浅谈AR-HUD 的技术与挑战()

长虚像距离(VID)带来的负担沉重:

目前量产的车用抬头显示HUD正在从风挡型WHUD 逐渐向增强现实型的AR-HUD 发展:从单纯的信息展示屏幕,变成了具有在实际路况位置产生警示符号的增强现实(AR)效果。


汽车AR-HUD发展困境:阳光倒灌与图像畸变

奔驰S级上的AR-HUD效果,来源官网

AR-HUD技术最大挑战:长虚像距离(VID)

现有量产的AR-HUD如奔驰S级、红旗e-HS9、大众ID,仍沿用WHUD的光学技术,使用凹面镜放大的基本光学原理。为了实现AR-HUD中增强现实的效果,AR-HUD的虚像需要与道路上的真实路况对应,因此,其投影虚像距离(专业名词:Virtual Image Distance ,简称VID)需要尽量远,让驾驶员无需转变视线焦点便可获取对应信息。

汽车AR-HUD发展困境:阳光倒灌与图像畸变
(图:AR-HUD是基于WHUD原理,距离更远,FOV更大,带来更大挑战)

据了解,WHUD的虚像距离通常在2~2.5米之间,而AR-HUD却需要达到10~15米以上。如此远的虚像距离VID,是目前业界AR-HUD技术上面临的最大挑战。

长VID难点一:左右眼图像畸变差

WHUD的VID虚像距离通常不超过2.5米,并不是这样距离适合驾驶观看,而是迁就于凹面镜的放大倍率限制。在现今汽车工业水平的限制下,汽车的前挡玻璃曲面,固定WHUD的支架,甚至HUD的凹面镜本身都不是100%完美的,上述三者的制造微小误差都会让WHUD的虚像产生畸变,简单的说就是虚像变形。

左,右眼因位置差异,所看到同一虚样是来自不同光路,经由凹面镜与前挡玻璃不同的位置反射而来,这两个光路的变形并不一致,会导致左右眼看到同一对象的虚像形状有偏差,此时却需要在驾驶员脑海中强行组成同一对象。驾驶员的大脑对这种不协调工作便产生了晕眩等不舒适感。

汽车AR-HUD发展困境:阳光倒灌与图像畸变
图片来源《从HMZ到PS VR——索尼的头戴显示设备之路》作者,番茄沙司


虚像放大倍率越大,畸变率就越大,左右眼畸变差就越大,晕眩等不舒适感就越严重。WHUD产业经验里 VID在2.5米之内,可以让放大倍率不超过6倍,如此的左右眼畸变差是普遍能被接受的观看舒适度。
 
AR-HUD需要的VID长达10米以上,放大倍率高达25倍甚至30倍,即使VID虚像距离只做到较低的7.5米,放大倍率也达到20倍。这样的放大倍率产生的畸变难以制造出大量合格的HUD虚像画面。

汽车AR-HUD发展困境:阳光倒灌与图像畸变

长VID难点二:阳光倒灌

高放大倍率不但产生无法接受的左右眼畸变差,更引来强烈的阳光倒灌问题。

凹面镜放大原理类似于凸透镜放大原理,利用放大镜可以让阳光聚光产生高温从而燃烧纸张。相应的,具有凹面镜的HUD只要放大倍率够高,同样会因为聚光而产生高温,烧毁HUD的画面显示设备( picture generating unit 以下简称PGU),这也就是所谓的太阳光倒灌。

汽车AR-HUD发展困境:阳光倒灌与图像畸变
数据源: TEXAS INSTRUMENTS

WHUD的放大倍率较小,阳光倒灌问题相对较轻,比较容易解决。但AR-HUD放大倍率是WHUD的3~5倍,阳光倒灌的烧毁能力自然也增加了数倍,这也是目前AR-HUD难以解决的一大困难。

长VID难点三:超大体积

AR-HUD的长虚像距离除了需要高的放大倍率外,也需要较长的光路,越长的光路意味着需要更大的HUD机身,加上AR-HUD也需要比较大的视野(FOV),以至于AR-HUD体积大得可怕,并非一般的车身可以放的下。

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奔驰S级AR-HUD位于仪表前方,由图片可以看出其巨大的体积,图源 奔驰官网
 
长VID难点四:眩光问题

高放大倍率也带来更强的太阳眩光,阳光下某些角度 AR-HUD的投射画面上会产生比较明显的太阳眩光,影响车主的驾驶视线。

小结:

总结起来,AR-HUD的特点就是长虚像距离(VID),而长VID会导致四个挑战:


  1. 过高的左右双眼畸变差
  2. 强烈的太阳光倒灌
  3. 超大体积
  4. 明显的太阳眩光


本文来源:怡利电子集团股份有限公司  董事长  陳錫勳


在上述挑战中,左右眼畸变差阳光倒可以说是目前最迫切也是最难解决的点。关于这两个方面的解决方案,小编将在接下来几篇文章中一一道来。


(二)汽车AR-HUD难点之阳光倒灌应对方案

(三)汽车AR-HUD难点之左右眼畸变应对方案

(四)汽车AR-HUD新方案:裸眼3D


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原文始发于微信公众号(智能汽车俱乐部):汽车AR-HUD发展困境:阳光倒灌与图像畸变

作者 ab