風(fēng)擋上的進(jìn)階革命：讓增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與HUD歡樂(lè)玩耍

HUD作為一個(gè)從戰(zhàn)斗機(jī)中移植過(guò)來(lái)的高大上的技術(shù)，現(xiàn)在還基本上只能在高端車(chē)型上看到。但是，看看前幾天車(chē)云菌介紹的路虎Vision概念車(chē)上將會(huì)搭載的HUD技術(shù)，就知道在這個(gè)技術(shù)大爆炸的年代，HUD還沒(méi)有被大多數(shù)人享受到的時(shí)候，攻城獅們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)階研發(fā)了。

大陸集團(tuán)的最新HUD技術(shù)

回頭想想，HUD的出現(xiàn)是為了能夠讓駕駛員不需要去低頭就能看到想知道的一些信息，來(lái)保證行駛的安全。但是呢，目前的HUD上顯示的速度一類(lèi)信息或者簡(jiǎn)單的路線(xiàn)導(dǎo)航，卻并不能真的解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于大部分人來(lái)說(shuō)，在不熟悉而且交通擁堵的地方根據(jù)導(dǎo)航指示找路是件非常容易焦慮的事情，路不熟的情況下很容易走錯(cuò)。試想一下，讓一位初次進(jìn)入帝都的新手駕駛員從豐臺(tái)經(jīng)過(guò)五環(huán)前往回龍觀(guān)，錯(cuò)過(guò)一個(gè)出口得走多少冤枉路呀，在高峰時(shí)期，就更加鬧心了。

大陸的攻城獅們利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，研發(fā)出了一款新型的HUD，叫做Augmented Reality Head-Up Display(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AR-HUD)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

與傳統(tǒng)的HUD相同，AR-HUD上同樣會(huì)顯示車(chē)輛的基本數(shù)據(jù)，包括車(chē)輛行駛速度、當(dāng)?shù)叵匏俚鹊龋膮柡χ幵谟谝环矫嫒诤狭塑?chē)道偏離警告和ACC自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的顯示，另一方面能夠?qū)?dǎo)航路線(xiàn)和實(shí)時(shí)路況進(jìn)行高精度的顯示，來(lái)引導(dǎo)駕駛員們根據(jù)路線(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、變道。這些信息都會(huì)被投射到風(fēng)擋玻璃上。

常規(guī)的車(chē)道偏離警告大多是通過(guò)聲音警告或者是座椅的振動(dòng)。在AR-HUD上，如果你的車(chē)超過(guò)了道路的中間線(xiàn)或者要靠近路肩了，那么會(huì)在車(chē)道線(xiàn)邊緣的位置顯示出一排紅色的“貓眼”，來(lái)告訴你已經(jīng)超出了車(chē)道范圍，并且HUD上的道路符號(hào)也會(huì)把相應(yīng)的一側(cè)變成紅色來(lái)顯示，而當(dāng)你將車(chē)輛轉(zhuǎn)回到車(chē)道時(shí)，這些提示就會(huì)消失。

當(dāng)ACC功能被激活時(shí)，駕駛員能夠看到正前方車(chē)輛的后部有一道虛擬的弧線(xiàn)，表示攝像頭和雷達(dá)正在監(jiān)控這輛車(chē)來(lái)確定輛車(chē)的位置和適應(yīng)它的速度。當(dāng)車(chē)輛之間的距離改變時(shí)，HUD上的藍(lán)色條表明你正在安全的跟車(chē)距離之內(nèi)，而當(dāng)出現(xiàn)紅色的三角符號(hào)時(shí)，則表明兩車(chē)距離過(guò)近，將會(huì)有危險(xiǎn)。

如果說(shuō)前兩項(xiàng)功能只是對(duì)于這兩項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)的額外顯示，那么導(dǎo)航路線(xiàn)指示功能簡(jiǎn)直酷炫到?jīng)]朋友。當(dāng)你接近路線(xiàn)的下一個(gè)需要轉(zhuǎn)彎的路口時(shí)，AR-HUD上會(huì)顯示出一排的箭頭(Ʌ Ʌ Ʌ or > >>)，看上去像是附在道路的表面上，這些箭頭會(huì)指導(dǎo)你應(yīng)該在何處進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，當(dāng)你轉(zhuǎn)過(guò)彎后，箭頭就會(huì)消失。有了這項(xiàng)功能之后，完全不需要低頭去看導(dǎo)航，因?yàn)闆](méi)有提示的時(shí)候只需要繼續(xù)直行就可以了，而當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，這些藍(lán)色的小箭頭也保證了你不會(huì)錯(cuò)過(guò)。

腫么樣，看完之后有沒(méi)有心動(dòng)的趕腳?大陸方面表示，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)完畢，剩下的就是與車(chē)輛的整合工作了，真正的量產(chǎn)會(huì)在2017年。而造成如此酷炫效果的，是幕后的兩大功臣：投射裝備與控制單元。

分層顯示與DMD技術(shù)

AR-HUD上之所以能顯示出這樣的圖像，是因?yàn)樗鼘⒉煌?lèi)型的數(shù)據(jù)和圖形分層投射到風(fēng)擋玻璃上，就像在駕駛員面前有兩個(gè)投射面，其中一個(gè)顯示基本信息，另外一個(gè)顯示ADAS和導(dǎo)航相關(guān)的信息，分別有兩個(gè)元件進(jìn)行圖像生成。

負(fù)責(zé)基礎(chǔ)信息顯示的單元由一個(gè)薄膜晶體管、一個(gè)小型光學(xué)反射鏡、以及一個(gè)發(fā)光二極管的陣列組成，它會(huì)將圖像投射在靠近駕駛員一端。它的可視范圍是 5°×1°，相當(dāng)于一個(gè)寬210毫米、長(zhǎng)42毫米的矩形，投射距離為2.4米，與常規(guī)的HUD水平相當(dāng)，可以把它看做就是一個(gè)傳統(tǒng)的HUD。

分層的圖像投射：近端的基礎(chǔ)信息與遠(yuǎn)端的道路指示

AR-HUD的關(guān)鍵在于另外一個(gè)元件上，這個(gè)元件負(fù)責(zé)的就是使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的圖層，生成的圖像看上去就像是附著在道路表面上一樣，圖像被投射在遠(yuǎn)離駕駛員一端，它的投射距離更長(zhǎng)，是在駕駛員前方7.5米左右的位置形成圖像。光線(xiàn)的投射面積與一張A4紙張大小相近，最終的視野范圍是10°×4.8°，相當(dāng)于一個(gè)長(zhǎng)130厘米，寬63厘米的矩形范圍。它的關(guān)鍵在于內(nèi)置的DMD(Digital Micro-Mirror Device，數(shù)字微鏡裝置)芯片，是由德州儀器提供的光學(xué)半導(dǎo)體元件。

DMD芯片上有一個(gè)由幾十萬(wàn)面光學(xué)微鏡組成的鏡子矩陣，其中每一個(gè)鏡子都能被單獨(dú)控制進(jìn)行角度傾斜，芯片由電子電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)器件組成，電子電路為芯片的控制電路，機(jī)械結(jié)構(gòu)是控制鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而光學(xué)器件則是指鏡片矩陣。

當(dāng)DMD正常工作的時(shí)候，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)DMD芯片，鏡片便會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)反射光線(xiàn)，每個(gè)鏡片的旋轉(zhuǎn)都是由電路來(lái)控制的。每個(gè)鏡子一次旋轉(zhuǎn)只反射一種顏色，并將其作為獨(dú)立像素在投射屏上顯示出來(lái)。在AR-HUD上，DMD芯片會(huì)投射來(lái)自于紅、藍(lán)、綠三種顏色的發(fā)光二極管的顏色。鏡子的旋轉(zhuǎn)速度非常快，能達(dá)到上千轉(zhuǎn)，鏡片矩陣會(huì)在同一時(shí)間反射光線(xiàn)，投射到屏幕上以后，給人的視覺(jué)器官造成錯(cuò)覺(jué)，將快速閃動(dòng)的光線(xiàn)混在一起，就能在投影圖像上看到混合后的顏色。

HUD雖然叫做抬頭顯示，但實(shí)際上當(dāng)駕駛員平視前方的時(shí)候，也是需要略微低頭去觀(guān)察的。AR-HUD的偏向角是2°，而傳統(tǒng)HUD的偏向角基本上在6°左右。AR-HUD能夠自動(dòng)根據(jù)周?chē)h(huán)境進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，保證在任何外界環(huán)境下都能夠?qū)D片清晰地顯示出來(lái)。

四核控制單元

AR-HUD上顯示的所有這些圖像信息都并非由AR系統(tǒng)提供的，而是從實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛狀態(tài)的傳感器中獲得，所以在投射之前，需要先對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和排序，AR-HUD上進(jìn)行這項(xiàng)工作的叫做AR生成器(AR Creator)。AR生成器的核心是一個(gè)滿(mǎn)足車(chē)規(guī)的1.2GHz四核處理器。

系統(tǒng)會(huì)從三個(gè)來(lái)源進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，一個(gè)是安裝在汽車(chē)前方的雷達(dá)、一個(gè)是安裝在車(chē)內(nèi)后視鏡上的CMOS攝像機(jī)(監(jiān)測(cè)距離在4-60米)、以及從導(dǎo)航系統(tǒng)中獲取地圖數(shù)據(jù)并進(jìn)行編譯的大陸eHorizon單元。車(chē)輛本身的位置會(huì)通過(guò)GPS定位顯示在數(shù)字地圖上，如果沒(méi)有GPS信號(hào)，那么會(huì)根據(jù)GPS提供的最后一次位置，以及車(chē)輛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算。在大陸的原型車(chē)上，這部分的數(shù)據(jù)來(lái)自于安裝在其底盤(pán)上的陀螺儀模塊。[!--empirenews.page--]

對(duì)于生成器而言，不管是導(dǎo)航數(shù)據(jù)、還是車(chē)道偏離、ACC的數(shù)據(jù)，如何確保信息的同步顯示相當(dāng)重要。在AR-HUD上，工程師們通過(guò)卡爾曼濾波算法來(lái)進(jìn)行信息的預(yù)測(cè)。也就是，根據(jù)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)信息，過(guò)去的和現(xiàn)在的狀態(tài)信息，來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的數(shù)據(jù)。在預(yù)測(cè)中，會(huì)整合過(guò)去和現(xiàn)在的誤差，并對(duì)將要顯示的信息誤差也進(jìn)行評(píng)測(cè)，以保證精確度。

信息整合后，會(huì)根據(jù)駕駛員眼睛的位置進(jìn)行模擬，再進(jìn)行投射

在收集和整合信息之后，AR生成器還會(huì)對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬，讓其最終顯示出的形狀與從駕駛員眼睛看過(guò)去的位置是一樣的。在駕駛員頭部附近，有一個(gè) 160×60毫米的矩形空間，被叫做眼睛盒子(eye box)，來(lái)確定圖像的視野基線(xiàn)。大陸的工程師表示當(dāng)設(shè)備進(jìn)入量產(chǎn)階段時(shí)，會(huì)有一個(gè)安裝在駕駛艙內(nèi)的攝像頭來(lái)檢測(cè)駕駛員眼睛的位置，并追蹤眼睛盒子的定位。

車(chē)云小結(jié)：

雖然從技術(shù)上已經(jīng)基本開(kāi)發(fā)完畢，但是要真正地用到車(chē)輛上，AR-HUD還需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是要確定實(shí)際的駕駛員的視野下調(diào)角度，另外一個(gè)則是在元件的封裝上。大陸的原型車(chē)上，這套系統(tǒng)隱藏在儀表板的后方，占據(jù)了13升的空間。而傳統(tǒng)的HUD設(shè)備體積不會(huì)超過(guò)4升，大陸表示，AR-HUD不能做到傳統(tǒng)HUD設(shè)備的體積，不過(guò)要量產(chǎn)的話(huà)，體積必須減小到11升以下。

AR-HUD的另外一個(gè)問(wèn)題是，顯示的信息太多。不算上基礎(chǔ)信息，如果車(chē)道偏離、ACC與導(dǎo)航路線(xiàn)指示三項(xiàng)功能一起作用的話(huà)，當(dāng)你有車(chē)道偏離傾向的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)紅色的警告點(diǎn)，ACC會(huì)自動(dòng)找到道路前方的車(chē)輛目標(biāo)，會(huì)有一個(gè)虛擬的弧線(xiàn)一直存在，而且當(dāng)要轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，又有一系列藍(lán)色的箭頭來(lái)引導(dǎo)你轉(zhuǎn)完，那么最終HUD上的信息將會(huì)非常多。大陸的工程師表示他們一直在想辦法讓HUD上的信息不要太多，因?yàn)檫@會(huì)增加駕駛員的負(fù)擔(dān)，也會(huì)讓駕駛員的注意力從前方道路到這個(gè)HUD系統(tǒng)上，得不償失。但很顯然，這套系統(tǒng)上的信息還是可以再進(jìn)一步精簡(jiǎn)的。