主題詳細資料
什麼是抬頭顯示器 (HUD)？如何運作？
駕駛過程中，在道路上和車內會有數十種分心因素分散您的注意力。時速表。燃油油位。交通警示和駕駛條件。重要資訊可改善您的駕駛體驗，但為了查看資訊，您需要向下或向後看，而將視線從道路移開。
什麼是抬頭顯示器？
抬頭顯示器 (HUD) 是擴增實境的一種形式，能直接在您的視線中呈現資訊，因此您不必移開視線即可看到。 顧名思義，它有助於駕駛專注看路，讓駕駛保持抬頭。
抬頭顯示器有哪些應用？
雖然駕駛是最廣為人知的抬頭顯示器應用，但該技術有許多用途。在操作員需要同時掌握真實世界和數位資訊的任何地方，HUD 都能提供協助。飛機、軍用車輛和重型機械等有人駕駛的系統都是理想的使用案例。在這些情況下，資訊會投影在操作員可以看到的地方，而無需從道路、天空或手上的任務移開視線。
HUD 的另一個常見應用是電玩遊戲。擴增實境頭盔使用 HUD 技術，讓遊戲玩家能透過遊戲看到實際環境。以這種方式使用時，其會建立一個混合實境，在遊戲過程中疊加有關玩家狀態的資訊，例如健康狀況、導航和遊戲統計資訊。
全球遠端醫療的使用也增加了抬頭顯示器在醫療保健領域的應用。採用 HUD 技術的頭戴式顯示器和智慧眼鏡為醫療專業人員提供了免手持操作的便利性，可用於臨床照護、教育和訓練、照護團隊合作，甚至 AI 引導的手術。
抬頭顯示器的類型
無論您是需要關注飛機交通的飛行員，還是留意桌邊的遊戲玩家，都有多種類型的抬頭顯示器，可滿足特定的使用者需求。許多因素，例如環境、成本限制和使用者舒適度，都會在選擇適合應用的 HUD 類型時考量。
但是，儘管 HUD 的類型可能因產業和使用案例而有所不同，但大多數 HUD 類型都由相同的三個元件組成：光源 (例如 LED)、反射器 (例如擋風玻璃、組合器或扁平透鏡) 和放大鏡系統。
所有 HUD 都有光源 (影像產生單元) 和反射影像的表面。(通常這個表面是透明的，讓使用者可以透過它看到外面的情況)。在光源和反射表面之間，通常有一個放大光學系統。放大系統可以是：
- 一個或多個自由形狀鏡像放大影像
- 帶有光柵的波導放大影像
- 放大鏡 (通常在飛機 HUD 中)
- 無 (某些 HUD 沒有放大)
HUD 的優點
抬頭顯示器可在使用者的目前視野內投射視覺資訊。這提供了幾個主要優點：
- 透過提高專注度和認知度來提升安全性
- 在適當的時間優先處理並提取最相關的資訊
- 緩解因焦點不斷變化而造成的眼睛疲勞
- 透過顯示系統和人人類分享相同的現實，建立自動駕駛車輛和乘客之間的信任
抬頭顯示器如何運作？
將手機中的手電筒放在窗口上，您將看到光線的反射和窗外的世界。抬頭顯示器透過在透明表面反射數位影像，實現類似的體驗。此光學系統分四個步驟向使用者提供資訊。
- 影像建立：畫面產生單元會將資料處理成影像
- 光投影：光源接著將影像投射到所需的表面
- 放大：光線會反射或折射以放大光束
- 光學組合：數位影像會落在組合器表面，以重疊真實世界的視野。
抬頭顯示器設計
抬頭顯示器涉及人的感知，因此在設計和測試方面非常複雜。工程指標有助於設計人員滿足規格，但瞭解人類體驗如何影響流程，將決定最終的成功。
圖 1.序列模式中的 Zemax OpticStudio HUD 設計。
為了考量到人的因素，HUD 設計人員使用了模擬技術。透過數位測試和驗證其模型，他們可以主動解決許多情境和技術挑戰，無論是在實體原型製作之前，還是在不需要昂貴的實體原型製作情況下。這些挑戰可能是：
- 鬼影、翹曲值和動態失真
- 生理差異，例如頭部位置和色盲
- 因鍍膜的擋風玻璃或偏光眼鏡造成的色差
- 投影影像的對比、清晰度和亮度
- 陽光干擾可讀性和視覺安全
範例：模擬太陽反射
使用模擬，工程師可以預測太陽的反射將如何影響不同情境中 HUD 資訊的清晰度。
以下模擬結果顯示在鏡上 HUD 中的陽光反射。4 個結果顯示了相同的設定和太陽位置，在 HUD 外殼上應用了 4 種不同材料。請注意，每使用一種新材料，多餘的反光就會變得不那麼明顯。在最後一個影像中，反光完全被材料吸收。
圖 2.使用一般材料進行 HUD 陽光反射
圖 3.使用 Vantablack VBx2 進行 HUD 陽光反射。
圖 4.使用 Vantablack S-VIS 進行 HUD 陽光反射。
圖 5.HUD 陽光反射：鬼影
工程師和設計人員可以使用光學模擬工具 (例如 Ansys Zemax OpticStudio 和 Ansys Speos) 來模擬系統的光學效能，並根據人類視覺評估最終的照明效果，從而大幅受益。
使用這些模擬工具，您可以：
- 根據個別人類觀察者去判斷視覺方面、反射、能見度和資訊易讀性。
- 根據生理人類視覺建模來模擬視覺預測
- 透過最佳化色彩、對比度、和諧度、光線均勻度和強度，改善視覺感知品質
- 考慮環境照明條件，包括白天和夜間視覺
HUD 雨滴模擬
在汽車產業中，模擬也可協助工程師瞭解駕駛在不同天氣情境下的 HUD 體驗。此影片展示模擬如何建模在雨中觀看 HUD 的人類體驗。
專注於未來
隨著人類的表現不斷受到資料驅動，以最快、最安全的方式向人們優先提供資訊的需求將成為創新的最前線。除了汽車演進之外，HUD 技術也有潛力協助人類在醫療保健、基礎架構和通訊等多個產業中持續處理工作。
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