么是HUD技术

HUD（head up display抬头显示器）是将重要信息显示在挡风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、反射等投影到挡风玻璃上，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。

怎样实现HUD

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风玻璃上，从而在挡风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。

什么是AR-HUD

AR，全称Augmented Reality，又称为“增强现实”，也就是我们平时所说的“所见即所得”。

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。

AR-HUD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，通过挡风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风玻璃，所以可通过使用楔形玻璃来解决重影的问题；

AR-HUD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。

AR-HUD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，对反射角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角度开合反射成像，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-Mechanical System，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，无法达到车规要求的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。

3、 FOV

Field of View，又名“视场角”，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角。

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

挡风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。普通的挡风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风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，在开车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车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，因为挡风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，就是对挡风玻璃的畸变做标定，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产品都搭载了行车导航的提示功能，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，告诉驾驶员当前车辆应该行驶的路线、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、实时车速、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，而随着整个汽车市场智能化、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

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