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增强现实的未来之路

由基思·柯克帕特里克
ACM通信，2021年12月，第64卷第12期，第20-22页
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汽车平视显示器(hud)是一种能够将关键车辆信息透明地投射到驾驶员视野中的系统，最初是为军用航空用途而开发的，其名称的起源源于飞行员能够将头部“向上”并向前看来查看信息，而不是“向下”查看驾驶舱的仪表和仪表。HUD在飞行员的自然视场(FOV)中投射和叠加数据，提供了额外的好处，消除了飞行员在外部视图和仪器之间切换时需要重新聚焦的需求，这可能会影响反应时间、效率和安全，特别是在战斗情况下。

在汽车方面，主要的担忧是分心驾驶，或将司机的注意力从道路上转移的行为。根据美国国家公路运输安全管理局的数据，在2019年，分心驾驶导致3142人丧生，这是最近公布的统计数据。在时速55英里的情况下，只把视线移开5秒钟，就相当于闭着眼睛开车穿过一个足球场的长度。

因此，为了确保驾驶员的眼睛能集中在路面上，而不是低头看仪表盘上的仪表，这种愿望推动了适合用于量产汽车的hud的发展。第一个作为原始设备的汽车HUD是在1988年的Oldsmobile Cutlass Supreme和Pontiac Grand Prix上发现的;这两款车都是单色的，只显示速度计的数字读数。

由于越来越多的汽车传感器和摄像头、先进的驾驶辅助系统(ADAS)特性和功能(如自动制动、前倾避免碰撞、车道保持辅助和盲点监测等)以及更强大的车载处理器的加入，汽车制造商已经在商用车中安装了HUD单元，以提供更重要的驾驶数据，如速度、发动机转速、罗盘航向、方向信号指示器、燃油经济性和其他基本信息，使驾驶员能够集中精力在路上，而不是低头查看仪表板或辅助屏幕。

支持大多数HUD类型的技术是基于使用处理器来生成来自传感器的数据的数字图像。然后，这些图像从位于汽车仪表板上的一个单元以数字方式投射到一面或多面镜子上，然后，镜子将图像反射到位于方向盘后面的一个单独的屏幕上，或直接投射到司机前方视野中的汽车挡风玻璃上。常用的投影和显示技术包括液晶显示(LCD)、硅上液晶(LCoS)、数字微镜设备(dmd)和有机发光二极管(oled)，它们已经取代了早期hud中使用的阴极射线管(CRT)系统，因为它们的亮度随着时间的推移会下降。

将信息投射到单独透明屏幕上的hud称为组合hud;这些系统之所以受欢迎，是因为安装系统所需的物理空间不大，而且由于系统是完全集成的，原始设备制造商不需要设计一个考虑到每辆车的独特挡风玻璃角度或位置的系统。然而，这种类型的HUD受到几个因素的限制;也就是说，合成器HUD的光学观看路径比透过挡风玻璃观看更短，当驾驶员在看挡风玻璃外和查看显示屏之间切换时，眼睛必须稍微重新聚焦到更短的视觉距离上。此外，合成器提供的尺寸和视野(FOV)有一个实际的限制;在现代汽车中，添加镜子和更大的组合屏幕会比简单地使用挡风玻璃作为显示面更显得突兀和不那么优雅。

由于hud远远不是大多数车辆的标准汽车设备，HUDWAY和Navdy等公司已经生产了手机支架和屏幕，设计成允许智能手机作为平视显示器运行。从本质上说，这些设计就像组合系统，因为它们需要一个单独的屏幕来查看显示，并且受到许多与oem装备的组合HUD系统相同的限制。虽然Navdy在2018年倒闭，但HUDWAY仍在接受其HUDWAY Drive系统的订单，每台成本为229美元。

由于组合系统的技术限制，大多数汽车整车厂都在提供能将信息直接投射到挡风玻璃上的显示器，这种显示器包含的数据量要大得多，被称为w型显示器。这些更先进的系统包含ADAS系统状态信息(如显示自适应巡航控制系统、自动制动系统、避碰技术、红外夜视技术、车道保持辅助技术，以及最终的半自动自动驾驶系统数据)。

最先进的系统包括增强现实技术，这涉及到在HUD中叠加特定的增强符号或图像到现实世界的物体或道路上，为司机提供更多的信息、细节和清晰度。一些系统还将结合来自GPS导航系统的数据，如清晰的方向图形、街道名称、增强的车道标记、路标和路线编号，甚至是道路上其他车辆/物体的表示。目前采用该技术的车型包括奥迪Q4 E-tron、奔驰S级和现代IONIQ 5。

HUD设计师面临的主要挑战包括准直、亮度和清晰度。准直指的是将投影仪发出的光线对准，使它们彼此平行，这样投射出来的图像看起来就像是漂浮在车辆的前方，并与外部世界无缝融合。这确保司机可以观看道路和显示器无需重新对焦。整车厂需要设计将每个系统整合到每辆车中，以便不同身高的司机仍然可以将他们的眼线放在正确的位置，以正确地查看HUD图像。

有几种不同的方法可以实现这一点;调节目镜高度使用一个小马达倾斜其中一个HUD镜子向上或向下;应用更多的图形处理结合驱动监控系统来补偿对齐的变化，或者设计一个更大的眼盒，这样HUD的光轴就不需要调整，图形对齐也可以保持。通常，后两种方法的组合被用来提供一个优雅的系统，为不同高度和座位位置的司机提供最佳的观看角度。

亮度，同时，指的是显示器的亮度，它必须在所有照明条件下可见，从明亮的晴天，到阴天，当然，在晚上。

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“由于显示基于位置的广告信息而导致的屏幕杂乱导致认知过载的风险需要解决。”

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今天HUD设计师面临的另一个挑战是清晰度:决定哪些信息应该或不应该显示在HUD上，以及如何显示。此外，人们还担心信息可能超载。市场研究公司Frost & Sullivan的移动研究分析师阿努哈布•格罗弗表示:“由于显示基于位置的广告信息导致屏幕混乱，导致认知过载的风险需要解决。”他指的是外部合作伙伴可能希望向司机显示对驾驶不重要的额外信息或图像。“重要的是，增强现实的使用要尽量精简，只显示改善驾驶员感知所需的相关信息。为此，用户体验和用户界面设计将非常重要。”

增强现实技术可以通过使用图形图像来帮助完成这项任务，图形图像可以传递容易被驾驶员理解的信息，同时还可以增加视野，减少HUD系统的物理体积。

一些著名的技术已经完成了原型，预计将在未来五年内投入量产车辆，包括利用激光全息和波导投影技术的AR hud。在激光全息AR hud中，使用激光将仪表盘上的AR内容传输到挡风玻璃上，挡风玻璃上嵌入了全息胶片，该胶片上的图像具有三维效果，因此投影的AR数据似乎覆盖在现实世界的物体上。同样，全息显示器使用波导技术，或光可以通过的光通道，利用衍射、波长多样性和反射的光学原理，将图像投射到集成在挡风玻璃中的全息图上，而不是使用传统的DLP投影仪。这些方法的主要好处包括提高图像清晰度和创建一个更大的眼箱，可以让用户调整他们的座位或姿势，而不失去查看AR HUD的能力。

Grover表示，利用这些先进技术开发的AR hud可以在更广阔的视野内提供更清晰的图像，同时安装在车辆上所需的物理空间要小得多，这是oem的一个关键考虑因素。如今的AR hud的物理体积通常约为15到20升，或只比一个典型的鞋盒多一点，而使用DLP投影仪和镜子的新设计可能会将其缩小到六分之一左右。

例如，德国跨国汽车零部件制造商大陆汽车公司和位于加州森尼维尔市的DigiLens公司共同开发了下一代AR HUD原型机，该原型机使用全息波导投影仪直接在挡风玻璃上显示视觉信息。DigiLens公司为增强扩展现实(XR)显示器生产全息波导。

同样，总部位于瑞士的HUD制造商WayRay也与众多汽车整车厂建立了合作关系，该公司使用了全息激光投影仪技术，其中包含了用于显示全息图像的全息光学元件(HOE)，该元件可以被模压到柔性或曲面上，如挡风玻璃。该系统还使用安装在汽车仪表板上的图像生成单元(PGU)，该单元由激光模块、数字光处理单元和校正光学模块组成。HOE用于反射PGU投影的图像。

与此同时，松下的AR HUD还采用了英国全息技术初创公司Envisics开发的激光全息技术，并集成了加州Phiar Technologies开发的空间AI技术。除了显示前方道路，该系统还可以识别并警告司机有关外来物体、其他车辆、行人和骑自行车的人，同时还提供诸如即将到来的立交桥高度等信息。

一级汽车零部件供应商电装(Denso)也在研发AR HUD，但该公司以与整车厂签订了保密协议为理由，拒绝提供细节。

另一个目前的原型来自苏格兰的Ceres Holographics公司，该公司正在开发利用薄膜全息光学元件(HOEs)的全息透明显示和AR系统。该系统使用一个嵌入汽车仪表盘的小型投影仪和一层镶嵌在挡风玻璃玻璃中的全息薄膜，将汽车仪表盘和导航系统的平面全息图直接投射到司机的视线中。

Ceres Holographics公司的首席执行官安迪·特拉弗斯表示，将胶片融入挡风玻璃的关键挑战在于物理定律。特拉弗斯说:“全息AR HUD的问题在于，特别是当胶片位于挡风玻璃中时，会遇到来自特定方向的入射光。”“在某些情况下，它会在挡风玻璃上产生彩虹神器，这被认为是分散注意力。所以，当我们和其他公司试图解决这个问题时，在汽车公司中存在着关于何种程度的人工制品是可接受的或不可接受的争论。”

据Grover称，AR HUD上显示的信息是传感器融合的结果，融合了车辆内部的感官信息，包括传统的HUD数据与雷达传感器和其他车辆传感器数据的输入，以及数字地图和GPS数据，以提供车辆外部世界的虚拟视图。Grover表示:“未来，先进的AR hud将能够将复杂的图像与驾驶员的环境完全集成并适应。”“例如，即使在雾天的夜晚，使用汽车的热传感器，AR hud也能够探测和显示动物或人类物体，”提高了在这种低光或其他不利天气条件下的安全性。

根据市场研究公司高德纳(Gartner)的《2020年汽车技术优先组合》(2020 Priority Mix for Automotive Technologies)，非AR hud(那些只在驾驶员面前投影速度、转速或罗盘方向等信息，但不将数据叠加到现实物体上的hud)预计将在两年内成为主流技术，而AR技术预计将在5到10年内成为消费汽车的主流技术。主要的汽车原始设备制造商和一级供应商，包括戴姆勒、宝马、捷豹、现代和其他公司，都致力于AR显示器的开发和商业化，他们建立了合作伙伴关系、战略联盟，或投资于技术公司，如保时捷(WayRay)、大众(SeeReal Technologies)、通用汽车和现代摩比斯(Envisics)、大陆(DigiLens)和福特(Mishor 3D)。

AR HUD技术可能会帮助司机更好地了解车辆的操作系统、导航方向和信息娱乐系统(如电台)，同时让他们专注于前方的道路。然而，格罗弗表示:“对AR hud来说，优先考虑情境和上下文内容至关重要。”他指出，“人工智能和深度学习应用引擎可以通过优先考虑驾驶员需要看到的信息来发挥这一作用。”

进一步的阅读

Ogbac, S。
什么是平视显示器?

他们值得吗?，电动机的趋势2020年7月14日，https://www.motortrend.com/news/head-up-display/

奥迪Q4的增强现实平视显示器，AirCar2021年3月9日，https://www.youtube.com/watch?v=4HW0WsqDP-E

Hudway:https://hudway.co/glass

全息胶片-它是什么?在哪里使用?

https://nobelusuniversity.com/2017/05/05/holographic-film-what-is-it-and-where-is-it-used/

顶级平视显示器公司

https://www.ventureradar.com/keyword/Head-Up%20Display

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