Дополняя реальность: что мы выяснили при разработке AR HUD
Привет, Хабр! Меня зовут Александр Локтев. Я инженер Атома, занимаюсь подбором железа для HUD (Head-up Display — устройство для отображения информации на ветровом стекле). Хочу рассказать о характеристиках, на которые мы обращали внимание при выборе HUD для Атома, и сложностях, с которыми столкнулись. В интернете мало информации о свойствах и об особенностях работы с HUD, поэтому я решил поделиться своими знаниями и опытом.
AR HUD накладывает слой виртуального изображения на реальность, которую мы видим через стекло. Отсюда и дополнение — AR (Augmented Reality). Но чтобы это изображение было качественным, нужно построить оптическую систему, подобрать компоненты, «подружить» систему с окружением и настроить их совместную работу. Разобраться в этом проще, если знаешь основные параметры и показатели, а также устройство HUD.
Базовые понятия, без которых ничего не понятно
Виртуальное изображение — изображение, создаваемое оптической системой HUD — ветровое стекло, которое наблюдатель видит вместе с реальностью.
Eyebox — прямоугольная зона, находясь внутри которой глаза наблюдателя видят виртуальное изображение. В сущности, это первое условие видимости проекции. Поставщики HUD уверяют: даже если наблюдатель смотрит внутрь этой зоны одним глазом, он все равно видит изображение, хотя и с некоторыми потерями в качестве картинки и эффекта 3D. Правда, проверить это на практике пока не довелось.
Размер Eyebox определяется заказчиком (OEM, Original Equipment Manufacturer) и обычно равен 130×50 мм, где первое число — длина, а второе — высота прямоугольника.
Здесь возникает резонный вопрос: «Если я подниму сиденье и мои глаза выйдут за пределы Eyebox, то я перестану видеть проекцию?» Для этого существует регулировка положения Eyebox по высоте. Прямоугольную зону можно поднять относительно центрального положения, например, на 50 мм или, наоборот, настолько же опустить. За эту функцию в HUD отвечает электромотор, поворачивающий зеркало и меняющий направление проекции.
Eyebox
FoV (Field of View) — поле зрения. Это один из основных параметров HUD — именно он определяет область на стекле, на которую выводится виртуальное изображение. Бывают HUD с разными значениями FoV, например 9×3 градусов или 10×5 градусов. Первая цифра обозначает горизонтальную составляющую, вторая — вертикальную. Чем больше значение FoV, тем больше габариты самого HUD и тем сложнее найти для него требуемое пространство, поскольку рядом находятся рулевая колонка, система кондиционирования и другие важные узлы. А чтобы обеспечить большую проекцию HUD, нужно ставить в него зеркала большего размера. Поэтому приходится искать баланс.
FoV (Field of View)
VID (Virtual Image Distance) — расстояние от Eyebox до виртуального изображения. Этот параметр определяет эффект 3D. Представим, что HUD передает на ветровое стекло изображение. При VID = 0 мы имеем эффект 2D, то есть глаз понимает, что изображение находится на плоскости стекла. При увеличении показателя плоскость виртуального изображения смещается от стекла во внешний мир, размер виртуального изображения увеличивается, то есть возрастает AR-эффект. Но повышать VID бесконечно нельзя. Во-первых, не будет видимого улучшения эффекта AR. Во-вторых, таким образом мы увеличиваем площадь, с которой собирается тепло, возникающее на проецирующей матрице. Для примера: в солнечный день HUD с VID = 5 м будет нагреваться меньше, чем HUD с VID = 12 м при прочих равных условиях. В-третьих, увеличение значения VID повлечет увеличение разрешения проецирующей матрицы, ведь мы же не хотим видеть явные пиксели, как в старых видеоиграх. Так что в отношении этого параметра тоже нужно искать баланс.
Рисунок ниже наглядно показывает, как параметры FoV и VID влияют на размер изображения. У левого автомобиля — меньшее виртуальное изображение и скорее всего не ощущается эффект дополненной реальности. В отличие от двух автомобилей в правой части.
VID (Virtual Image Distance)
LDA (Look Down Angle) — угол отклонения направления проекции от горизонтали. Обычно этот параметр лежит в диапазоне от –3,5 до –1,5 градусов и зависит от конструктива автомобиля и задачи HUD. Например, если мы хотим выводить только мгновенную скорость, то можно выдержать наклон ближе к –3,5 градуса, насколько позволяет капот. А если хотим подсвечивать полосы движения, пешеходов, то проекцию лучше направить повыше.
LDA (Look Down Angle)
После параметров, определяющих размер проекции, рассмотрим специфические параметры, характеризующие качество изображения.
Ghost Image — задвоение изображения. Это издержка конструкции ветрового стекла, которое фактически состоит из двух стекол и PVB-пленки между ними, и проекция отражается от каждого из них. Проблема решается применением клиновидной PVB-пленки: она минимизирует побочный эффект настолько, что человеческий глаз уже не замечает его.
Ghost Image
Distortion — искажение оптических систем, при котором коэффициент линейного увеличения изменяется по мере удаления отображаемых объектов от оптической оси. Иными словами: это изменение формы проецируемого изображения, которое возникает из-за кривизны стекла и микроотклонений положений при производстве или вклейке стекла. Пример: при передаче на HUD изображения 1 на стекло выводится изображение 2. Проблема решается софтом. Программа рассчитывает коэффициент коррекции и создает изображение 3, которое передается на HUD, при этом на стекле мы получаем изображение 1. Это похоже на фильтры и маски в мобильных приложениях.
На самом деле, HUD-технологии не новы, в этой области существуют свои стандарты. Методы измерения перечисленных параметров описаны в стандарте SAE J 1757: Optical System HUD for Automotive. На YouTube есть полезное видео о типах и замерах параметров HUD.
Сложно быть первым
После определения целевых показателей HUD и выбора поставщика мы приступили к более детальной разработке. Столкнулись с рядом проблем.
До нас никто в России не ставил HUD c большой проекцией на отечественные авто и соответственно не сертифицировал их в НАМИ. Поначалу там сказали, что в зоне обзорности водителя не должно быть никаких препятствий, включая проекции. Но делать HUD с большой проекцией без вывода информации было бы нелогично. После нескольких раундов переговоров, показов аналогов и опытных образцов НАМИ признал, что проекция не является физическим препятствием обзорности, и подтвердил возможность проецирования виртуального изображения в зону А обзорности водителя. Естественно, там есть определенные ограничения по контенту и загруженности во время движения, они регулируются правилом обзорности транспортного средства (UN Regulation No. 125).
Увеличение FoV приводит к увеличению «окна» в панели приборов, через которое проекция от HUD доходит до стекла. И чем больше это «окно», тем выше вероятность, что солнечный свет отразится от пылезащитной пленки и стекла, и водитель поймает солнечного зайчика. Очевидным решением кажется увеличение расстояния между «окном» и пылезащитной пленкой для создания своеобразного колодца. А еще можно сдвинуть HUD вниз, насколько это позволяет находящаяся ниже рулевая колонка, или оптимизировать высоту самого HUD. В своем решении мы скомбинировали все перечисленное. Поставщик с богатым опытом в сфере HUD провел симуляцию и подтвердил, что солнечные зайчики исключены.
Изображение плохо видно, если смотреть на него в поляризационных очках. Это проблема всех HUD. Дело в том, что естественный свет не поляризован, а поляризационные очки пропускают свет только в одной плоскости — по сути они отфильтровывают блики, уменьшают нагрузку на зрение, делают картинку более четкой при ярком свете.
Выделяют p и s плоскости поляризации, которые перпендикулярны друг другу. Например, наш HUD имеет LCoS-сердцевину (Liquid Crystal on Silicon — жидкие кристаллы на кремниевой основе) и излучает s-поляризованный свет.
В большинстве экранов используется поляризационное стекло для улучшения параметров изображения: яркости, контрастности. Глаз без проблем видит поляризованное изображение. Но, если появляется посредник в виде поляризационных очков, может возникнуть частичное или полное непропускание света проекции.
В целом проблема с восприятием изображения через поляризационные очки актуальна не только для HUD, но и для смартфонов. Соответствующее предупреждение есть на сайте одного из производителей. Если смотреть через поляризационные очки на смартфон и при этом поворачивать его, в какой-то момент вы перестанете видеть изображение на экране. Это происходит, когда плоскость колебания излучения экрана и плоскость пропускаемого сквозь очки света перпендикулярны и очки не пропускают поляризованный свет экрана.
Как устроен HUD
Компоненты HUD
Источник света (LED, Laser RGB-диоды).
Рассеиватель.
PGU (Picture Generation Unit) — компонент, генерирующий изображение на основе полученного по проводам видеопотока (для PGU применяют разные технологии: LCoS, DLP, TFT).
Изогнутое зеркало, которое масштабирует проекцию.
Поворотное зеркало. Именно оно отражает, увеличивает проецируемое изображение и отвечает за положение проекции на стекле.
Электромотор для поворотного зеркала. Водитель нажимает кнопку «Поднять/опустить проекцию» и, повернув зеркало, изображение проецируется на другую область ветрового стекла.
Пылезащитная пленка.
Корпус. Сборный, обычно состоит из пластиковой и алюминиевой частей. На алюминиевой также есть ребра охлаждения.
Датчик наружной освещенности, по показаниям которого регулируется автонастройка яркости проекции. Может быть исключен, тогда показания передаются с бортовой системы.
Как устроен HUD
Начинку HUD можно посмотреть на иллюстрациях, которые отображают вид разобранного мной дисплея одного известного автомобильного OEM.
Дисплей одного известного автомобильного OEM
Верхняя часть корпуса, Пылезащитная плёнка и Изогнутое стекло
Изогнутое стекло и Поворотное зеркало
Рассеиватель
Led-линзы и Led
HfPGU-TFT и Поворотный механизм
HUD работает примерно так же, как офисный проектор. Получает по проводам видеопоток, который нужно вывести на стекло; PGU превращает этот видеопоток в изображение, излучение которого доходит до изогнутого зеркала. Происходит отражение и масштабирование изображения. То же самое делает следующее зеркало — поворотное, которое отвечает за регулировку Eyebox и соответственно положение проекции на стекле.
В этой статье я рассказал об основных параметрах традиционного HUD. Но технологии стремительно развиваются, и сегодня разрабатываются HUD, в которых на помощь приходит голограмма. Но это совсем другая история.
