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    汽車抬頭顯示 AR HUD 應用潛力浮現
    更新:2022-11-17 9:36:13 稿件:Omdia 調整大小:【

    要點

    汽車行業對于抬頭顯示器 (HUD)的導入正呈現迅速增長,但仍主要限于一些高端車型。Omdia 預計在 2022 年,HUD 的出貨量可以達到 600 萬片,年同比 (YoY) 增長達 7%。

    用作顯示來源和通過光學引擎(light engine)進行畫面投射的小尺寸 TFT 液晶面板目前仍是最為重要的顯示面板技術,排名其后的則是數字后視鏡設備(DMD,或稱之為數字光學處理)和激光波束掃描(LBS, laser beam scanning)等技術。

    雖然汽車 HUD 應用正受到越來越多的關注,但其在微顯示面板(micro display)、光學引擎優化和外形等方面仍未達到技術全面成熟。此外,HUD還需要有明確的定位策略,以與儀表盤顯示面板 (ICD)、中控屏顯示面板 (CSD) ;另外,還要等待一些成長刺激因素形成以提高使用。尤其是基于汽車機器視覺(machine vision)的增強現實(AR, augmented reality),一旦成熟后,應該可以讓HUD 成為有價值和實用的功能。

    汽車 HUD 應用

    在用于汽車領域之前,HUD 已在軍用航空器(例如戰斗機)領域得到了廣泛的采用,原因是具有人體工學方面的優勢,能夠縮短飛行員在處理周邊環境信息所需時間。有了HUD,飛行員能夠在看向駕駛艙之外、以察覺周邊狀況的同時,無需轉頭或轉移視線就可處理、消化 HUD 上顯示的各種信息。這種利用HUD投射情境或功能需要的訊息、疊加到現實的方式,其實正是一種提供給飛行員的增強現實做法。汽車 HUD 也具備同樣的優勢:將情境相關方的信息投射到擋風玻璃上。

    根據投射目的地的不同,有兩種類型的汽車 HUD:W-HUD(windshield,信息投射到擋風玻璃上)和 C-HUD(combiner,信息投射到專用的投射板上)。其中,W-HUD 在技術開發上較具挑戰性,這是由于擋風玻璃容易受到外界干擾,例如環境光、灰塵和光學扭曲(由于風擋玻璃並非平面)等的關系。畫面需在投射后予以相應校正,因此在技術上的挑戰更大一些。C-HUD 則利用一塊專用的投射板來投射;投射板的外形通常是位于 ICD 上方的一小塊透明顯示板,好處是光學效果比較容易優化,缺點則是較小,而且也沒有W-HUD在觀看上來得更自然。更為主流的 W-HUD 具有更大的視野(FOV)角度,想對能夠與駕駛員的前方現實視野相重合,也能顯示更多的信息。

    與供應鏈和顯示面板產能均更為成熟的 CSD 相比,汽車 HUD 的安裝量要低得多(約 600 萬片每年)。具備觸摸功能的 TFT 液晶面板是 CSD 的主要技術選項,其中部分原因是這種面板厚度小、容易設計安裝。HUD 則是一種復雜的光學系統,涉及到微顯示面板(帶或不帶光源)、光引擎(微顯示面板和光學元件)、光路徑設計(light path,光在光源與目標位置之間的傳播路徑)和投射(光束目標位置)考慮等多個方面。

    目前可用的微顯示面板技術主要有 TFT 液晶面板(用于投射而不是直接觀看)和 DMD 以及 LBS。用作顯示光源和通過光學引擎進行畫面投射的小尺寸 TFT 液晶面板,目前仍是最為重要的顯示面板技術;包括 1.8 英寸 480x240 和 3.1 英寸 800x480 (WVGA) 的 LTPS TFT 液晶面板。不過,其投射亮度必須予以增強,二者會增加功耗,也因此需要配備散熱器。由于其采用了投射原理,無法直接觀看(基于液晶面板的 CSD 可直接觀看),因此這種 HUD 系統體積較大(超過 10 到 15 升),需要隱藏安裝在儀表盤之中。對于采用內燃機的汽車來說,容納其較大的外形是一項不小的挑戰。

    目前可用的微顯示面板技術主要有 TFT 液晶面板(用于直接觀看之外距離更遠的投射)和 DMD 以及 LBS。用作顯示光源和通過光學引擎進行畫面投射的小尺寸 TFT 液晶面板目前仍是最為重要的顯示面板技術,包括 1.8 英寸 480x240 和 3.1 英寸 800x480 (WVGA) 的 LTPS TFT 液晶面板。不過,其投射亮度必須予以增強,但這樣會增加功耗,而且也需要配備散熱設計。由于其采用了投射原理,無法直接觀看(基于液晶面板的 CSD 可直接觀看),因此這種 HUD 系統體積較大(超過 10 到 15 升),需要隱藏安裝在儀表板之下。對于采用內燃引擎的汽車來說,前方是引擎位置,因此容納其較大的外形是一項不小的挑戰。

    無論是 HUD 還是 CSD 均能夠帶來有助于改善駕駛安全的有用信息。CSD 大部分均具備觸摸功能,且位于汽車駕駛艙的中間位置。但 HUD 需要使用實體按鈕或旋鈕(通常位于方向盤上),或語音操作。對于駕駛員來說,在駕駛過程中去觸摸操作 C-HUD 或 W-HUD 并不現實。另外,CSD 的圖形用戶界面(GUI)也更為美觀花哨,與手機的界面較為類似。相對地,HUD 廠商都推崇更為簡潔明瞭的呈現方式;這既是出于安全考慮,也有助于駕駛員快速處理信息,才不致分心造成危險。

    為 AR HUD 做好準備

    CSD 和 HUD 兩者不屬于互相競爭的顯示技術,原因在于兩者均具有其獨特的功能和使用目的。但 HUD 在提供更加情境敏感(context-sensitive)的信息方面,能夠遠優于 ICD。CSD 憑借其極為出色的顯示性能和圖形用戶界面,適合用于對先進駕駛員輔助系統(ADAS)、車載通訊(例如導航、娛樂)以及車內功能控制(例如空調、座椅調節、照明)等的實現。這些均可以整合至單一顯示面板之中呈現給用戶觀看或直接操作。但是由于其安裝位置,CSD需要駕駛員在駕駛期間轉移視線去查看,因而可能會造成駕駛員分神。因此,採用ICD(機械轉盤式或是顯示面板)的話,將能夠對 CSD不方便之處形成互補,為駕駛員提供必要的駕駛情境化信息。不過,ICD(機械轉盤式)僅能夠顯示有限的信息(例如車速、發動機轉速、燃油狀態)。特斯拉 在Model 3 甚至直接徹底取消掉了 ICD的設計。

    受限于 HUD 顯示器投射性能(即視野角度窄、圖像分辨率低),HUD 無法在顯示更多信息、或是更復雜圖像方面與 CSD 形成競爭。另一方面,情境敏感信息始終需要實時提供,並且在駕駛期間一直不斷變化,因此無論是在 ICD 中予以顯示,還是集成到 CSD 之中(例如特斯拉 Model 3),均依然十分有用。如同 ICD, HUD 的位置就在駕駛人對外的視線上,因此更適合直接觀看且不會造成分神。但是如果要說服車廠采用 HUD 而不是ICD,那么HUD就必須有勝過 ICD的地方,或是 ICD 無法提供、但HUD可以勝任之處。AR HUD應該會是未來差異化的方向。盡管 AR HUD 應用給出了令人信服的理由以采用 HUD 而非 ICD,但其仍然處于開發或是等待完善的階段。

    不管是基於面板的 ICD或是投射顯示的HUD,都只是被動接收并顯示來自計算主機的圖像數據。這樣來看的話,似乎 HUD 也僅僅是 ICD 的另一備選。不過,AR 讓 W-HUD 通過投射到風擋玻璃上的方式,會讓HUD變得比 ICD 更加先進和有用。AR HUD 技術涉及到利用 AR技術來將運算結果渲染到「現實」之上。在汽車這一使用場景之中,能夠對風擋玻璃前方的物體,以感測器、機器視覺演算法進行識別,并且進一步利用情境敏感信息對這些物體進行標示,以輔助駕駛安全或是對駕駛情況的掌握。與之形成對比的是,非 AR 的 HUD 技術則無法識別物體,僅可被動呈現信息。

    新興的一些汽車用傳感器,例如基于雷達或是深度感測(ToF)技術的CIS成像傳感器(CMOS image sensor)模塊能夠發揮作用,在環境感知、機器視覺(即處理接收自傳感器的模擬數據)和主機計算(即基于機器視覺的數據解讀和處理)間相互配合,讓這些傳感器對于 AR HUD 的實現有著關鍵作用。這些電子元組件使得對駕駛員和前方物體或狀況的識別得以實現。識別物體之后,主機計算技術便可進一步生成情境與環境敏感的信息或圖像,以供顯示在風擋玻璃上。車輛駕駛期間,各種狀況都在一直不斷變化,因此機器視覺和計算系統均必須實時地為駕駛員提供信息更新。

    與 C-HUD 不同,W-HUD 受到的環境干擾更多。陽光或灰塵對于風擋玻璃造成的更強的干擾,對于維持微顯示面板(或其光源)的顯示亮度以及降低功耗來說,是一項不小的挑戰。如果 AR在對物體的標示上過于復雜,以致讓駕駛員誤判,那么反而失去其原本使用目的。因此,AR HUD 顯示面板之中所采用的圖形符號或標識設計均必須既簡潔明瞭,又明顯可區分。此外,基于機器視覺的 AR HUD 系統均要求具備 10°的水平 FOV (或三條車道)以及 7.5–10 米的虛擬圖像距離(VID, virtual image distance),這是因為需要提升深度感知能力,以便能夠辨認不同距離處的物體。

    迄今為止,汽車 OEM 廠商均已在其高端車型之中引入了非 AR 的 HUD,作為 ICD 的備選。引入基于機器視覺的 AR HUD 能夠實現對汽車前方物體的識別,從而改善汽車行駛安全。在安全方面以外,AR HUD 也可利用車載部件本身或智能手機與車輛的車聯萬物 (V2X) 通訊功能互相搭配,提供有關道路基礎設施方面的信息更新,從而帶來駕駛便利,或各種基于位置的服務,例如興趣點 (POI) 等。

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