新一代平视显示系统:发展动力、面临的挑战和解决方案
作者:Alan Rankin,德州仪器DLP®产品事业部业务开发经理;Jason Thompson,德州仪器DLP®产品事业部应用工程经理
2015年2月7日,在美国电影艺术与科学学院第87届科学技术奖颁奖典礼上,德州仪器 (TI)DLP®芯片发明者Larry Hornbeck博士荣获奥斯卡奖®。 DLP芯片组已经从根本上改变了电影制作、发行和观影的方式,现在全球超过80%的电影院都采用了此芯片组。
与DLP 技术对电影业的影响类似的是,这种技术现在也通过新的显示和车载照明灯等应用,准备变革汽车行业。
(表1)
HUD2.0的发展动力
现有的平视显示(HUD)系统往往只能显示冗余信息,即车中其他位置也可以获得的信息。而此技术的新一代,即HUD2.0,能够显示高级驾驶员辅助系统(ADAS)信息。除了车载传感器、摄像头和车辆对车辆/基础设施通信(V2X),车辆所了解的其周围的信息量也呈指数级增长。我们面临的挑战在于如何有效地沟通什么重要信息是车辆"已知的",并将其传递给驾驶员,但只有当我们向半自主和自主驾驶功能迁移时,这些信息才会增多。
图1 AR HUD的正形投影图形
采用HUD2.0将以自然、直观的方式传达这类信息,增强驾驶员的全局固定视图,以正形投影图形显示车辆已知的信息。导航指示、车道偏离告警(LDW)和自适应巡航控制(ACC)指示灯功能将从驾驶员的视角以自然的图像距离来显示。如图1所示,此图显示了如何‘增强’驾驶员视图的现实,实时提供有用的信息。在这里我们可以,图像以鲜亮、栩栩如生的色彩来显示,并以自然距离叠加在实物上,因此驾驶员可以最小的干扰轻松地使用信息。
此外,与用户界面范式中用作"辅助"显示系统的现有HUD不同的是,HUD2.0位于人机界面(HMI)策略的中心,并将作为主信息显示系统。 同样,新一代HUD也期望在不同日照条件下获得出色的图像质量和一致的可读性。
图 2 FOV和VID影响感知的HUD图形大小
面临的挑战
HUD 2.0要求在传统HUD设计的基础上获得许多新的方面的内容。虽然HUD设计的详细说明超出了本文范围,但仍有必要查看一些关键参数。
如图2所示,视野(FOV)和虚拟映像距离(VID)在确定感知图像尺寸方面有重要作用。虽然传统的HUD视野仅涵盖了一个车道,但拥有更大视野和更长虚拟映像距离的HUD2.0使驾驶员能够看到超出一个车道车流的图像。在视野和虚拟映像距离方面的这些增强要求更高的亮度、更饱和的色彩、更高的功效和更强的日照耐受度。此外,需要符合这些新参数,同时满足所有传统汽车的环境条件。下表2列出了HUD2.0的一些参数,与传统HUD系统对比。
表2 新一代HUD2.0的关键参数与传统HUD关键参数对比
亮度与功效
更大的视野和更高的亮度水平为驾驶员提供易于浏览的图像。 为了确保各种光线条件下的可读性,HUD应当能够在指定的15,000cd/m2和30,000cd/m2之间生成虚像。 然而,需要创建此图像的绝对功率应保持较低,这样不仅能最大程度降低热管理所需的容量,也能在可行的光源(LED)范围内保持光通量。为了扩大视野并提高亮度,同时不增加功耗,更高效的成像器十分必需。 德州仪器DLP 0.3" WVGA类A100数字微镜器件(DMD)的效率高于66%,显著提高了系统效率,以符合以上参数。 借助效率提升,基于DLP技术和RGB LED的HUD系统可以实现所需的亮度并扩大视野。 例如,采用 .3" WVGA DMD和OSRAM Q8WP RGB LED[2]设计的系统仅使用6.0 W的LED功率,就能以10度视野实现超过15,000 cd/m2亮度,甚至比目前更小的辅助HUD系统的功率还要低。 此系统的功效为10.6 lm/W(每瓦的流明数)。
色彩饱和度
很多传统TFT/LCD HUD设计使用白色LED,通过滤镜产生红色、绿色和蓝色。 相比之下,基于DLP技术的HUD系统则使用红色、绿色和蓝色三种LED,提供更饱和的色彩,这增强了HUD显示器上图像的可读性[3]。 一些关键性能指标可被用来判断系统的色彩表现,包括比较其色域和NTSC色域所测量的色域大小、主波长和色彩饱和度所定义的每种色彩的色调。
表3比较了TFT/LCD白色LED架构[1]与基于DLP技术采用RGB LED 的HUD架构。与NTSC相比,RGB LED色域更大,红色和蓝色饱和度更深。
表3 HUD色彩表现
日光热负荷
随着HUD系统视野的扩大,HUD光学仪器收集的太阳能也增加了。此外,随着虚拟映像距离增大,驾驶员可以采用与现实世界固定视图相比正常的角度浏览图像,太阳能更多聚焦到HUD的内部成像器上。收集更多阳光和将这种能力聚焦到内部
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