图 (1).VID定义及HUD中的VID
在进行HUD光学设计时，会根据实际需求明确FOV和VID的设计值，然后基于整车预留的空间进行初步的光学镜片摆放。我们在自由曲面原理（上）有介绍，HUD中常用的光学架构为单自由曲面镜加平面镜或双自由曲面，无论是单曲还是双曲，在FOV相同的情况下，VID越大，对应的系统光学距离（两块镜片之间的距离+镜片与PGU之间的距离）越长，最终的HUD的体积也越大[2]，这也是AR-HUD会比W-HUD体积大的一个直接原因。
但在实际情况下，通常车体预留的空间有限，要求HUD的体积不能太大，此时就无法通过增加系统光学间距的方式，来匹配大VID的设计。另一种方法是，在固定光学间距的情况下，通过增加自由曲面放大倍率（可简单理解为自由曲面曲率的变大，但实际设计会更复杂）的方式来实现更大的VID(如图(2)(B))。但该方法也有弊端，放大倍率的增加，会使整个系统的其他光学参数更难控制，同时对于系统公差的要求也更高。除了这两种传统的方法外，双曲的使用以及新型光学系统的使用，也有助于在更小的HUD体积下实现更大的VID。
图(2). 增加VID的常规设计方法（为方便展示，仅使用单曲面方案，并简化了光学设计）
2、VID的取舍
可以看到，W-HUD和AR-HUD对于VID的设计值是不一样的。W-HUD通常进行持续显示，即常态地显示驾驶员需要时刻关注的重要信息，如车速、限速、报警提醒等。因此，W-HUD的内容通常会要求下视角（LDA）更大，且显示位置在引擎盖边缘上方（该距离下的VID通常为2m~2.5m），从而实现：(1) W-HUD的内容处于视野下方，避开正前方的场景；(2) 当驾驶员正常驾驶时，眼睛属于放松的状态，聚焦距离较远，处于近距离的W-HUD会自然地虚化。结合这两点，W-HUD的显示内容不会干扰驾驶。
AR-HUD通常进行间断显示，即只有当特定的场景出现的情况下，才会进行短时间的AR辅助驾驶内容显示，如导航中的变道、转向，前车预警，车道线识别等[3]。当这些特定场景未出现时，AR显示区域是不显示任何内容的。这样能实现常态下不干扰驾驶员的正常驾驶，但在需要时能进行短时的、间断的AR辅助内容，帮助驾驶员获得重要的信息，减少事故的发生[3]。在这样的情况下，AR-HUD通常需要更远的、甚至是能连续变化的VID，具体考量如下：
（1）视觉疲劳
我们已经提到，AR-HUD的间断显示特点是服务于驾驶员正常驾驶的过程中，此时驾驶员的双眼聚焦于较远的距离。在3D深度视觉原理（上）里，我们介绍过晶状体聚焦和辐辏。当观察近距离物体时，我们的睫状肌需要收缩，使晶状体凸度更大，从而使眼睛的焦距更短（图(3)）[4]。辐辏则是人眼向内旋转以聚焦于目标对象的行为，在我们看更近的物体时，眼睛需要更大程度地向内旋转，这也会造成视觉上的疲劳感[5]。
图 (3). 晶状体聚焦
因此，如果AR-HUD的VID较近的话，会使驾驶员在远距离的聚焦（正常驾驶状态）与的AR内容（较近VID）之间来回转换，频繁调动眼部肌肉，在实际物体和虚拟图像之间切换聚焦，长时间下来便会产生视觉疲劳[6]。研究表明，当观察为6m及以下时，睫状肌需要用力收缩以保证双眼的聚焦在物体上，疲劳感有所增加[6]，通常AR-HUD的VID会做到7.5米及以上。
（2）虚像贴合
顾名思义，AR-HUD最重要的功能就是AR（增强现实），也就是让HUD的虚拟图像与现实世界场景进行结合与互动[3]。AR的功能依赖于对实景图像进行分析，结合人眼的位置及角度，计算出虚拟图像的投影位置[7]。但是，当人眼改变位置时，虚像与现实世界适配程度会发生改变，视差指的就是感知到虚像和现实的不重合[6]。
如图（4）所示，在正常驾驶时（聚焦远处，人眼处于放松状态），VID分别为2m和10m，而红色、蓝色的矩形标识为HUD投影的虚像与现实场景中的行人、汽车实现了完美贴合。
图(4). 正常驾驶时，VID分别为2m和10m，虚像和实物完美贴合
然而，当驾驶员将头稍微向左移动，虚像的位置也发生了改变，从而导致虚像和现实世界的错位。我们可以看到，在VID为2m的情况下，红色和蓝色矩形完全偏离了对于行人和汽车的标识（图(5)(A)）；而10m的VID下，错位要小得多，并且不那么明显（图(5)(B)）。由此可见，在短距离VID中，即使驾驶员头部发生的只是轻微的移动，强烈的视差也会使得虚像和现实世界发生大幅度错位[6]。
图(5). 随着驾驶员头的转动，VID分别为2m和10m时，虚像和实物的贴合程度出现明显差异
为了实现图形与现实世界的深度融合、将驾驶信息的投射虚像与现实事物更完好地叠加，减少HUD行车的疲惫和眩晕感[3]，AR-HUD的AR部分通常需要更大的VID来实现，现阶段AR-HUD常见的VID是7.5m~10m，再远一些有10m~15m[1]。
但对于AR-HUD来说，VID并不是越大越好，下面为大家详细介绍。
三、长距离VID的弊端
（1）体积增大
在虚像距离VID（上）我们介绍过，VID和系统光学距离（两块镜片之间的距离+小镜片与PGU之间的距离）有关。也就是说，如果想要把VID做得很长，同时保证图像的质量，需要增加系统光学距离，而距离的增加会导致HUD的整体体积增大[3]。例如，对比通常只有3~6升的传统W-HUD， 长VID的AR-HUD体积会在10升左右，甚至可达20升。由于车内仪表板背后空间狭小，AR-HUD的大体积也成为了限制其应用的原因之一[3]。
（2）光学设计挑战
长距离VID通常会导致放大倍率增大，而这又会造成以下两个问题：其一是光学设计挑战，其二是阳光倒灌。放大倍率是指物体经透镜放大后，人眼所观察到的最终图像大小与原物体大小的比值[4]。在HUD中，如果我们用L表示虚像的成像大小，P表示像源（PGU）的大小，则镜片的放大倍率M可以通过以下公式计算呈现：
而其中的虚像大小L，又是由FOV和VID共同决定的：
通常，在设计HUD时，FOV是一个定值，根据车辆的性能要求和安装空间确定（详见视场角FOV的原理及应用）。而像源（P）通常也是定值，大小取决于光机（PGU）。也就是说，在FOV和PGU为定值的情况下，HUD镜片的放大倍率（M）和VID成正相关，VID越长，放大倍率也越大。 HUD系统的放大倍率越大，HUD的设计要求也就越高[5]。拿HUD的动态畸变来说，当HUD的PGU为3.1寸TFT，VID为2.5米，HUD的放大倍率约5~7倍，在设计HUD光路时，会将动态畸变控制在2mrad以下；当VID增大到7.5米时，HUD的放大倍率是15~20倍，约为前者的三倍；此时我们仍然需要将动态畸变控制在2mrad以下，但放大倍率的增大，动态畸变的控制将更难[6]。此外，高放大倍率下，对于HUD系统的公差要求也更加严格。
（3）阳光倒灌
长距离VID带来的另外一个问题是阳光倒灌，阳光倒灌会引发PGU升温失效，进而导致HUD失效[7]。由于光路是可逆的，高放大倍率导致了等量的阳光在通过自由曲面反射到PGU时，承接等量能量的面积减少，也就是PGU上能量聚集点接收的能量密度大幅增高。
同时，一般而言，更长的VID也意味着需要更大的镜片来实现，这意味着更多的阳光将被更大的镜片反射到HUD内部[8]。综合来看，这两个因素的叠加导致一个高密度的能量点汇集在PGU上，如同放大镜点燃火柴一样，聚集了HUD接收的所有热量， 迅速导致PGU温度升高，进而造成HUD失效。图(1)为我们展示了短VID的W-HUD（图(1)(a)）和长VID的情况（图(1)(b)）下，阳光照射进HUD内部的简化示意图。
图 (1).短VID和长VID下，阳光照射进HUD内部的简化图
四、合适的VID
到目前为止，我们讨论的VID只有一个定值，也就是HUD只有一个成像焦平面，也称单焦面HUD。由于虚像只能限制在一个固定距离的平面上，单焦面投射注定会导致单一固定距离的虚像和全纵深现实场景之间的距离差。这种距离差使得人眼需要在虚像和实景间持续切换变焦，从而影响驾驶体验。如图（2）所示，单焦面下HUD真实投射的场景（图(2)(a)）和理想环境下虚实贴合的状态（图(2)(b)）之间依旧存在一定差距。
图 (2).单焦面投射的弊端
市面上部分量产的AR-HUD会采用双焦面的系统（图(3)(c)）。常见的双焦面AR-HUD会设置一个FOV较小、VID较短的投影面来显示W-HUD的内容（行车信息等），和一个FOV较大、VID较远的投影面，用于显示AR的内容（导航、行车或者行人的标识等）。这个设计通常是通过双光机双光路，或者单光机双光路来实现的[9]，主要是为了平衡持续显示（W-HUD内容）和间断显示（AR内容）的VID。但采用双焦面方案时，AR内容的虚像和现实场景的距离差依旧存在。为了解决这一问题，即更好地实现HUD虚像与现实场景的融合，3D AR-HUD应运而生。
3D AR-HUD有多种实现方式，比如多焦面方法（图(3)(d)）是通过传统几何光学，设置多个VID，在这些固定距离的投影面上显示图像[9]。而如果要实现全纵深连续变焦的投影（图(3)(e)），则可依赖数字计算全息技术(CGH)，使用LCoS相位调变技术，实现全纵深的投影。睿维视在3D成像技术上有多年的布局，正在开展CGH 3D AR-HUD的产品研发，同时将于近期推出量产级多焦面MF(Multi-Focal) 3D AR-HUD产品。 图 (3). HUD的发展
综合这两期，VID是虚像显示设备的重要光学参数之一。VID过短，不利于AR-HUD的观察效果和AR内容贴合，但VID过长，会造成HUD设备的体积增加，设计制造难度上升，且会有阳光倒灌的风险。而最为理想的AR-HUD应是有多个焦面的3D AR-HUD。
#参考来源1：
[2]Howells,P.J., Brown,R. (2007). "Challenges with displaying enhanced and synthetic vision video on a head-up display". In Enhanced and Synthetic Vision 2007 (Vol. 6559, pp. 155-164). SPIE.
[3]Merenda, C., Kim, H., Tanous, K., Gabbard, J. L., Feichtl, B., Misu, T., & Suga, C. (2018). Augmented reality interface design approaches for goal-directed and stimulus-driven driving tasks. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 24(11), 2875-2885.
[4]Duane, Alexander. (1922). "Studies in Monocular and Binocular Accommodation with their Clinical Applications". American Journal of Ophthalmology. 5 (11): 865–877.
[5]Cassin, B. (1990). "Dictionary of Eye Terminology. Solomon S. Gainesville, Fl: Triad Publishing Company". ISBN 978-0-937404-68-3.
[6]TEXAS INSTRUMENTS. (2022). "The Importance of a Longer VID for AR HUDs". Technical White Paper
[7] Wu QH. (2019). "The Application and Development Trend of Augmented Reality (AR) Technology". Communications World.
#参考来源2：
[1]TEXAS INSTRUMENTS. (2022). "The Importance of a Longer VID for AR HUDs". Technical White Paper
[2]Firth, M. (2019). "Introduction to automotive augmented reality head-up displays using TI DLP® technology". Technical document, May.
[3]Howells,P.J., Brown,R. (2007). "Challenges with displaying enhanced and synthetic vision video on a head-up display". In Enhanced and Synthetic Vision 2007 (Vol. 6559, pp. 155-164). SPIE.
[4]Rekimoto, Jun. (1995). "The magnifying glass approach to augmented reality systems." International Conference on Artificial Reality and Tele-Existence. Vol. 95.
[5]Rankin A, Thompson J. (2015). "Next‐Generation Head‐Up Displays". Information Display, 31(3): 18-21.
[6]Li, Ke, et al. (2020). "Distortion correction algorithm of ar-hud virtual image based on neural network model of spatial continuous mapping." IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality Adjunct (ISMAR-Adjunct).
[7]Li Z, Zhou X, Zheng YS. (2017). “Design and Research of Vehicle Driving Auxiliary System Based on AR-HUD”. Journal of wuhan university of technology, 41 (6), 924 –928.
[8]Firth, Mike. (2019). "Introduction to automotive augmented reality head-up displays using TI DLP® technology." Technical document, May.
[9]Zhan T, Xiong J, Zou J, Wu ST. (2020). "Multifocal displays: review and prospect". PhotoniX, 1(1), 1-31.
本文转载自公众号@睿维视ReaVis
原文始发于微信公众号（艾邦VR产业资讯）：汽车AR-HUD光学设计与虚像距离VID
