增強現實(shí)抬頭顯示系統詳解

德國汽車(chē)零部件供應商大陸集團(Continental)在開(kāi)發(fā)一款增強現實(shí)抬頭顯示系統(AR-HUD)，旨在方便地在車(chē)輛和駕駛員間提供一種新的對話(huà)形式。下面就讓我們來(lái)看看它是如何工作的。

該顯示系統對駕駛員看到的現實(shí)交通情況予以展延(增強)：光學(xué)投影裝置精確地將包含了交通狀況信息的圖形圖像投放成外部顯示。這樣，AR-HUD就可以顯著(zhù)增強車(chē)輛的人機界面(HMI)了。

AR-HUD目前已達預生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的后期階段。演示車(chē)一方面用來(lái)展現其可行性，另一方面，又對后續開(kāi)發(fā)提供了寶貴借鑒。大陸集團計劃在2017年完成生產(chǎn)準備。

圖1：增強現實(shí)平視顯示系統概述。

AR-HUD：所見(jiàn)即所知

AR-HUD的光學(xué)系統使司機能看到駕駛員輔助系統狀況的增強顯示、以及在其直接視域場(chǎng)這些信息的權重。作為人機界面的新部件，眼下的這款預生產(chǎn)的AR-HUD已經(jīng)與駕駛員輔助系統環(huán)境傳感器、以及GPS數據、地圖素材和車(chē)輛動(dòng)態(tài)數據等緊密整合。

雷達傳感器集成在前保險杠，一個(gè)CMOS單通道攝像頭(mono-camera)集成在后視鏡底座。所選的相關(guān)先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)支持自適應巡航控制系統(ACC)、來(lái)自導航系統的道路信息、以及車(chē)道偏離警告(LDW)等最初的這些AR-HUD應用。

如果其中一個(gè)駕駛員輔助系統檢測到一種相關(guān)情況，AR-HUD顯示的虛擬圖形信息，能使駕駛員意識到這一情況。除了直接強化了駕駛安全，這種形式的交互也是自動(dòng)駕駛的一項關(guān)鍵技術(shù)。該增強技術(shù)使得駕駛員更容易建立起對新的駕駛功能的信任。

在大陸的AR-HUD中，可產(chǎn)生基于不同投影距離的兩個(gè)投影面，分別稱(chēng)為“近端”(或“狀態(tài)”)面和“遠端”(或“增強”)面。“近端”狀態(tài)面投射顯示在司機前方發(fā)動(dòng)機罩的前部位置，它向司機有選擇地顯示狀態(tài)信息，例如：當前車(chē)速、需遵守的諸如禁止超車(chē)區等距離限制和限速、或自適應巡航控制系統(ACC) 的當前設置等信息。司機只需降低約6°視角，就可看到這些信息。狀態(tài)信息的視場(chǎng)大小為5°×1°(相當于210mm×42mm)，投影距離為2.4m。

圖2：投影光路原理圖。

其相當于“傳統”平視顯示器的虛擬圖像，基于反射鏡光學(xué)和圖像生成單元(PGU)。PGU由薄膜晶體管(TFT)顯示器構成，其內容使用LED背光。PGU采用緊湊設計被集成進(jìn)AR-HUD模塊的上部。鏡頭光學(xué)對顯示內容進(jìn)行放大以實(shí)現虛擬呈現，它是由曲面鏡實(shí)現的。大陸集團在A(yíng)R-HUD內采用精心打造的光學(xué)設計實(shí)現由不同投影距離生成的兩個(gè)畫(huà)面。在此，這兩個(gè)光路在內部稍微重疊。近端面光路只使用大的AR-HUD鏡(大的非球面鏡)的上部邊緣區，沒(méi)有另外的“折疊鏡”。AR-HUD系統的這一部分類(lèi)似于大陸集團集成在現產(chǎn)汽車(chē)的第二代HUD所用的先進(jìn)技術(shù)。

借助電影技術(shù)的車(chē)輛增強現實(shí)顯示技術(shù)

而增強面自然在A(yíng)R-HUD內扮演著(zhù)主角。它將增強了的顯示符號直接投射在駕駛員前方7.5米處的道路上，內容會(huì )基于當前的交通狀況進(jìn)行調適。該遠端面顯示的內容是由大陸集團首次在IAA 2013展出的一款新的圖像生成單元生成的。圖形元素是由數字微鏡器件(DMD)以與數字電影放映機相同的方式生成的。PGU的核心是由幾十萬(wàn)微鏡矩陣構成的光學(xué)半導體結構，每一微鏡都可單獨由靜電場(chǎng)偏置。

該微鏡矩陣由三色LED(紅、綠、藍)按時(shí)間順序快速、連續、交替點(diǎn)亮。通過(guò)帶濾色功能(“分色鏡”)的偏置鏡，產(chǎn)生平行方向的三色光視覺(jué)瞄準 (collimation)。根據顏色的不同，這些特殊的微鏡或允許光線(xiàn)通過(guò)或反射光線(xiàn)。處理這三種顏色的所有微鏡被當前點(diǎn)亮的顏色所同步偏置，所以它們通過(guò)鏡頭反射了入射光，并在光路后面的聚焦屏上將這種顏色呈現為獨立象素。對所有三種顏色來(lái)說(shuō)，這是同時(shí)發(fā)生的。人眼在聚焦屏幕上對這三種彩色畫(huà)面進(jìn)行 “調和”，并得到全彩畫(huà)面的主觀(guān)視覺(jué)。

從聚焦屏的前面看下去，其后的光路相應于一款常規抬頭顯示器，其中：經(jīng)由聚焦屏、使用第一個(gè)鏡頭(折疊鏡)將圖像反射到第二個(gè)更大的鏡頭(AR-HUD 鏡)的。再經(jīng)由AR-HUD鏡，圖像被反射到前方屏幕。用于該增強功能的光學(xué)系統的射光面約為一張A4紙大小;也即，在增強級，視域相當于 10°×4.8°，換算成可直接觀(guān)看的增強視域約為：130cm(寬)×63cm(高)。司機只需稍微將其視線(xiàn)下調2.4°，就可看到該顯示面信息。近端和遠端這兩種圖像產(chǎn)生單元可根據環(huán)境光亮度產(chǎn)生不同亮度的顯示，亮度可達超過(guò)10,000坎德拉/平米。因此，幾乎在所有環(huán)境光條件下，都可容易地看清顯示信息。

大陸在測試車(chē)輛上的AR-HUD所采用的、在不同投影距離生成兩個(gè)畫(huà)面的系統方法具有顯著(zhù)優(yōu)勢。在大多數交通條件下，可同時(shí)在遠端和近端面呈現內容。這就允許將所有相關(guān)的駕駛和狀態(tài)信息顯示在司機可直接觀(guān)看的視域。

AR-Creator的數據融合和圖形生成

眾多的模擬和大陸集團的真人測試(subject tests)表明：當對從車(chē)前約18到20米開(kāi)始、并接續到大約100m的這段道路實(shí)現增強時(shí)，駕駛員感覺(jué)最爽，當然這還與路況相關(guān)。AR- Creator控制單元必須評估若干傳感器數據流以將圖形元素投放在聚焦屏的確切位置，再經(jīng)由聚焦屏，這些圖形被精確地反射進(jìn)司機的AR-HUD視域。這需要大量運算。

AR-Creator將三個(gè)來(lái)源的數據進(jìn)行融合。單通道攝像頭提供道路布局的幾何形狀。還將“羊角曲線(xiàn)(Euler spirals)”或車(chē)輛前方車(chē)道曲率如何變化的數學(xué)描述考慮在內?；诶走_傳感器數據和對相機數據的解釋這兩個(gè)因素綜合判斷車(chē)輛前方可檢測目標的大小、位置和距離。最后，大陸集團的eHorizon提供地圖框架，在該框架內讀取感知的現場(chǎng)數據。演示車(chē)所用的這款eHorizon是靜態(tài)的，僅使用導航數據資料。大陸集團已經(jīng)著(zhù)手生產(chǎn)后續的聯(lián)網(wǎng)和高度動(dòng)態(tài)的eHorizon產(chǎn)品，將支持擬用于在A(yíng)R-HUD上顯示的多種(即來(lái)自車(chē)到車(chē)、交通控制中心等的)數據源。整合了車(chē)輛動(dòng)態(tài)信息、攝像頭和GPS數據后，可在數字地圖上顯示車(chē)輛的位置。