肖小敏

摘 ?要：平視顯示器（ Head-Up display，HUD）即虛像顯示器，既是一個顯示系統(tǒng)，也是一個成像系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用于各種中高端車型。隨著HUD的不斷發(fā)展，其檢測方法和手段也在不斷跟進(jìn)，對HUD的測試不僅要對顯示器的亮度、色度、對比度、均勻度等光度學(xué)性能進(jìn)行測量和評價，還要對成像系統(tǒng)的像距、畸變、MTF、重影和雙目視差等光學(xué)成像性能進(jìn)行檢測。該文以機(jī)械手為基礎(chǔ)，以相機(jī)和亮度計為基本檢測設(shè)備，介紹一種較適用的HUD 光學(xué)檢測的方法。

關(guān)鍵詞：平視顯示器;光學(xué)測試;算法;汽車照明;三角測距;雙目視差

中圖分類號： ?U463.6 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著國內(nèi)汽車前擋技術(shù)的突破，平視顯示器也越來越多地被應(yīng)用在汽車上。平視顯示器能夠?qū)χ匾男熊囆畔⑦M(jìn)行實時顯示，在看到實際路況的同時，獲取HUD顯示的圖像信息，不需要讓視線偏離路況，降低了行車的潛在風(fēng)險，同時避免頻繁變換視野，造成視覺疲勞，提高了駕駛的安全性。

1 HUD 光學(xué)系統(tǒng)分析

HUD 通過將像源（LCD、DLP 或者其他光電系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像信息）通過成像系統(tǒng)（W-HUD/AR-HUD的前擋風(fēng)玻璃或C-HUD）將圖像投影到人的眼前。前擋風(fēng)玻璃和combiner等類似玻璃的材料，都具有透射和反射的光學(xué)性能。透射可以讓人眼透過玻璃看到外部的真實場景，反射可以讓人眼看到HUD系統(tǒng)投影的虛擬場景，如圖1所示。最終將呈現(xiàn)出虛實結(jié)合場景。虛擬場景中設(shè)計添加各種路況導(dǎo)航等標(biāo)示信息，可以準(zhǔn)確感知外界信息，減少對外界的誤判。

2 HUD 光學(xué)測試原理

相對于傳統(tǒng)的顯示器，HUD有明顯的不同，除了要檢測一般顯示器系統(tǒng)的亮度、色度、均勻度等參數(shù)，還需測試其下視角、FOV（圖像尺寸）、視差、像距（投影距離）、MTF （調(diào)制傳遞函數(shù)）、畸變，眼盒（Eyebox）和重影等光學(xué)成像參數(shù)。

如圖2所示，該類測試設(shè)備一般是采用平臺化設(shè)計，兼容調(diào)試和檢測HUD系統(tǒng)的系列產(chǎn)品，由1-平臺、2-機(jī)械手、3-視覺相機(jī)、4-光度測量儀、5-玻璃支架、6-前擋玻璃、7-HUD光機(jī)、8-圖像校準(zhǔn)板，9-環(huán)境光模擬器裝置和工業(yè)計算機(jī)等組成。機(jī)械手帶動視覺相機(jī)和光度測量儀運(yùn)動，相機(jī)和照度儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳回電腦，再由計算機(jī)處理并輸出報告。

2.1 投影距離

HUD的投影距離，用PD（Project Distance）表示。屬于對HUD光學(xué)系統(tǒng)的像距檢測。如圖3所示，相機(jī)鏡頭從位置2移動到位置3，鏡頭在位置2時物1成像于位置3， 鏡頭在位置4時物1成像于位置5。S為鏡頭從位置2移動到位置4的距離。

相機(jī)在鏡頭位置1的照片如圖4所示，主光軸的交點(diǎn)在Lo。

相機(jī)在鏡頭位置2的照片如圖5所示，主光軸的交點(diǎn)在Ro。

將圖4、圖5點(diǎn)陣對齊后，可以計算Lo點(diǎn)與Ro點(diǎn)在像素層面上偏差量（?p）和在尺寸層面上偏差量（?）。L代表像在尺寸層面上長度，Lp代表像在像素層面上長度，PD代表投影距離。由此推導(dǎo)出

（1）

相似三角形的性質(zhì)可以推導(dǎo)出

（2）

綜合可知

（3）

在測量投影距離時，先標(biāo)定一個投影距離PD1，采用固定的offset和Lp，從相機(jī)在鏡頭位置1/位置2的照片分析計算出相應(yīng)的?P1。

再測量一個待定的投影距離PD2，采用固定的offset和Lp，從相機(jī)在鏡頭位置1/位置2的照片分析計算出相應(yīng)的?P2。

對上式變形為

（4）

由此可以計算出待定的投影距離PD2。

2.2 虛像尺寸

HUD的視場， 用FOV（Vield of View） 表示。FOV-H表示橫向視場，F(xiàn)OV-V表示豎向視場。

HUD的下視角是在車身坐標(biāo)系下，HUD的主光軸視場點(diǎn)與主光軸眼點(diǎn)的連線與車身水平平面的夾角，用LDA（Look down angle）表示。

圖像尺寸是主光軸眼點(diǎn)看到的虛擬圖像大小，其與投影距離成正比。分別用L和H表示圖像尺寸的長與寬。

（5）

（6）

2.3 MTF

光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）是一個可以比較客觀、全面地評價信息傳遞和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)質(zhì)量的工具，其由調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）和位相傳遞函數(shù)（PTF）組成[1]。位相傳遞函數(shù)（PTF）一般不影響像的清晰度，被關(guān)心的不多，實際用得多的是調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF：Modulation Transfer Function）的計算公式如公式（7）所示。

（7）

式中：表示空間頻率v時，像面的調(diào)制度， 表示空間頻率v時，物面的調(diào)制度。

調(diào)制度（modulation） 的計算公式如公式（8）所示。

（8）

式中：用M表示調(diào)制度， 和分別表示系統(tǒng)成像后圖像的最大和最小光強(qiáng)。

像的光強(qiáng)分布函數(shù)，等于物的光強(qiáng)分布函數(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的卷積[2]。

（9）

式中：*表示卷積符號。

表示像的光強(qiáng)分布函數(shù)。

表示物的光強(qiáng)分布函數(shù)。

表示點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。

通過上面的公式可以計算出光學(xué)系統(tǒng)的MTF，實現(xiàn)對其光學(xué)性能的客觀評價。

HUD系統(tǒng)也是光學(xué)系統(tǒng)，MTF的評價方式同樣適用。通過若干個不同間隔、不同指向的檢測條紋在HUD系統(tǒng)的結(jié)果，對HUD系統(tǒng)進(jìn)行客觀評價。每個檢測條紋要求明暗相間、寬度相等。在實際情境中，HUD利用橫向和縱向黑白矩形條紋的對比度，來測試所拍攝條紋的圖像。一般情況下是條紋間隔越小、清晰度越差，也就是圖像的調(diào)制度越差。HUD系統(tǒng)檢測在要求的線/對（P/L）的條紋圖成像后的調(diào)制度是否滿足要求。調(diào)制度越大、成像越清晰。

HUD要求的條紋間隔與HUD的投影距離和眼睛分辨率有關(guān)，見表1。

2.4 畸變和重影

畸變是指光學(xué)系統(tǒng)成像相對于物的失真程度。HUD系統(tǒng)畸變有些不同，主要分為動態(tài)畸變和靜態(tài)畸變2類。

靜態(tài)畸變是指人眼在眼盒中間位置看到的圖案與設(shè)計目標(biāo)圖案的失真程度。

設(shè)計的目標(biāo)圖案是希望投影出來的理想圖案。一般為柵格圖或點(diǎn)陣圖，如圖6所示。由于一般HUD系統(tǒng)產(chǎn)生的投影圖會產(chǎn)生畸變，所以在設(shè)計時，將采用Warping等一些反畸變的措施，使投影出來的圖案盡量與設(shè)計目標(biāo)圖案一致。

在HUD檢測時，需要檢測中心眼點(diǎn)看到的圖像與設(shè)計目標(biāo)圖案之間的一致性及偏差值。這時產(chǎn)生了靜態(tài)畸變，如圖7所示。左下角像點(diǎn)畸變水平偏差?X上下偏差?Y。

靜態(tài)畸變的計算方法

Max.Vertical Distortion =max（?Y）/H （10）

Max.Horizontal Distortion =max（?X）/L （11）

Max.Distortion=max（Max.Vertical Distortion， Max.Horizontal Distortion） （12）

式中：Max.Vertical Distortion表示最大豎向畸變，Max.Horizontal Distortion表示最大豎向畸變。Max.Distortion表示最大畸變。一般HUD接受3.5% 以下的靜態(tài)畸變。

動態(tài)畸變與靜態(tài)畸變的計算方法相似，前者是眼盒中間位置看到的圖案與設(shè)計目標(biāo)圖案的失真（偏差），后者是眼盒其他位置看到的圖案與眼盒中間位置看到的圖案的偏差。

HUD重影是HUD系統(tǒng)特有的光學(xué)現(xiàn)象，HUD系統(tǒng)是通過前擋玻璃的反射產(chǎn)生圖像，而擋風(fēng)玻璃的內(nèi)外表面都會產(chǎn)生反射，將產(chǎn)生兩重圖像。一般普通前擋作HUD前擋時，2個圖像將相互錯位4 mm～6 mm，這就是HUD的重影，嚴(yán)重影響圖像的清晰度，目前汽車工業(yè)中采用楔形PVB粘合前擋的內(nèi)外片玻璃， HUD前擋的內(nèi)外表面形成一定的角度，使得2個圖像基本重合在一起，從而獲得清晰的HUD圖像。

重影的檢測方法，具體采用比較細(xì)的網(wǎng)格線投影普通前擋，測量出通過普通前擋內(nèi)外表面反射圖像的網(wǎng)格線線粗。再用同樣的網(wǎng)格線投影HUD前擋，測量出內(nèi)外表面反射圖像網(wǎng)格線錯動量。如果網(wǎng)格互相重合，就測量重合后網(wǎng)格線線粗加大變量。這里測量的網(wǎng)格線錯動量或網(wǎng)格線線粗加大變量就是HUD影像的重影值，重影值越小越好。HUD系統(tǒng)每個像點(diǎn)的重影值都不完全一樣。只有最大的重影值小于要求的重影值時，才能判斷HUD系統(tǒng)重影合格。

2.5 其他光學(xué)測試

檢測設(shè)備不僅要檢測虛像的成像質(zhì)量，如成像距離、畸變和清晰度等[3]。還要檢測亮度、對比度、均勻性等。機(jī)械手上安裝光度測量儀，可以很方便地測量在Eyebox范圍內(nèi)，各位置點(diǎn)眼睛看到的圖像光度學(xué)效果。良好的HUD圖像需要較高的對比度、足夠的亮度和無明顯差異的均勻性?，F(xiàn)在的HUD一般都是彩色的，除了黑白2色外，還需對紅綠藍(lán)3色的亮度、對比度、均勻性等進(jìn)行測試。

2.6 實際環(huán)境狀態(tài)下的模擬測試

HUD 在道路復(fù)雜環(huán)境下使用的效果，需要通過環(huán)境光模擬器進(jìn)行模擬測試。

靜態(tài)測試中，需模擬夏日強(qiáng)光下和陰雨天或夜晚弱光環(huán)境中HUD圖像效果，在這種極限情況下，HUD圖像的對比度和與環(huán)境光的對比度要滿足一定的指標(biāo)要求，可以獲得較好的視覺效果。

動態(tài)測試中，需模擬車輛在快速行駛時，外界環(huán)境亮度發(fā)生劇烈變化，如果HUD 顯示的亮度變化不匹配，駕駛員很難獲取HUD顯示的信息。這就需要通過試驗標(biāo)定，使HUD圖像亮度變化與外界環(huán)境亮度相對應(yīng)。

在使用LCD做成像單元時，如果駕駛員戴偏光太陽鏡，需要考慮LCD發(fā)出偏正光對其的影響。

3 結(jié)語

HUD發(fā)展日新月異，但是目前的檢測方法和手段還在不斷跟進(jìn)，促進(jìn)HUD行業(yè)整體健康發(fā)展，HUD與汽車安全性息息相關(guān)，其檢測也是不可或缺的。該文涉及的檢測方法已經(jīng)部分應(yīng)用到實際檢測中，對其理論原理進(jìn)行分享，期望推動HUD行業(yè)的共同進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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[3]沈春明，侯麗敏，許超，等.車載平視顯示器光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展及趨勢[J].照明工程學(xué)報，2018，29（5）：64-67，93.