德州儀器開(kāi)發(fā)AR擋風(fēng)玻璃HUD
近年來(lái)，HUD在汽車(chē)行業(yè)中獲得了越來(lái)越多的關(guān)注度以及青睞。從豪華的雷克薩斯（Lexus）到街車(chē)MiniCooper，這種技術(shù)隨處可見(jiàn)。一般來(lái)說(shuō)，在汽車(chē)擋風(fēng)玻璃的下邊緣會(huì)顯示有用的信息，比如車(chē)速。半透明的圖像不會(huì)干擾司機(jī)對(duì)前方道路的觀察，而且它可以讓司機(jī)在大部分時(shí)間里都沒(méi)有必要低頭看儀表盤(pán)。
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(jī)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(jí)汽車(chē)把它移植到汽車(chē)上來(lái)。隨著AR技術(shù)的出現(xiàn)，HUD成為汽車(chē)行業(yè)中的新一項(xiàng)重大發(fā)明，如今，該技術(shù)得到了汽車(chē)制造商和一級(jí)供應(yīng)商的關(guān)注，進(jìn)入到積極開(kāi)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(shù)脂玻璃，一般會(huì)根據(jù)成像條件對(duì)這塊玻璃進(jìn)行特殊處理，通常做成楔形來(lái)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(chē)輛碰撞時(shí)會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生二次傷害，不利于車(chē)內(nèi)安全。而WHUD顯示屏直接使用汽車(chē)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(kāi)發(fā)的芯片
目前運(yùn)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(guó)TI（Texas Insturuments德州儀器）公司的專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)集成了數(shù)十萬(wàn)個(gè)超微型鏡片的DMD（數(shù)字微鏡芯片）可以將強(qiáng)光源經(jīng)過(guò)數(shù)字反射后投影出來(lái)。
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(chē)行業(yè)推廣DLP。不過(guò)，由于DLP投影的是整個(gè)平面，為了提升顯示效果需要針對(duì)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR-HUD
真正的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示需要有至少10度的寬視場(chǎng)（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(chē)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(shí)世界之上疊加數(shù)字信息，增強(qiáng)駕駛員對(duì)當(dāng)下情景的了解并改善其駕駛體驗(yàn)。FOV越大，虛擬圖像距離越長(zhǎng)，顯示的效果也就越好。
長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，設(shè)計(jì)AR顯示面臨的兩項(xiàng)最大挑戰(zhàn)是亮度和太陽(yáng)能負(fù)載的問(wèn)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(yuǎn)地將圖像投射到道路上。當(dāng)今的HUD可達(dá)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(lái)像漂浮在汽車(chē)的引擎蓋上。人們希望通過(guò)AR HUD使圖像投射到更遠(yuǎn)的地方，使圖像真正做到增強(qiáng)并與駕駛員的視野互動(dòng)。
為了延長(zhǎng)虛擬圖像的距離，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為25到30倍的系統(tǒng)已屢見(jiàn)不鮮，但這樣的設(shè)計(jì)弊端是太陽(yáng)能負(fù)載（即太陽(yáng)能）集中于HUD成像儀面板上極小塊區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大負(fù)荷熱量。這種高倍數(shù)放大會(huì)將成像儀面板移向距離HUD光學(xué)器件焦點(diǎn)更近的地方，從而提高單位面積太陽(yáng)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(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再把光投影出來(lái)。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(gè)可以調(diào)變反射面的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)形成的器件。DMD也被稱(chēng)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(hào)控制開(kāi)和關(guān)，DMD鏡片控制光線的開(kāi)和關(guān)對(duì)應(yīng)著不同的反射角度。
最初，這項(xiàng)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(jī)，這對(duì)數(shù)字電影的發(fā)展起到了巨大推動(dòng)的作用，電影行業(yè)因此從膠片過(guò)渡到了數(shù)字時(shí)代。如今，德州儀器在全球影院市場(chǎng)的占有率高達(dá)85％，而中國(guó)市場(chǎng)超過(guò)90％的影院都是采用DLP數(shù)字源放映機(jī)。
回歸到汽車(chē)的話題上，德州儀器針對(duì)車(chē)載抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)推出了DLP3030-Q1芯片組以及配套的評(píng)估模塊（EVM），可幫助汽車(chē)制造商和一級(jí)供應(yīng)商將高亮度的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(jì)人員可以利用車(chē)規(guī)認(rèn)證的DLP3030－Q1芯片組來(lái)開(kāi)發(fā)可投射7．5米或更遠(yuǎn)的虛擬圖像距離（VID）的AR HUD系統(tǒng)。
DLP技術(shù)的獨(dú)特架構(gòu)使HUD系統(tǒng)能夠承受投射遠(yuǎn)VID時(shí)伴隨的強(qiáng)烈的太陽(yáng)光負(fù)荷（最高溫度達(dá)105攝氏度），從而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。增強(qiáng)的VID和在寬視場(chǎng)（FOV）中顯示圖像的能力相結(jié)合，使設(shè)計(jì)人員能夠靈活地創(chuàng)建具有增強(qiáng)景深的AR HUD系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)交互式而非分散的信息娛樂(lè)和儀表組系統(tǒng)。
DMD的工作原理及其優(yōu)勢(shì)
從原理上看，DLP技術(shù)是以一種微機(jī)電元件為基礎(chǔ)，稱(chēng)為數(shù)字微型反射鏡元件（Digital Micromirror Device，簡(jiǎn)稱(chēng)DMD）。DLP芯片由高達(dá)800萬(wàn)獨(dú)立微鏡組成，通過(guò)光學(xué)方式成像。據(jù)德州儀器介紹，DLP產(chǎn)品的第一個(gè)專(zhuān)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(kāi)關(guān)，它們是面積非常?。?4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(hào)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(jìn)，到了1996年，第一個(gè)商用的DLP系統(tǒng)正式出貨，當(dāng)時(shí)推出的產(chǎn)品數(shù)字化投影機(jī)。
之后產(chǎn)品就被廣泛應(yīng)用到會(huì)議室、家庭和教室等環(huán)境。三年后，采用DLP技術(shù)放映機(jī)放了全球第一部數(shù)字化的電影《星球大戰(zhàn)前傳》。為了進(jìn)一步推進(jìn)DLP技術(shù)在多方面的應(yīng)用，2012年，德州儀器成立了一個(gè)新的事業(yè)部，推動(dòng)DLP技術(shù)在工業(yè)和傳感方向的應(yīng)用，緊接著發(fā)布車(chē)規(guī)級(jí)別的DLP芯片。
從2013年推出了車(chē)規(guī)級(jí)DLP芯片以后，德州儀器就密鑼緊鼓地將這個(gè)產(chǎn)品推進(jìn)到主機(jī)廠。得益于其優(yōu)勢(shì)，就有車(chē)廠將這個(gè)技術(shù)應(yīng)用到HUD里面。還有一些開(kāi)發(fā)者把DLP技術(shù)應(yīng)用到智能大燈開(kāi)發(fā)項(xiàng)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(chē)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(chē)燈甚至能檢測(cè)到斑馬線，主動(dòng)的降低車(chē)速，禮讓行人。更厲害的甚至可以允許車(chē)輛與行人進(jìn)行“溝通”?？梢哉f(shuō)DLP技術(shù)從各個(gè)方面給整個(gè)駕駛安全帶來(lái)很大的幫助。
HUD帶來(lái)的全新視覺(jué)
駕駛員總會(huì)遇到令人分神的事情，將注意力時(shí)刻集中在路面情況上，而非速度表、收音機(jī)或是燃油表上，是很有幫助的。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)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(dá)12度的更大FOV以及更長(zhǎng)的虛擬圖像距離(VID)，讓駕駛員能夠看到單條車(chē)道以外的交通情況。同時(shí)，從一個(gè)小型的輔助顯示器升級(jí)為一個(gè)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(duì)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(diǎn)——它提供一流的圖像質(zhì)量、出色的亮度和靈活的開(kāi)發(fā)選項(xiàng)。
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(gè)HUD應(yīng)該能夠產(chǎn)生出一個(gè)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(duì)比度。
為了在盡可能降低能耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的FOV和高亮度，我們需要一個(gè)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(shí)現(xiàn)有著豐富色彩飽和度的成像。
HUD正在成為車(chē)輛人機(jī)界面策略的重要部分，在技術(shù)被越來(lái)越深度的整合進(jìn)駕駛體驗(yàn)中時(shí)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(duì)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(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)就是如何滿足這些全新要求，同時(shí)面對(duì)傳統(tǒng)車(chē)輛環(huán)境條件所帶來(lái)的問(wèn)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(lái)，DLP技術(shù)將致力于成為下一代HUD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的強(qiáng)大組件。
編輯：ls 最后修改時(shí)間：2023-03-27
