一種在小型化增強現(xiàn)實抬頭顯示器上的顯示方案

【摘? 要】本文核心是探討如何在一個小型的HUD上實現(xiàn)大尺寸AR-HUD上才有的效果，希望基于集成式的AR Creator，通過優(yōu)化系統(tǒng)框架，采用優(yōu)化后的算法結(jié)構(gòu)和模塊能達(dá)到增強現(xiàn)實動態(tài)的效果。

【關(guān)鍵詞】小型化；HUD；AR-HUD；增強現(xiàn)實；抬頭顯示；AR Creator；動態(tài)導(dǎo)航；增強動態(tài)顯示

中圖分類號：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）03-0045-02

A Display Scheme on Miniaturized Augmented Reality Head-Up Display

DING Hao

（SAIC Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

【Abstract】The core of this paper is to discuss how to realize large-scale AR-HUD on a small HUD. We hope that based on integrated AR Creator，by optimizing the system framework and adopting the optimized algorithm structure and module，a good dynamic effect of augmented reality can be achieved.

【Key words】miniaturization；HUD；AR-HUD；augmented reality；head-up display；AR creator；dynamic navigation；enhanced dynamic display

1? 背景

現(xiàn)階段HUD已廣泛應(yīng)用于各類型汽車中，將各類行車信息顯示在風(fēng)擋玻璃區(qū)域，駕駛員在駕駛過程中可直接通過風(fēng)擋玻璃范圍內(nèi)顯示的汽車信息對現(xiàn)有駕駛環(huán)境進(jìn)行判斷，避免頻繁低頭觀看儀表等信息帶來的視覺疲勞及其他不安全因素。目前AR-HUD將增強顯示與抬頭顯示相融合，進(jìn)一步實現(xiàn)駕駛過程中的輔助駕駛功能，可實現(xiàn)車輛跟隨、車距確認(rèn)、車道線導(dǎo)航、車道偏離提醒等功能，但目前市面上的AR-HUD顯示畫幅多數(shù)都在視場角度9°×3°或者10°×3°（ 約大于75英寸顯示范圍）以上，帶來的不利因素是體積較大。如何利用一幅較小尺寸的AR-HUD顯示單元來實現(xiàn)類似的效果，就具備了更多實用的意義，并且能帶來更大的使用價值和空間。

本文核心是探討如何在一個小尺寸和小體積的HUD上實現(xiàn)大尺寸AR-HUD才有的效果實現(xiàn)方案，針對的是顯示畫幅小于45英寸， 顯示距離<8m的一種動態(tài)顯示和實現(xiàn)方法。

2? 實現(xiàn)要素

2.1? 常規(guī)實現(xiàn)方法

數(shù)據(jù)融合單元集成到HUD內(nèi)部，負(fù)責(zé)處理所有數(shù)據(jù)的輸入和輸出，包括數(shù)據(jù)的融合采用低成本但具備一定算力和數(shù)據(jù)處理能力的系列芯片，常規(guī)實現(xiàn)方法如圖1所示。

2.2? 系統(tǒng)框圖和HMI分區(qū)建議

本系統(tǒng)推薦采用的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

顯示區(qū)域劃分為不同的功能區(qū)域，根據(jù)任務(wù)和重點的不同會有不同的區(qū)域劃分。圖3為一種非常常見的劃分方式。

其中，AR Creator負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)算法的處理，可以將多個來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，整合了車輛動態(tài)信息、攝像頭和GPS數(shù)據(jù)、導(dǎo)航以及來自整車的信息，完成輸出并顯示。AR Creator還充分利用了多種合并的數(shù)據(jù)來進(jìn)行計算，例如對于道路來說，不光要考慮道路布局的幾何形狀，還需要將前方車道曲率如何變化的數(shù)學(xué)模型和描述考慮在內(nèi)，用來支持在AR-HUD上顯示的多種數(shù)據(jù)來源。

從典型的用戶愿望來說，AR-HUD里面的AR Creator有多種場景上的需求，詳見如下。

1）AR導(dǎo)航：增強現(xiàn)實的箭頭投射到前方的道路上，提供精確導(dǎo)航，所以不會錯過任何一個轉(zhuǎn)彎。

2）行人警告：每當(dāng)有行人橫穿馬路時，駕駛員就會得到一個視覺通知。

3）變道提示：車道級別的提示確保你在正確的時間進(jìn)入正確的車道。

4）車輛距離警告：顯示屏提醒駕駛員與前面的車輛保持一定的距離。

5）前車動態(tài)跟蹤提醒。

6）車道跟蹤保持警告等。

7）先進(jìn)的地圖顯示：在惡劣的駕駛條件下，周圍的車輛和障礙物被準(zhǔn)確地標(biāo)記出來，幫助駕駛員安全到達(dá)目的地。

但從實際的應(yīng)用來看，由于整車系統(tǒng)的原因，或者是來自于非直接相關(guān)的原因（例如整車成本等），往往只能做到部分的應(yīng)用場景，這其實是一種系統(tǒng)與應(yīng)用的互相妥協(xié)。

圖4為AR Creator的算法過程示意圖，其中虛線框內(nèi)則為ARCreator需要承擔(dān)的數(shù)據(jù)融合和處理模塊。

2.3? 案例解析

2.3.1? 導(dǎo)航

由于篇幅有限，本文只針對典型場景進(jìn)行討論。

為實現(xiàn)AR效果，在導(dǎo)航方面，在整車上增加如下信號的輸入用于數(shù)據(jù)融合處理， 實現(xiàn)了動態(tài)和增強顯示的導(dǎo)航效果，要求和定義所需要的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)信息列表見表1。

2.3.2? 導(dǎo)航箭頭的實現(xiàn)過程和方法

1）導(dǎo)航箭頭。當(dāng)導(dǎo)航發(fā)出stage==‘follow‘prepareor‘Instruction時，HUD顯示直行箭頭。直行箭頭類似鋪在路面上，且具有透視效果（近大遠(yuǎn)小），同時具有循環(huán)動畫效果，當(dāng)導(dǎo)航發(fā)出stage==‘Execute時，HUD顯示轉(zhuǎn)彎箭頭，此時直行箭頭消去。轉(zhuǎn)彎結(jié)束后，導(dǎo)航再次發(fā)出直行箭頭的stage后，轉(zhuǎn)彎箭頭消去，直行箭頭顯示。直行箭頭和轉(zhuǎn)彎箭頭應(yīng)有流程的銜接動畫。箭頭位置為HUD的遠(yuǎn)景中心處。

2）導(dǎo)航目的地旗子。當(dāng)目的地距車輛距離為500m，且導(dǎo)航發(fā)出maintype類型為目的地時，HUD遠(yuǎn)景處顯示目的地旗子。車輛到達(dá)目的地時，目的地旗子消失。此類情景同樣適用于中間目的地。

3）超速提醒和顯示。當(dāng)車輛檢測到前方的限速標(biāo)識或攝像頭時，會在HUD近景處顯示對應(yīng)的圖標(biāo)，當(dāng)車輛遠(yuǎn)離對應(yīng)區(qū)域時，則相應(yīng)的圖標(biāo)消去。顯示時機和消去時機與儀表或主機屏幕保持一致。

2.3.3? ADAS的類實現(xiàn)過程方法

基本實現(xiàn)過程方法如下。

1）ADAS Front Assist：①當(dāng)HUD收到Front Assist觸發(fā)顯示信號時，如前方車輛處于HUD的顯示區(qū)域時，HUD遠(yuǎn)景標(biāo)出前方車輛的位置；②接收車身姿態(tài)信號；③接收前車障礙物X/Y/X坐標(biāo)信息；④顯示時機和消去時機與儀表保持一致。

2）ADAS ACC顯示：①當(dāng)HUD收到ACC觸發(fā)顯示信號時，如前方車輛處于HUD的顯示區(qū)域時，HUD遠(yuǎn)景標(biāo)出前方車輛的位置；②接收車身姿態(tài)信號；③接收前車障礙物X/Y/X坐標(biāo)信息；④顯示時機和消去時機與儀表保持一致。

3）ADAS Lane Assist顯示：①當(dāng)HUD收到Lane Assist觸發(fā)顯示信號時，如前方車道線處于HUD的顯示區(qū)域時，HUD遠(yuǎn)景標(biāo)出對應(yīng)車道線的位置；②接收車身姿態(tài)信號；③接收道路車道線曲率和半徑信息；④顯示時機和消去時機與儀表保持一致，顏色與儀表保持一致。

4）ADAS插隊提醒：①當(dāng)車輛檢測到前方有車輛插隊時，此時會在HUD遠(yuǎn)景處標(biāo)出當(dāng)前插隊車輛的位置；②當(dāng)前方車輛的車距已達(dá)到安全距離，HUD上的標(biāo)識消去；③顯示與消去時機取決于收到相關(guān)功能信號的狀態(tài)。

2.3.4? 沖突處理機制

動態(tài)區(qū)域采取交互切換顯示， 但是，當(dāng)有導(dǎo)航信息或者其他信息進(jìn)去時會出現(xiàn)各種沖突，此時就需要針對出現(xiàn)的各種沖突給出相應(yīng)的解決方案和預(yù)案，下面列出了一種可能的具體解決過程和實現(xiàn)方法。

1）在有重要導(dǎo)航信號提示時，例如轉(zhuǎn)彎前100～200m左右，開始顯示動態(tài)轉(zhuǎn)向和掉頭符號，此時如有ADAS信息提示，將優(yōu)先ADAS的前車提醒和車道提醒。

2）在轉(zhuǎn)向點或者掉頭點大約幾十米距離時，會切換ADAS顯示信息，然后重新出現(xiàn)導(dǎo)航提醒箭頭，此時可根據(jù)用戶的需要，針對不同的場景或者市場需要，再決定采取動畫顯示的方案或靜態(tài)局部放大方案進(jìn)行持續(xù)顯示，直到到達(dá)轉(zhuǎn)向和掉頭點消失。如果采取了動態(tài)顯示方案，此時箭頭可以以一定的頻次和頻率交替顯示。

3）交替顯示時，可以考慮輪流顯示的方案，也可以采取流水一樣的流動顯示方案，均可以獲得良好的用戶體驗效果，從實際應(yīng)用來看，均具備較大的市場和應(yīng)用空間。

4）在沒有轉(zhuǎn)向提醒信息時，也可以考慮中途加入間歇性地顯示前行箭頭信息，例如大約a次，間歇約為每b秒顯示一次，每次顯示c秒， 然后暫停等方案，也等待下一次的顯示機會，或者等待轉(zhuǎn)彎信息的出現(xiàn)。

5）此時如果出現(xiàn)重要行車信息，例如ACC或者車道提醒，將優(yōu)先顯示ADAS信息，然后切換回到當(dāng)前提示。

導(dǎo)航箭頭采取動態(tài)區(qū)域交互切換以及動畫顯示方法：動態(tài)顯示實現(xiàn)方法，循環(huán)顯示，從起始點t0到動畫畫面顯示完成t1， 每一個完整循環(huán)可以采取自定義的方案，例如約定時間約為1s， 中間間隔零點幾秒的方案，然后中間畫幅采用軟件插值計算和顯示，這種方式在采用低成本應(yīng)用方案時尤其具備相應(yīng)的應(yīng)用價值。

3? 總結(jié)

本文中所采用的方案，實現(xiàn)機制和原理簡單高效，對系統(tǒng)要求不高，可以在結(jié)構(gòu)簡單的系統(tǒng)中進(jìn)行采用，在滿足基本需求的同時還能發(fā)揮出成本優(yōu)勢大的特點，將需要大量算力的算法模塊集成到了HUD內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)融合算法的處理，可以省掉對于外部域控制器的依賴，避免了域控制器的使用，其有可靠性高、延遲小的特點。由于省去了外部的域控制器環(huán)節(jié)，減少了中間環(huán)節(jié)以及信號的多次轉(zhuǎn)發(fā)，降低了不斷轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致的信號延遲，并且減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，將復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行了集成化和小型化，適合各種車型的安裝和使用，本文所采用的方案將在不同的項目中得到一定的實際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]抬頭顯示器零件設(shè)計任務(wù)書[Z].

[2]lite AR_HUD功能設(shè)計任務(wù)書[Z].

[3]C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）[Z].

（編輯? 凌? 波）

作者簡介

丁浩，男，碩士，主要從事智能座艙和抬頭顯示相關(guān)的研發(fā)工作。