大陸AR-HUD增強抬頭顯示技術(shù)詳解

為了實(shí)現人車(chē)新對話(huà)形式，國際汽車(chē)零部件供應商大陸集團開(kāi)發(fā)出增強現實(shí)抬頭顯示器（AR-HUD）。該增強現實(shí)抬頭顯示器通過(guò)內部特殊設計的光學(xué)系統將圖像信息精確地結合于實(shí)際交通路況中,從而擴展了或者說(shuō)增強了駕駛者對于實(shí)際駕駛環(huán)境的感知。 因此, AR-HUD技術(shù)極有可能成為汽車(chē)人機界面 (HMI) 最具創(chuàng )新性的發(fā)展方向。

AR-HUD 現已達到試生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的后期階段。 演示車(chē)輛一方面用于證明其可行性，另一方面為批量開(kāi)發(fā)提供寶貴經(jīng)驗。 大陸集團預計在2017年達到批量生產(chǎn)水平。

AR-HUD： 所見(jiàn)即所知

“AR-HUD光學(xué)系統能夠在駕駛員的視野區域合理的疊加顯示駕駛員輔助系統的狀態(tài)以及這些信息的含義，”大陸集團車(chē)身電子事業(yè)部 HUD 技術(shù)專(zhuān)家 Pablo Richter 博士說(shuō)道。 “為此，作為人機界面新成員的 AR-HUD 在試生產(chǎn)階段就已與駕駛員輔助系統的環(huán)境傳感器以及GPS數據、地圖資料和駕駛動(dòng)態(tài)數據建立密切的網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系?！?/P>

在演示車(chē)輛上大陸集團首次示范使用這項新技術(shù)的后期研發(fā)成果。 所選車(chē)輛在前保險杠和后視鏡上分別安裝有雷達傳感器和一個(gè) CMOS 單攝像頭。 為 AR-HUD 應用所選擇的高級駕駛員輔助系統（ADAS）包括車(chē)道偏離警示系統（LDW）、自適應巡航控制系統（ACC）和導航系統路線(xiàn)指示。

“如果駕駛員輔助系統識別到重要情況，AR-HUD會(huì )將報警信息以虛擬圖像的方式呈遞給駕駛者?！?Richter 解釋說(shuō)。 “除了直接帶來(lái)安全好處外，這種對話(huà)形式還是未來(lái)自動(dòng)化駕駛的一項關(guān)鍵技術(shù)。 “這種增強的信息顯示效果將更容易讓駕駛者建立起對于自動(dòng)駕駛這種新駕駛功能的信任?！?/P>

兩個(gè)不同投影距離的投影面 - 基于兩個(gè)不同的成像單元

大陸集團的 AR-HUD 可以實(shí)現由兩個(gè)不同投影距離產(chǎn)生的投影面，其也被稱(chēng)為近投影或狀態(tài)投影面，和遠投影或增強投影面。近景投影出現在駕駛員前方的發(fā)動(dòng)機罩末端，能夠顯示駕駛員所選的狀態(tài)信息，如即時(shí)速度、有效距離限制如禁止超車(chē)和限速、或 ACC 當前設置。 如要查看這些信息，駕駛員只需稍稍將視線(xiàn)下調約 6°。 狀態(tài)投影信息的視域尺寸為 5°x 1°（相當于 210 mm x 42 mm），投影距離 2.4 m。 其相當于“傳統”抬頭顯示器的虛擬圖像，該傳統方式的抬頭顯示器是基于一個(gè)反射鏡光學(xué)系統和成像單元（PGU）。 后者由一個(gè) TFT（薄膜晶體管）顯示器組成，使用 LED 強背光顯示內容。 此成像單元極其緊湊地集成在 AR- HUD 模塊的上部。 這個(gè)反射鏡光學(xué)系統將虛擬顯示的內容放大。 這些功能借助曲面反射鏡得以實(shí)現。 為了實(shí)現不同投影距離的兩個(gè)投影面，大陸集團在 AR-HUD 中采用了精巧的光學(xué)設計。 兩個(gè)投影面的光路在內部微微重疊。 近投影面的光路只使用AR- HUD 鏡（非球面）的上緣區域，不需要另外一個(gè)“反射鏡”。 AR-HUD 系統的這一部分代表了大陸集團第二代 HUD 在量產(chǎn)車(chē)輛上的現有技術(shù)。

以電影技術(shù)增強汽車(chē)

“AR-HUD 中的主角當然是增強投影面。 它的投影距離在駕駛員前方 7.5 m，可將增強的顯示符號直接投射在道路上，與當前交通狀況相融合”，Richter 說(shuō)。 遠投影面的內容是由大陸集團首次在 IAA 2013 展出的新成像單元生成。 與在電影數字投影機中一樣，由數字微鏡元件（DMD）生成圖像元素。 PGU 的核心是一種擁有數十萬(wàn)微小反射鏡矩陣的光學(xué)半導體，其可借助靜電場(chǎng)單獨傾斜。 微反射鏡矩陣按時(shí)間順序被三色 LED（紅色、藍色和綠色）快速交替照亮。 用帶濾色功能的偏轉反射鏡（即雙色濾鏡）確保三色光準直（平行方向）。 這些特殊鏡子根據顏色讓光線(xiàn)通過(guò)或反射。 為了與點(diǎn)亮的顏色同步，該顏色的所有微反射鏡傾斜，使射入的光線(xiàn)通過(guò)透鏡反射出去，在后面的成像屏幕上形成該顏色的單個(gè)像點(diǎn)。 所有三種顏色的同步方法是相同的。 人眼“綜合”成像屏幕上的所有三種顏色，得到全色圖像。

從成像屏幕正面看，接下來(lái)的光學(xué)路徑類(lèi)似于傳統的抬頭顯示器的光學(xué)路徑： 成像幕上的圖像通過(guò)第一個(gè)鏡子（反射鏡）反射到第二個(gè)更大的鏡子（AR HUD 鏡）上。 從那里射向風(fēng)玻璃。 增強光學(xué)系統的出射面幾乎達到 DIN A4 尺寸。 由此形成視域尺寸為 10°X 4.8°的增強投影面，相當于直接視野內有幾何寬度 130 厘米和高度 63 厘米的可增強視域。 如要讀取這個(gè)遠投影面中的信息，駕駛員的視野可稍稍下調 2.4°。 兩個(gè)投影面（狀態(tài)和增強投影面）的成像單元能夠配合環(huán)境亮度調整顯示亮度，光密度可達到 10000 坎德拉/平方米以上。 因此，幾乎在任何強烈的環(huán)境光條件下都能清晰顯示。

在試驗車(chē)中,系統使用大陸集團兩個(gè)不同投影距離的投影面的 AR-HUD 后，優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的： 在大多數交通情況下，用 7.5 m 遠投影面直接在行駛道路上增強內容，而 2.4 m 近投影面則用于顯示狀態(tài)信息。

AR-Creator 融合數據和生成圖像

大量模擬實(shí)驗和大陸集團真人實(shí)驗表明，增強圖像顯示出現在車(chē)輛前方約 18 到 20 m且根據路線(xiàn)持續大約 100 m時(shí)，駕駛員會(huì )感到比較舒適。 負責研發(fā) AR-Creator 的 Peter Giegerich 闡述了圖像提示的生成原理以及正確放置這些圖像提示的方法： “AR-Creator 是一種極具挑戰的最新發(fā)展方向。 此控制器須對大量數據流進(jìn)行評估，以使圖像元素在成像幕上精確定位，從而準確投影到駕駛員的 AR- HUD 視域中。 其中一些需要進(jìn)行相當多的運算?！?/P>

AR-Creator 將對三個(gè)來(lái)源的數據進(jìn)行融合： 單攝像頭可用于繪制道路幾何形狀。 其中包括回旋曲線(xiàn)、車(chē)輛前方車(chē)道曲率的數學(xué)描述。 車(chē)輛前方物體的大小、位置和距離來(lái)自雷達傳感器數據與對照的相機數據組合。 最后，大陸集團的電子地平線(xiàn)（eHorizon） 提供地圖框架，將現場(chǎng)傳感數據編譯其中。 在演示車(chē)輛上 eHorizon 仍是靜態(tài)的，僅僅使用導航數據資料。 大陸集團業(yè)的高動(dòng)態(tài)聯(lián)網(wǎng)eHorizon產(chǎn)品已到達批量生產(chǎn)水平，它可以處理各種來(lái)源（車(chē)對車(chē)、交通控制中心等）的數據并在A(yíng)R-HUD 上顯示。 通過(guò)整合行駛動(dòng)態(tài)數據、攝像頭數據和 GPS 數據在數字地圖上定位車(chē)輛位置。

AR-Creator利用 融合的數據計算出從駕駛員位置看到的車(chē)前方道路的幾何圖形。 這樣可行是因為駕駛員眼睛的位置是知道的： 在演示車(chē)輛上司機在駕駛前需正確設置一下眼睛識別框的位置。 這個(gè)操作可以通過(guò)內部攝像頭自動(dòng)進(jìn)行。 它能夠識別駕駛者眼睛的位置并指導眼睛識別框定位。 眼睛識別框是一個(gè)矩形區域，其寬度和高度與理論“視窗”相當。 就只要駕駛員從這個(gè)窗口看向道路，他就能看到完整的AR-HUD 圖像。 乘客看不到 HUD 和 AR-HUD 顯示的內容。

“AR-Creator 從眼睛識別框的可調節位置知道，駕駛員眼睛在哪里，以及正在以哪個(gè)角度查看交通狀況和周?chē)h(huán)境?！盙iegerich 解釋道。 駕駛員輔助系統如果探測到什么情況，相應的虛擬圖像提示就會(huì )生成并投射到AR-HUD屏幕的正確位置上。

少即是多

據人機界面（HMI）開(kāi)發(fā)人員 Stephan Cieler 稱(chēng)，大部分開(kāi)發(fā)工作都是圍繞虛擬提示的設計進(jìn)行的。 “經(jīng)過(guò)無(wú)數次的設計研究和真人實(shí)驗，我們在 AR-HUD 上也貫徹了： 少即是多的座右銘?！币虼俗畛醯南敕?，在車(chē)道上鋪一條透明的彩色地毯，很快就被丟棄。 “我們希望只給駕駛員提供必要的最少的圖像提示，不遮住真實(shí)的駕駛視野?！?/P>

例如作為導航輔助的折角箭頭，可以選擇將它們“平放”在車(chē)道上，以及換向時(shí)直立旋轉到新的行駛方向，就像一個(gè)指示牌。 這樣的設計在急轉彎處也能提供虛擬提示，但在這種情況下由于缺少遠景視距不能實(shí)際增強。

越過(guò)車(chē)道邊界的警告也會(huì )謹慎地提示。 只有當駕駛員無(wú)意中越過(guò)所有預示標志后，演示車(chē)輛的 AR-HUD 才會(huì )強調車(chē)道邊界。

如果 eHorizon 預先收到事故信息，一個(gè)設置了高關(guān)注值的危險標志就會(huì )適時(shí)出現在駕駛員視野內。 “只要安裝了這種與駕駛者的新型交互形式，HMI 就能提供多種途徑使駕駛者了解和預見(jiàn)行車(chē)情況。 就像司機與汽車(chē)展開(kāi)了一場(chǎng)無(wú)聲的對話(huà)”，Richter 說(shuō)。