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汽车抬头显示的下一战场——3D ARHUD

大家都知道,HUD抬头显示是为了让驾驶员以直观的方式去获取车辆信息,减少因低头查看仪表盘而造成的分心,提升驾驶安全。随着市场接受度、显示效果的提升,各大厂商在这一领域纷纷加码。


整体来看,前几年各大厂商的焦点在于如何优化产品效果与降低成本,而随着长城、吉利、上汽大通等国产车型量产WHUD,相关难题正一一破解。去年,奔驰S级发布了ARHUD,其酷炫的显示效果,受到业界的一致好评,此后,大众ID.4、红旗HS9也配备了这一产品。在奔驰的带动下,HUD战场开始向着技术高地AR HUD进行着转移。


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WHUD/2D ARHUD/3D ARHUD

显示效果对比


ARHUD 即 Augmented Reality Head Up Display,在ARHUD领域,我们还可以将之细分为2D- ARHUD与3D-ARHUD。其中2D的显示画面为平面,而3D则是立体视觉效果。下面,我们先将这二者与量产车上的WHUD进行一些对比。

类别
WHUD
2D-ARHUD
3D-ARHUD
画面距离
约2m处
至多7-10m
理论上无限远
成像效果
平面
平面
立体
缺点
驾驶员获取车辆信息画面与远方路况仍需切换视线,存在一定隐患
2D画面与3D路况难以实时对位,虚实距离易受晃动或坐姿影响,从而造成驾驶员误判
目前成熟方案少,成本高
优点
工艺成熟、成本低
效果较WHUD好,成本也稍低,现阶段更易实现量产
具备最佳显示效果,同一画面内不同信息可以放在不同距离,无需切换驾驶视线

看了上述表格,大家可能还是不够了解AR HUD中2D与3D间的差别。下面为大家简单的介绍一下。

2D ARHUD VS 3D ARHUD

WHUD/ARHUD一直都依赖光学凹面镜成像原理实现距离与视觉尺寸的放大,这个原理的影像畸变随着放大倍率而增大,因此通常HUD整体体积大,而视觉距离却无法太远,并且画面也局限在2D的状态。

2D ARHUD:虚像距离有限,大概在7-10m处。由于其显示画面是平面的,与AR HUD所讲的增强现实其实存在一定差距,譬如说当车头晃动或驾驶坐姿改变,虚实距离易产生偏差,反而容易造成驾驶员误判。


3D ARHUD:使用3D立体视觉技术可以让视觉距离随心所欲,要多远就多远,且同一画面内不同信息可根据需求摆放在不同的距离上,让驾驶视线不用在HUD信息与交通实况间切换,同时兼顾车辆信息与实际路况。

通过以下两个案例,或许大家能进一步理解:

转弯路口

信息画面重叠在实际转弯路口上方,随着转弯路口逐渐接近,HUD显示的信息也同步接近,驾驶员甚至不用理解200米、150米、80米、20米是什么概念,只需在提示信息的地方转弯即可。

前车车距

再比如其他信息的显示距离与前车距离相同,感觉上HUD信息仿佛贴在前车的车尾上,驾驶专注前车动态的同时便可以阅读HUD的信息,视线不用做任何切换。这样才能发挥HUD 确保驾驶员阅读信息不影响驾驶安全的终极目标。


技术高地-3D ARHUD


传统3D立体视觉技术众多,但应用到HUD领域上的却都未达成熟状态,这是HUD 仍只使用光学放大技术的原因。全息投影、3D眼镜与裸眼3D技术是目前在飞汽车市场上已经开始使用的两种,也是最有可能应用在车载HUD上的。

现有3D立体视觉技术:全息投影、3D眼镜与裸眼3D


全息投影

3D显像技术中最完美的,裸眼便可观看物体各种角度的立体画面,然而全息技术对环境条件与精度的要求严苛,不易在实验室以外的条件下使用,其成本更是让人望而却步,虽然许多HUD主要厂商与车厂都投资全息技术的初创公司如Digilens、Envisics、Ceres,但目前还未见量产成果。

大陆电子联合Digilens开发全息投影ARHUD,来源大陆电子

3D眼镜

左右眼独立画面的3D技术最为成熟,已经普遍使用在3D电影、3D电视、VR眼镜等商业应用上,但这种技术需要配戴特殊眼镜才能观看,不适合车上驾驶的场景应用。

裸视3D

不须配戴眼镜即可观看的3D技术称为裸视3D或自动3D技术,裸视3D的技术已开发许久,但受到技术限制不成熟,成本高效果却不理想。已经有部分产品上市,例如任天堂3DS、最近Sony的裸视3D平板电脑、Continental为奔驰开发的裸视3D仪表等等。然而这些传统裸视3D技术却无法应用到HUD产品上。


传统裸眼3D的技术缺陷以及技术创新

传统裸视3D采用的技术分为遮障光栅与柱状透镜光栅两大类,Continental 3D仪表采用遮障光栅的技术,这种方式成本稍低,但无论分辨率或亮度都只剩下1/2,而Sony的3D平板采用柱状透镜光栅技术,虽没有损失亮度,但是成本极高且分辨率照样损失一半。

这两种技术都具有一个致命的共通点,使之难以应用在HUD领域,那就是过高的串扰率(Crosstalk)。

串扰率,简单的说就是要让左眼观看的画面有一定的比例会让右眼看到,反之亦然。画面虽然可以产生立体效果,却也产生不必要的鬼影(ghost image),一般使用上串扰率低于20%,大部分鬼影就能被画面上其他影像所覆盖,降低不良影响,但HUD画面上只少许比例有信息影像,其他部分大多是黑画面,因此鬼影很容易干扰视线。

裸视3D要应用在HUD产品上,其串扰率至少要达到1%以下,最好控制在0.3%以内,这种目标无论是遮障光栅或柱状透镜光栅都难以达成。
               
 
当然,关于串扰率过高的问题,很多厂商进行了改进尝试,并取得了一定突破。比如说可以使用超高指向性的背光技术,不仅无损画面分辨率,亮度还可以得到增加。这一技术有部分厂商达到了可以量产的阶段。


经小编了解,国内HUD资深企业怡利电子便是其中一家,经过其研发团队的不断努力,从采用DLP光机到TFT技术,最终产品的成本甚至可以低于2D ARHUD,仅约同FOV的WHUD 1.5倍的价格,且由于合理的VID与放大倍率,其量产质量稳定性远高于2D ARHUD。通过传统TFT转向90度就可以达到1%以下的低串扰率,优化后TFT的串扰率甚至可达0.3%以下。

3D ARHUD采用真实的立体视觉,因此不需要很大的FOV与较远的VID,3D ARHUD体积与同FOV的WHUD 相差不多,已搭载WHUD的车款很容易转换成3D ARHUD。怡利3D ARHUD按TFT尺寸区分,有1.8英寸、3.1英寸和4.1英寸三种。

3D ARHUD 配套技术


裸视3D ARHUD需搭配楔型玻璃(或镀膜玻璃)来去除前挡反射的重影,为适应未来可能出现的全前挡显示的配置,最好搭配镀膜前挡来取代楔型玻璃的前挡,因为楔型玻璃只能去除正前方HUD的重影,无法去除侧方向的HUD重影,而镀膜的前挡却可以,据了解,福耀玻璃已经成功开发取代楔型玻璃的镀膜技术。

3D ARHUD需要眼球追踪系统使左右眼的画面投影左右眼正确的位置,DMS驾驶监控系统本身就具备眼球追踪的功能,但其规格必须要满足裸视3D的需求,目前怡利已成功开发出完全满足3D ARHUD需求的DMS产品。

3D ARHUD的未来——全风挡显示


3D ARHUD使用立体视觉中两眼聚合的视觉距离(CID),而非传统的光学虚像距离(VID),不需依赖凹面镜来放大VID,未来将朝向无光学系统的方向发展, 其体积将大幅度的缩小,并可置于仪表台任何地方,显示于前挡玻璃的任何地方,达到全前挡显示的效果。

应用场景比如驾驶正前方的主3D ARHUD、其左右两旁显示左右后视镜画面的HUD、前挡中央上部显示车内后视镜画面HUD、副驾驶正前方显示副驾驶专用娱乐HUD且其画面只有副驾看得见,驾驶看过去仍是全透明的前挡等等。3D ARHUD在前挡显示上的应用发展极具潜力与前景。

无论电子左右后视镜或电子车内后视镜都是未来的潮流。但由于2D显示缺乏距离感,其效果难以取代玻璃镜的传统后视镜,这个问题3D解决了。使用双镜头搭配3D ARHUD显示,将使得电子左右后视镜、车内后视镜具备与传统玻璃镜相同的距离感,有助于全面取代传统玻璃镜左右后视镜与车内后视镜。


总结

如今车辆逐渐电气化、智能化、自动化,但车辆与驾驶员间的沟通永远不可缺少。HUD是驾驶员与车辆沟通最安全的方法。传统凹面镜光学HUD受物理限制,其实际效果受限。经过不断的研发改善与技术突破,裸视3D ARHUD应运而生。裸视3D ARHUD突破原理限制,实现了体积小,既可显示在前挡任何位置,又可无限动态对准路况真实距离,从而大幅提高驾驶安全性与体验感。3D ARHUD无疑会成为车辆信息显示的终极方案。


本文来源:怡利电子集团股份有限公司  董事长  陳錫勳

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