Qu'est-ce que l'affichage tête haute et comment fonctionne-t-il ?

Pendant que vous conduisez, des dizaines de sources de distractions sont susceptibles de détourner votre attention, non seulement sur la route, mais aussi à l'intérieur du véhicule. Le compteur de vitesse. Le niveau de carburant. Les alertes routières et les conditions de conduite. Ce sont des informations précieuses pour améliorer votre expérience de conduite, mais pour capter ces dernières, vous devez regarder vers le bas ou loin devant, et donc quitter la route des yeux.

L'affichage tête haute est une forme de réalité augmentée qui présente des informations directement dans votre champ de vision, pour que vous n'ayez pas à détourner le regard pour les voir.  Exactement comme son nom l'indique, il aide les conducteurs à garder les yeux sur la route et la tête haute. 

La conduite est le domaine d'application le plus connu de l'affichage tête haute. Toutefois, ce dernier sert beaucoup dans la technologie. L'affichage tête haute peut aider dès lors qu'un opérateur a besoin de visibilité sur le monde réel et souhaite obtenir simultanément des informations numériques. Les systèmes pilotés, tels que les avions, les véhicules militaires et les machines lourdes, constituent tous des cas d'utilisation idéaux. Dans ces situations, les informations sont projetées là où elles peuvent être visualisées par l'opérateur sans quitter les yeux de la route, du ciel ou de la tâche en cours. 

L'affichage tête haute est également utile dans le domaine des jeux vidéo. Les casques de réalité augmentée utilisent la technologie d'affichage tête hautepour permettre aux joueurs de se plonger dans le jeu tout en se repérant dans leur environnement physique. Utilisés de cette manière, ils créent une réalité mixte où le jeu est superposé avec des informations sur le statut du joueur : santé, orientation et statistiques de jeu.  

L'utilisation de la télémédecine à l'échelle mondiale a également accru l'adoption de l'affichage tête haute dans les soins de santé. Grâce aux visiocasques et aux lunettes intelligentes dotées de la technologie d'affichage tête haute, les professionnels de santé peuvent travailler en ayant les mains libres. Ces dispositifs sont utilisés dans les soins cliniques, l'éducation et la formation, pour optimiser collaboration entre les équipes soignantes et même la chirurgie guidée par l'IA. 

Vous êtes pilote et vous devez rester concentré sur le trafic aérien ? Vous jouez aux jeux vidéo et gardez toujours un œil sur le bord de la table basse ? Dans tous les cas, il existe plusieurs types d'affichage tête haute conçus pour répondre aux exigences spécifiques des utilisateurs. De nombreux facteurs, par ex. l'environnement, les contraintes de coût et le confort de l'utilisateur, entrent tous en ligne de compte dans le choix du type d'affichage tête haute. 

Cependant, alors que les types d'affichage tête haute peuvent varier pour répondre aux besoins de l'industrie et du cas d'utilisation, la plupart des types d'affichage tête haute sont composés des trois mêmes composants : une source lumineuse (par ex. une LED), un réflecteur (par ex. un pare-brise, un combinateur ou une lentille plate) et un système de grossissement. 

Tous les types d'affichage tête haute ont une source lumineuse (unité de génération d'images) et une surface réfléchissant l'image. (Le plus souvent, cette surface est transparente pour permettre à l'utilisateur de voir à travers elle). Entre la source lumineuse et la surface réfléchissante, il y a généralement un système optique grossissant. Les systèmes de grossissement peuvent être :

• Un ou plusieurs miroirs de forme libre grossissant l'image
• Guide d'ondes avec des réseaux grossissant l'image
• Une lentille grossissante (généralement dans le système d'affichage tête haute des avions)
• Rien (certains types d'affichage tête haute n'ont pas de système de grossissement)

L'affichage tête haute présente des informations dans le champ de vision de l'utilisateur. Cela présente plusieurs avantages clés :

• Augmente la sécurité grâce à une plus grande concentration et sensibilisation.
• Hiérarchise et dispense les informations les plus pertinentes au bon moment. 
• Soulage la fatigue oculaire causée par un changement constant de mise au point (d'accommodation).
• Établit une relation de confiance entre les véhicules autonomes et les pilotes en soulignant que le système et l'humain partagent la même réalité.

Placez la lampe torche de votre téléphone sur une fenêtre et vous verrez à la fois le reflet de la lumière et ce qui se trouve au-delà de la fenêtre. Un affichage tête haute permet d'obtenir une expérience similaire en réfléchissant une image numérique sur une surface transparente. Ce système optique fournit des informations à l'utilisateur en quatre étapes.

1. Création d'images : l'unité de génération d'images traite les données dans une image.
2. Projection de lumière : une source lumineuse projette ensuite l'image vers la surface souhaitée.
3. Agrandissement : la lumière est réfléchie ou réfractée pour agrandir le faisceau.
4. Combinaison optique : l'image numérique atterrit sur la surface du combineur pour se superposer à la vue du monde réel.

Les différents types d'affichage tête haute font entrer en jeu la perception humaine, ce qui les rend très complexes à concevoir et à tester. Les métriques d'ingénierie aident les concepteurs à répondre à un besoin spécifique, mais comprendre dans quelle mesure l'expérience humaine affecte le processus déterminera la réussite finale. 

Pour prendre en compte le facteur humain, les concepteurs de l'affichage tête haute utilisent la simulation. Tester et valider numériquement les modèles permet aux concepteurs d'aborder de manière proactive à de nombreux scénarios et défis techniques, avant de lancer des prototypes physiques coûteux, voire en évitant d'en créer. Parmi ces défis, on peut notamment citer :

• Des images fantômes, une déformation de la valeur ou une distorsion dynamique.
• Des différences physiologiques, par ex. la position de la tête et le daltonisme.
• Des changements de couleur dus aux pare-brise enduits ou aux lunettes polarisées.
• Le contraste, la lisibilité et la luminance des images projetées.
• Le soleil nuit à la lisibilité et à la sécurité oculaire. 

Grâce à la simulation, les ingénieurs peuvent prédire comment la réflexion du soleil affectera la lisibilité des informations de l'affichage tête haute dans différents scénarios.

Les résultats de simulation ci-dessous montrent la lumière du soleil qui se reflète dans l'affichage tête haute sur les rétroviseurs. Les 4 résultats montrent la même configuration et la même position du soleil avec 4 matériaux différents appliqués sur le boîtier de l'affichage tête haute. Remarque : avec chaque nouveau matériau, la réflexion non désirée devient moins perceptible. Sur la dernière image, les reflets sont entièrement absorbés par le matériau. 

L'utilisation d'outils de simulation optique, tels que Ansys Zemax OpticStudio et Ansys Speos, apporte de nombreux avantages aux ingénieurs et les concepteurs, notamment pour simuler les performances optiques d'un système et pour évaluer l'effet de l'éclairage final en se basant sur la vision humaine.

Avec ces outils de simulation, vous pouvez :

• Déterminer les aspects visuels, la réflexion, la visibilité et les informations concernant la lisibilité en fonction de chaque observateur humain.
  
• Simuler des prédictions visuelles basées sur la modélisation physiologique de la vision humaine.
• Améliorer la qualité visuelle perçue en optimisant les couleurs, les contrastes, l'harmonie, l'uniformité de la lumière et l'intensité.
• Prendre en compte les conditions d'éclairage ambiant, y compris la vision de jour et de nuit.

Simulation de gouttes de pluie en affichage tête haute

Dans l'industrie automobile, la simulation peut également aider les ingénieurs à voir comment l'affichage tête haute sera perçu par un conducteur dans différents scénarios météorologiques. Cette vidéo montre comment une simulation modélise l'expérience humaine de la visualisation de l'affichage tête haute sous une averse.

La performance humaine continue de dépendre des données. Pour autant, la nécessité de hiérarchiser et de transmettre les informations aux personnes de la manière la plus rapide et la plus sûre sera la clé de l'innovation. En plus des évolutions dans l'automobile, la technologie d'affichage tête haute est en mesure d'aider les humains à rester concentrés dans de nombreux secteurs variés, notamment la santé, les infrastructures et la communication.

Ressources connexes