Cos'è un head-up display (HUD) e come funziona?

Mentre guidi, ci sono dozzine di distrazioni che minano la tua attenzione, sulla strada ma anche all'interno del veicolo. Il contachilometri. Livello del carburante. Avvisi sul traffico e condizioni di guida. Informazioni preziose per migliorare l'esperienza di guida, ma per vederle devi distogliere lo sguardo dalla strada.

Un head-up display (HUD) è una forma di realtà aumentata che presenta le informazioni direttamente nel campo visivo, quindi non devi distogliere lo sguardo per vederle.  Esattamente come suggerisce il nome, aiuta gli automobilisti a tenere gli occhi sulla strada e la testa alta. 

Sebbene la guida sia l'applicazione più conosciuta per gli head-up display, ci sono molteplici utilizzi per questa tecnologia. Ovunque un operatore abbia bisogno di visibilità del mondo reale e di informazioni digitali allo stesso tempo, l'head up display può aiutare. I sistemi pilotati, come aerei, veicoli militari e macchinari pesanti, sono tutti casi d'uso ideali. In queste situazioni, le informazioni vengono proiettate dove possono essere visualizzate dall'operatore senza distogliere lo sguardo dalla strada, dal cielo o dall'attività in corso. 

Un'altra applicazione comune per gli HUD sono i videogiochi. Le cuffie per la realtà aumentata utilizzano la tecnologia HUD per offrire ai giocatori la possibilità di vedere attraverso il gioco e nel loro ambiente fisico. Utilizzati in questo modo, creano una realtà mista in cui al gioco si sovrappongono informazioni sullo stato del giocatore, come salute, orientamento e statistiche di gioco.  

L'uso globale della telemedicina ha anche aumentato l'adozione di head-up display nel settore sanitario. Offrendo ai professionisti medici la comodità del funzionamento a mani libere, i display montati sulla testa e gli occhiali intelligenti dotati di tecnologia HUD sono presenti nell'assistenza clinica, nell'istruzione e nella formazione, nella collaborazione con team di assistenza e persino nella chirurgia guidata dall'intelligenza artificiale. 

Che tu sia un pilota che ha bisogno di tenere d'occhio il traffico aereo o un giocatore che sta attento al bordo del tavolino, esistono diversi tipi di head-up display progettati per soddisfare le esigenze specifiche dell'utente. Molti fattori, come l'ambiente, i vincoli di costo e il comfort dell'utente, contribuiscono alla scelta del giusto tipo di HUD per l'applicazione. 

Ma, mentre i tipi di HUD possono variare per servire il settore e il caso d'uso, la maggior parte dei tipi di HUD sono costituiti dagli stessi tre componenti: una sorgente luminosa (come un LED), un riflettore (come un parabrezza, un combinatore o una lente piatta) e un sistema di ingrandimento. 

Tutti gli HUD hanno una sorgente luminosa (generatore di immagini) e una superficie che riflette l'immagine. (Molto spesso questa superficie è trasparente per consentire all'utente di vederci attraverso). Tra la sorgente luminosa e la superficie riflettente si trova tipicamente un sistema ottico di ingrandimento. I sistemi di ingrandimento possono essere:

• Uno o più specchi a forma libera che ingrandiscono l'immagine
• Una guida d'onda con reticoli che ingrandiscono l'immagine
• Una lente d'ingrandimento (tipicamente negli HUD degli aerei)
• Niente (alcuni HUD non hanno ingrandimento)

Gli head-up display proiettano informazioni visive all'interno del campo visivo attuale dell'utente. Ciò offre diversi vantaggi principali:

• Aumenta la sicurezza attraverso una migliore concentrazione e consapevolezza
• Dà priorità e distilla le informazioni più rilevanti al momento giusto 
• Allevia l'affaticamento degli occhi causato dal continuo cambiamento della messa a fuoco
• Crea fiducia tra veicoli autonomi e conducenti, dimostrando che il sistema e l'uomo condividono la stessa realtà

Punta la torcia del tuo telefono su una finestra e vedrai sia il riflesso della luce che il mondo oltre la finestra. Gli head-up display consentono un'esperienza simile, riflettendo un'immagine digitale su una superficie trasparente. Questo sistema ottico fornisce informazioni all'utente in quattro passaggi.

1. Creazione dell'immagine: l'unità di generazione immagini elabora i dati in un'immagine
2. Proiezione della luce: una fonte di luce proietta quindi l'immagine verso la superficie desiderata
3. Ingrandimento: la luce viene riflessa o rifratta per ingrandire il fascio
4. Combinazione ottica: l'immagine digitale finisce sulla superficie del combinatore per sovrapporsi alla visione del mondo reale

Gli head-up display coinvolgono la percezione umana, rendendoli molto complessi da progettare e testare. Le metriche tecniche aiutano i progettisti a soddisfare una specifica, ma è capire in che modo l'esperienza umana influisce sul processo che determinerà il successo finale. 

Per tenere conto della componente umana, i progettisti di HUD utilizzano la simulazione. Testando e convalidando digitalmente i loro modelli, possono affrontare in modo proattivo molti scenari e sfide tecniche, prima, o addirittura senza, costosi prototipi fisici. Queste sfide possono essere:

• immagini fantasma, valore di deformazione e distorsione dinamica
• differenze nella fisiologia, come la posizione della testa e il daltonismo
• cambiamenti di colore dovuti a parabrezza rivestiti o occhiali polarizzati
• contrasto, leggibilità e luminanza delle immagini proiettate
• sole, che interferisce con la leggibilità e la sicurezza della visione 

Utilizzando la simulazione, gli ingegneri possono prevedere in che modo il riflesso del sole influenzerà la leggibilità delle informazioni dell'HUD nei diversi scenari.

I risultati della simulazione che seguono mostrano il sole riflesso nell'HUD sugli specchi. I 4 risultati mostrano la stessa configurazione e posizione del sole con 4 materiali diversi applicati sull'alloggiamento dell'HUD. Notare come diventi meno evidente, con ogni nuovo materiale, il riflesso indesiderato. Nell'ultima immagine, i riflessi sono interamente assorbiti dal materiale. 

Ingegneri e progettisti possono trarre grandi vantaggi dall'utilizzo di strumenti di simulazione ottica come Ansys Zemax OpticStudio e Ansys Speos per simulare le prestazioni ottiche di un sistema e valutare l'effetto di illuminazione finale in base alla visione umana.

Con questi strumenti di simulazione è possibile:

• determinare gli aspetti visivi, la riflessione, la visibilità e le informazioni riguardanti la leggibilità in base al singolo osservatore umano
  
• simulare previsioni visive basate sulla modellazione fisiologica della visione umana
• migliorare la qualità visiva percepita ottimizzando colori, contrasti, armonia, uniformità e intensità della luce
• prendere in considerazione le condizioni di illuminazione ambientale, inclusa la visione diurna e notturna

Simulazione HUD con pioggia

Nel settore automobilistico, la simulazione può anche aiutare gli ingegneri a vedere come un conducente percepirà l'HUD in diversi scenari meteorologici. Questo video mostra come una simulazione modella l'esperienza umana della visualizzazione dell'HUD sotto la pioggia.

Dato che le prestazioni umane continuano a essere guidate dai dati, la necessità di dare priorità e fornire informazioni alle persone nel modo più rapido e sicuro sarà in prima linea nell'innovazione. Oltre alle evoluzioni in campo automobilistico, la tecnologia HUD ha il potenziale per aiutare gli esseri umani a rimanere concentrati in una varietà di settori, come quello sanitario, delle infrastrutture e delle comunicazioni.

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