布谷鸟产研—AR-HUD的设计

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2020-09-11 10:27:36 * 浏览: 28

AR-HUD 设计包括光学设计、电子架构设计、UI/UX设计三个部分。远比传统AR HUD复杂,特别是电子架构方面,不仅要考虑比较多的传感器融合以及3D定位和时间一致性,还要考虑AR HUD的虚拟图像不仅是过去时间段的内容,还要有提前预测的内容,这难度相当高。本文由布谷鸟科技-产研首席分析师周彦武老师编写。

全球第一个搭载AR-HUD的量产车型,新一代奔驰S级轿车将在今年秋季上市,明年底上市的奥迪Q4 E-tron也将搭载AR-HUD,宝马在2022年上市的iNext也将搭载AR HUD, 同时PSA和路虎也已经规划使用AR HUD。



AR HUD三个核心,一是感知与数据收取,二是数据混合与分析,三是3D HMI信息生成。



AR HUD不仅要融合来自导航和ADAS系统的信息,还要考虑到精确定位、时间戳、3D渲染、UI/UX,还要有提前预测的功能。因为AR HUD的显示要有前瞻性和预见性。在有些设计中,考虑到ADAS系统的安全,必须保证ADAS系统最大的独立性,同时为了提高AR HUD系统的可靠性和独立性,因此AR HUD干脆也具备强大的目标探测与识别能力,等于一套没有执行系统的ADAS。当然这样成本很高。



上图为宝马的AR HUD框架图,由Apostera公司提供,MGU即宝马新一代Infotainment的代号,最后的LCD应该改为PGU,图像生成单元。可以看出输入信息非常多,包括车辆传感器信息(从车身网关获得,CAN总线,包括速度、电量、续航等仪表所需要表示的一切信息)、IMU(惯性导航单元,与摄像头或激光雷达配合推测车辆的空间位置,全局坐标位置)、前摄像头目标探测或视频流(不仅要动态目标探测还要静态目标如速度限制标志信息)、毫米波雷达信息,这些是时间要求苛刻型数据。PSD是德国大陆汽车的电子地平线,可以近似看做V2I系统。还有导航数据、地图数据、在线服务数据包括动态兴趣点和交通信号灯。其他还有诊断、配置、电源管理、显示管理、层管理。

如此复杂的系统需要强大的硬件支持,3D实时动态渲染意味着不低于150GFLOPS的浮点运算能力。高实时性,强大的数据融合分析能力意味着至少20000DMIPS以上的CPU运算能力,还要有丰富的接口。有瑞萨的R-CAR H3、高通的820a High、英特尔的A3950/A3960、英伟达的Parker能够胜任。奔驰声称在新一代S级座舱的第二代MBUX系统的浮点运算能力是691GFLOPS,比第一代的500GFLOPS提高191GFLOPS。可能主要是针对AR HUD所做的提升。



上图为最高等级的AR HUD的框架图,最后的LCD应该改为PGU,即图像生成单元。依靠摄像头反推3D全局空间位置并建立道路环境模型,同时识别并探测动态目标和静态目标。这显然不是摄像头系统能实现的,必须用激光雷达,还是至少64线以上的高线束的激光雷达,这样才能准确提供高度和深度信息。




像这样准确标注公交车道信息的HUD需要精确的空间定位,这需要高精度地图的侧向或鸟瞰型激光雷达的准确配合才能做到。

AR HUD的光学设计方面,TFT-LCD是肯定无法满足需求的,因为AR HUD要求至少10°的水平FOV,5米以上的VID虚像距离。目前最成熟的技术只有DLP,奔驰新一代S级(W223)、林肯大陆和领航员都选用了DLP技术做HUD。林肯大陆和导航员也都使用了DLP做HUD,但仍然是传统HUD,都由德国大陆汽车提供。林肯大陆和导航员使用的是德州仪器早期DMD芯片DLP3030,只有40万像素。奔驰AR HUD使用德州仪器最新的DMD芯片DLP5531(2018年下半年才量产,所以林肯没用上),有130万像素,FOV为10X5°,VID距离为33英尺即10米,奔驰称这相当于77英寸显示器。




上图为德州仪器DLP5531系统框架图。成本允许的话推荐用激光二极管做光源。

图像设计方面有单层图像和双层图像,奔驰W223似乎选择了单层图像。



单层图像的VID距离是固定的,因此需要眼球追踪技术,奔驰W223采用独特的双目视觉做眼球追踪。




德国大陆汽车、伟世通和日本精机都倾向于采用双层图像设计,如上图是德国大陆的双层图像,第一层的图像VID只有2.4米,用TFT-LCD做PGU,第二层图像VID达7.5米,用DLP技术实现。




上图是全球第一大HUD厂家日本精机的多层图像HUD设计。近层图像主要显示仪表和设置调整信息,远场图像显示路径导航和各种警告信息。还有一个侧方立体信息,如盲点和车道偏离警告。




最后是UI/UX设计,可以找专业的UI/UX设计公司做,也可以内部完成,外部的UI/UX设计公司通常过于理想化,设计的UI/UX显示难度较高。




如上图,好看且直观,但对于空间定位要求很高,需要精确到车道级的定位信息。



需要很高的投影分辨率。

内部团队完成设计则配合度比较高,不过通常都比较一般,不够惊艳。



这些是比较常见的AR HUD 用UI。