HUD技术的发展发向 – 图像质量与色彩技术知识库

抬头显示的优点有哪些？抬头显示（HUD）具有三个主要优点和要求。

第一个优点是能够将信息投射给驾驶员，并通过改进驾驶员与道路上车辆之间的交互提高安全性。

第二个优点是当驾驶员在一天中的任何时候驾驶汽车时，能够确保在各种环境条件下始终正确呈现所有相关的信息。

第三个优点是使驾驶员能够在查看相关信息的同时保持专注于道路状况，而传统上，无论是速度表还是主要来自车辆中控台的信息，驾驶员都必须将目光从道路上移开才能看到这些信息。

未来将可能出现多种抬头显示技术。当查看挡风玻璃上的信息时，这些技术可以为驾驶员提供更具无缝性的不同视觉体验。目前常见的抬头显示在固定距离下以二维固定方向呈现信息。当您仅查看一组有限的信息时，这种常规设备很不错。

在固定投影距离下呈现二维虚拟图像的抬头显示（HUD）

然而，我们已经开始向抬头显示设备中添加更多功能，而不只是速度表或地图测量仪。现在，我们将可以从仪表板、中控台等位置获取视觉元素，并将它们置于驾驶员的视野中。然而，随着我们将越来越多的信息置于驾驶员的视野中，事情开始变得麻烦了。

在抬头显示视场中增添更多信息，但不增加投影的维度或深度，这可能会产生被信息淹没的视觉体验

抬头显示的未来在于增强现实技术。我们可以为信息增添额外的深度、查看与车辆外物体的交互并将信息映射到多个不同的平面，从而在为驾驶员提供信息时创造更直观的视觉体验。

抬头显示有哪些类型？就行业现状而言，主要有两种类型的抬头显示。从投影的角度来看，我们拥有常规显示器，其将固定的信息投射在XYZ平面上。此外还有增强现实显示器，其将可变信息呈现在XYZ空间中。这些信息不仅可以在2米距离下呈现，类似于常规型抬头显示，还可以投射到10或20米远处显示。这些投影可以涵盖驾驶员在道路上看到的周围环境并与之进行交互。

常规 HUD投影距离与增强现实 HUD（AR-HUD）投影距离之比较

在上图中，我们分解了图像的维度。我们可以查看二维图像，其中信息是平面的，还可以查看三维图像，其具有深度和曲率。您可以将这些概念结合起来，在常规型固定投影抬头显示上呈现3D图像，也可以在增强现实抬头显示上呈现2D信息。

来自丰田的增强现实 HUD概念，其将可变距离投影与 3D虚拟图像相结合

增强现实HUD与常规HUD相比具有哪些优点？从现有的常规抬头显示技术来看，存在一些问题。当在固定距离下投射信息时，驾驶员无法轻松将车辆周围的视觉信息与HUD中所感知的信息整合在一起。这意味着，当他们驾驶车辆时，他们将查看来自车速表而非外部环境的信息。

他们还必须改变视线方向或视角，以确保能够在视觉上整合车辆外部的其他信息。当他们将视线从抬头显示屏幕转向周边环境时，这将会限制他们的反应时间。

图示：与固定距离HUD投影相关的挑战，其中，驾驶员必须将视觉焦点从HUD转移到外部环境。

增强现实技术的目标在于克服我们在这些常规HUD中看到的部分局限性。有些人将这一新阶段称为HUD 2.0，或者使用其他术语表示，但汽车领域目前使用的主要术语是增强现实抬头显示（AR-HUD）。

图示：AR-HUD的优点，其中，虚拟图像在相对于外部物体的距离下被投射，从而使驾驶员能够同时关注外部物体和投影。

此技术的优点在于，AR-HUD在车辆的内部和外部使用多个传感器，以使抬头显示和驾驶员能够将视觉体验与周围环境整合在一起。AR-HUD可以显示与周围环境中的各种元素相关的信息，比如驾驶速度、车道路径、与前后车辆之间的距离等。也就是说，AR-HUD投影可以匹配外部元素的深度和位置，这样，驾驶员就能够同时关注HUD投影和周围环境。

支持抬头显示的投影技术有哪些？在当前的生产应用中，制造商们主要采用三种基本技术来进行HUD信息投影，包括基于激光、TFT和DLP技术。此外还有一种技术，即全息技术，但业界目前尚未对全息内容在抬头显示上的真正实施进行广泛的测试。技术与投影类型的结合体现了不同类型的抬头显示具有独特的光学特性。

举例来说，使用基于激光的技术创建3D或AR投影特别困难，因为激光使用单一光束源来产生图像，当为抬头显示创建2D固定增强解决方案时，图像效果最佳。也就是说，将激光用于更先进的3D或增强现实应用的概念正在广泛地酝酿中。DLP投影技术或TFT显示器如今已广泛用于生产中，并且通常在2D和3D平面上用于常规型和增强现实型抬头显示。每种抬头显示都有其优点和缺点，并存在独特的测量挑战，以确保视觉性能。

常规抬头显示在2至4米的固定距离下投射信息，并且到目前为止，这些信息大多数都是在2D方向下投射的，没有3D深度。但是，我们已经开始看到市场在针对这些新方面对常规抬头显示作出调整。

基于激光的抬头显示技术具有哪些优点和局限性？基于激光的技术依赖于图像生成单元（PGU）中的激光二极管系统和单光束投影。激光束射向微反射板上，微反射板将激光束反射并导向挡风玻璃上附着的半透明薄膜上，然后在固定距离下将图像分布出去。此技术主要应用于常规HUD，该固定距离为2至4米。

图示：基于激光的 HUD系统示例

基于激光的HUD具有一些显著的优点。首先，它们使用的组件尺寸要小得多，从而节省了车辆内部空间，其次，它们能耗低但输出功率高，具有极高的亮度功能，因此能够产生非常明亮的图像。最后，基于激光从镜面反射的散射原理，它们能够创建极大的视场。汽车制造商们现在对基于激光的HUD技术在挡风玻璃上的应用很感兴趣，因为相比常规型HUD仅可在驾驶员的5度视野范围内进行投影，基于激光的HUD投影在挡风玻璃上可实现的视场要大得多。

然而，这种HUD也存在挑战。由于激光技术使用单个光束源来产生图像，当光线被导向至挡风玻璃上时，相比其他类型的HUD，光线折射会导致相对较低的清晰度。这可能会导致图像模糊、清晰度低且分辨率降低。重影是这种HUD技术存在的另一个问题。虽然重影是所有类型的HUD都会遇到的问题，但基于激光的HUD技术目前尤为如此。

激光技术特有的另一项挑战在于散斑。这是指当激光光源从表面漫反射时产生的颗粒状图案。就像镜子一样，随着视角的变化，视觉干扰很明显，并且散斑图案也会发生变化。为此，我们需要确保所呈现信息的一致性。我们可以使用成像解决方案来测试和查看散斑分布的亮度均匀性，以感知HUD投射不同分辨率的图像时在视觉上的可接受性。

TFT抬头显示技术具有哪些优点和局限性？就HUD领域而言，TFT是最基本、最传统、历史最悠久的技术，自20世纪80年代以来一直存在，其原理类似于激光，使用图像生成单元（PGU）将信息投射到镜像上。

图示：基于TFT的HUD系统示例

进行第一次衍射时使用的镜子可以是平面的，也可以是凸面的。然后，投影从这里被反射到旋转凹面镜上。紧接着，类似于激光，投影将穿过一组薄膜和漫射器到达挡风玻璃上，并在固定距离下投射出去，或者在其他使用增强现实技术的应用中，在可变距离下投射出去。TFT是最常见的HUD技术，其原因有很多。首先，TFT是最容易实施的技术，而且该技术广泛可用。TFT技术应用于所有类型的HUD，包括常规型、3D型和增强现实型。

TFT显示技术已广为人知，并且现已出台了多项关于其性能和使用寿命方面的监管法规。当在汽车领域中引入新技术时，这始终是一项需要克服的挑战。生命周期始终至关重要，并且车辆中安装的任何显示器都需要提供7到10年的生命周期。

TFT技术的优点在于，事实已经证明，其能够满足这种生命周期要求。TFT技术的另一大优点在于可靠的色彩分布。由于在生产过程中可以轻松调整和校准显示器，因此您可以确保在HUD投影中以准确、明亮且美观的方式呈现信息。

我们所看到的TFT显示器的主要局限性在于亮度输出。最终，最直接的缺点在于创建足够明亮的图像来应对HUD图像投射所涉及的各种环境光条件。为了超过或增加设备的亮度分布和输出，我们必须向设备驱动大量功率。驱动更大功率所面临的问题在于，我们最终可能会导致色度精度偏离所预期的分布。

示例：由于 TFT HUD的亮度输出增加而导致的色偏

另一个局限性在于，在有些情况下，根据所使用的TFT的尺寸或合成单元的分布法则，我们最终实现的视场可能会很有限。这是由于显示器本身的局限性导致的，并非每种TFT HUD的情况都如此。

基于DLP投影的抬头显示技术具有哪些优点和局限性？在基于DLP投影仪的HUD技术中，电子处理单元将信息推送到数字微镜器件（DMD），该设备将图像投影到一个称为散射屏的固定图像平面上。然后，HUD光学元件会放大投影到挡风玻璃上的图像，在挡风玻璃上，信息将会在驾驶员的视窗范围内被反射和呈现出来。

图示：基于 DLP的 HUD系统示例

DLP技术的优点在于，其可以轻松用于所有类型的HUD，包括增强现实、3D、2D以及我们将来可能看到的任何新型HUD。DLP芯片本身非常小巧，并且功能极其强大，在将其应用到车辆中时可节省空间和成本。由于DLP具有投射广泛分布的能力，因此它们还可用于大视场HUD。

我们目前在市场上看到的DLP芯片组类似于基于电影的投影技术，这意味着我们拥有足够的经验来了解它们的亮度输出能力。我们知道，它们具有提供饱和色彩的优点，并且在我们所讨论的三种技术中可提供最佳的对比度。用于HUD的DLP投影技术依赖于DMD。DMD是一种可实现空间光调制的光学微机电系统。每个DMD包含多达800万个构建在相关CMOS存储单元顶端的独立控制微镜。如果使用DMD反射镜阵列对图像进行不当的映射，将会导致图像的对比区域之间发生调制。这表现为当对比区域较为靠近时，我们可能会在投影中看到空间频率、噪声或模糊性，从而降低了可见分辨率和对比度。

我们看到DLP技术的最大局限性在于DMD芯片组与阵列本身和投影平台之间的错位。这种错位会导致清晰度和分辨率下降、重影、严重失真等异常。

示例：因投影和挡风玻璃几何形状中的元素错位而导致的 HUD重影

DLP投影技术是市场上的一种相对较新的技术。在当前的汽车制造和生产应用中，只有少数车辆使用DLP芯片。这项技术未来将拥有巨大的发展机会，但也面临许多挑战需要克服。

不同类型抬头显示的测试和测量要求分别是什么？通过应用测量或视觉检测系统，汽车制造商可以采用新的HUD技术，同时确保满足相应的视觉质量和性能。

所有HUD技术都有基本的测量要求。每台HUD都需要满足亮度、色度、均匀度和对比度公差要求，并检测是否存在像素缺陷或线缺陷、调制传递函数（MTF）、重影失真、变形和视窗限制。然而，我们所介绍的每种技术的关注点或测量要求可能略有不同。举例来说，对于存在可变性和极端景深的增强现实HUD而言，失真、重影、MTF和视窗限制等因素可能会产生较大的影响。

HUD测量场景之间的主要差异与满足不断增加的或可变的图像距离、分辨率和视场的新需求有关。就常规HUD而言，我们知道它们的投影深度有限，最多达到4米。这些图像不会改变相对于外部环境的距离或位置，并且对于需要更新的信息而言是静态的。

另一方面，增强现实系统具有响应能力，它们可与车辆外部的某些元素进行交互。所呈现的信息是不断变化的，并且这些信息是在大得多的视场范围内变化的。在测量方面，确保足够的分辨率并能够表征不同工作距离和更大景深下的信息非常重要。我们可以通过一些示例非常快速地了解常规HUD和增强现实HUD的不同测量要求。

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