車載HUD系統(tǒng)設(shè)計原則及其發(fā)展

摘要：在汽車行駛過程中，駕駛員獲取信息有80%是靠視覺獲取，因此提高有關(guān)視覺的汽車安全技術(shù)能有效的提高行駛安全。抬頭顯示系統(tǒng)作為一種視覺輔助安全系統(tǒng)在汽車行駛安全中的重要性越來越顯著。本文從提高駕駛信息視認(rèn)性和提高駕駛安全性兩方面，主要介紹了車載抬頭顯示系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計原則，并對比了中外車載抬頭顯示技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出車載抬頭顯示系統(tǒng)的研究具有戰(zhàn)略意義。

關(guān)鍵詞：抬頭顯示系統(tǒng)；工作原理；設(shè)計原則；發(fā)展趨勢

引言

駕駛員的駕駛行為按順序可以分為感知信息、駕駛判斷和執(zhí)行操作這三個階段。其中信息感知階段是駕駛基礎(chǔ)，感知階段的信息主要是依靠觸覺、視覺、聽覺、嗅覺等感官器官獲得，其中駕駛員獲取的80%的有價值信息都是依靠視覺獲取的[1]，相關(guān)視覺的汽車安全技術(shù)乃是汽車安全研究的重中之重。

隨著單片機技術(shù)和投影技術(shù)的發(fā)展，車載抬頭顯示系統(tǒng)（Head-Up Display，簡稱HUD）得到了迅速的發(fā)展。HUD是一種視覺輔助安全系統(tǒng)，該技術(shù)是在駕駛員視覺合理范圍內(nèi)以投射等技術(shù)實現(xiàn)汽車速度、實時油耗等信息的顯示[2]，從而避免分散對前方道路的注意力，而且不必在觀察遠(yuǎn)方的道路和近處的儀表之間調(diào)節(jié)眼睛，可避免眼睛的疲勞，從而提高駕駛安全性。如圖1所示。

李小靜.TIF；%60%60TS（JZHT7.H圖1抬頭顯示系統(tǒng)TS）KH*2

1.車載HUD的原理

HUD系統(tǒng)又叫平視顯示系統(tǒng)，利用光學(xué)反射的原理，將重要的飛行相關(guān)資訊投射在位于座艙前端、高度大致與飛行員的眼睛成水平的一片玻璃上面，投射的文字和影像調(diào)整在焦距無限遠(yuǎn)的距離上面，飛行員能夠透過HUD輕易的將外界的景象與HUD顯示的資料融合在一起[3]。1988年通用公司首次將HUD應(yīng)用在Oldsmobile車上。目前車載HUD顯示系統(tǒng)主要有以下三類：HUD直視系統(tǒng)，HUD反射板系統(tǒng)，HUD風(fēng)窗玻璃映像系統(tǒng)。

HUD直視系統(tǒng)一般把顯示器安裝在儀表板上，使用的平板顯示器由于其透射率較低，因此前視野范圍不大，不能遠(yuǎn)距離投影顯示。HUD反射板系統(tǒng)，它的投影裝置安裝在儀表板下面，其投影光經(jīng)儀表板上面的半透明反射板反射到駕駛員眼睛里，由于反射板的透射率在60%-80%，因此其前方視野也不大[1]。

當(dāng)前大多數(shù)汽車配置的均為HUD風(fēng)窗玻璃映射系統(tǒng)。此系統(tǒng)在前擋風(fēng)玻璃上鍍膜或者貼膜來得到所需要的顯示屏，顯示光經(jīng)位于駕駛席前方的半透明反射板（組合器）反射后，映入駕駛員的眼睛。駕駛員通過組合器，對前方的景色和顯示圖像以相重疊的形式能同時視認(rèn)兩方的信息。顯示像通過透鏡系統(tǒng)能在無限遠(yuǎn)點處成像，所以能夠縮短視線的移動和焦點調(diào)節(jié)所需要的時間[4]。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

李小靜2.TIF；%70%70TS（JZHT7.H圖2HUD風(fēng)窗玻璃映像系統(tǒng)原理TS）KH*2

2.車載HUD的設(shè)計原則

由于人們對HUD的易讀性、舒適性的要求以及汽車駕駛室的特殊使用環(huán)境，對HUD的設(shè)計需要遵循以下原則：

（1）簡潔、直觀、易讀[1]。作為人（駕駛員）機（車輛）交互的界面，HUD的顯示界面應(yīng)該簡潔、直觀、易讀，以便于駕駛員能在很短的時間內(nèi)獲得需要的信息，從而縮短反應(yīng)時間。

（2）多用符號表示信息。實驗表明HUD易造成信息量超負(fù)荷，尤其是使用文本顯示形式，易造成視覺捕捉的效果。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，符號比字母數(shù)字更易理解[1]。

（3）亮度、顏色可調(diào)。隨著外界光照強度和前方外界參照物的不同，顯示亮度及顏色應(yīng)具有連續(xù)可調(diào)功能，以適應(yīng)駕駛環(huán)境亮度及顯示信息與外界參照物的顏色對比度的變化，以便于駕駛員更容易讀取信息。

（4）舒適性。HUD顯示界面給駕駛員提供各種車況和駕駛信息，是獲取駕駛信息的主要途徑，因此HUD顯示系統(tǒng)需要良好的操作性，顯示界面要具有一定的查看舒適性[1]。

（5）可靠性與穩(wěn)定性。雖然駕駛室環(huán)境要比發(fā)動機艙和底盤等環(huán)境好，但是依然要求HUD的投影顯示單元要在振動、潮濕、高低溫、加減速、沖擊、沙塵、太陽輻射等汽車制造業(yè)要求的惡劣條件下還能可靠穩(wěn)定的工作。

3.車載HUD的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代國內(nèi)開始重視座艙抬頭顯示器標(biāo)準(zhǔn)化工作，有關(guān)單位制定了部分國軍標(biāo)，為座艙顯示設(shè)計提供了必要依據(jù)[6]。但是，對車載HUD的研究才剛剛起步。而且目前在汽車上已經(jīng)應(yīng)用的HUD信息指示符顯示的內(nèi)容、字符格式大小、顏色及分布位置各式各樣沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)投影映像系統(tǒng)特別是顯示屏的材料、尺寸、布置及實現(xiàn)方法上更是多種多樣，現(xiàn)有的HUD在響應(yīng)速度、光照強度、對比度等方面有所欠缺。

目前通用公司研發(fā)的使用鐳射科技的全擋式（整片擋風(fēng)玻璃）抬頭顯示系統(tǒng)可以在雨天、雪地、甚至視線相當(dāng)惡劣的大霧情況下，還能在前擋玻璃上顯示出路面的路徑。東芝公司開發(fā)出的可視性較高的平視顯示器基礎(chǔ)技術(shù)讓一只眼睛看到顯示的虛像。這種方式的優(yōu)點：一是由于只有單眼能夠看到顯示影像，因此即使看到背景，顯示也不會重影；另一個優(yōu)點是，如果虛像位置在眼鏡焦點深度范圍內(nèi)，風(fēng)景和顯示影像都不會模糊，可同時看到風(fēng)景和顯示影像。

4.車載HUD的發(fā)展趨勢

知名研究機構(gòu)Strategy Analytics在其《汽車電子報告》中指出，到2018年，“高增長的應(yīng)用領(lǐng)域（單位平均年增長率超過50%）包括：純電動汽車、HUD、疲勞檢測、LED前光照明、車道偏離警示及盲點監(jiān)測”。

隨著人們汽車安全意識的不斷增強，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，HUD顯示系統(tǒng)會不斷普及到中低檔汽車中，讓普通人也能享受科技帶來的安全享受。目前已經(jīng)成型的產(chǎn)品有HUD夜間防撞輔助駕駛系統(tǒng)、全息顯影HUD技術(shù)、視網(wǎng)膜顯影HUD技術(shù)等。HUD顯示系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)之上還能實現(xiàn)該系統(tǒng)的多元化、智能化。目前像沃爾沃公司已經(jīng)推出了車輛偏移自動校正系統(tǒng)、自動剎車系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，將來HUD顯示系統(tǒng)將和相關(guān)系統(tǒng)互聯(lián)互通共享數(shù)據(jù)，提供給駕駛?cè)藛T給位安全可靠的駕駛數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)。（作者單位：重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1]胡宇.車載抬頭顯示器系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2012.

[2]李冰，戴樹嶺.具有可復(fù)用性和可配置型的HUD模擬系統(tǒng)的研究.[C].第八屆全國虛擬現(xiàn)實與可視化學(xué)術(shù)會議論文集.2009.

[3]李延福.基于HUD技術(shù)汽車夜視系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].廈門大學(xué)碩士論文.2011.

[4]劉蘭濤，高鏡惠.汽車儀表遠(yuǎn)視點成像顯示系統(tǒng).機械設(shè)計與制造.2002（2）.

[5]伊麗，郭小朝，李嶸等.新型殲擊機平視顯示器指示符號優(yōu)化實驗研究.人類工效學(xué).2010，16.

[6]谷明雨.科技改變生活之抬頭顯示儀.移動信息，2013（5）.