圖 (1).VID定義及HUD中的VID
在進行HUD光學設計時，會根據實際需求明確FOV和VID的設計值，然后基于整車預留的空間進行初步的光學鏡片擺放。我們在自由曲面原理（上）有介紹，HUD中常用的光學架構為單自由曲面鏡加平面鏡或雙自由曲面，無論是單曲還是雙曲，在FOV相同的情況下，VID越大，對應的系統光學距離（兩塊鏡片之間的距離+鏡片與PGU之間的距離）越長，最終的HUD的體積也越大[2]，這也是AR-HUD會比W-HUD體積大的一個直接原因。
但在實際情況下，通常車體預留的空間有限，要求HUD的體積不能太大，此時就無法通過增加系統光學間距的方式，來匹配大VID的設計。另一種方法是，在固定光學間距的情況下，通過增加自由曲面放大倍率（可簡單理解為自由曲面曲率的變大，但實際設計會更復雜）的方式來實現更大的VID(如圖(2)(B))。但該方法也有弊端，放大倍率的增加，會使整個系統的其他光學參數更難控制，同時對于系統公差的要求也更高。除了這兩種傳統的方法外，雙曲的使用以及新型光學系統的使用，也有助于在更小的HUD體積下實現更大的VID。
圖(2). 增加VID的常規設計方法（為方便展示，僅使用單曲面方案，并簡化了光學設計）
?2、VID的取舍
可以看到，W-HUD和AR-HUD對于VID的設計值是不一樣的。W-HUD通常進行持續顯示，即常態地顯示駕駛員需要時刻關注的重要信息，如車速、限速、報警提醒等。因此，W-HUD的內容通常會要求下視角（LDA）更大，且顯示位置在引擎蓋邊緣上方（該距離下的VID通常為2m~2.5m），從而實現：(1) W-HUD的內容處于視野下方，避開正前方的場景；(2) 當駕駛員正常駕駛時，眼睛屬于放松的狀態，聚焦距離較遠，處于近距離的W-HUD會自然地虛化。結合這兩點，W-HUD的顯示內容不會干擾駕駛。
AR-HUD通常進行間斷顯示，即只有當特定的場景出現的情況下，才會進行短時間的AR輔助駕駛內容顯示，如導航中的變道、轉向，前車預警，車道線識別等[3]。當這些特定場景未出現時，AR顯示區域是不顯示任何內容的。這樣能實現常態下不干擾駕駛員的正常駕駛，但在需要時能進行短時的、間斷的AR輔助內容，幫助駕駛員獲得重要的信息，減少事故的發生[3]。在這樣的情況下，AR-HUD通常需要更遠的、甚至是能連續變化的VID，具體考量如下：
?（1）視覺疲勞?
我們已經提到，AR-HUD的間斷顯示特點是服務于駕駛員正常駕駛的過程中，此時駕駛員的雙眼聚焦于較遠的距離。在3D深度視覺原理（上）里，我們介紹過晶狀體聚焦和輻輳。當觀察近距離物體時，我們的睫狀肌需要收縮，使晶狀體凸度更大，從而使眼睛的焦距更短（圖(3)）[4]。輻輳則是人眼向內旋轉以聚焦于目標對象的行為，在我們看更近的物體時，眼睛需要更大程度地向內旋轉，這也會造成視覺上的疲勞感[5]。
圖 (3). 晶狀體聚焦
因此，如果AR-HUD的VID較近的話，會使駕駛員在遠距離的聚焦（正常駕駛狀態）與的AR內容（較近VID）之間來回轉換，頻繁調動眼部肌肉，在實際物體和虛擬圖像之間切換聚焦，長時間下來便會產生視覺疲勞[6]。研究表明，當觀察為6m及以下時，睫狀肌需要用力收縮以保證雙眼的聚焦在物體上，疲勞感有所增加[6]，通常AR-HUD的VID會做到7.5米及以上。
?（2）虛像貼合?
顧名思義，AR-HUD最重要的功能就是AR（增強現實），也就是讓HUD的虛擬圖像與現實世界場景進行結合與互動[3]。AR的功能依賴于對實景圖像進行分析，結合人眼的位置及角度，計算出虛擬圖像的投影位置[7]。但是，當人眼改變位置時，虛像與現實世界適配程度會發生改變，視差指的就是感知到虛像和現實的不重合[6]。
如圖（4）所示，在正常駕駛時（聚焦遠處，人眼處于放松狀態），VID分別為2m和10m，而紅色、藍色的矩形標識為HUD投影的虛像與現實場景中的行人、汽車實現了完美貼合。
圖(4). 正常駕駛時，VID分別為2m和10m，虛像和實物完美貼合
然而，當駕駛員將頭稍微向左移動，虛像的位置也發生了改變，從而導致虛像和現實世界的錯位。我們可以看到，在VID為2m的情況下，紅色和藍色矩形完全偏離了對于行人和汽車的標識（圖(5)(A)）；而10m的VID下，錯位要小得多，并且不那么明顯（圖(5)(B)）。由此可見，在短距離VID中，即使駕駛員頭部發生的只是輕微的移動，強烈的視差也會使得虛像和現實世界發生大幅度錯位[6]。
圖(5). 隨著駕駛員頭的轉動，VID分別為2m和10m時，虛像和實物的貼合程度出現明顯差異
為了實現圖形與現實世界的深度融合、將駕駛信息的投射虛像與現實事物更完好地疊加，減少HUD行車的疲憊和眩暈感[3]，AR-HUD的AR部分通常需要更大的VID來實現，現階段AR-HUD常見的VID是7.5m~10m，再遠一些有10m~15m[1]。
但對于AR-HUD來說，VID并不是越大越好，下面為大家詳細介紹。
三、長距離VID的弊端 ?（1）體積增大? 在虛像距離VID（上）我們介紹過，VID和系統光學距離（兩塊鏡片之間的距離+小鏡片與PGU之間的距離）有關。也就是說，如果想要把VID做得很長，同時保證圖像的質量，需要增加系統光學距離，而距離的增加會導致HUD的整體體積增大[3]。例如，對比通常只有3~6升的傳統W-HUD， 長VID的AR-HUD體積會在10升左右，甚至可達20升。由于車內儀表板背后空間狹小，AR-HUD的大體積也成為了限制其應用的原因之一[3]。 ?（2）光學設計挑戰? 長距離VID通常會導致放大倍率增大，而這又會造成以下兩個問題：其一是光學設計挑戰，其二是陽光倒灌。放大倍率是指物體經透鏡放大后，人眼所觀察到的最終圖像大小與原物體大小的比值[4]。在HUD中，如果我們用L表示虛像的成像大小，P表示像源（PGU）的大小，則鏡片的放大倍率M可以通過以下公式計算呈現： 而其中的虛像大小L，又是由FOV和VID共同決定的： 通常，在設計HUD時，FOV是一個定值，根據車輛的性能要求和安裝空間確定（詳見視場角FOV的原理及應用）。而像源（P）通常也是定值，大小取決于光機（PGU）。也就是說，在FOV和PGU為定值的情況下，HUD鏡片的放大倍率（M）和VID成正相關，VID越長，放大倍率也越大。 ? HUD系統的放大倍率越大，HUD的設計要求也就越高[5]。拿HUD的動態畸變來說，當HUD的PGU為3.1寸TFT，VID為2.5米，HUD的放大倍率約5~7倍，在設計HUD光路時，會將動態畸變控制在2mrad以下；當VID增大到7.5米時，HUD的放大倍率是15~20倍，約為前者的三倍；此時我們仍然需要將動態畸變控制在2mrad以下，但放大倍率的增大，動態畸變的控制將更難[6]。此外，高放大倍率下，對于HUD系統的公差要求也更加嚴格。 ?（3）陽光倒灌? 長距離VID帶來的另外一個問題是陽光倒灌，陽光倒灌會引發PGU升溫失效，進而導致HUD失效[7]。由于光路是可逆的，高放大倍率導致了等量的陽光在通過自由曲面反射到PGU時，承接等量能量的面積減少，也就是PGU上能量聚集點接收的能量密度大幅增高。 同時，一般而言，更長的VID也意味著需要更大的鏡片來實現，這意味著更多的陽光將被更大的鏡片反射到HUD內部[8]。綜合來看，這兩個因素的疊加導致一個高密度的能量點匯集在PGU上，如同放大鏡點燃火柴一樣，聚集了HUD接收的所有熱量， 迅速導致PGU溫度升高，進而造成HUD失效。圖(1)為我們展示了短VID的W-HUD（圖(1)(a)）和長VID的情況（圖(1)(b)）下，陽光照射進HUD內部的簡化示意圖。 圖 (1).短VID和長VID下，陽光照射進HUD內部的簡化圖 ?四、合適的VID 到目前為止，我們討論的VID只有一個定值，也就是HUD只有一個成像焦平面，也稱單焦面HUD。由于虛像只能限制在一個固定距離的平面上，單焦面投射注定會導致單一固定距離的虛像和全縱深現實場景之間的距離差。這種距離差使得人眼需要在虛像和實景間持續切換變焦，從而影響駕駛體驗。如圖（2）所示，單焦面下HUD真實投射的場景（圖(2)(a)）和理想環境下虛實貼合的狀態（圖(2)(b)）之間依舊存在一定差距。 圖 (2).單焦面投射的弊端 市面上部分量產的AR-HUD會采用雙焦面的系統（圖(3)(c)）。常見的雙焦面AR-HUD會設置一個FOV較小、VID較短的投影面來顯示W-HUD的內容（行車信息等），和一個FOV較大、VID較遠的投影面，用于顯示AR的內容（導航、行車或者行人的標識等）。這個設計通常是通過雙光機雙光路，或者單光機雙光路來實現的[9]，主要是為了平衡持續顯示（W-HUD內容）和間斷顯示（AR內容）的VID。但采用雙焦面方案時，AR內容的虛像和現實場景的距離差依舊存在。為了解決這一問題，即更好地實現HUD虛像與現實場景的融合，3D AR-HUD應運而生。 3D AR-HUD有多種實現方式，比如多焦面方法（圖(3)(d)）是通過傳統幾何光學，設置多個VID，在這些固定距離的投影面上顯示圖像[9]。而如果要實現全縱深連續變焦的投影（圖(3)(e)），則可依賴數字計算全息技術(CGH)，使用LCoS相位調變技術，實現全縱深的投影。睿維視在3D成像技術上有多年的布局，正在開展CGH?3D AR-HUD的產品研發，同時將于近期推出量產級多焦面MF(Multi-Focal) 3D AR-HUD產品。 ? 圖 (3). HUD的發展
綜合這兩期，VID是虛像顯示設備的重要光學參數之一。VID過短，不利于AR-HUD的觀察效果和AR內容貼合，但VID過長，會造成HUD設備的體積增加，設計制造難度上升，且會有陽光倒灌的風險。而最為理想的AR-HUD應是有多個焦面的3D AR-HUD。
#參考來源1：
[2]Howells,P.J., Brown,R. (2007). "Challenges with displaying enhanced and synthetic vision video on a head-up display".? In?Enhanced and Synthetic Vision 2007?(Vol. 6559, pp. 155-164). SPIE. ?
[3]Merenda, C., Kim, H., Tanous, K., Gabbard, J. L., Feichtl, B., Misu, T., & Suga, C. (2018). Augmented reality interface design approaches for goal-directed and stimulus-driven driving tasks.?IEEE transactions on visualization and computer graphics,?24(11), 2875-2885.
[4]Duane, Alexander. (1922).?"Studies in Monocular and Binocular Accommodation with their Clinical Applications".?American Journal of Ophthalmology.?5?(11): 865–877.
[5]Cassin, B. (1990). "Dictionary of Eye Terminology. Solomon S. Gainesville, Fl: Triad Publishing Company".?ISBN?978-0-937404-68-3.
[6]TEXAS INSTRUMENTS. (2022). "The Importance of a Longer VID for AR HUDs".?Technical White Paper
[7] Wu QH. (2019). "The Application and Development Trend of Augmented Reality (AR) Technology". Communications World.
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#參考來源2：
[1]TEXAS INSTRUMENTS. (2022). "The Importance of a Longer VID for AR HUDs".?Technical White Paper
[2]Firth, M. (2019). "Introduction to automotive augmented reality head-up displays using TI DLP? technology". Technical document, May.
[3]Howells,P.J., Brown,R. (2007). "Challenges with displaying enhanced and synthetic vision video on a head-up display".? In?Enhanced and Synthetic Vision 2007?(Vol. 6559, pp. 155-164). SPIE.
[4]Rekimoto, Jun. (1995). "The magnifying glass approach to augmented reality systems."?International Conference on Artificial Reality and Tele-Existence. Vol. 95.
[5]Rankin A, Thompson J. (2015). "Next‐Generation Head‐Up Displays". Information Display, 31(3): 18-21.
[6]Li, Ke, et al. (2020). "Distortion correction algorithm of ar-hud virtual image based on neural network model of spatial continuous mapping."?IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality Adjunct (ISMAR-Adjunct).
[7]Li Z, Zhou X, Zheng YS. (2017). “Design and Research of Vehicle Driving Auxiliary System Based on AR-HUD”. Journal of wuhan university of technology, 41 (6), 924 –928.
[8]Firth, Mike. (2019). "Introduction to automotive augmented reality head-up displays using TI DLP? technology."?Technical document, May.
[9]Zhan T, Xiong J, Zou J, Wu ST. (2020). "Multifocal displays: review and prospect".?PhotoniX,?1(1), 1-31.
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本文轉載自公眾號@睿維視ReaVis
原文始發于微信公眾號（艾邦VR產業資訊）：汽車AR-HUD光學設計與虛像距離VID
