虚像距离VID（上）

定义及设计

VID的全称是Virtual Image Distance，即虚像距离，它指投影虚像到人眼瞳孔之间的距离，如图（1）所示。对于HUD而言，W-HUD的VID通常设置为2m~3m（米），AR-HUD的VID为7.5m~10m，更远的可以达到10m~ 15m^[1]。

虚像距离VID（上）

图 (1).VID定义及HUD中的VID

在进行HUD光学设计时，会根据实际需求明确FOV和VID的设计值，然后基于整车预留的空间进行初步的光学镜片摆放。我们在自由曲面原理（上）有介绍，HUD中常用的光学架构为单自由曲面镜加平面镜或双自由曲面，无论是单曲还是双曲，在FOV相同的情况下，VID越大，对应的系统光学距离（两块镜片之间的距离+镜片与PGU之间的距离）越长，最终的HUD的体积也越大^[2]，这也是AR-HUD会比W-HUD体积大的一个直接原因。

但在实际情况下，通常车体预留的空间有限，要求HUD的体积不能太大，此时就无法通过增加系统光学间距的方式，来匹配大VID的设计。另一种方法是，在固定光学间距的情况下，通过增加自由曲面放大倍率（可简单理解为自由曲面曲率的变大，但实际设计会更复杂）的方式来实现更大的VID(如图(2)(B))。但该方法也有弊端，放大倍率的增加，会使整个系统的其他光学参数更难控制，同时对于系统公差的要求也更高。除了这两种传统的方法外，双曲的使用以及新型光学系统的使用，也有助于在更小的HUD体积下实现更大的VID。

虚像距离VID（上）

图(2). 增加VID的常规设计方法（为方便展示，仅使用单曲面方案，并简化了光学设计）

VID的取舍

可以看到，W-HUD和AR-HUD对于VID的设计值是不一样的。W-HUD通常进行持续显示，即常态地显示驾驶员需要时刻关注的重要信息，如车速、限速、报警提醒等。因此，W-HUD的内容通常会要求下视角（LDA）更大，且显示位置在引擎盖边缘上方（该距离下的VID通常为2m~2.5m），从而实现：(1) W-HUD的内容处于视野下方，避开正前方的场景；(2) 当驾驶员正常驾驶时，眼睛属于放松的状态，聚焦距离较远，处于近距离的W-HUD会自然地虚化。结合这两点，W-HUD的显示内容不会干扰驾驶。

AR-HUD通常进行间断显示，即只有当特定的场景出现的情况下，才会进行短时间的AR辅助驾驶内容显示，如导航中的变道、转向，前车预警，车道线识别等^[3]。当这些特定场景未出现时，AR显示区域是不显示任何内容的。这样能实现常态下不干扰驾驶员的正常驾驶，但在需要时能进行短时的、间断的AR辅助内容，帮助驾驶员获得重要的信息，减少事故的发生^[3]。在这样的情况下，AR-HUD通常需要更远的、甚至是能连续变化的VID，具体考量如下：

（1）视觉疲劳

我们已经提到，AR-HUD的间断显示特点是服务于驾驶员正常驾驶的过程中，此时驾驶员的双眼聚焦于较远的距离。在3D深度视觉原理（上）里，我们介绍过晶状体聚焦和辐辏。当观察近距离物体时，我们的睫状肌需要收缩，使晶状体凸度更大，从而使眼睛的焦距更短（图(3)）^[4]。辐辏则是人眼向内旋转以聚焦于目标对象的行为，在我们看更近的物体时，眼睛需要更大程度地向内旋转，这也会造成视觉上的疲劳感^[5]。

虚像距离VID（上）

图 (3). 晶状体聚焦

因此，如果AR-HUD的VID较近的话，会使驾驶员在远距离的聚焦（正常驾驶状态）与的AR内容（较近VID）之间来回转换，频繁调动眼部肌肉，在实际物体和虚拟图像之间切换聚焦，长时间下来便会产生视觉疲劳^[6]。研究表明，当观察为6m及以下时，睫状肌需要用力收缩以保证双眼的聚焦在物体上，疲劳感有所增加^[6]，通常AR-HUD的VID会做到7.5米及以上。

（2）虚像贴合

顾名思义，AR-HUD最重要的功能就是AR（增强现实），也就是让HUD的虚拟图像与现实世界场景进行结合与互动^[3]。AR的功能依赖于对实景图像进行分析，结合人眼的位置及角度，计算出虚拟图像的投影位置^[7]。但是，当人眼改变位置时，虚像与现实世界适配程度会发生改变，视差指的就是感知到虚像和现实的不重合^[6]。

如图（4）所示，在正常驾驶时（聚焦远处，人眼处于放松状态），VID分别为2m和10m，而红色、蓝色的矩形标识为HUD投影的虚像与现实场景中的行人、汽车实现了完美贴合。

虚像距离VID（上）

图(4). 正常驾驶时，VID分别为2m和10m，虚像和实物完美贴合

然而，当驾驶员将头稍微向左移动，虚像的位置也发生了改变，从而导致虚像和现实世界的错位。我们可以看到，在VID为2m的情况下，红色和蓝色矩形完全偏离了对于行人和汽车的标识（图(5)(A)）；而10m的VID下，错位要小得多，并且不那么明显（图(5)(B)）。由此可见，在短距离VID中，即使驾驶员头部发生的只是轻微的移动，强烈的视差也会使得虚像和现实世界发生大幅度错位^[6]。

虚像距离VID（上）

图(5). 随着驾驶员头的转动，VID分别为2m和10m时，虚像和实物的贴合程度出现明显差异

为了实现图形与现实世界的深度融合、将驾驶信息的投射虚像与现实事物更完好地叠加，减少HUD行车的疲惫和眩晕感[3]，AR-HUD的AR部分通常需要更大的VID来实现，现阶段AR-HUD常见的VID是7.5m~10m，再远一些有10m~15m^[1]。

但对于AR-HUD来说，VID并不是越大越好，我们将在下一期为大家详细介绍。

#参考来源：

[1]Firth, M. (2019). "Introduction to automotive augmented reality head-up displays using TI DLP® technology". Technical document, May.

[2]Howells,P.J., Brown,R. (2007). "Challenges with displaying enhanced and synthetic vision video on a head-up display". In Enhanced and Synthetic Vision 2007 (Vol. 6559, pp. 155-164). SPIE.

[3]Merenda, C., Kim, H., Tanous, K., Gabbard, J. L., Feichtl, B., Misu, T., & Suga, C. (2018). Augmented reality interface design approaches for goal-directed and stimulus-driven driving tasks. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 24(11), 2875-2885.

[4]Duane, Alexander. (1922). "Studies in Monocular and Binocular Accommodation with their Clinical Applications". American Journal of Ophthalmology. 5 (11): 865–877.

[5]Cassin, B. (1990). "Dictionary of Eye Terminology. Solomon S. Gainesville, Fl: Triad Publishing Company". ISBN 978-0-937404-68-3.

[6]TEXAS INSTRUMENTS. (2022). "The Importance of a Longer VID for AR HUDs". Technical White Paper

[7] Wu QH. (2019). "The Application and Development Trend of Augmented Reality (AR) Technology". Communications World.

原文始发于微信公众号（睿维视 ReaVis）：虚像距离VID（上）

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