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新一代平视显示(HUD)系统:发展动力、面临的挑战和解决方案




 

2015年2月7日,在美国电影艺术与科学学院第87届科学技术奖颁奖典礼上,德州仪器(TI)DLP®芯片发明者Larry Hornbeck博士荣获奥斯卡奖®。DLP芯片组已经从根本上改变了电影制作、发行和观影的方式,现在全球超过80%的电影院都采用了此芯片组

与DLP 技术对电影业的影响类似的是,这种技术现在也通过新的显示和车载照明灯等应用,准备变革汽车行业。(表1) 

应用
目前
采用DLP 技术的潜力
平视显示系统
小型显示系统,提供辅助/多余信息,有限的颜色
大型、逼真、色彩艳丽的显示系统
能够提供实时、驾驶员决策辅助信息
智能远光灯
有限使用远光
一直使用远光,提升驾驶意识
中央信息显示屏
方形/图1 AR HUD的正形投影图形平面
曲面显示,实现独特设计
 表1在新应用中采用DLP技术

HUD2.0的发展动力
现有的平视显示(HUD)系统往往只能显示冗余信息,即车中其他位置也可以获得的信息。而此技术的新一代,即HUD2.0,能够显示高级驾驶员辅助系统(ADAS)信息。除了车载传感器、摄像头和车辆对车辆/基础设施通信(V2X),车辆所了解的其周围的信息量也呈指数级增长。我们面临的挑战在于如何有效地沟通什么重要

信息是车辆“已知的”,并将其传递给驾驶员,但只有当我们向半自主和自主驾驶功能迁移时,这些信息才会增多。
采用HUD2.0将以自然、直观的方式传达这类信息,增强驾驶员的全局固定视图,以正形投影图形显示车辆已知的信息。导航指示、车道偏离告警(LDW)和自适应巡航控制(ACC)指示灯功能将从驾驶员的视角以自然的图像距离来显示。如图1所示,此图显示了如何‘增强’驾驶员视图的现实,实时提供有用的信息。在这里我们可以,图像以鲜亮、栩栩如生的色彩来显示,并以自然距离叠加在实物上,因此驾驶员可以最小的干扰轻松地使用信息。图1 AR HUD的正形投影图形
此外,与用户界面范式中用作“辅助”显示系统的现有HUD不同的是,HUD2.0位于人机界面(HMI)策略的中心,并将作为主信息显示系统。同样,新一代HUD也期望在不同日照条件下获得出色的图像质量和一致的可读性。
图 2 FOV和VID影响感知的HUD图形大小
面临的挑战
HUD 2.0要求在传统HUD设计的基础上获得许多新的方面的内容。虽然HUD设计的详细说明超出了本文范围,但仍有必要查看一些关键参数。
如图2所示,视野(FOV)和虚拟映像距离(VID)在确定感知图像尺寸方面有重要作用。虽然传统的HUD视野仅涵盖了一个车道,但拥有更大视野和更长虚拟映像距离的HUD2.0使驾驶员能够看到超出一个车道车流的图像。在视野和虚拟映像距离方面的这些增强要求更高的亮度、更饱和的色彩、更高的功效和更强的日照耐受度。此外,需要符合这些新参数,同时满足所有传统汽车的环境条件。下表2列出了HUD2.0的一些参数,与传统HUD系统对比。
 
参数
传统HUD
HUD 2.0*
视野(FOV
< 5度
>10度
视野(驾驶员角度)
N/A
>1个车道的车流 @ 20m
亮度
典型值 ~8000 cd/m2 [1]
>15,000-30,000 cd/m2
饱和色
典型的80%的NTSC色域 [1]
>125%的 NTSC色域
功效
> 10 W @ 8000 cd/m2
< 10 W @ 15,000 cd/m2

* 测量的数据

表2 新一代HUD2.0的关键参数与传统HUD关键参数对比

亮度与功效
更大的视野和更高的亮度水平为驾驶员提供易于浏览的图像。为了确保各种光线条件下的可读性,HUD应当能够在指定的15,000cd/m2和30,000cd/m2之间生成虚像。然而,需要创建此图像的绝对功率应保持较低,这样不仅能最大程度降低热管理所需的容量,也能在可行的光源(LED)范围内保持光通量。为了扩大视野并提高亮度,同时不增加功耗,更高效的成像器十分必需。德州仪器DLP 0.3” WVGA类A100数字微镜器件(DMD)的效率高于66%,显著提高了系统效率,以符合以上参数。借助效率提升,基于DLP技术和RGB LED的HUD系统可以实现所需的亮度并扩大视野。例如,采用.3” WVGA DMD和OSRAM Q8WP RGB LED[2]设计的系统仅使用6.0 W的LED功率,就能以10度视野实现超过15,000 cd/m2亮度,甚至比目前更小的辅助HUD系统的功率还要低。此系统的功效为10.6 lm/W(每瓦的流明数)。

色彩饱和度
很多传统TFT/LCD HUD设计使用白色LED,通过滤镜产生红色、绿色和蓝色。相比之下,基于DLP技术的HUD系统则使用红色、绿色和蓝色三种LED,提供更饱和的色彩,这增强了HUD显示器上图像的可读性[3]。一些关键性能指标可被用来判断系统的色彩表现,包括比较其色域和NTSC色域所测量的色域大小、主波长和色彩饱和度所定义的每种色彩的色调。

表3比较了TFT/LCD白色LED架构[1]与基于DLP技术采用RGB LED 的HUD架构。与NTSC相比,RGB LED色域更大,红色和蓝色饱和度更深。

 
NTSC %
主波长(nm)
饱和度(%)
TFT/LCD,带白色LED [1]
80%
R:621
G:549
B:469
R:72
G:75
B:81
DLP 技术,带有RGB LED*
125%
R:620
G:549
B:456
R:91
G:75
B:95

                              †DW = 主波长 * 测量和建模的数据
                                   表3 HUD色彩表现

日光热负荷
随着HUD系统视野的扩大,HUD光学仪器收集的太阳能也增加了。此外,随着虚拟映像距离增大,驾驶员可以采用与现实世界固定视图相比正常的角度浏览图像,太阳能更多聚焦到HUD的内部成像器上。收集更多阳光和将这种能力聚焦到内部成像的更小光斑内的效果可能会带来损害。基于DLP技术的HUD系统使用漫射屏材料创建HUD系统的内部图像。对于传统HUD系统,成像器(一般为TFT面板)直接发射HUD图像。

漫射屏是无源元件,它具有两个主要优势:1)它不吸收太阳能能量 – 它扩散光线 2)它本身不是热源。借助这些属性,基于DLP技术的HUD系统更容易扩展到增强现实的HUD系统所需的大视野和更长的虚拟映像距离。

偏光太阳镜
除了足以在各种环境光线条件下看见的亮度外,当驾驶员戴上偏光太阳镜时,HUD虚拟映像也是可读的。由于DLP技术投影为非偏光,这使原始设备厂商能够优化偏光太阳镜所用的HUD。

环境条件
­汽车HUD系统所用的成像技术必须能够在恶劣的环境条件下可靠地运行,比如高湿度、剧烈温度变化的极端温度、冲击和震动等环境。DMD是微机电系统,它应对汽车中所体验的温度循环、冲击和震动的能力令人感到惊叹。DLP 0.3” WVGA类A100 DMD满足这些条件。当视镜谐振频率远高于100 kHz时,它的机械结构在<5 kHz范围的冲击和震动下是坚固耐用的。表4列出了在.3” WVGA类A100 DMD上成功完成的一些关键测试。
 

DMD上执行的测试
条件
温度循环
-55C / 125C, 500循环
机械冲击力
1500g
震动
20g, 20-2000Hz, 恒定的加速度10kg


 

 

     表4 汽车测试完成   

结论
随着ADAS技术在汽车中的应用越来越普及,HUD对车辆HMI策略也愈发重要。随着HUD从小型辅助显示器向大型主用显示器逐渐过渡,人们对图像质量、可读性和可靠性的期望也越来越高。DLP技术已在消费电子和商业应用中广泛采用了近二十年,为汽车级芯片奠定了坚实的基础。如图3所示,DLP 0.3” WVGA类A100 DMD专门满足新一代汽车HUD的环境要求。如需了解更多信息,敬请访问www.ti.com/dlpautomotive

 参考资料 

[1]  E. Buckley, "Pixtronix DMS(tm) technology for head-up displays," in SID Vehicles and Interfaces Conference, Dearborn, MI, 2011.    
[2]  OSRAM Opto Semiconductor. [Online]. Available: http://www.osram-os.com/osram_os/en/products.   
[3]  K. I. R. S. D. a. B. E. Blankenbach, "Comparison of the Readability of Colour Head-up Displays Using LED and Laser Light Sources," in SID, Symposium Digest of Technical Papers, 2010.  

1 除非另有说明,本文数据由TI提供。

  

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