圖 (1).VID定義及HUD中的VID
在進(jìn)行HUD光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際需求明確FOV和VID的設(shè)計(jì)值，然后基于整車預(yù)留的空間進(jìn)行初步的光學(xué)鏡片擺放。我們在自由曲面原理（上）有介紹，HUD中常用的光學(xué)架構(gòu)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)光學(xué)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(huì)比W-HUD體積大的一個(gè)直接原因。
但在實(shí)際情況下，通常車體預(yù)留的空間有限，要求HUD的體積不能太大，此時(shí)就無法通過增加系統(tǒng)光學(xué)間距的方式，來匹配大VID的設(shè)計(jì)。另一種方法是，在固定光學(xué)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(shí)際設(shè)計(jì)會(huì)更復(fù)雜）的方式來實(shí)現(xiàn)更大的VID(如圖(2)(B))。但該方法也有弊端，放大倍率的增加，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的其他光學(xué)參數(shù)更難控制，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)公差的要求也更高。除了這兩種傳統(tǒng)的方法外，雙曲的使用以及新型光學(xué)系統(tǒng)的使用，也有助于在更小的HUD體積下實(shí)現(xiàn)更大的VID。
圖(2). 增加VID的常規(guī)設(shè)計(jì)方法（為方便展示，僅使用單曲面方案，并簡化了光學(xué)設(shè)計(jì)）
?2、VID的取舍
可以看到，W-HUD和AR-HUD對(duì)于VID的設(shè)計(jì)值是不一樣的。W-HUD通常進(jìn)行持續(xù)顯示，即常態(tài)地顯示駕駛員需要時(shí)刻關(guān)注的重要信息，如車速、限速、報(bào)警提醒等。因此，W-HUD的內(nèi)容通常會(huì)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(shí)現(xiàn)：(1) W-HUD的內(nèi)容處于視野下方，避開正前方的場景；(2) 當(dāng)駕駛員正常駕駛時(shí)，眼睛屬于放松的狀態(tài)，聚焦距離較遠(yuǎn)，處于近距離的W-HUD會(huì)自然地虛化。結(jié)合這兩點(diǎn)，W-HUD的顯示內(nèi)容不會(huì)干擾駕駛。
AR-HUD通常進(jìn)行間斷顯示，即只有當(dāng)特定的場景出現(xiàn)的情況下，才會(huì)進(jìn)行短時(shí)間的AR輔助駕駛內(nèi)容顯示，如導(dǎo)航中的變道、轉(zhuǎn)向，前車預(yù)警，車道線識(shí)別等[3]。當(dāng)這些特定場景未出現(xiàn)時(shí)，AR顯示區(qū)域是不顯示任何內(nèi)容的。這樣能實(shí)現(xiàn)常態(tài)下不干擾駕駛員的正常駕駛，但在需要時(shí)能進(jìn)行短時(shí)的、間斷的AR輔助內(nèi)容，幫助駕駛員獲得重要的信息，減少事故的發(fā)生[3]。在這樣的情況下，AR-HUD通常需要更遠(yuǎn)的、甚至是能連續(xù)變化的VID，具體考量如下：
?（1）視覺疲勞?
我們已經(jīng)提到，AR-HUD的間斷顯示特點(diǎn)是服務(wù)于駕駛員正常駕駛的過程中，此時(shí)駕駛員的雙眼聚焦于較遠(yuǎn)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(dāng)觀察近距離物體時(shí)，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(nèi)旋轉(zhuǎn)以聚焦于目標(biāo)對(duì)象的行為，在我們看更近的物體時(shí)，眼睛需要更大程度地向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這也會(huì)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(huì)使駕駛員在遠(yuǎn)距離的聚焦（正常駕駛狀態(tài)）與的AR內(nèi)容（較近VID）之間來回轉(zhuǎn)換，頻繁調(diào)動(dòng)眼部肌肉，在實(shí)際物體和虛擬圖像之間切換聚焦，長時(shí)間下來便會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞[6]。研究表明，當(dāng)觀察為6m及以下時(shí)，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(huì)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)），也就是讓HUD的虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)世界場景進(jìn)行結(jié)合與互動(dòng)[3]。AR的功能依賴于對(duì)實(shí)景圖像進(jìn)行分析，結(jié)合人眼的位置及角度，計(jì)算出虛擬圖像的投影位置[7]。但是，當(dāng)人眼改變位置時(shí)，虛像與現(xiàn)實(shí)世界適配程度會(huì)發(fā)生改變，視差指的就是感知到虛像和現(xiàn)實(shí)的不重合[6]。
如圖（4）所示，在正常駕駛時(shí)（聚焦遠(yuǎn)處，人眼處于放松狀態(tài)），VID分別為2m和10m，而紅色、藍(lán)色的矩形標(biāo)識(shí)為HUD投影的虛像與現(xiàn)實(shí)場景中的行人、汽車實(shí)現(xiàn)了完美貼合。
圖(4). 正常駕駛時(shí)，VID分別為2m和10m，虛像和實(shí)物完美貼合
然而，當(dāng)駕駛員將頭稍微向左移動(dòng)，虛像的位置也發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致虛像和現(xiàn)實(shí)世界的錯(cuò)位。我們可以看到，在VID為2m的情況下，紅色和藍(lán)色矩形完全偏離了對(duì)于行人和汽車的標(biāo)識(shí)（圖(5)(A)）；而10m的VID下，錯(cuò)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(fā)生的只是輕微的移動(dòng)，強(qiáng)烈的視差也會(huì)使得虛像和現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生大幅度錯(cuò)位[6]。
圖(5). 隨著駕駛員頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，VID分別為2m和10m時(shí)，虛像和實(shí)物的貼合程度出現(xiàn)明顯差異
為了實(shí)現(xiàn)圖形與現(xiàn)實(shí)世界的深度融合、將駕駛信息的投射虛像與現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段AR-HUD常見的VID是7.5m~10m，再遠(yuǎn)一些有10m~15m[1]。
但對(duì)于AR-HUD來說，VID并不是越大越好，下面為大家詳細(xì)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(tǒng)光學(xué)距離（兩塊鏡片之間的距離+小鏡片與PGU之間的距離）有關(guān)。也就是說，如果想要把VID做得很長，同時(shí)保證圖像的質(zhì)量，需要增加系統(tǒng)光學(xué)距離，而距離的增加會(huì)導(dǎo)致HUD的整體體積增大[3]。例如，對(duì)比通常只有3~6升的傳統(tǒng)W-HUD， 長VID的AR-HUD體積會(huì)在10升左右，甚至可達(dá)20升。由于車內(nèi)儀表板背后空間狹小，AR-HUD的大體積也成為了限制其應(yīng)用的原因之一[3]。
?（2）光學(xué)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)?
長距離VID通常會(huì)導(dǎo)致放大倍率增大，而這又會(huì)造成以下兩個(gè)問題：其一是光學(xué)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其二是陽光倒灌。放大倍率是指物體經(jīng)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(jì)算呈現(xiàn)：
而其中的虛像大小L，又是由FOV和VID共同決定的：
通常，在設(shè)計(jì)HUD時(shí)，F(xiàn)OV是一個(gè)定值，根據(jù)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(yīng)用）。而像源（P）通常也是定值，大小取決于光機(jī)（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(guān)，VID越長，放大倍率也越大。 ? HUD系統(tǒng)的放大倍率越大，HUD的設(shè)計(jì)要求也就越高[5]。拿HUD的動(dòng)態(tài)畸變來說，當(dāng)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(shè)計(jì)HUD光路時(shí)，會(huì)將動(dòng)態(tài)畸變控制在2mrad以下；當(dāng)VID增大到7.5米時(shí)，HUD的放大倍率是15~20倍，約為前者的三倍；此時(shí)我們?nèi)匀恍枰獙?dòng)態(tài)畸變控制在2mrad以下，但放大倍率的增大，動(dòng)態(tài)畸變的控制將更難[6]。此外，高放大倍率下，對(duì)于HUD系統(tǒng)的公差要求也更加嚴(yán)格。
?（3）陽光倒灌?
長距離VID帶來的另外一個(gè)問題是陽光倒灌，陽光倒灌會(huì)引發(fā)PGU升溫失效，進(jìn)而導(dǎo)致HUD失效[7]。由于光路是可逆的，高放大倍率導(dǎo)致了等量的陽光在通過自由曲面反射到PGU時(shí)，承接等量能量的面積減少，也就是PGU上能量聚集點(diǎn)接收的能量密度大幅增高。
同時(shí)，一般而言，更長的VID也意味著需要更大的鏡片來實(shí)現(xiàn)，這意味著更多的陽光將被更大的鏡片反射到HUD內(nèi)部[8]。綜合來看，這兩個(gè)因素的疊加導(dǎo)致一個(gè)高密度的能量點(diǎn)匯集在PGU上，如同放大鏡點(diǎn)燃火柴一樣，聚集了HUD接收的所有熱量， 迅速導(dǎo)致PGU溫度升高，進(jìn)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(jìn)HUD內(nèi)部的簡化示意圖。
圖 (1).短VID和長VID下，陽光照射進(jìn)HUD內(nèi)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(gè)定值，也就是HUD只有一個(gè)成像焦平面，也稱單焦面HUD。由于虛像只能限制在一個(gè)固定距離的平面上，單焦面投射注定會(huì)導(dǎo)致單一固定距離的虛像和全縱深現(xiàn)實(shí)場景之間的距離差。這種距離差使得人眼需要在虛像和實(shí)景間持續(xù)切換變焦，從而影響駕駛體驗(yàn)。如圖（2）所示，單焦面下HUD真實(shí)投射的場景（圖(2)(a)）和理想環(huán)境下虛實(shí)貼合的狀態(tài)（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(chǎn)的AR-HUD會(huì)采用雙焦面的系統(tǒng)（圖(3)(c)）。常見的雙焦面AR-HUD會(huì)設(shè)置一個(gè)FOV較小、VID較短的投影面來顯示W(wǎng)-HUD的內(nèi)容（行車信息等），和一個(gè)FOV較大、VID較遠(yuǎn)的投影面，用于顯示AR的內(nèi)容（導(dǎo)航、行車或者行人的標(biāo)識(shí)等）。這個(gè)設(shè)計(jì)通常是通過雙光機(jī)雙光路，或者單光機(jī)雙光路來實(shí)現(xiàn)的[9]，主要是為了平衡持續(xù)顯示（W-HUD內(nèi)容）和間斷顯示（AR內(nèi)容）的VID。但采用雙焦面方案時(shí)，AR內(nèi)容的虛像和現(xiàn)實(shí)場景的距離差依舊存在。為了解決這一問題，即更好地實(shí)現(xiàn)HUD虛像與現(xiàn)實(shí)場景的融合，3D AR-HUD應(yīng)運(yùn)而生。
3D AR-HUD有多種實(shí)現(xiàn)方式，比如多焦面方法（圖(3)(d)）是通過傳統(tǒng)幾何光學(xué)，設(shè)置多個(gè)VID，在這些固定距離的投影面上顯示圖像[9]。而如果要實(shí)現(xiàn)全縱深連續(xù)變焦的投影（圖(3)(e)），則可依賴數(shù)字計(jì)算全息技術(shù)(CGH)，使用LCoS相位調(diào)變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全縱深的投影。睿維視在3D成像技術(shù)上有多年的布局，正在開展CGH?3D AR-HUD的產(chǎn)品研發(fā)，同時(shí)將于近期推出量產(chǎn)級(jí)多焦面MF(Multi-Focal) 3D AR-HUD產(chǎn)品。 ? 圖 (3). HUD的發(fā)展
綜合這兩期，VID是虛像顯示設(shè)備的重要光學(xué)參數(shù)之一。VID過短，不利于AR-HUD的觀察效果和AR內(nèi)容貼合，但VID過長，會(huì)造成HUD設(shè)備的體積增加，設(shè)計(jì)制造難度上升，且會(huì)有陽光倒灌的風(fēng)險(xiǎn)。而最為理想的AR-HUD應(yīng)是有多個(gè)焦面的3D AR-HUD。
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