AR调研报告-陈佳男博士

2021-03-19

一、Abstract

在汽车行驶中,由于车辆所处的路况经常十分复杂,驾驶员常常需要在极短的时间内处理完成复杂的驾驶任务,否则容易引起严重的道路安全问题。因此,在汽车制造领域中,如何让驾驶员在高速行驶时,保持对路况信息的注意力的同时,实现及时的人车交互是一项非常巨大的挑战。

在现有的车载人机交互系统中,主要的视觉消息是通过车载的面板或显示屏幕来显示,这就造成驾驶员即使在高速驾驶车辆时,也不得不将视线从道路转移到显示面板上,以完成对车辆的交互及控制,然而视线的短暂离开就会大幅提高发生交通意外的概率。 本文介绍了一种可将信息显示在挡风玻璃上的技术Head up display(HUD),这是一项基于增强现实(AR)原理,可以减少驾驶员离开交通现场的持续时间和频率的技术。因此HUD是一项在汽车驾驶领域十分有前景的技术。


二、抬头显示(HUD)技术的简介

抬头显示技术(HUD)是一种将虚拟图像投射在驾驶员正视视野中的显示技术,驾驶员可以在界面上水平查看相关的驾驶信息。HUD技术基于光学原理,将图像投影到玻璃窗上并部分反射至观察者,形成虚拟图像。 HUD最初是为军用航空而开发,因为与其他显示设备相比,它具有较短的读取时间和较高的信息获取效率。而后,随着汽车安全性问题变得越来越重要,该技术自1980年代起开始应用于汽车。 随着时间的流逝,HUD系统配备了更多的高科技,带来了更好的驾驶体验。

现阶段,汽车HUD系统有两个主要类别:挡风玻璃类型和组合类型。挡风玻璃HUD(Windshield HUD)是将界面的图像直接投影在挡风玻璃上(图1),从而产生更好的视觉整合效果。不同的WHUD系统在挡风玻璃上的投影区域的位置和范围各不相同。但是,汽车挡风玻璃通常是曲面玻璃,因此需要根据挡风玻璃的尺寸和曲率进行调整的高精度非球面反射镜。因此,WHUD的实施需要先进的光学和电子技术,这导致该技术成本较高。许多汽车制造商选择将WHUD应用于高端汽车模型中,作为高科技和豪华的代表。

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图一. 挡风玻璃HUD

在组合HUD(Combiner HUD)中,HUD界面的图像是由其他组合器投影而成的,这些组合器大多是一块透明的树脂类。通常,这种系统在车辆中作为辅助设备进行加装,这意味着它也可以在车辆之间互换。不同的CHUD系统在放置附加投影设备的位置上有所不同。大多数都放在仪表板上(图2.a),有些在挡光板上(图2.b)。 CHUD通常连接到车载诊断(OBD)接口以获取车辆状态信息。与WHUD相比,CHOD更简单,更经济,尽管视觉效果可能不如WHUD。凭借其高度的灵活性和通用性,CHOD有更多的潜力被推广为通用驱动程序。     

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图2.a 在仪表盘上            图2.b 在挡光板上

图2. 组合器类型HUD


三、增强现实技术与抬头显示

增强现实技术(AR)是通过将计算机生成的虚拟对象叠加到用户的环境中,借以将三维世界扩展。因此,该技术可以被用在风挡玻璃HUD中,此时,驾驶员面前的挡风玻璃上会显示出与真实世界相匹配的信息,物体及其位置与其固有信息的结合会产生更简洁的信息,从而增强驾驶人员的感知能力。

十多年来,研究人员已经研究和评估了许多基于AR的可视化概念,这些技术多借用移动平台或投影仪驾驶模拟器来实现。在AR技术的帮助下,信息可以在空间上与所关注对象实现联系。然而,尽管这种快速、高效的信息表示形式带来了许多新的机遇,其同时也产生了许多新的问题。例如, AR显示具有许多潜在的缺点,比如可能会阻塞交通的相关对象,或出现感知隧道和认知捕获等现象。然而,在以下几种驾驶环境中,通过这种AR-HUD技术进行信息呈现有着毫无争议的巨大优势。

1.驾驶路径支持

研究人员曾测试了AR显示用以帮助实现车道变更,以便驾驶员能更安全的完成车道的变更。与参考情况相比,研究人员发现在AR显示的帮助下,驾驶员表现出了两个非常积极的改进:(1)更多的驾驶员会踩下刹车来降低速度,这在安全性方面是一个非常积极的指标,(2)所有驾驶员的转向和制动轨迹都非常相似。此外,该研究表明,在车道变化的情况下,因为驾驶员的视觉注意力首先被驾驶员对AR信息的吸引,AR条件倾向于使驾驶员比未受AR信息支持的驾驶员更晚地观察侧后视镜。

另外,在实现车道保持这一项,AR显示也有着极为优秀的表现。 对于没有经验的驾驶员而言,保持车道尤其重要,而对于恶劣的天气条件和黑暗环境,保持车道有时会变得十分困难。 而AR技术允许在驱动路径上加虚拟线,从而帮助驾驶员判断路线,从而减少车道偏差(图3),改善车道保持性能。

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图3,HUD-AR用于路线保持

2.关键道路事件的检测

驾驶员在控制车速和方向时必须同时观察其他车辆,道路问题,车道,行人和交通标志。 所有这些工作都增加了驾驶员身体和精神上的工作量,这对于老年驾驶者和识别反应迟钝的人而言尤其危险。 因此,如果能及时的向驾驶员发出驾驶过程中的警告,就会最大程度地减少驾驶员的工作量并减少车辆事故。

而与在显示屏幕上显示警告相比,在挡风玻璃上显示提示或警告,可以帮助驾驶员在进行危险事件处理时拥有约100毫秒的优势(图4)。

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图4,AR-HUD用于障碍物的检测

3.导航

使用AR-HUD将导航指令或引导投射到挡风玻璃上的概念已经出现了多年,目的是使决策者更容易做出决定,以适应各种交通情况和复杂的道路基础设施。 确实,将GPS导航系统显示在屏幕上会引起注意力的分散,驾驶员必须同时关注信息显示和道路,此外,在将GPS系统上计算机生成的街道与实际街道相匹配的过程中,驾驶员需要承担额外的认知负担。

通过在挡风玻璃上和道路上叠加驾驶方向,AR投影可用于最大程度地减少视力分散,注意力分散和认知负担的问题,使驾驶员更容易将注意力集中在一个位置,并高效的将虚拟信息转换为导航说明(图4)。

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图4. AR-HUD用于接触式模拟导航箭头,可帮助驾驶员在复杂的驾驶情况下找到路线


四、结论

HUD在改善安全性和提高获取信息的效率方面显示出巨大潜力。 随着各种高新技术的发展和结合,HUD在功能和图像格式方面正经历着巨大的变化。本文概述了AR-HUD视觉显示可以为驾驶员提供的技术帮助,用以增强驾驶员的感知力并减少其工作量。但是在应用此项技术时必须要格外的谨慎,我们必须继续广泛地研究各种人为因素在此项技术中的影响,以便充分考虑如何优化AR-HUD技术,在考虑道路安全问题的同时,让驾驶员保持最佳状态,避免最坏的情况发生。