車載平視顯示器光學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究

肖小敏

摘 ?要：平視顯示器（ Head-Up display，HUD）即虛像顯示器，既是一個(gè)顯示系統(tǒng)，也是一個(gè)成像系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用于各種中高端車型。隨著HUD的不斷發(fā)展，其檢測(cè)方法和手段也在不斷跟進(jìn)，對(duì)HUD的測(cè)試不僅要對(duì)顯示器的亮度、色度、對(duì)比度、均勻度等光度學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)，還要對(duì)成像系統(tǒng)的像距、畸變、MTF、重影和雙目視差等光學(xué)成像性能進(jìn)行檢測(cè)。該文以機(jī)械手為基礎(chǔ)，以相機(jī)和亮度計(jì)為基本檢測(cè)設(shè)備，介紹一種較適用的HUD 光學(xué)檢測(cè)的方法。

關(guān)鍵詞：平視顯示器;光學(xué)測(cè)試;算法;汽車照明;三角測(cè)距;雙目視差

中圖分類號(hào)： ?U463.6 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車前擋技術(shù)的突破，平視顯示器也越來(lái)越多地被應(yīng)用在汽車上。平視顯示器能夠?qū)χ匾男熊囆畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，在看到實(shí)際路況的同時(shí)，獲取HUD顯示的圖像信息，不需要讓視線偏離路況，降低了行車的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免頻繁變換視野，造成視覺(jué)疲勞，提高了駕駛的安全性。

1 HUD 光學(xué)系統(tǒng)分析

HUD 通過(guò)將像源（LCD、DLP 或者其他光電系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像信息）通過(guò)成像系統(tǒng)（W-HUD/AR-HUD的前擋風(fēng)玻璃或C-HUD）將圖像投影到人的眼前。前擋風(fēng)玻璃和combiner等類似玻璃的材料，都具有透射和反射的光學(xué)性能。透射可以讓人眼透過(guò)玻璃看到外部的真實(shí)場(chǎng)景，反射可以讓人眼看到HUD系統(tǒng)投影的虛擬場(chǎng)景，如圖1所示。最終將呈現(xiàn)出虛實(shí)結(jié)合場(chǎng)景。虛擬場(chǎng)景中設(shè)計(jì)添加各種路況導(dǎo)航等標(biāo)示信息，可以準(zhǔn)確感知外界信息，減少對(duì)外界的誤判。

2 HUD 光學(xué)測(cè)試原理

相對(duì)于傳統(tǒng)的顯示器，HUD有明顯的不同，除了要檢測(cè)一般顯示器系統(tǒng)的亮度、色度、均勻度等參數(shù)，還需測(cè)試其下視角、FOV（圖像尺寸）、視差、像距（投影距離）、MTF （調(diào)制傳遞函數(shù)）、畸變，眼盒（Eyebox）和重影等光學(xué)成像參數(shù)。

如圖2所示，該類測(cè)試設(shè)備一般是采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)，兼容調(diào)試和檢測(cè)HUD系統(tǒng)的系列產(chǎn)品，由1-平臺(tái)、2-機(jī)械手、3-視覺(jué)相機(jī)、4-光度測(cè)量?jī)x、5-玻璃支架、6-前擋玻璃、7-HUD光機(jī)、8-圖像校準(zhǔn)板，9-環(huán)境光模擬器裝置和工業(yè)計(jì)算機(jī)等組成。機(jī)械手帶動(dòng)視覺(jué)相機(jī)和光度測(cè)量?jī)x運(yùn)動(dòng)，相機(jī)和照度儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳回電腦，再由計(jì)算機(jī)處理并輸出報(bào)告。

2.1 投影距離

HUD的投影距離，用PD（Project Distance）表示。屬于對(duì)HUD光學(xué)系統(tǒng)的像距檢測(cè)。如圖3所示，相機(jī)鏡頭從位置2移動(dòng)到位置3，鏡頭在位置2時(shí)物1成像于位置3， 鏡頭在位置4時(shí)物1成像于位置5。S為鏡頭從位置2移動(dòng)到位置4的距離。

相機(jī)在鏡頭位置1的照片如圖4所示，主光軸的交點(diǎn)在Lo。

相機(jī)在鏡頭位置2的照片如圖5所示，主光軸的交點(diǎn)在Ro。

將圖4、圖5點(diǎn)陣對(duì)齊后，可以計(jì)算Lo點(diǎn)與Ro點(diǎn)在像素層面上偏差量（?p）和在尺寸層面上偏差量（?）。L代表像在尺寸層面上長(zhǎng)度，Lp代表像在像素層面上長(zhǎng)度，PD代表投影距離。由此推導(dǎo)出

（1）

相似三角形的性質(zhì)可以推導(dǎo)出

（2）

綜合可知

（3）

在測(cè)量投影距離時(shí)，先標(biāo)定一個(gè)投影距離PD1，采用固定的offset和Lp，從相機(jī)在鏡頭位置1/位置2的照片分析計(jì)算出相應(yīng)的?P1。

再測(cè)量一個(gè)待定的投影距離PD2，采用固定的offset和Lp，從相機(jī)在鏡頭位置1/位置2的照片分析計(jì)算出相應(yīng)的?P2。

對(duì)上式變形為

（4）

由此可以計(jì)算出待定的投影距離PD2。

2.2 虛像尺寸

HUD的視場(chǎng)， 用FOV（Vield of View） 表示。FOV-H表示橫向視場(chǎng)，F(xiàn)OV-V表示豎向視場(chǎng)。

HUD的下視角是在車身坐標(biāo)系下，HUD的主光軸視場(chǎng)點(diǎn)與主光軸眼點(diǎn)的連線與車身水平平面的夾角，用LDA（Look down angle）表示。

圖像尺寸是主光軸眼點(diǎn)看到的虛擬圖像大小，其與投影距離成正比。分別用L和H表示圖像尺寸的長(zhǎng)與寬。

（5）

（6）

2.3 MTF

光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）是一個(gè)可以比較客觀、全面地評(píng)價(jià)信息傳遞和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)質(zhì)量的工具，其由調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和位相傳遞函數(shù)（PTF）組成[1]。位相傳遞函數(shù)（PTF）一般不影響像的清晰度，被關(guān)心的不多，實(shí)際用得多的是調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF：Modulation Transfer Function）的計(jì)算公式如公式（7）所示。

（7）

式中：表示空間頻率v時(shí)，像面的調(diào)制度， 表示空間頻率v時(shí)，物面的調(diào)制度。

調(diào)制度（modulation） 的計(jì)算公式如公式（8）所示。

（8）

式中：用M表示調(diào)制度， 和分別表示系統(tǒng)成像后圖像的最大和最小光強(qiáng)。

像的光強(qiáng)分布函數(shù)，等于物的光強(qiáng)分布函數(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的卷積[2]。

（9）

式中：*表示卷積符號(hào)。

表示像的光強(qiáng)分布函數(shù)。

表示物的光強(qiáng)分布函數(shù)。

表示點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。

通過(guò)上面的公式可以計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的MTF，實(shí)現(xiàn)對(duì)其光學(xué)性能的客觀評(píng)價(jià)。

HUD系統(tǒng)也是光學(xué)系統(tǒng)，MTF的評(píng)價(jià)方式同樣適用。通過(guò)若干個(gè)不同間隔、不同指向的檢測(cè)條紋在HUD系統(tǒng)的結(jié)果，對(duì)HUD系統(tǒng)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。每個(gè)檢測(cè)條紋要求明暗相間、寬度相等。在實(shí)際情境中，HUD利用橫向和縱向黑白矩形條紋的對(duì)比度，來(lái)測(cè)試所拍攝條紋的圖像。一般情況下是條紋間隔越小、清晰度越差，也就是圖像的調(diào)制度越差。HUD系統(tǒng)檢測(cè)在要求的線/對(duì)（P/L）的條紋圖成像后的調(diào)制度是否滿足要求。調(diào)制度越大、成像越清晰。

HUD要求的條紋間隔與HUD的投影距離和眼睛分辨率有關(guān)，見(jiàn)表1。

2.4 畸變和重影

畸變是指光學(xué)系統(tǒng)成像相對(duì)于物的失真程度。HUD系統(tǒng)畸變有些不同，主要分為動(dòng)態(tài)畸變和靜態(tài)畸變2類。

靜態(tài)畸變是指人眼在眼盒中間位置看到的圖案與設(shè)計(jì)目標(biāo)圖案的失真程度。

設(shè)計(jì)的目標(biāo)圖案是希望投影出來(lái)的理想圖案。一般為柵格圖或點(diǎn)陣圖，如圖6所示。由于一般HUD系統(tǒng)產(chǎn)生的投影圖會(huì)產(chǎn)生畸變，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，將采用Warping等一些反畸變的措施，使投影出來(lái)的圖案盡量與設(shè)計(jì)目標(biāo)圖案一致。

在HUD檢測(cè)時(shí)，需要檢測(cè)中心眼點(diǎn)看到的圖像與設(shè)計(jì)目標(biāo)圖案之間的一致性及偏差值。這時(shí)產(chǎn)生了靜態(tài)畸變，如圖7所示。左下角像點(diǎn)畸變水平偏差?X上下偏差?Y。

靜態(tài)畸變的計(jì)算方法

Max.Vertical Distortion =max（?Y）/H （10）

Max.Horizontal Distortion =max（?X）/L （11）

Max.Distortion=max（Max.Vertical Distortion， Max.Horizontal Distortion） （12）

式中：Max.Vertical Distortion表示最大豎向畸變，Max.Horizontal Distortion表示最大豎向畸變。Max.Distortion表示最大畸變。一般HUD接受3.5% 以下的靜態(tài)畸變。

動(dòng)態(tài)畸變與靜態(tài)畸變的計(jì)算方法相似，前者是眼盒中間位置看到的圖案與設(shè)計(jì)目標(biāo)圖案的失真（偏差），后者是眼盒其他位置看到的圖案與眼盒中間位置看到的圖案的偏差。

HUD重影是HUD系統(tǒng)特有的光學(xué)現(xiàn)象，HUD系統(tǒng)是通過(guò)前擋玻璃的反射產(chǎn)生圖像，而擋風(fēng)玻璃的內(nèi)外表面都會(huì)產(chǎn)生反射，將產(chǎn)生兩重圖像。一般普通前擋作HUD前擋時(shí)，2個(gè)圖像將相互錯(cuò)位4 mm～6 mm，這就是HUD的重影，嚴(yán)重影響圖像的清晰度，目前汽車工業(yè)中采用楔形PVB粘合前擋的內(nèi)外片玻璃， HUD前擋的內(nèi)外表面形成一定的角度，使得2個(gè)圖像基本重合在一起，從而獲得清晰的HUD圖像。

重影的檢測(cè)方法，具體采用比較細(xì)的網(wǎng)格線投影普通前擋，測(cè)量出通過(guò)普通前擋內(nèi)外表面反射圖像的網(wǎng)格線線粗。再用同樣的網(wǎng)格線投影HUD前擋，測(cè)量出內(nèi)外表面反射圖像網(wǎng)格線錯(cuò)動(dòng)量。如果網(wǎng)格互相重合，就測(cè)量重合后網(wǎng)格線線粗加大變量。這里測(cè)量的網(wǎng)格線錯(cuò)動(dòng)量或網(wǎng)格線線粗加大變量就是HUD影像的重影值，重影值越小越好。HUD系統(tǒng)每個(gè)像點(diǎn)的重影值都不完全一樣。只有最大的重影值小于要求的重影值時(shí)，才能判斷HUD系統(tǒng)重影合格。

2.5 其他光學(xué)測(cè)試

檢測(cè)設(shè)備不僅要檢測(cè)虛像的成像質(zhì)量，如成像距離、畸變和清晰度等[3]。還要檢測(cè)亮度、對(duì)比度、均勻性等。機(jī)械手上安裝光度測(cè)量?jī)x，可以很方便地測(cè)量在Eyebox范圍內(nèi)，各位置點(diǎn)眼睛看到的圖像光度學(xué)效果。良好的HUD圖像需要較高的對(duì)比度、足夠的亮度和無(wú)明顯差異的均勻性?，F(xiàn)在的HUD一般都是彩色的，除了黑白2色外，還需對(duì)紅綠藍(lán)3色的亮度、對(duì)比度、均勻性等進(jìn)行測(cè)試。

2.6 實(shí)際環(huán)境狀態(tài)下的模擬測(cè)試

HUD 在道路復(fù)雜環(huán)境下使用的效果，需要通過(guò)環(huán)境光模擬器進(jìn)行模擬測(cè)試。

靜態(tài)測(cè)試中，需模擬夏日強(qiáng)光下和陰雨天或夜晚弱光環(huán)境中HUD圖像效果，在這種極限情況下，HUD圖像的對(duì)比度和與環(huán)境光的對(duì)比度要滿足一定的指標(biāo)要求，可以獲得較好的視覺(jué)效果。

動(dòng)態(tài)測(cè)試中，需模擬車輛在快速行駛時(shí)，外界環(huán)境亮度發(fā)生劇烈變化，如果HUD 顯示的亮度變化不匹配，駕駛員很難獲取HUD顯示的信息。這就需要通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定，使HUD圖像亮度變化與外界環(huán)境亮度相對(duì)應(yīng)。

在使用LCD做成像單元時(shí)，如果駕駛員戴偏光太陽(yáng)鏡，需要考慮LCD發(fā)出偏正光對(duì)其的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

HUD發(fā)展日新月異，但是目前的檢測(cè)方法和手段還在不斷跟進(jìn)，促進(jìn)HUD行業(yè)整體健康發(fā)展，HUD與汽車安全性息息相關(guān)，其檢測(cè)也是不可或缺的。該文涉及的檢測(cè)方法已經(jīng)部分應(yīng)用到實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)其理論原理進(jìn)行分享，期望推動(dòng)HUD行業(yè)的共同進(jìn)步。

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