HUD: проекция будущего

Введение

История HUD ведет отсчет с начала 1940-х гг., когда была впервые озвучена концепция применения этой технологии в военной авиации. Разработка увидела свет уже после Второй мировой войны и нашла также широкое применение в гражданской авиации. Полет истребителя осуществляется на высокой скорости — свыше 800 км/ч. Отвлечение для взгляда на дисплей приборной панели буквально на 1 с эквивалентно тому, что несколько сотен метров самолет летит вслепую. Конечно, в обычных условиях навигация ведется по приборам, но во время взлета/посадки или в воздушном бою требуется также и визуальный обзор. Так, чтобы минимизировать отвлечение пилота, была разработана концепция HUD, что переводится с английского как «надголовный» дисплей. В авиационных системах на нем отображается скорость полета, высота, угол тангажа, курс и другая важная информация (рис. 1а, б). Таким образом, системы HUD позволяют пилоту получать необходимую информацию без отвлечения на HDD (Head-down Display)¹ и другие кабинные дисплеи, число которых в коммерческих самолетах достигает нескольких десятков.

Рис. 1. Ключевые применения HUD/HMD: а) HUD в военном истребителе F16 Lockheed Martin; б) коммерческий авиационный HUD Elbit Systems; в) стандартный вид современного HUD, применяющегося в автомобилях BMW; г) новое применение технологии HUD для автомобильной навигации (источник: Pioneer); д) HMD в истребителе F35 (альтернатива HUD)

С конца 1980-х гг. началось применение HUD в автоэлектронике, где концепция «надголовного» дисплея, или представления актуальной информации перед глазами водителя без ограничения обзора дороги и отвлечения на приборную панель, представляет значительный интерес для повышения дорожной безопасности. В легковых автомобилях на HUD отображаются скорость, данные навигационной системы (рис. 1б, в) т. д.

Виртуальное изображение, спроецированное на ветровое стекло, воспринимается как парящее в воздухе выше капота и видимо только водителю. Такая форма представления информации менее изнурительна для глаз, поскольку позволяет избежать постоянного переключения для считывания информации с ближнего на дальнее расстояние.

HUD представляет собой довольно сложную систему, в состав которой входят проектор, прозрачный экран, проецируемый на лобовое стекло летчика или водителя, видеогенератор (мини-компьютер), цифровой оптический объединитель (combiner) и управляющая панель. Данные для HUD, получаемые с бортового компьютера, после соответствующей обработки проецируются на экран. Объединитель служит для согласования виртуального изображения, выдаваемого на поверхность вогнутой или плоской формы для позиционирования информации в поле зрения пилота или водителя. Это может быть ветровое стекло или специальный экран, на котором отражается монохроматическое (или полноцветное) изображение от проектора таким образом, чтобы оно было видимо поверх воспринимаемой реальной ситуации. Изображение видимо, как правило, только водителю или пилоту в пределах так называемого eyebox² — коридора восприятия глазами.

Отображение актуальной информации на уровне глаз также представляет интерес для повышения безопасности и навигации мотоциклистов. Но в данном случае практическая реализация отличается тем, что необходимо обеспечить восприятие виртуального изображения через очки или прозрачную поверхность шлема, например мотоциклиста. Идея обеспечения доступности актуальной информации для летчика, мотоциклиста или солдата (рис. 1д) осуществляется посредством так называемых HMD (Helmet/Head Mounted Display) — дисплеев дополненной реальности, устанавливаемых на шлеме/голове.

Еще одна технология, известная под названием «виртуальный ретинальный дисплей» (Virtual retinal display, VRD, или Retinal Scan display, RSD), представляет собой технологию вывода визуальной информации непосредственно на сетчатку глаза. Мобильные проекционные дисплеи — еще один вариант использования тех же технологий, которые могут применяться в системах HUD. В зависимости от контекста перечисленные применения можно считать альтернативой, дополнением или расширением технологий HUD.

Первым поколением HUD были дисплеи, основанные на растровой технологии ЭЛТ (CRT) формирования изображений на экране. Следующее поколение HUD основывалось на использовании ламп высокого давления, а затем и твердотельных источников освещения, также модулируемых для получения изображения с использованием LCD, т. е. проекторы реализовывались на основе ЖК-модулятора и светодиодных источников света. Лазерные сканирующие MEMS HUD являются наиболее «продвинутыми» продуктами, которые могут проецировать изображение с лучшим разрешением и большей четкостью, чем это возможно посредством других технологий. Благодаря развитию именно этих технологий, отличающихся компактностью и, в перспективе, более высоким качеством изображения, причем по более низкой цене, становится возможным более широкое распространение технологий на массовых рынках — от автомобильной до потребительской электроники. Эти рынки благодаря высоким объемам выпуска продукции в состоянии обеспечить дальнейшее развитие технологий, создающих виртуальные изображения, и отдельных направлений, включая, как уже говорилось, дополненную реальность, голосовой контроль, обнаружение жестов, 3D-визуализацию и т. д.

Примеры применения HUD в авиации

Как уже было сказано, концепция HUD впервые появилась в 1940-х годах и со временем была расширена до показа различных баллистических переменных — скорости летательного аппарата, скорости цели, расстояния и др. В 1958 г. британский самолет Blackburn Buccaneer впервые был оснащен HUD, и, таким образом, можно говорить, что c 1960-х гг. эта технология массово применяется в военной авиации.

Вскоре в гражданской (коммерческой) авиации HUD стали важными и неотъемлемыми составными частями самолетов и вертолетов. Sextant Avionique (ныне торговая марка Thales) в 1975 г. разработала первый HUD для самолета Dassault Mercure, затем Sundstrand и Douglas Aircraft Company установили HUD в самолетах MD80 (в конце 1970-х гг.). В 1990-х гг. уже большинство коммерческих авиалиний использовало HUD. Сегодня эти системы являются неотъемлемым атрибутом любого летательного аппарата как в военной, так и в гражданской авиации.

Типичные HUD летательных аппаратов отображают воздушную скорость, высоту, линию горизонта (авиагоризонт), разворот/крен (turn/bank), курс, индикаторы скольжения и скольжения на крыло (slip/skid). Эти инструменты являются минимальным требованием 14 CFR Part 91³. Пилот может смотреть на проецируемые данные, не теряя контроля за окружающим пространством, и визуально считывать только актуальную информацию. Полезность HUD особенно высока в условиях низкой видимости и при посадке.

HUD в системах авионики обычно получают данные непосредственно от датчиков (приемников воздушного давления, гироскопов, навигационных систем и т. п.), установленных на борту летательного аппарата и выполняющих собственные вычисления вместо использования вычисленных данных от бортовых компьютеров. В ряде летательных аппаратов данные HUD для взлета в условиях низкой видимости поступают от компьютера, управляющего автопилотом (Boeing 787). Компьютеры интегрированы с системами летательных аппаратов и допускают подключение посредством различных шин данных (ARINC 429, ARINC 629 и MIL-STD-1553).

Разработанная Thales Group (www.thalesgroup.com) система D-HUDS (Digital Head-Up Display System) создавалась как всеобъемлющее решение для коммуникации, навигации и наблюдения. Thales использует для системы HUD LCD-технологию и производит также дисплейное стекло с активными матрицами. D-HUDS предоставляет информацию для всех фаз полета, обеспечивает высокое графическое качество, поддерживает клиентскую символику, обладает возможностями улучшенных систем видения нового поколения EVS (Enhanced Vision System), синтетического (синтезированного) зрения SVS (Synthetic Vision System), системы поверхностного (наземного) наведения SGS (Surface Guidance System). Оборудованный компьютером, D-HUDS воспроизводит яркие и качественные изображения. Один из примеров применения системы HUD от Thales — на самолете Airbus A350-XWB — показан на рис. 2.

Рис. 2. Применение системы HUD от Thales на самолете Airbus A350-XWB

Компания Rockwell Collins (www.rockwellcollins.com) имеет в своем портфолио систему наведения Head-up Guidance System (HGS), которая содержит в себе переходную стадию от использования дисплеев HDD к сопровождаемой HUD фазе полета. HGS собирает и оценивает важнейшие данные полета: положение самолета в воздухе, скорость, высоту и навигационные входы для вычисления информации, необходимой для приземления с использованием запатентованной компьютерной архитектуры с высоким уровнем целостности, разрешающей посадки категории III, регулирует взлеты в условиях низкой видимости. HGS также отображает специальную символику для событий TCAS⁴, рекомендации по восстановлению при смещении ветров и избеганию хвостовых ударов. Модель HGS-3500 выводит точные указания на лобовое стекло. Для получения изображения используется освещаемый светодиодами LCD-дисплей, на который выводится информация от систем синтетического видения окружающего мира (рис. 3а). HGS-3500 — первая в промышленности HUD-система для средних и легких коммерческих самолетов (рис. 3б).

Рис. 3. HUD-система Rockwell Collins HGS-3500: а) внешний вид; б) вид в кабине

BAE Systems (www.baesystems.com) разработала систему Q-HUD (рис. 4) — недорогое решение HUD, которое значительно меньше, легче, дешевле, чем системы-предшественники. Q-HUD также отображают важную информацию, включая скорость, высоту, угол тангажа, курс, маркер траектории полета и т. д., поверх области обзора пилота. В технологии BAE Systems используются голографические волноводы, эффективно генерирующие символику на стекле без проецирования при этом изображения на поверхность, как большинство HUD. Благодаря методу генерации изображения, система Q-HUD не требует тяжелой и дорогой оптики и громоздких проекционных систем в области головы пилота. Системы Q-HUD используют низкопрофильный дисплейный блок, который может быть закреплен выше приборной панели так, что объединитель всегда является видимым. Это допускает свободу расположения HUD в кабинах. На основе данной технологии BAE Systems производит продукты MonoHUD и IHUD, а также HMD.

Рис. 4. Иллюстрация технологии Q-HUD от BAE Systems

ANVIS IHUD (Aviator Night Vision Imaging System Improved Head-Up Display) — система ночного видения с улучшенным HUD от BAE — обеспечивает визуальное наблюдение данных полета при поддержке обзора ситуации во внешней среде. Первичное назначение IHUD — повышение безопасности экипажа. Новая IHUD-система меньше, легче, энергоэкономичнее и обладает лучшими системными характеристиками.

С 2012 г. BAE Systems выполняет заказ армии США в объеме $21,7 млн на поставку в неопределенном количестве дисплеев HMD, также известных как удаленный блок формирования изображений на дисплее очков Remote Eyepiece Display Imager, или RED-I, совместимый с военными датчиками теплового зрения.

Примеры применения HUD в автоэлектронике

Развитие технологий HUD

Уже более двух десятилетий HUD устанавливаются в автомобилях. Впервые они были применены General Motors (www.gm.com) в конце 1980-х гг. Первый цветной дисплей появился в 1998 г. Toyota Motor Corporation (www.toyota-global.com) в 1991 г. выпустила HUD для внутреннего рынка, а в 2003 г. компания BMW Group AG (www.bmwgroup.com) стала первым европейским автопроизводителем, выпустившим HUD. Но популярными в автомобильном применении HUD стали только в последнее время — с развитием технологий и повышением характеристик дисплеев в плане яркости, контрастности, цветности виртуального изображения.

В настоящее время для автомобильных HUD используются следующие технологии:

• зеркальное отражение изображения, сформированного с использованием обычного светодиодного источника или дисплея (Continental, BMW, Audi, DENSO);
• лазерная голография с использованием оптических волноводов (Delphi);
• лазерная сканирующая МЭМС-технология (Pioneer).

Перспективы HUD связывают с лазерными технологиями и расширением дисплейных применений, например для навигации (BMW, Pioneer), ночного видения (Denso), защиты пешеходов (Volvo). Почти все производители имеют в своем портфолио HUD, обладающие средствами для создания дополненной реальности с виртуальными объектами, привязанными к физическим. Ранее HUD были автономными системами, но сейчас многие поставщики стали объединять их с другими системами и приборами, включая дисплеи систем навигации или развлечений, touch-дисплеи. Распознавание голоса, контроль жестов, 3D-визуализация — новые направления в технологии автомобильных HUD, которые способствуют появлению новых коммерческих решений от различных поставщиков.

General Motors: лазерная проекция на полноэкранных HUD

В настоящее время технология является стандартным признаком автомобиля GMC Acadia Denali модельного ряда 2013 г. (рис. 5а) и доступна на других автомобилях — Buick LaCrosse, Chevrolet Camaro.

Рис. 5. Решения GM: а) HUD в автомобилях GMC Acadia Denali модельного ряда 2013 г.; б) зеркальная технология; в) будущие способности HUD по обнаружению объектов (дорожного знака); г) возможность отображения края полосы (в перспективе)

В Acadia HUD выполняет функции проецирования изображений из приборной панели, используя два зеркала для отражения четкого цифрового изображения от ветрового стекла (рис. 5б), посредством чего возникает виртуальное изображение, видимое водителю как висящее над капотом. Водители могут регулировать яркость и местоположение изображения или отключать его полностью. Видимая информация — скорость и обороты двигателя, различные предупреждения, активация сигналов поворота, температура и другая информация.

General Motors планирует и далее повышать характеристики устройства посредством интеграции лазерных указателей и систем улучшенного видения в сложных условиях. Компания сообщает, что в будущем малые УФ-лазеры смогут взаимодействовать с автомобильными датчиками и камерами и отображать их показания на ветровом стекле, автоматически высвечивать край дороги или другие объекты и предоставлять визуальные данные для помощи в вождении (рис. 5в, г).

Исследования GM проводит в сотрудничестве с университетом Карнеги-Меллон и университетом Южной Калифорнии, а также другими институтами. Цель — повысить видимость с помощью полно- экранного HUD, сформированного при покрытии фосфорсодержащим составом всего ветрового стекла, которое отражает видимый свет при излучении от компактного лазера. Для лучшей интеграции с полем зрения водителя технология HUD GM следующего поколения трансформирует лобовое стекло в прозрачный HUD большого размера, отображающий информацию непосредственно от датчиков — приборов ночного видения, GPS и камер. Система также включает новую концепцию GPS, позволяющую водителю видеть точки интереса на экране в реальном времени.

BMW и Audi: зеркальные системы HUD от Continental

В настоящее время Continental (www.conti-online.com) поставляет HUD-дисплеи второго поколения двум премиум-автопроиз-водителям — BMW и Audi (рис. 6–8). Компания производит HUD с 2003 г., а в 2010 г. приступила к серийному производству HUD второго поколения для Audi (www.audi.com). С начала 2012 г. легкие, компактные, отличающиеся улучшенной функциональностью дисплеи HUD второго поколения устанавливаются на популярные автомобили средней ценовой категории — BMW 3-й серии (рис. 6а).

Рис. 6. HUD второго поколения от Continental: а) в автомобилях BMW 3-й серии; б) оптическая система

Изображение появляется перед глазами водителя выше капота, на расстоянии примерно 2 м, и позволяет без отрыва взгляда от дороги получать информацию обо всех важных событиях (рис. 6б). HUD показывают релевантную информацию: скорость, данные от систем навигации и развлечений, предупреждения.

Система HUD проецирует виртуальное изображение на ветровое стекло, сгенерированное LCD-TFT дисплеем со светодиодной подсветкой в качестве источника света. Посредством зеркал лучи, освещающие дисплей, адресуются на ветровое стекло. Асферические зеркала свободной формы могут компенсировать дисторсию вследствие формы ветрового стекла и увеличивают изображение.

Водитель может конфигурировать HUD в кабине в соответствии со своим ростом (рис. 6в) посредством настроек и шагового двигателя, наклоняющего оптическое зеркало HUD для изменения положения плавающего изображения, отображаемого над капотом.

Рис. 6. HUD второго поколения от Continental: в) возможности регулировки положения HUD в зависимости от положения сиденья водителя; г) ключевые составные части Continental HUD: светодиоды, зеркала и TFT-дисплей

Ключевые технические характеристики технологии следующие:

• Расстояние виртуального избражения от глаз 2–2,5 м;
• размер изображения 262×87 мм для проекционного расстояния в 2,5 м;
• видимая яркость адаптирована к окружающей яркости (день/ночь) >10 000 кд/м²;
• Световой источник светодиодный, RGG (Red-Green-Green), RGB HP-LED (Red-Green-Blue High Performance, RGB с высокими характеристиками) или белый светодиод;
• максимальное разрешение TFT 480×240 пикс.;
• оптическая система с одним-двумя асферическими зеркалами;
• возможна дисторсия (искривление);
• объем инсталляции в кабине за комбинацией приборов — 2–4 л.

Качество изображения дисплеев HUD второго поколения является более высоким. В сравнении с предыдущим поколением с ограниченным цветовым спектром, новые белые светодиоды проецируют весь световой спектр от изображения, сгенерированного дисплеем TFT. Повышенная яркость белой светодиодной технологии в новом блоке формирования изображения означает более высокую контрастность новых HUD и позволяет повышать качество изображения в условиях ночного видения. Новый блок формирования изображения включает 15 светодиодов, что снижает потребляемую мощность на треть по сравнению с предыдущей версией, задействующей для генерации изображений 128 светодиодов. Эти параметры делают привлекательным использование HUD и в электрическом транспорте.

Компактный дизайн и низкая цена производства HUD соответствуют требованиям автомобилей среднего ценового диапазона. Инженеры Continental добились снижения размера, веса и цены, используя новую схему оптических компонентов для отражения изображения от дисплея к ветровому стеклу со значительно сниженным общим числом требуемых компонентов. Вместе с использованием современных материалов это также дало результат почти удвоенного снижения объема и веса в сравнении с предшествующей версией. Объем системы составляет 3,8 л, вес — 1,5 кг, что позволяет автопроизводителям легко интегрировать HUD в любой автомобиль. Но решающим фактором стала модульная схема HUD, которая разработана так, чтобы только несколько компонентов, все из которых изготавливаются на одной производственной линии, отличали различные варианты применения. Например, для компенсации разницы в блоках HUD для BMW 3-й серии с кузовом «седан» и автомобиля с откидным верхом необходимо только другое оптическое зеркало, адаптированное к кривизне ветрового стекла автомобиля.

Continental также связывает будущие разработки HUD с дополненной реальностью. Согласно концепции Augmented Reality, отображаемые на виртуальном экране поступающие от систем навигации и помощи водителю данные сливаются с фактическим полем зрения так, что важная информация будет высвечиваться непосредственно в области, к которой она относится. В случае предупреждения о небезопасной дистанции автомобиль впереди может быть высвечен, например, красным цветом. Водитель может видеть предупреждение о выходе из своей полосы или указатели навигационной системы непосредственно на дороге.

Контактно-аналоговые дисплеи с дополненной реальностью

BMW была первым европейским автопроизводителем, адаптировавшим технологию авиационных дисплеев HUD для автомобилей, производимых в массовых объемах (рис. 1в, рис. 6а). С января 2004 г. данная инновационная система помощи водителю стала составной частью BMW ConnectedDrive для BMW 5 серии. Дальнейшие разработки и оптимизация системы привели к тому, что в настоящее время полноцветные дисплеи HUD доступны как опция почти для всех серий автомобилей.

По графическому представлению, функциональности и гибкости новая технология HUD-дисплеев BMW привносит значительный вклад в активную безопасность посредством отображения релевантной информации с разрешением высокого качества в пределах поля зрения водителя, который может не отрывать взгляд от дороги (рис. 7а).

Рис. 7. Контактно-аналоговые HUD в автомобилях BMW: а) стандартные возможности

С дисплеем HUD время, требуемое для восприятия информации водителем, снижается более чем вдвое. Яркость изображения регулируется в зависимости от окружающей обстановки. Воспроизведение данных осуществляется посредством интенсивного светового источника, который локализован в приборной панели и светит через полупрозрачный TFT-дисплей, изображение передается к ветровому стеклу посредством специально сформованных зеркал. Вследствие выпуклой формы и определенных физических свойств использование ветрового стекла как рефлектора является сложным процессом. В ветровом стекле световой путь преломляется, что может давать двойные изображения. BMW применяет сверхтонкую фольгу, интегрированную в ветровом стекле, что гарантирует безукоризненное представление проецированных изображений.

В опубликованном документе BMW Inno-vation Days Connected 2011 содержится информация о разработке следующего поколения HUD с контактно-аналоговой функциональностью. В контактных аналоговых дисплеях дополнительная информация интегрирована в корректной перспективе и привязана точно к тем внешним объектам, к которым она относится (рис. 7).

В смартфонах и мобильном мире контактный аналоговый метод является опорой для дополненной реальности и может интегрироваться в различные мобильные приложения. В автомобилях BMW данный метод реализуется посредством отметок, которые накладываются на реальные объекты во внешнем окружении, так что навигационная информация от систем помощи водителю может отображаться в точках адекватно водительскому восприятию дорожной сцены. Навигационные инструкции могут смешиваться с дорогой, а автомобили или объекты, имеющие отношение к безопасности, высвечиваются или маркируются в контексте (рис. 7а–г). HUD-дисплеи могут применяться также для отображения информации от систем ночного видения (рис. 7д).

Рис. 7. Контактно-аналоговые HUD в автомобилях BMW: б) применение технологии для привязки к объектам; в) вычисление маневра: виртуальный маркер, привязанный к реальному объекту

Рис. 7. Контактно-аналоговые HUD в автомобилях BMW: г) виртуальный маркер, наложенный поверх дороги; д) отображение информации от систем ночного видения

Audi также предлагает различные дисплейные и другие технологии, позволяющие водителю сохранять контроль над ситуацией (рис. 8а). Следующее поколение данных устройств, продемонстрированное на CES 2012 (рис 7б), является значительным шагом вперед. Когда автомобиль Audi приближается к перекрестку с активированной навигационной системой, водитель видит прозрачные стрелки маршрута за пределами автомобиля, позиционированные точно на реальном перекрестке. При приближении перекрестка стрелки увеличиваются. На расстоянии порядка 10 м они выглядят как реальные физические стрелки на дороге. В холмистой местности навигационная стрелка может показывать направление дороги за верхом холма. При вождении с активным круиз-контролем отображается расстояние до автомобиля, едущего впереди. Если активна система ночного видения и она регистрирует пешехода, идущего по улице, то дисплей показывает направление движения пешехода и расстояние до него. В контактно-аналоговом HUD проекционный 3D-цилиндр для глаз локализован несколько выше на ветровом стекле, чем в современном варианте, и имеет больший размер.

Рис. 8. Решения Audi: а) серийно выпускаемые HUD 2-го поколения от Continental в автомобилях A6 и A7; б) демонстрация технологии HUD Audi на CES 2012

HUD будущего от Audi будут способны показывать информацию водителю или пассажиру на переднем сиденье, а также всем пассажирам автомобиля. В данном сценарии водитель и пассажир будут иметь индивидуальный HUD, показывающий попутные цифровые руководства, новости или изображения видеозвонков. Дисплей, видимый для всех пассажиров, — это третья, центральная проекция на ветровом стекле.

Информация для водителя отображается посредством контактно-аналогового дисплея в форме символов, неподвижных изображений, простой анимации. В это время пассажир на переднем сиденье сможет пользоваться видеофункциями. Изображения, которые он видит, формируются с использованием технологии TI DLP (Digital Light Processing) с высокой яркостью и контрастностью.

Audi планирует реализовать в HUD идею распознавания жестов. Если пассажир, находящийся на переднем сиденье, видит в навигаторе интересующее его место, он может простым движением (жестом) перебросить информацию на центральный экран для водителя, который также может аналогичным жестом осуществить переброс изображения на свой HUD для добавления места назначения в навигационную систему, контролирующую маршрут. Миниатюрная камера регистрирует движения пассажира и водителя и направляет системе соответствующие сигналы.

Audi работает над технологией multi-touch для HUD, сходной с технологией, применяемой в современных смартфонах и планшетах, которая, в частности, ускоряет использование списков, карт, другой информации. Еще один проект компании сосредоточен на улучшении голосового контроля.

DENSO: системы ночного видения и 3D HUD

DENSO Corporation (www.globaldenso.com) поставляет широкий набор вариантов интерфейса человек–машина (HMI), включая комбинации приборов, системы развлечений, удаленные Touch-контроллеры и дисплеи HUD. Разработку автомобильных систем навигации компания начала еще в 1980-х гг., а первый HUD был представлен в 1991 г.

В 2003 г. DENSO представила первый в мире HUD, который по выбору показывает информацию, например скорость автомобиля, или изображения систем ночного видения. Система ночного видения излучает свет, близкий к инфракрасному, вперед по направлению движения автомобиля и фиксирует отраженное от препятствия излучение. Это создает изображение на экране HUD, что помогает водителям в ночное время.

Текущие HUD DENSO используют компактный проекционный блок, обеспечивающий высокую яркость при минимизированной потребляемой мощности (рис. 9а, б).

Рис. 9. Технологии DENSO: а) внешний вид блоков HUD для OEM; б) текущая структура HUD; в) дисплейная оптическая система на ветровом стекле следующего поколения, использующая два проекционных дисплея — для левого и правого глаза

Следующее поколение приборов DENSO — дисплей на ветровом стекле (рис. 9в), представляющий собой комбинацию HUD, сенсорной технологии и интерфейса человек–машина. Для такого устройства компания разработала новую оптическую систему (рис. 9в), в которой задействованы два проекционных дисплея — для левого и правого глаза, что допускает контроль положения 3D-изображений. Например, водитель может видеть стрелку, указывающую направление для навигации, наложенную на вид дороги впереди.

Особенности HUD DENSO:

• Обеспечение водителей информацией в удобном представлении, повышающем степень безопасности вождения. Благодаря HUD расстояние между глазами водителя и изображением больше, чем в случае с обычной приборной панелью, что облегчает фокусировку.
• Вогнутое зеркало использует точки прогрессивной фокусировки (разработка DENSO) для обеспечения высококачественного изображения без дисторсий.
• Индикатор излучает свет однородно с высокой яркостью, что позволяет водителям видеть виртуальное изображение даже в дневное время.

Данная технология реализована на основе опыта DENSO в симуляции световой проекции и технологии дизайна и производства оптических компонентов. Компания работает над тем, чтобы сделать HUD полноцветным и увеличить размер изображения на ветровом стекле.

Delphi: лазерные голографические HUD

Компания Delphi Corporation (www.delphi.com) в сотрудничестве с французской научно-исследовательской организацией Vehicle of the Future разработала HUD на основе лазерной технологии и предлагает ее автопроизводителям для использования в составе информационных систем водителя (рис. 10). Преимущества системы — малый корпус, гибкость интеграции, адаптация к различным размерам автомобилей, низкая цена, допускающая применение HUD в недорогих автомобилях.

Рис. 10. Иллюстрация лазерной голографической технологии HUD Delphi

Показ информации в 20-градусной области обзора минимизирует отвлечение водителя от дороги и повышает безопасность. Виртуальное изображение отличается цветовой насыщенностью (монохромные и полноцветные опции, поддерживается до четырех цветов), высокой контрастностью с автоматической регулировкой для дневного и ночного времени. Вес и потребление мощности снижены на 10%, а занимаемое место на 30% меньше, чем у текущих систем. Дизайн масштабируемый и допускает апгрейд.

Системная интеграция допускает отображение ключевых данных от других автомобильных систем: предупреждения о столкновении, комбинации приборов, навигационной системы, развлечений.

Volvo: технологии HUD для защиты пешеходов

Компания Volvo (www.volvo.com) адаптировала применение технологии HUD для защиты пешеходов. Иллюстрация работы функции распознавания пешеходов с полным автоматическим торможением показана на рис. 11а, б. В чрезвычайной ситуации водитель получает аудиопредупреждение вместе с мерцающим светом на ветровом стекле. При отсутствии реакции водителя торможение осуществляется автоматически.

Рис. 11. HUD от Volvo в системах защиты пешеходов и другие дисплейные технологии: а) принцип работы функции распознавания пешеходов с полным автоматическим торможением; б) обнаружение пешеходов посредством камеры переднего обзора, вывод информации на HUD (мерцающий свет) и Volvo Sensus (предупреждение об автоматическом торможении); в) touch-экран Concept You, связанный с HUD

Компания Volvo Cars занималась разработкой системы обнаружения пешеходов с автоматическим торможением более пяти лет. Тестовые автомобили исследовались при всевозможных вариантах в различных условиях дорожного движения и климата. Данные технологии реализованы в моделях Volvo V60 и V40 (рис. 11б).

В автомобиле V40 реализовано предупреждение о небезопасной дистанции Distance Alert. Посредством кнопок на рулевом колесе возможен выбор одной из пяти настроек, которая и отображается на дисплее спидометра. Свет на HUD информирует водителя, когда расстояние значительно сокращается. В этой же модели установлен Volvo Sensus — новый графический приборный кластер, позволяющий персонализировать приборные схемы и выводимую на приборный дисплей информацию, например о пешеходах (рис. 11б) и дорожных знаках.

В автомобиле Concept You экран в центральной консоли остается в спящем режиме, пока водитель не посмотрит на него (рис. 11в). Скрытая ИК-камера регистрирует движение глаз, и информация отображается на экране. Другие датчики регистрируют движение рук и переключают системы развлечения. Водитель может перебрасывать данные от центрального touch-экрана на HUD и обмениваться ими с пассажирами.

Рассмотренные примеры показывают, что HUD только в редких случаях может рассматриваться отдельно от остальных систем. Это подтверждает и следующий пример, которым является применение технологии HUD для навигации от Pioneer.

Pioneer CYBER NAVI — первая коммерческая лазерная система навигации, включающая HUD с дополненной реальностью

Pioneer Corporation (www.pioneer.jp) выпустила первую в мире автомобильную GPS систему навигации, которая поставляется с блоком AR-HUD — первым в мире лазерным HUD, проецирующим информацию дополненной реальности (Augmented Reality, AR) на ветровом стекле (рис. 12а). С Cyber Navi езда на автомобиле напоминает фантастическое приключение, в чем можно убедиться, посмотрев захватывающие видеоролики, выложенные в Интернете [1, 2].

Рис. 12. Pioneer Cyber Navi с первым в мире блоком AR-HUD и первый в мире HUD, основанный на лазерах: а) навигационная система Cyber Navi; б) AVIC-VH99HUD и AVIC-ZH99HUD; в) вид на HUD из кабины; г) принцип работы AR-HUD; д) функция AR HUD View в режиме HUD driver mode; е) функция AR HUD View и HUD driver mode на перекрестке; ж) работа Cyber Navi в режиме для шоссе

В июле 2012 г. на японский рынок были выпущены две модели Cyber Navi: AVIC-VH99HUD (high-end класса в двойном 1-DIN блоке, $3,770) и AVIC-ZH99HUD (в блоке 2-DIN, $4,021). Обе модели (рис. 12б) основаны на лазерных HUD и технологии PicoP от MicroVision (www.microvision.com) и включают LCD-экран в центральной консоли и блок AR-HUD. Дисплей представляет собой лист прозрачного пластика, который крепится в поле зрения водителя напротив лобового стекла. Для осуществления обмена данными между блоком HUD и навигационной системой используется канал Bluetooth.

Проекторный модуль AR-HUD устанавливается в положение противосолнечного козырька сбоку сиденья водителя, что позволит обеспечить установку системы более чем на 70% существующих автомобилей (рис. 12в). В целях безопасности Pioneer использует резиновый проекционный экран, чтобы исключить риск травмы головы в случае аварии. Изображение на HUD формируется посредством сканирующих МЭМС-зеркал, проецирующих лазерные лучи трех базовых цветов пространства RGB. В результате создается виртуальный дисплей диагональю около 37″ (90×30 см), который проецирует информацию на виртуальном расстоянии порядка 3 м от глаз водителя (рис. 12г). На виртуальном экране с разрешением 720×260 пикселей отлично читаются пиктограммы и информация. Напротив ветрового стекла поверх реальной сцены выводятся скорость, направление движения и другие важные данные. Блок AR-HUD позволяет отображать информацию с высоким уровнем контрастности, используя для этого лазерный RGB-источник.

Новая технология PicoP Gen2 с использованием твердотельных зеленых лазеров позволила значительно повысить удобство восприятия водителем информации, отображаемой AR-HUD. Для взаимной релевантности функций и ситуаций Cyber Navi предлагает четыре типа режимов вождения (с сопровождающим удаленным контролем для переключения между ними): режим водителя, шоссейный, навигации с использованием карт и так называемый режим скутера.

Режим HUD driver mode (HUD для водителя) отображает информацию о расстоянии до автомобиля впереди и показывает маршрут к месту назначения (рис. 12д). В данном режиме возможен вывод информации о ситуациях на перекрестках (отображение списка пересечений HUD) (рис. 12е). Когда автомобиль останавливается на светофоре, дисплей автоматически переходит к показу соответствующей информации, например руководства по направлению и названия следующих трех перекрестков. Блок также обнаруживает красные сигналы светофора и показывает соответствующую иконку. Когда включается зеленый свет или стоящее впереди ТС начинает движение, дисплей автоматически снова переходит в режим водителя HUD driver, активный при движении (рис. 12д).

Режим HUD highway mode проиллюстрирован рис. 12ж. Устройство автоматически переключается в него, когда автомобиль входит на автомагистраль/шоссе. В данном режиме показывается расстояние, скорость, информация о зонах сервисов и услугах парковки. При этом отображается также дорожный статус — с использованием различных цветов для индикации интенсивности движения и пробок на ближайших участках.

В режиме HUD Map Mode (рис. 12з) отображается карта местности вокруг автомобиля, указываются с использованием различных цветов платные, национальные и обычные дороги. Карта имеет шесть вариантов zoom — в масштабе от 200 м до 10 км. В данном режиме также выводится информация, относящаяся к полосе движения, стрелка направления, пиктограмма, индицирующая красный сигнал светофора.

Рис. 12. Pioneer Cyber Navi с первым в мире блоком AR-HUD и первый в мире HUD, основанный на лазерах: з) контент, показанный в HUD Map Mode; и) обнаружение знака ограничения скорости; к) обнаружение красного сигнала светофора

Так называемый режим AR Scouter Mode дополнен новыми функциями, включая обнаружение знаков ограничения скорости. Для осуществления данной функции требуется дополнительный блок Cruise Scouter unit, устанавливаемый на ветровом стекле для записи видеоинформации и последующего анализа видеоизображений. Использование уникальной видеотехнологии допускает отображение четких и легких для понимания указаний по маршруту. Когда впереди обнаруживается дорожный знак, его изображение появляется в главном экранном блоке HUD (рис. 12и), водитель уведомляется также посредством звукового сигнала. В AR Scouter расширен диапазон захвата цели, который определяет расстояние до обнаруженного впереди ТС. Размер и цвет отображения ситуации соответствующим образом меняются, что облегчает восприятие ситуации и поддержку безопасной дистанции. Также в этом режиме присутствует детектор смены полосы движения. Если водитель непреднамеренно пересекает полосу, данная функция напоминает об осторожности посредством изменения цвета изображения или звуковым сигналом.

Режим AR Scouter характеризуется четкими указующими стрелками с бордюрами, которые отображаются, например, в том случае, если запланированному маршруту соответствует поворот за угол на перекрестке. Функция обнаружения красного сигнала светофора (рис. 12к) использует также пиктограмму для уведомления водителя о том, когда включается зеленый свет.

Функция обозревателя парковки Parking Watcher отображает степень загруженности автостоянок. Эта информация периодически актуализируется.

Функция Road Creator автоматически генерирует новые дороги на картах при фактическом прохождении их. Дороги создаются на картах с использованием точной технологии GPS-позиционирования Cyber Navi и затем включаются в поиск и навигацию.

Высококачественные поиски маршрутов посредством системы информирования о пробках Smart Loop traffic congestion information охватывают в общей сложности 700 000 км дорог в Японии.

Как уже говорилось, с июля 2012 г. японские автомобилисты уже могут использовать Cyber Navi — первую в мире коммерческую навигационную систему с дополненной реальностью, обеспечиваемой лазерным блоком AR-HUD. Ожидаются новые шаги в отношении коммерциализации со стороны разработчиков технологий, систем или новых применений HUD.

Заключение

Спектр ключевых применений и технологий HUD быстро расширяется. Распространению в массовых сегментах и развитию технологий способствуют возможности HUD и связанных с ними систем идентифицировать и высвечивать в реальном времени наиболее важную информацию в форме, хорошо подходящей для быстрого и удобного восприятия водителем/пилотом. Продолжают развиваться наиболее перспективные технологии и отдельные направления, включая опции дополненной реальности, контекстную осведомленность, голосовой контроль, обнаружение жестов, 3D-визуализацию, виртуальные touch-дисплеи. В перспективе ожидается дальнейшее развитие систем лазерного проецирования, а также смежных и конкурирующих с ними HUD, HMD, мобильных проекционных дисплеев. Современный пользователь постепенно получает все те технологии, которые когда-то были разработаны для военной и гражданской авиации: спутниковые навигационные системы, блоки инерциальных измерений, интегрированные в сотовые телефоны и автомобили. А теперь к ним добавились HUD — технологии, которые когда-то были созданы для военных летчиков.

¹ Head Down Display (HDD) — дисплей в кабине, помещенный ниже или в одном ряду с приборной панелью. Под это определение подпадают дисплеи, требующие небольшого наклона головы вниз или в сторону.

² HUD eyebox, а также head motion box — 3D-область в пространстве, где HUD может быть виден по крайней мере одним глазом.

³ Code of Federal Regulations (CFR). Part 91 – General Operating and Flight Rules. http://ecfr.gpoaccess.gov/cgi/t/text/text-idx?c=ecfr&sid=3efaad1b0a259d4e48f1150a34d1aa77&rgn=div5&view=text&node=14:2.0.1.3.10&idno=14#PartTop

⁴ Traffic alert and Collision Avoidance System — бортовая сигнализационная система предупреждения воздушных столкновений, выдающая экипажу информацию о необходимых маневрах для предотвращения катастрофы.