科普 | AR HUD技术难点解析

2022/11/17


在过去的5-7年里,中国车载HUD市场始终保持着稳定的增长速度,尽管目前HUD整体市场还没有像理想L9那样成为中国汽车的标配,但整体搭载量却在不断攀升。根据亿欧智库测算数据,预计到2025年,中国HUD市场规模将超过300亿,HUD整体渗透率达45%左右。而这其中,AR HUD将成为核心增长动力,在2025年渗透率提升至18%。


2022年11月16-17日,2022(第三届)汽车抬头显示(HUD)前瞻技术展示交流会在苏州举行,携手行业OEM、Tier1、HUD厂商、光学元件厂商、材料企业、测试验证企业以及第三方机构等300余位专家,共同探索抬头显示产品的发展与未来。FUTURUS首席科学家吴慧军博士受邀参与活动,围绕《基于虚实融合技术的AR HUD难点攻克及前景展望》主题展开深入分享。


当我们提到AR HUD,我们在谈论什么?


目前HUD行业关于AR HUD的产品并未达成清晰统一的定义共识,有观点认为FOV达到10*3°以上,VID超过7.5m的HUD就可以称之为是AR HUD产品。但事实上,仅从光学参数的角度无法完全定义AR HUD,因为AR技术的本质在于虚拟信息与真实世界的完美融合,这是仅靠光学设计本身难以达到的。


吴博士提到,严格意义上,AR增强现实的定义包括三个要素:
(1)真实和虚拟物体形状、位置等关键要素被精确地感知和呈现;
(2)真实和虚拟世界的完美融合;
(3)实时交互。

这也就决定了一个真正的增强现实显示技术需要从光学设计、软硬件、HMI交互等不同维度同时发力:
首先光学设计层面,单层的2D画面设计已经需要解决功耗、亮度、重影、视差等系列难题,AR HUD画面尺寸远大于传统HUD,这也导致AR HUD的光学设计难度呈几何级数提升;
硬件部分,AR HUD需要一个能够生成三维图像的PGU像源,投射超大画面、多重甚至连续景深三维光场(全息)影像;
软件层面,AR HUD对嵌入式软件和AR实时渲染引擎的要求也更高,需要保证四维时空的低延迟融合显示;

在HMI交互设计上,AR HUD要求以“极致体验”为目标,秉持“Less is More”和“Display in need”的原则,把用户最需要的、最重要的信息提供给驾驶者,弱化驾驶过程中对司机的信息负荷和干扰。


虚实融合,AR HUD的技术门槛


AR HUD 与WHUD最本质的区别在于,WHUD可以被定位为一个显示屏幕,但AR HUD不仅需要做显示,更难的是虚拟与真实的精准对位。


  • 技术难点1:对真实世界的感知
目前主机厂通常将HUD归类于智能座舱域,但AR HUD往往需要与自动驾驶域的ADAS数据进行打通,基于车身自有摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达,以及GPS、差分高精度定位、IMU等诸多传感器数据,实时感知车身运动姿态和外部环境物体姿态,并进行准确识别。


  • 技术难点2:虚拟世界的光场呈现
AR HUD要求对HUD画面进行连续变焦呈现,这一点传统的 WHUD 技术很难达到,需要借助三维的显示技术才能实现。但即使是目前市面上非常受追捧的奔驰S级所搭载的AR HUD,其实也只是一个VID为10m的单层画面,只能显示一组与真实路面无法融合的导航箭头。


  • 技术难点3:空间坐标系的对齐
基于对真实世界的感知和对虚拟世界的呈现,HUD必须快速完成虚拟影像与真实世界在空间坐标系上的定位坐标转换与对齐,也叫做空间融合。


  • 技术难点4:时间坐标系的低延时显示
车身自有传感器数据从采集到输入给HUD的AR实时渲染引擎完成虚像呈现,中间必然有一个时间差。根据FUTURUS目前的测算数据,这个延时的时间差需要控制在30ms以内。这对空间运动姿态捕捉及延时补偿算法的运算速率要求极高,甚至需要对场景识别的运动轨迹进行预判。



基于对AR HUD产品的本质洞察,FUTURUS已经推出了独家专利光场AR HUD产品,通过采用三维光场显示器而非简单动画或动图模拟的技术形式,在驾驶者视线前方的挡风玻璃外数米至无穷远的距离呈现三维的“全息”影像。结合低延迟实时融合软硬件系统及算法,可以达到实时的真AR融合效果。

同时,FUTURUS也将光场AR HUD多项核心技术下沉,提供搭载空间运动姿态捕捉及延时补偿算法和AR渲染引擎的2D AR HUD产品。该产品采取双焦面成像,近层画面FOV约10*3°,VID约4~5m,远层画面FOV达13/12*5°,VID约15~20m。远近层画面同轴,同时参与AR成像并可根据对道路环境的识别在转弯、近距离跟车等场景下实现远近画面联动跳转,避免AR画面钻车导致的眩晕等问题。


PGU路线之争:TFT-LCD还是DLP?


除了最关键的虚实融合技术门槛问题,AR HUD的量产上车同时也面临着底层光学成像和硬件层面的难题。尤其是在用于生成图像并发出光线的PGU领域,关于TFT-LCD和DLP的技术路线之争从未停止过。有观点认为,TFT-LCD虽然技术成熟,性价比高,但存在“阳光倒灌”风险;DLP是目前AR HUD领域最为成熟的技术,但成本较高;而基于LCOS和LBS的AR HUD解决方案正在快速推进中,未来可能成为黑马。


对此,吴博士表示,在行业认知里,通常认为HUD的成像质量(清晰度、对比度、色域等)与PGU的类型高度相关。但事实上,PGU的类型并不能直接决定上述参数。究其根本,PGU只是一种像源。不管是TFT-LCD、DLP、LCOS还是LBS,并不决定HUD的代次,也不直接决定HUD的光学性能。


如果DLP、LCOS和LBS的背光以及Diffuser设计的不够好,其性能甚至可能远不如TFT-LCD像源。这三种方案的光学设计,在吴博士看来,虽然技术方案非常有前景,也有很多明显的优势,但就目前来说,需要提高的地方还很多,需要业内同行一起努力,以尽快实现更优秀的光学表现。


近些年来随着技术的发展,PGU四种技术路线在光学成像上的差异已经微乎其微。从主机厂的角度考虑,无论采用哪种技术路径,都必须优先考虑可靠性和成本问题。而综合功能、性能、可靠性、成本、供应链成熟度,TFT-LCD都是主机厂在短期内的最佳方案。
吴博士提到,目前行业普遍存在的一个错误认知需要被纠正:选择TFT-LCD技术方案并不意味着一定会“烧屏”,而“烧屏”也不直接等同于“阳光倒灌”。


PGU的热管理面临着来自内部和外部的三重热源压力:

  1. 是背光温升,即PGU工作时LED发出的光线被液晶屏吸收产生的温升,以及LED自身发热对液晶屏产生的温升;

  2. 是阳光温升,HUD中用作放大光路的自由曲面镜通常采用凹面镜设计,而凹面镜也有光学聚焦的特性,当太阳光照射进PGU,可能会出现因光线汇聚而导致温度过高而失效,甚至导致PGU被烧毁的风险;

  3. 是环境温升,即设备的工作环境温度。


针对行业普遍担忧的TFT-LCD“烧屏”风险,FUTURUS也提出了相对应的技术解决方案,通过自研PGU和专利背光设计,可以精确控制LED发出光线的传播方向,提高能量利用效率,降低背光热效应,在维持低功耗的同时产生非常高的画面亮度,有效缓解因功耗太高导致PGU烧屏的问题。同时还优化了光学结构设计,可以有效降低或分散射入自由曲面镜的太阳光,降低阳光倒灌压力。


吴博士号召,进入AR HUD阶段以后,HUD供应商更需要抛弃对PGU的执念,在实景识别、图形渲染以及如何达成完美的虚实融合等软件、算法及HMI设计上下功夫。FUTURUS也期待与更多行业PGU合作伙伴携手,攻克PGU光路设计及空间干涉难题,加速AR HUD上车,让更多用户体验AR HUD带来的安全与便利。


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