什么是抬头显示器（HUD），其工作原理是什么？
开车时，您需要眼观六路、耳听八方，随时留意道路上以及车内的状况。比如速度表、剩余油量、交通警报和驾驶条件等等。有价值的信息可改善您的驾驶体验，但如果为了查看这些信息，您需要低头或俯瞰，则无暇顾及前方道路。
什么是抬头显示器？
抬头显示器（HUD）是一种增强现实（AR）系统，它将直接在您的水平视线内呈现信息，因此您不必移开视线就能读取信息。 顾名思义，它有助于驾驶员将视线始终集中于道路，在读取信息的同时抬头正视前方。
抬头显示器的应用有哪些？
虽然抬头显示器在车辆驾驶中的应用最广为人知，但其实该技术有许多其他用途。只要是操作人员需要同时观察真实世界和查看数字信息的场景，HUD就可以提供帮助。比如，飞机、军用车辆和重型机械等有人驾驶的系统，都是HUD的理想的用例。在这些情况下，信息会被投影到操作人员可以直接查看的位置，操作人员无需将目光从道路、天空或手头的任务上移开。
HUD的另一个常见应用领域是电子游戏。增强现实头戴式设备采用了HUD技术，使游戏玩家能够看到游戏场景以及他们所处的真实物理环境。在这种应用下，游戏会创造出一种混合现实体验，游戏玩家可以直接看到与玩家状态相关信息（如生命值、寻路和游戏统计数据）。
此外，远程医疗在全球的应用，也增加了抬头显示器在医疗领域的应用。在临床护理、教育培训、护理团队协作、甚至是AI指导的手术中，采用HUD技术的头戴式显示器和智能眼镜为医疗专业人员提供了免手持操作的便利。
抬头显示器的类型
多种不同类型的抬头显示器，可满足特定的用户需求，无论是对于需要关注飞机交通的飞行员，还是需要留意咖啡桌边缘的游戏玩家。环境、成本限制和用户舒适度等诸多因素都会影响如何为应用选择合适的HUD类型。
但是，虽然可能因行业和用例而异，但大多数HUD都同样由三大部分组成，即光源（如LED）、反射器（如挡风玻璃、组合器或平面透镜）和放大系统。
所有HUD都具有光源（图像生成单元）和反射图像的表面。（大多数情况下，此表面是透明的，使用户能够透过它看到现实世界的物体）。在光源和反射表面之间，通常有一个放大光学系统。放大系统可以是：
- 一个或多个放大图像的自由曲面镜
- 放大图像的带光栅的波导
- 放大镜（常见于飞机HUD中）
- 没有放大系统（某些HUD没有放大功能）
HUD的优势
抬头显示器可在用户当前视场内投影视觉信息。这提供了几个关键优势：
- 通过提高操作人员的专注度和注意力来提高安全性
- 在合适的时间优先处理并提取最相关的信息
- 缓解因人眼焦点不断变化而导致的疲劳
- 通过展示系统和人眼共享的相同现实，在自动驾驶汽车和乘坐者之间建立信任
抬头显示器的工作原理是什么？
将手机上的手电筒光照在窗户上，您将同时看到光线的反射和窗外的世界。抬头显示器通过在透明表面上反射数字图像来实现类似的体验。该光学系统通过四个步骤向用户提供信息。
- 图像创建：图像生成单元将数据处理成图像
- 光投影：然后，光源将图像投影到目标表面
- 放大：光被反射或折射，以放大光束
- 光学组合：数字图像显示在组合器表面，并与真实场景视图同时出现
抬头显示器设计
抬头显示器涉及人类感知，而这使其设计和测试变得非常复杂。工程指标有助于设计人员满足规范要求，但对人类体验如何产生影响的了解，将决定最终的成功。
图1：Zemax OpticStudio序列模式中的HUD设计。
为了考虑与人类相关的因素，HUD设计人员会使用仿真技术。通过对模型进行数字测试和验证，他们在使用成本高昂的物理原型之前，或者甚至无需物理原型，即可主动解决许多场景和技术挑战。这些挑战包括：
- 鬼像、翘曲值和动态畸变
- 生理差异，如头部位置和色盲用户
- 挡风玻璃膜层或偏振眼镜导致的色彩偏移
- 投影图像的对比度、可读性和亮度
- 太阳对可读性的干扰和视觉安全性
案例：太阳反射仿真
通过使用仿真，工程师可以预测太阳反射如何影响不同场景下HUD信息的可读性。
下面的仿真结果显示了太阳在HUD镜中的反射情况，即在相同的设置和太阳位置条件下，HUD外壳分别应用4种不同材料时的4个结果。请注意每种新材料如何帮助减少不必要的反射。在最后一张图像中，反射完全被材料吸收。
图2：使用通用材料的HUD的太阳反射
图3：使用Vantablack VBx2的HUD的太阳反射
图4：使用Vantablack S-VIS的HUD的太阳反射
图5：HUD太阳反射：鬼像
工程师和设计人员可通过使用光学仿真工具（如Ansys Zemax OpticStudio和Ansys Speos）对系统的光学性能进行仿真，并基于人眼视觉评估最终的照明效果，从而获得巨大优势。
利用这些仿真工具，您可以：
- 根据人眼视觉传感器来确定不同的视觉性能，比如反射、可视性和有关可读性的信息
- 基于生理学人眼视觉建模对视觉预测进行仿真
- 通过优化颜色、对比度、和谐度、光均匀性和强度来提高视觉感知质量
- 考虑包括昼夜视觉在内的环境照明条件
HUD雨滴仿真
在汽车行业中，仿真还可以帮助工程师了解驾驶员在不同天气场景下对HUD的体验。本视频展示了仿真如何对雨天查看HUD的人类体验进行建模。
聚焦未来
随着人类越来越依靠数据提供的支持，对以最快、最安全的方式筛选并交付信息的需求，将成为创新的前沿。除了推动汽车发展之外，HUD技术还有望帮助人们在医疗、基础设施和通信等多个行业中保持对任务的专注。
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