圖 (1).VID定義及HUD中的VID
在進行HUD光學設(shè)計時，會根據(jù)實際需求明確FOV和VID的設(shè)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(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，對應的系統(tǒng)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(tǒng)光學間距的方式，來匹配大VID的設(shè)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(shè)計會更復雜）的方式來實現(xiàn)更大的VID(如圖(2)(B))。但該方法也有弊端，放大倍率的增加，會使整個系統(tǒng)的其他光學參數(shù)更難控制，同時對于系統(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系統(tǒng)的使用，也有助于在更小的HUD體積下實現(xiàn)更大的VID。
圖(2). 增加VID的常規(guī)設(shè)計方法（為方便展示，僅使用單曲面方案，并簡化了光學設(shè)計）
?2、VID的取舍
可以看到，W-HUD和AR-HUD對于VID的設(shè)計值是不一樣的。W-HUD通常進行持續(xù)顯示，即常態(tài)地顯示駕駛員需要時刻關(guān)注的重要信息，如車速、限速、報警提醒等。因此，W-HUD的內(nèi)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(xiàn)：(1) W-HUD的內(nèi)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(tài)，聚焦距離較遠，處于近距離的W-HUD會自然地虛化。結(jié)合這兩點，W-HUD的顯示內(nèi)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(xiàn)的情況下，才會進行短時間的AR輔助駕駛內(nèi)容顯示，如導航中的變道、轉(zhuǎn)向，前車預警，車道線識別等[3]。當這些特定場景未出現(xiàn)時，AR顯示區(qū)域是不顯示任何內(nèi)容的。這樣能實現(xiàn)常態(tài)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(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(nèi)旋轉(zhuǎn)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(nèi)旋轉(zhuǎn)，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(tài)）與的AR內(nèi)容（較近VID）之間來回轉(zhuǎn)換，頻繁調(diào)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(chǎn)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(xiàn)實），也就是讓HUD的虛擬圖像與現(xiàn)實世界場景進行結(jié)合與互動[3]。AR的功能依賴于對實景圖像進行分析，結(jié)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(xiàn)實世界適配程度會發(fā)生改變，視差指的就是感知到虛像和現(xiàn)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(tài)），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(xiàn)實場景中的行人、汽車實現(xiàn)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(fā)生了改變，從而導致虛像和現(xiàn)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(fā)生的只是輕微的移動，強烈的視差也會使得虛像和現(xiàn)實世界發(fā)生大幅度錯位[6]。
圖(5). 隨著駕駛員頭的轉(zhuǎn)動，VID分別為2m和10m時，虛像和實物的貼合程度出現(xiàn)明顯差異
為了實現(xiàn)圖形與現(xiàn)實世界的深度融合、將駕駛信息的投射虛像與現(xiàn)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(xiàn)，現(xiàn)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(tǒng)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(guān)。也就是說，如果想要把VID做得很長，同時保證圖像的質(zhì)量，需要增加系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(shè)計挑戰(zhàn)?
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(shè)計挑戰(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HUD時，F(xiàn)OV是一個定值，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(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)計要求也就越高[5]。拿HUD的動態(tài)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(shè)計HUD光路時，會將動態(tài)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?nèi)匀恍枰獙討B(tài)畸變控制在2mrad以下，但放大倍率的增大，動態(tài)畸變的控制將更難[6]。此外，高放大倍率下，對于HUD系統(tǒng)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(fā)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(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(nèi)部的簡化示意圖。
圖 (1).短VID和長VID下，陽光照射進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(xiàn)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(xù)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(huán)境下虛實貼合的狀態(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會采用雙焦面的系統(tǒng)（圖(3)(c)）。常見的雙焦面AR-HUD會設(shè)置一個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FOV較大、VID較遠的投影面，用于顯示AR的內(nèi)容（導航、行車或者行人的標識等）。這個設(shè)計通常是通過雙光機雙光路，或者單光機雙光路來實現(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，AR內(nèi)容的虛像和現(xiàn)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(xiàn)HUD虛像與現(xiàn)實場景的融合，3D AR-HUD應運而生。
3D AR-HUD有多種實現(xiàn)方式，比如多焦面方法（圖(3)(d)）是通過傳統(tǒng)幾何光學，設(shè)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(xiàn)全縱深連續(xù)變焦的投影（圖(3)(e)），則可依賴數(shù)字計算全息技術(shù)(CGH)，使用LCoS相位調(diào)變技術(shù)，實現(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)，同時將于近期推出量產(chǎn)級多焦面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，會造成HUD設(shè)備的體積增加，設(shè)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：
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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
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[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.
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[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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