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科普 | AR HUD技术难点解析

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 近年来,ADAS高级驾驶辅助技术和AR增强现实交互技术的进一步发展推动HUD技术革新,兼具实用性、科技感、且能为用户打造沉浸式体验的AR HUD成为各大主机厂关注焦点。

区别于普通WHUD只能在2D的平面内显示仪表功能,AR HUD基于增强现实技术,可以将车辆变道、拐弯等导航诱导信息直接投射到驾驶者视线前方的路面上,还能结合道路实际路况,为驾驶员提供夜视系统、碰撞预警、车道保持、车道偏离预警、盲区预警、行人预警、障碍物预警、交通信号灯监测等服务。相比传统HUD,AR HUD极大地提升了驾驶员在驾车过程中的用户体验。

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。

FUTURUS首席科学家吴慧军博士认为,在严格意义上,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

吴博士提到,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。

理想中的AR HUD

在过去的两年里,有不少车型推出了AR HUD功能,比如奔驰 S 级轿车、大众 ID. 系列、红旗 E-HS9、长城 WEY 摩卡等,AR HUD迅速站上汽车智能化风口,市场关注度不断攀升。但这些顶着AR HUD名头出道的产品,在视觉效果上的确做出了改进,比如图像更大更清晰,成像距离更远,有的甚至颇具动态感,但是实际体验下来的感受却差强人意,其根本原因在于HUD画面与道路环境的不融合。

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。

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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。

电动化、智能化、网连化、共享化已经成为汽车行业未来的发展趋势,汽车也正在由交通工具向智能移动终端演变,这些趋势将带来人的生活与出行方式的极大变革。以前风挡为显示界面的AR HUD有望凭借更大的显示尺寸以及更优的沉浸式体验逐步替代中控及仪表,成为人车交互的新窗口。而主机厂也应当抓住这个机会,基于AR HUD交互优势探索下一代互联网的生态,一旦成为现实,带来的将是整个汽车产业价值链的重构。

 

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