HUD光学仿真

HUD（Head-Up Display，平视显示器）是一种将重要信息直接投射在用户视线范围内的显示技术，最早应用于航空领域，现已扩展到汽车、增强现实（AR）和其他消费电子产品中。

原理

HUD的基本原理是通过光学装置将图像或信息投射到透明屏幕上，使用户无需低头或转移视线即可查看信息。常见的HUD系统包括以下组件：

• 1. 投影仪：将信息或图像投射到屏幕上。

• 2. 光学组合器：通常为透明材料，允许用户同时看到外部环境和投射的图像。

• 3. 显示源：生成显示内容，通常是LCD、LED或DLP技术。

• 4. 传感器和计算系统：用于实时处理和更新显示内容，特别是在需要与外界交互时，如AR应用中。

  
  

发展历史

• 1. 早期发展（1950-1960年代）：HUD最早用于军事航空，以帮助飞行员在战斗或复杂飞行任务中保持视线前方，同时获取重要的飞行信息，如速度、高度和目标数据。最早的HUD系统被安装在喷气战斗机上。

• 2. 商业化应用（1970-1980年代）：随着技术进步，HUD逐渐从军用扩展到民用航空，并进入汽车领域。第一辆安装HUD的量产汽车是1988年款的Oldsmobile Cutlass Supreme。

• 3. 技术演进（1990年代至今）：随着投影技术、显示技术和计算能力的提升，HUD变得更加普及和复杂。现代HUD系统可以显示导航、速度、警示信息，并在增强现实中添加虚拟对象，使用户与环境进行实时交互。

  

应用

• 1. 航空：HUD在战斗机和民航飞机中广泛应用，为飞行员提供关键的飞行信息，减少视线转移带来的风险。

• 2. 汽车：HUD在高级驾驶辅助系统（ADAS）和豪华车中应用，投射速度、导航、车道保持和其他驾驶信息，提高驾驶安全性和体验。

• 3. 增强现实（AR）：HUD被用于AR头戴设备，如微软的HoloLens和Google Glass，通过叠加虚拟信息在用户视线中，增强现实世界的体验。

• 4. 医疗和工业：在复杂手术和工业操作中，HUD帮助专业人员实时获取关键信息，同时保持对工作区域的视觉专注。

• HUD技术通过不断创新，正在更多领域得到广泛应用，进一步融合虚拟和现实，提高人们的工作和生活效率。

HUD的光学仿真

仿真工具：法国ocean 光学仿真软件

Eclat Digital 开发了一款虚拟原型软件 - OceanTM

Ocean™是新一代光学仿真软件。基于几何光学定律计算在三维场景中传播的光线，可以在保证物理精度的前提下模拟整个光学场景，进而生成场景虚拟图像并进行光学量化分析。光学计算精度已通过CIE 171:2006认证。先进的算法计算匹配完善的材质可以模拟出几乎和实际照片无差异的结果。

使用 Ocean，可以从以下方面研究 HuD：

视觉部分，允许视觉观察 HUD 行为的变化，具体取决于：

• 投射到挡风玻璃上的不同图像

• 照明条件（晴天或多云、夜晚）

• 汽车材料特性（仪表板）

• 观察条件（偏光太阳镜、摄像头位置）

• ...

技术部分，可以量化 HUD 系统的评估标准

• 亮度 - 对比度

• 失真

• 预畸变

• 重影

• 晕影

• ...

技术部分：对比度

• 源图像：黑白棋盘格

• 给定 POV 的ocean渲染

• 像素信息工具进行光色度分析

技术部分：预畸变

使用 Ocean 的特定工具可以生成源图像，以便驾驶员可以在挡风玻璃上无失真地看到它们。

HUD 原理

HUD光学模拟需要什么？

• CAD 数据
  

• HUD 系统

• 风挡玻璃
  

• eye box
  

• 材料属性

• HUD 系统组件

• Glass

• 图像

• 光源属性

• 显示器强度

• 发射曲线（例如 IES）

• 光谱

• 投影图像

• 预扭曲图像

Ocean仿真结果：

场景一：夜晚，不戴太阳镜

场景二：白天，不戴偏光太阳镜

场景三：白天，戴偏光太阳镜

场景四:量化分析

场景五：外部渲染

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原文始发于微信公众号（上海锐平线科技有限公司）：HUD光学仿真