抬头显示器(HUD):从2D-HUD到AR-HUD

HUD的优势

     HUD有三个主要的优点和要求。第一点是向驾驶员投射信息的能力，它增加了驾驶员和道路上车辆互动性，从而提高了安全性。

      第二点是因为汽车在一天的不同时间都会行驶，HUD可以保证有关行驶信息在不同环境条件下以合适的方式展示。

      第三点是保证驾驶员对道路的注意力，同时能看到适当的信息。而传统的显示方式需要驾驶员把视线从道路上移到仪表显示盘上来查看速度等信息。

       HUD未来会出现多种新技术，这些技术可以为驾驶员提供不同的、无缝衔接的视觉体验，驾驶员只需通过观看挡风玻璃上的信息。目前传统的HUD在固定距离以二维固定方向显示信息，如果你所需查看的信息很少，这是足够的。

               在固定距离的投射二维虚像的HUD

     但是，我们开始在HUD上显示更多的信息，而不仅仅显示速度和导航。我们现在从仪表盘群、中央控制台等获取可视化元素，并将它们置于驾驶员的视场中。然而，这使得HUD开始变得复杂。

在HUD的视场添加更多的信息，而不增加投影的维度或深度

     HUD的未来与AR技术紧紧相连。我们可以增加信息的深度，增加与车辆之外物体的互动，或者把信息投射到几个不同的平面上，这给驾驶员提供了更直观的视觉体验。

HUD的类型

     行业内HUD现今主要分为两种类型，第一种是在XYZ平面上显示固定信息的传统显示技术，第二种是在XYZ显示不同信息的AR技术。AR技术为基础的HUD可以显示2米远的画面，这类似于传统HUD。但这些信息也可以投射至10米或20米远，这些投影信息包括驾驶员在道路上与周围环境的交互。

           传统HUD和AR-HUD投影距离的比较

      通过这些技术，我们分解了图像的维度。我们可以看到的信息可以是平面的二维图像，也可以是具有深度和角度的三维图像。结合这些概念，在传统的固定投影距离的HUD上显示3D图像，也可以在AR-HUD显示2D信息。

配备AR-HUD的丰田车，可显示投影距离可变的3D虚像

与传统HUD相比，AR-HUD的优势

     现有的传统HUD存在一些问题，其信息被投射到固定距离，驾驶员不易同时观看车辆周围的信息与HUD显示的信息。这使得他们开车时，只能单独看HUD显示信息，或单独看车辆外部环境。将视线从HUD转移到驾驶外部环境时，驾驶员必须改变他们的凝视方向或视角，这增加了他们的反应时间。

固定投影距离HUD示例，驾驶员必须将视觉焦点从HUD转移到外部环境

     AR-HUD旨在克服传统HUD的局限性。有人称这为HUD 2.0，但更多人称之为AR-HUD（augmented reality head-up display）。

AR-HUD示例：虚像被投射至与外部环境相关的距离，此时驾驶员可同时聚焦看到外部环境和投影信息

     AR-HUD技术的优势在于，在车辆的内部和外部使用了多个传感器，以便HUD和驾驶员将视觉体验与周围环境结合起来。AR-HUD 可以显示汽车的速度、车道路径以及与即将到来车辆的距离等与环境因素有关的信息。也就是说，AR-HUD可以匹配外部环境的深度和位置信息，所以驾驶员可以同时看到HUD投影信息和外部环境信息。

HUD使用的投影技术

      目前用于HUD的三项基本投影技术是激光投影技术、TFT技术和DLP技术。另外还有第四种全息技术，但基于全息技术的HUD未经广泛实验研制。不同投影技术的HUD具有不同的光学特性。例如，使用激光投影技术创建3D或AR投影是特别困难的，因为激光器使用单色光源来产生图像，当HUD投射固定2D图像时表现是没问题的。也就是说，使用激光进行更先进的3D或AR成像进行量产还处于概念性阶段。DLP 投影仪技术或TFT显示器目前广泛用于生产，通常用于2D和3D成像的传统HUD和AR-HUD。

       每种HUD都有其优缺点以及特殊的测试问题，以确保视觉性能。传统的HUD在2-4米的固定距离上显示信息。到目前为止，大多数的信息是没有三维深度的二维成像。然而，市场接受了这些传统HUD。

基于激光技术的HUD的优势和劣势

       基于激光技术的HUD依赖于单光束投影的图像生成单元(PGU)中的激光二极管系统。激光束发射到一个微镜板上，微镜板将激光束反射并引导到连接在挡风玻璃上的半透明膜，然后在固定的距离上将图像分发出去。这项技术主要应用于传统HUD，其投影距离是2到4米。

                        激光HUD系统示例

     激光HUD有一些显著的优势，它使用很小的部件，从而节省了车内的空间。它能量低，但输出功率高，且图像亮度极高。激光从反射镜反射会发生散射，因此它可以投射大视场范围的图像。

      现在有了激光技术，汽车制造商开始研究挡风玻璃应用。HUD在挡风玻璃上方投射的图像视场会更大，而传统的 HUD 只能在驾驶员视场的五个角度投射图像。

       然而，激光HUD也存在一些缺陷。激光技术使用单一光束来产生图像，即光线是直接照射向挡风玻璃的，它的折射导致相对于其它技术的HUD来说，清晰度相对较低。这会导致图像模糊，清晰度低，分辨率低。

      鬼影是这项技术的另一个问题。鬼影是所有HUD都存在的问题，但激光HUD尤其严重。

       激光技术的另一个特有问题是散斑。当激光光源会在玻璃表面反射从而产生散斑图案，就像一面镜子，随着视角的改变，视觉干扰在某些角度就会产生，散斑图案也随之改变。

       为了描述清这一点，我们想从根本上观察投影图像的一均匀性。我们可以使用成像解决方案来测试和观察散斑分布的亮度均匀性，为不同分辨率的HUD探寻一个视觉可接受程度。

TFTs的优势和缺陷

     当提到HUD时，TFTs是最基本、最传统、历史最悠久的技术，它们从20世纪80年代就已经存在了。这个种技术类似于激光HUD，使用 PGU 将信息投射到反射镜上。

                 基于TFTs技术的HUD系统示例

     第一片反射镜可以是平面的或凸面的。然后，投影图像被反射到一个旋转的凹面镜。就像激光HUD一样，它通过一系列薄膜和扩散器到达挡风玻璃上，然后以固定的距离投射出去---- 或者，在一些AR-HUD应用中，以不同的距离投射出去。

      TFTs技术HUD最常用技术有以下几个原因。首先，它技术原理相对简单，而且技术应用类型广泛，被用于所有类型HUD---- 传统类型、3D和AR类型。

       TFT显示技术已经被研究透彻，并且其性能和使用寿命已得到验证，在汽车行业引入新技术，这两个特性是需要考虑的。使用寿命周期是很受重视的，汽车中的任何显示器都需要具备7到10年的生命周期。而TFT技术的长使用寿命已得到广泛验证。

      TFTs技术的另一优点是其色彩分布稳定。因为显示器在生产过程中可以很容易地被调整和校准，因此HUD投影的图像信息可以保证是准确、明亮和可观的。

       TFTs技术最大的缺点是其亮度不足，它不能投影一个足够明亮的图像以应对各种环境光下的HUD图像。

      为了提高投影亮度，我们必须提高设备的功率，但功率提升会使得颜色分布偏离预期。

                示例：TFTs亮度增加后出现色移

      另一个缺点是，受限于使用TFT的尺寸和合成器单元的分布，其视场角较小。这受限于图像源本身，并不是所有TFT HUD的通病。

基于DLP投影技术的HUD的优点和缺点

       在DLP技术中，一个单位的电子处理单元信息会被传送到DMD上，DMD会在扩散屏上投射出一幅图像信息。HUD将图像信息光学放大，投影至挡风玻璃上然后被呈现在驾驶员的眼盒中。

                    DLP HUD原理示意图

     DLP技术的优势在于其可以应用于所有类型的HUD——AR、3D、2D，以及其他未来可能出现的其它类型。DLP芯片尺寸很小，但功能很强大，它在汽车应用中节约了空间和成本。

      由于DLP技术可以投射大范围图像，因此它可应用于大视场HUD。

      现在市场上的DLP芯片广泛用于电影院的投影设备中，这意味着我们有足够的使用经验来了解其亮度输出能力。DLP技术色彩度饱和，并且可能是三种技术中对比度最高的。

      基于DLP技术的HUD主要元件是DMD，DMD是一种光学微电子机械结构，能够进行光调制。每个DMD有800个可单独控制的微镜，这些微镜建立在相关的CMOS存储单元上。图像与DMD微镜之间映射不当可能会引起图像灰度相近区域的调制问题，进而出现空间频率、噪音或模糊现象，投影图像中灰度接近区域分辨率和对比度会降低。

      DLP技术最大的问题是投影图像在投影反射面的错位，这会出现清晰度和锐利度方面的异常，出现鬼影和失真现象。

               HUD出现投影图像和挡风玻璃的错位

      DLP投影技术市场相对较新，目前只有少数类型汽车使用DLP HUD。这项技术发展前景是巨大的，但也有很多挑战需要克服。

HUD的测试要求

       HUD测量系统或视觉检测系统可以保证汽车制造商正常生产HUD，同时保证HUD的质量与性能满足要求。

        HUD的基本测试要求——亮度、色度、均匀性、对比度，检查发光芯片单像素缺陷或单线条缺陷、调制传递函数、鬼影、畸变、眼盒大小等。

        然而，不同技术针对的测试重点不同，例如测试AR-HUD时，视场角度、投影距离、畸变、鬼影、MTF和眼盒大小是主要测试项。

       HUD测试要满足日益增加的各种投影距离要求，解析度和视场角要求。传统HUD的投影距离有限，最长只有4米。这些投影图像相对外部环境其距离和位置是固定的，并且信息是静态不变的。

         另一方面，AR-HUD投射的信息是实时响应的——它对车辆的外部环境进行反馈，呈现在我们眼前的信息是实时变化的，并且这些信息能投射在更大的视场角。

       因此，HUD测试设备要能够检测足够大的分辨率，并且要能检测很长距离和不同距离，且需要检测足够大的视场角。

       下面列了传统HUD和AR-HUD的一些测量要求：

      为了确保HUD的性能，需要解决测量难题；然而随着HUD从传统技术发展到AR-AUD技术，测量要求也越来越高。

     例如传统HUD亮度最高为10000坎德拉每平方米，然而AR-HUD亮度是其三倍，投影距离是其四倍。提高HUD的亮度是大势所趋，HUD测量系统也必须提高其测试性能。

      传统HUD和AR-HUD对于显示器尺寸要求和视场要求是有所不同的。随着显示器尺寸和视场的增大，空间量测变更越来越重要，换句话说，在HUD投影中需要在三维空间中准确定位图像位置，所以视场测量和解析度测量系统的存在是很有必要的。

      当图像需要根据实际外部环境变化位置时（比如AR-HUD焦距为20米），我们需要一个能根据外部信息变化实时灵活调节焦距的成像系统。

      最后一点是显示分辨率。HUD的分辨率和测量系统的分辨率应该是一致的。这意味着测量HUD的系统需要有一个更高的分辨率，以准确识别和描述投射最远焦距的图像信息。

评估不同的HUD的测试设备

     第一个问题是，你可能得需要多个设备来完整描述评估HUD的性能。你需要从计量学角度来描述一些指标，比如亮度和色度。你也需要清楚投影距离，图像尺寸与畸变，鬼影等信息。最后，如果你不想在投影区域内移动设备来测量，那你必须用一个场景来分析HUD的整个视场信息。

HUD测量系统的3个基本任务：1）计量；2）空间测量；3）全视场分析

      从’计量学角度看，HUD需要一件设备来测量绝对亮度和色度。这可以是光度校准设备的一种，制造商可以从中选取一种作出成光度计或色度计。

      使用这些传感器技术，散热是很重要的一环，因为你可能需要测量很弱的光学指标。例如测量0.0001坎德拉每平方米的光时，使用正确的传感器，加以好的散热并且校准好才能量测到。

       测试设备也需要有良好的动态范围，能够在同一场中既能测试弱光也能测试强光。

      除了以上光度计量学，你也得清楚HUD展示信息的维度，以及图像的成像水平。因此，图像畸变、信息扭曲或者鬼影等都需要被监控。

       传统设备使用人工检测或相机检测来进行空间检测。而最新的测试设备中，使用机器视觉更有利于来进行成像检测。

      当要测量HUD的全视场性能时，本文提到的所有参数都需要检测——对比度、均匀度和像像素坏点、线、斑点等潜在缺点。通常跨视场测量有两种方案，一种基于成像量测，另一种是效率较低的定向量测，如机械臂上加一个光谱仪。在后一种方案中，测量HUD需要移动好几米定位到不同的点上，这与基于成像量测的方案比需要更多的时间。

评价HUD多视场性能 左图为基于成像量测的方案；右图为基于定点量测的方案

HUD测量系统的重要性

      我们越来越关注像AR-HUD这种的远距离成像，它能在相对较小的尺寸下获得清晰的图像，因此它需要更高的分辨率。捕捉20米远的图像并且准确评估它们，需要精确的物体坐标。

HUD在2米和15米远成像。所有距离下清晰成像需要有足够的分辨率

      如果缺少了细节，我们的测量准确性就会受到影响。测量系统的分辨率需要与HUD匹配甚至更高，这才能确保成像被很好地评估。当测量对比度、MTF这些尤其重要。

      高分辨率成像对于所有的 HUD 应用都很重要。使用高分辨率成像系统，我们可以消除由测量系统分辨率有限引起的视觉异常。 

左图为100万像素相机成像；右图为2900万像素相机成像

     我们希望HUD能准确投像，并且能被测量系统准确测量。经验证明，测量系统的分辨率需要是HUD的两倍或三倍。