德州儀器開發(fā)AR擋風(fēng)玻璃HUD
近年來，HUD在汽車行業(yè)中獲得了越來越多的關(guān)注度以及青睞。從豪華的雷克薩斯（Lexus）到街車MiniCooper，這種技術(shù)隨處可見。一般來說，在汽車擋風(fēng)玻璃的下邊緣會顯示有用的信息，比如車速。半透明的圖像不會干擾司機對前方道路的觀察，而且它可以讓司機在大部分時間里都沒有必要低頭看儀表盤。
什么是HUD
HUD，即抬頭數(shù)字顯示儀（Heads Up Display），又叫平視顯示系統(tǒng)，它可以把重要的信息，映射在風(fēng)窗玻璃上的全息半鏡上，使駕駛員不必低頭，就能看清重要的信息。
這種顯示系統(tǒng)，原是軍用戰(zhàn)斗機上的顯示系統(tǒng)，飛行員不必低頭，就能在風(fēng)窗上看到所需的重要信息。目前，一些高級汽車把它移植到汽車上來。隨著AR技術(shù)的出現(xiàn)，HUD成為汽車行業(yè)中的新一項重大發(fā)明，如今，該技術(shù)得到了汽車制造商和一級供應(yīng)商的關(guān)注，進入到積極開發(fā)AR擋風(fēng)玻璃HUD的階段
按照顯示屏的不同，HUD可分為CHUD （Combiner HUD 組合型）和WHUD（Windshield HUD 擋風(fēng)玻璃HUD）。CHUD顯示屏為放置于儀表上方的一塊透明樹脂玻璃，一般會根據(jù)成像條件對這塊玻璃進行特殊處理，通常做成楔形來避免玻璃兩面的反射重影,可以有效控制成本，提高顯示效果。
但CHUD置于儀表上方，在車輛碰撞時會對駕駛員產(chǎn)生二次傷害，不利于車內(nèi)安全。而WHUD顯示屏直接使用汽車的擋風(fēng)玻璃，顯示效果更為一體化，也有助于造型布置。但由于擋風(fēng)玻璃一般為曲面玻璃，因此WHUD一定要根據(jù)擋風(fēng)玻璃的尺寸和曲率去適配高精度非球面反射鏡，這也直接導(dǎo)致了WHUD成本的升高。
德州儀器開發(fā)的芯片
目前運用在HUD上的投影技術(shù)，主要有LCD投影、DLP投影、激光掃描投影、LCOS投影等技術(shù)。這其中的DLP投影即DLP（Digital Light Processing）數(shù)字光處理技術(shù)，是美國TI（Texas Insturuments德州儀器）公司的專利技術(shù)，通過集成了數(shù)十萬個超微型鏡片的DMD（數(shù)字微鏡芯片）可以將強光源經(jīng)過數(shù)字反射后投影出來。
LP投影技術(shù)亮度高、分辨率高、成像逼真，目前較多的前裝HUD均采用此種技術(shù)，德州儀器公司也一直在汽車行業(yè)推廣DLP。不過，由于DLP投影的是整個平面，為了提升顯示效果需要針對不同的擋風(fēng)玻璃，定制高精度的反射非球面鏡，這也直接導(dǎo)致了DLP HUD成本的提高。
真正的增強現(xiàn)實AR-HUD
真正的增強現(xiàn)實顯示需要有至少10度的寬視場（FOV）以及7.5米或更大的虛擬圖像距離（VID）。FOV表示以度為單位的顯示大小，而VID表示圖像投影的距離。在汽車HUD中，VID表示圖像出現(xiàn)在道路上的距離。AR技術(shù)背后的理念是在現(xiàn)實世界之上疊加數(shù)字信息，增強駕駛員對當(dāng)下情景的了解并改善其駕駛體驗。FOV越大，虛擬圖像距離越長，顯示的效果也就越好。
長時間以來，設(shè)計AR顯示面臨的兩項最大挑戰(zhàn)是亮度和太陽能負載的問題。AR顯示需要盡可能寬和亮，這就需要成像儀發(fā)出大量光。駕駛員還需要盡可能遠地將圖像投射到道路上。當(dāng)今的HUD可達到的FOV為7到8度或更小，并且可以在前方2.0到2.5米的道路上“投射”圖像。這些圖像看起來像漂浮在汽車的引擎蓋上。人們希望通過AR HUD使圖像投射到更遠的地方，使圖像真正做到增強并與駕駛員的視野互動。
為了延長虛擬圖像的距離，設(shè)計放大倍數(shù)為25到30倍的系統(tǒng)已屢見不鮮，但這樣的設(shè)計弊端是太陽能負載（即太陽能）集中于HUD成像儀面板上極小塊區(qū)域時會產(chǎn)生過大負荷熱量。這種高倍數(shù)放大會將成像儀面板移向距離HUD光學(xué)器件焦點更近的地方，從而提高單位面積太陽能的集中度。
得益于德州儀器的DLP技術(shù)，這種技術(shù)要先把影像訊號經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來。DLP技術(shù)最核心的器件叫DMD芯片，即數(shù)字微鏡元件，它是在CMOS的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程上，加上一個可以調(diào)變反射面的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)形成的器件。DMD也被稱作光學(xué)的調(diào)制器，它能調(diào)制光線的方向。IC的數(shù)字電流是用0和1信號控制開和關(guān)，DMD鏡片控制光線的開和關(guān)對應(yīng)著不同的反射角度。
最初，這項技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字投影中，德州儀器與好萊塢探討推出了數(shù)字影院的放映機，這對數(shù)字電影的發(fā)展起到了巨大推動的作用，電影行業(yè)因此從膠片過渡到了數(shù)字時代。如今，德州儀器在全球影院市場的占有率高達85％，而中國市場超過90％的影院都是采用DLP數(shù)字源放映機。
回歸到汽車的話題上，德州儀器針對車載抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)推出了DLP3030-Q1芯片組以及配套的評估模塊（EVM），可幫助汽車制造商和一級供應(yīng)商將高亮度的動態(tài)增強現(xiàn)實（AR）內(nèi)容顯示到擋風(fēng)玻璃上，從而將關(guān)鍵信息呈現(xiàn)于駕駛員的視線范圍內(nèi)。設(shè)計人員可以利用車規(guī)認證的DLP3030－Q1芯片組來開發(fā)可投射7．5米或更遠的虛擬圖像距離（VID）的AR HUD系統(tǒng)。
DLP技術(shù)的獨特架構(gòu)使HUD系統(tǒng)能夠承受投射遠VID時伴隨的強烈的太陽光負荷（最高溫度達105攝氏度），從而實現(xiàn)這一目標(biāo)。增強的VID和在寬視場（FOV）中顯示圖像的能力相結(jié)合，使設(shè)計人員能夠靈活地創(chuàng)建具有增強景深的AR HUD系統(tǒng)，以實現(xiàn)交互式而非分散的信息娛樂和儀表組系統(tǒng)。
DMD的工作原理及其優(yōu)勢
從原理上看，DLP技術(shù)是以一種微機電元件為基礎(chǔ)，稱為數(shù)字微型反射鏡元件（Digital Micromirror Device，簡稱DMD）。DLP芯片由高達800萬獨立微鏡組成，通過光學(xué)方式成像。據(jù)德州儀器介紹，DLP產(chǎn)品的第一個專利是由該公司的Larry Hornbeck博士在1987年提交和發(fā)明的。
其次，DMD微芯片上面包含數(shù)量龐大的超小型數(shù)字光開關(guān)，它們是面積非常小（14微米）、外觀為四方型、并由鋁金屬制程的絞接式反射鏡，可以接受電子訊號代表的資料字節(jié)，然后產(chǎn)生光學(xué)字節(jié)輸出。
經(jīng)歷近十年的發(fā)展推進，到了1996年，第一個商用的DLP系統(tǒng)正式出貨，當(dāng)時推出的產(chǎn)品數(shù)字化投影機。
之后產(chǎn)品就被廣泛應(yīng)用到會議室、家庭和教室等環(huán)境。三年后，采用DLP技術(shù)放映機放了全球第一部數(shù)字化的電影《星球大戰(zhàn)前傳》。為了進一步推進DLP技術(shù)在多方面的應(yīng)用，2012年，德州儀器成立了一個新的事業(yè)部，推動DLP技術(shù)在工業(yè)和傳感方向的應(yīng)用，緊接著發(fā)布車規(guī)級別的DLP芯片。
從2013年推出了車規(guī)級DLP芯片以后，德州儀器就密鑼緊鼓地將這個產(chǎn)品推進到主機廠。得益于其優(yōu)勢，就有車廠將這個技術(shù)應(yīng)用到HUD里面。還有一些開發(fā)者把DLP技術(shù)應(yīng)用到智能大燈開發(fā)項目中。具體做法就是把DLP技術(shù)集成在大燈系統(tǒng)里，然后把車載的信息、導(dǎo)航信息、圖像等投射在路面上，更直觀地獲得相關(guān)信息。車燈甚至能檢測到斑馬線，主動的降低車速，禮讓行人。更厲害的甚至可以允許車輛與行人進行“溝通”？梢哉fDLP技術(shù)從各個方面給整個駕駛安全帶來很大的幫助。
HUD帶來的全新視覺
駕駛員總會遇到令人分神的事情，將注意力時刻集中在路面情況上，而非速度表、收音機或是燃油表上，是很有幫助的。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，汽車抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)已逐漸成為提高駕駛員注意力的重要工具。
全新HUD2.0借助于高達12度的更大FOV以及更長的虛擬圖像距離(VID)，讓駕駛員能夠看到單條車道以外的交通情況。同時，從一個小型的輔助顯示器升級為一個大型的主顯示屏也意味著提高圖形質(zhì)量的重要性，以及變化光照條件下恒定可讀性的重要性。此外，F(xiàn)OV和VID的增加與提高也對于亮度和功效提出了更高的要求。這正是德州儀器DLP®技術(shù)的切入點——它提供一流的圖像質(zhì)量、出色的亮度和靈活的開發(fā)選項。
更廣闊的FOV和高亮度可以為駕駛員提供易于觀察的圖像。為了確保變化光照條件下的可讀性，這個HUD應(yīng)該能夠產(chǎn)生出一個介于15,000和30,000 cd/m2 之間的虛擬圖像，以便為一系列不同的路面情況和光照亮度條件提供合適的對比度。
為了在盡可能降低能耗的同時實現(xiàn)較大的FOV和高亮度，我們需要一個高效的成像器。DLP 0.3英寸 WVGA Type A100數(shù)字微鏡器件(DMD)的效率高于66%，并且使用直射式RGB LED，實現(xiàn)有著豐富色彩飽和度的成像。
HUD正在成為車輛人機界面策略的重要部分，在技術(shù)被越來越深度的整合進駕駛體驗中時就更是如此。隨著HUD從小型輔助顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮椭黠@示屏，用戶對于圖像質(zhì)量、可讀性和可靠性的要求也在不斷提升。HUD設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)就是如何滿足這些全新要求，同時面對傳統(tǒng)車輛環(huán)境條件所帶來的問題。DLP技術(shù)已經(jīng)在可靠性和靈活性方面建立口碑，接下來，DLP技術(shù)將致力于成為下一代HUD系統(tǒng)開發(fā)的強大組件。
編輯：ls 最后修改時間：2023-03-27
