风挡上的进阶革命:让增强现实与HUD欢乐玩耍

标签:技术智能汽车HUD

访客:24071  发表于:2014-07-18 08:11:04

HUD作为一个从战斗机中移植过来的高大上的技术,现在还基本上只能在高端车型上看到。但是,在这个技术大爆炸的年代,HUD还没有被大多数人享受到的时候,攻城狮们已经开始进阶研发了。

风挡上的进阶革命:让增强现实与HUD欢乐玩耍
大陆集团的最新HUD技术

回头想想,HUD的出现是为了能够让驾驶员不需要去低头就能看到想知道的一些信息,来保证行驶的安全。但是呢,目前的HUD上显示的速度一类信息或者简单的路线导航,却并不能真的解决这个问题。对于大部分人来说,在不熟悉而且交通拥堵的地方根据导航指示找路是件非常容易焦虑的事情,路不熟的情况下很容易走错。试想一下,让一位初次进入帝都的新手驾驶员从丰台经过五环前往回龙观,错过一个出口得走多少冤枉路呀,在高峰时期,就更加闹心了。

大陆的攻城狮们利用增强现实技术,研发出了一款新型的HUD,叫做Augmented Reality Head-Up Display(以下简称AR-HUD)来解决这个问题。

与传统的HUD相同,AR-HUD上同样会显示车辆的基本数据,包括车辆行驶速度、当地限速等等,它的厉害之处在于一方面融合了车道偏离警告和ACC自适应巡航控制系统的显示,另一方面能够将导航路线和实时路况进行高精度的显示,来引导驾驶员们根据路线进行转弯、变道。这些信息都会被投射到风挡玻璃上。

常规的车道偏离警告大多是通过声音警告或者是座椅的振动。在AR-HUD上,如果你的车超过了道路的中间线或者要靠近路肩了,那么会在车道线边缘的位置显示出一排红色的“猫眼”,来告诉你已经超出了车道范围,并且HUD上的道路符号也会把相应的一侧变成红色来显示,而当你将车辆转回到车道时,这些提示就会消失。

当ACC功能被激活时,驾驶员能够看到正前方车辆的后部有一道虚拟的弧线,表示摄像头和雷达正在监控这辆车来确定辆车的位置和适应它的速度。当车辆之间的距离改变时,HUD上的蓝色条表明你正在安全的跟车距离之内,而当出现红色的三角符号时,则表明两车距离过近,将会有危险。

如果说前两项功能只是对于这两项主动安全技术的额外显示,那么导航路线指示功能简直酷炫到没朋友。当你接近路线的下一个需要转弯的路口时,AR-HUD上会显示出一排的箭头(Ʌ Ʌ Ʌ or > >>),看上去像是附在道路的表面上,这些箭头会指导你应该在何处进行转弯,当你转过弯后,箭头就会消失。有了这项功能之后,完全不需要低头去看导航,因为没有提示的时候只需要继续直行就可以了,而当需要转弯时,这些蓝色的小箭头也保证了你不会错过。

肿么样,看完之后有没有心动的赶脚?大陆方面表示,现在这项技术已经基本开发完毕,剩下的就是与车辆的整合工作了,真正的量产会在2017年。而造成如此酷炫效果的,是幕后的两大功臣:投射装备与控制单元。

AR-HUD上之所以能显示出这样的图像,是因为它将不同类型的数据和图形分层投射到风挡玻璃上,就像在驾驶员面前有两个投射面,其中一个显示基本信息,另外一个显示ADAS和导航相关的信息,分别有两个元件进行图像生成。

负责基础信息显示的单元由一个薄膜晶体管、一个小型光学反射镜、以及一个发光二极管的阵列组成,它会将图像投射在靠近驾驶员一端。它的可视范围是5°×1°,相当于一个宽210毫米、长42毫米的矩形,投射距离为2.4米,与常规的HUD水平相当,可以把它看做就是一个传统的HUD。

风挡上的进阶革命:让增强现实与HUD欢乐玩耍
分层的图像投射:近端的基础信息与远端的道路指示

AR-HUD的关键在于另外一个元件上,这个元件负责的就是使用增强现实技术的图层,生成的图像看上去就像是附着在道路表面上一样,图像被投射在远离驾驶员一端,它的投射距离更长,是在驾驶员前方7.5米左右的位置形成图像。光线的投射面积与一张A4纸张大小相近,最终的视野范围是10°×4.8°,相当于一个长130厘米,宽63厘米的矩形范围。它的关键在于内置的DMD(Digital Micro-Mirror Device,数字微镜装置)芯片,是由德州仪器提供的光学半导体元件。

DMD芯片上有一个由几十万面光学微镜组成的镜子矩阵,其中每一个镜子都能被单独控制进行角度倾斜,芯片由电子电路、机械结构和光学器件组成,电子电路为芯片的控制电路,机械结构是控制镜片转动的结构,而光学器件则是指镜片矩阵。

当DMD正常工作的时候,光线经过DMD芯片,镜片便会通过转动来反射光线,每个镜片的旋转都是由电路来控制的。每个镜子一次旋转只反射一种颜色,并将其作为独立像素在投射屏上显示出来。在AR-HUD上,DMD芯片会投射来自于红、蓝、绿三种颜色的发光二极管的颜色。镜子的旋转速度非常快,能达到上千转,镜片矩阵会在同一时间反射光线,投射到屏幕上以后,给人的视觉器官造成错觉,将快速闪动的光线混在一起,就能在投影图像上看到混合后的颜色。

HUD虽然叫做抬头显示,但实际上当驾驶员平视前方的时候,也是需要略微低头去观察的。AR-HUD的偏向角是2°,而传统HUD的偏向角基本上在6°左右。AR-HUD能够自动根据周围环境进行亮度调节,保证在任何外界环境下都能够将图片清晰地显示出来。

四核控制单元

AR-HUD上显示的所有这些图像信息都并非由AR系统提供的,而是从实时监控车辆状态的传感器中获得,所以在投射之前,需要先对传感器进行数据采集,再对数据进行融合和排序,AR-HUD上进行这项工作的叫做AR生成器(AR Creator)。AR生成器的核心是一个满足车规的1.2GHz四核处理器。

系统会从三个来源进行数据的收集,一个是安装在汽车前方的雷达、一个是安装在车内后视镜上的CMOS摄像机(监测距离在4-60米)、以及从导航系统中获取地图数据并进行编译的大陆eHorizon单元。车辆本身的位置会通过GPS定位显示在数字地图上,如果没有GPS信号,那么会根据GPS提供的最后一次位置,以及车辆的动态数据进行模拟计算。在大陆的原型车上,这部分的数据来自于安装在其底盘上的陀螺仪模块。

对于生成器而言,不管是导航数据、还是车道偏离、ACC的数据,如何确保信息的同步显示相当重要。在AR-HUD上,工程师们通过卡尔曼滤波算法来进行信息的预测。也就是,根据车辆的动态信息,过去的和现在的状态信息,来预测未来的数据。在预测中,会整合过去和现在的误差,并对将要显示的信息误差也进行评测,以保证精确度。

风挡上的进阶革命:让增强现实与HUD欢乐玩耍
信息整合后,会根据驾驶员眼睛的位置进行模拟,再进行投射

在收集和整合信息之后,AR生成器还会对这部分数据进行模拟,让其最终显示出的形状与从驾驶员眼睛看过去的位置是一样的。在驾驶员头部附近,有一个160×60毫米的矩形空间,被叫做眼睛盒子(eye box),来确定图像的视野基线。大陆的工程师表示当设备进入量产阶段时,会有一个安装在驾驶舱内的摄像头来检测驾驶员眼睛的位置,并追踪眼睛盒子的定位。

小结:

虽然从技术上已经基本开发完毕,但是要真正地用到车辆上,AR-HUD还需要解决两个问题,一个是要确定实际的驾驶员的视野下调角度,另外一个则是在元件的封装上。大陆的原型车上,这套系统隐藏在仪表板的后方,占据了13升的空间。而传统的HUD设备体积不会超过4升,大陆表示,AR-HUD不能做到传统HUD设备的体积,不过要量产的话,体积必须减小到11升以下。

AR-HUD的另外一个问题是,显示的信息太多。不算上基础信息,如果车道偏离、ACC与导航路线指示三项功能一起作用的话,当你有车道偏离倾向的时候,会出现红色的警告点,ACC会自动找到道路前方的车辆目标,会有一个虚拟的弧线一直存在,而且当要转弯的时候,又有一系列蓝色的箭头来引导你转完,那么最终HUD上的信息将会非常多。大陆的工程师表示他们一直在想办法让HUD上的信息不要太多,因为这会增加驾驶员的负担,也会让驾驶员的注意力从前方道路到这个HUD系统上,得不偿失。但很显然,这套系统上的信息还是可以再进一步精简的。

(本文转自车云网 文/王珺)

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