Envisics开发出支持实时动态全息图的车载HUD

CINNO Research 产业资讯，在低调研究一年后，作为全息技术开发先锋的车载平视显示器（HUD）开发商Envisics在CES 2019展示了他们的新解决方案。我很遗憾错过了那次样品展示，不过后来又有幸收到公司邀请，我们到了他们位于底特律的办公室参与了关于这项技术的讨论。在那里，我们看到了迄今为止我见过的最好的车载HUD。

现在，几乎所有的HUD都是基于图像的。车载HUD利用直接显像或微型显示器创建一副虚拟的图像画面，然后将该虚拟图像“投影”到某个固定的焦平面，该平面通常位于汽车的前部。Envisics的方法是使用一种定制开发的空间光调制器（SLM，Spatial Light Modulator），这是一种改进的微型显示器，改进的目标是控制投射光的相位分布。这种方案在计算完待显示图像的全息图数据之后，会进一步将这些全息图数据传输到由激光或LED作为光源照射的SLM上并投影显示。

传统基于图像的方法一般会阻挡大量光线，进而降低光能利用率。这种新方法的优点是能够充分利用所有光能，将其用于画面内容的显示。不过这种方法也有自己的缺点，那就是在计算相位全息图时会带来很大的计算负荷。

在我们的讨论过程中，Envisics的首席技术官Jamieson Christmas博士解释说，设计人员一定都不想通过简单地对图像进行傅里叶变换来计算所需要的全息图。这种方案虽然可以生成光学全息图，但是其光学效率非常低，而且计算结果还有非常大的零阶分量，这在显示器的显示过程中会呈现为中间位置的一个亮点。

“相位全息图方案可以消除上述这种不需要的零阶分量，但是需要以额外的计算负荷为代价。传统的计算方法基于反复的试错试验和迭代来获得最终所需要的全息图，”Christmas博士解释说，“但这种方法不可能实时完成，它肯定会非常耗时。我博士研究方向的一方面就是设计一种新的方法，而这也正是我们目前全息图解决方案的基础。基于这种方法，我们能够以超过每秒180帧的速度动态计算全彩色高分辨率的相位全息图。”

Christmas博士解释说，他们同时也定制开发了一款LCOS显示器，以优化上述相位调制。这里需要双折射非常高的液晶材料，这样才有机会在全运动视频速率下实现精确的相位调制。

“这些改进对于优化系统性能和效率至关重要，” Christmas博士说。

空间光调制器在可制造性方面具有另一个非常显著的优点。Christmas博士解释说，即使相位调制器上有许多缺失的像素，这些像素对应的信息也不会在最终的全息图上可见，不过效率会低一些，另外对齐过程也非常简单。从系统的角度来看，相位调制的HUD大概是传统基于DLP或LCD的HUD的1/2。

利用实时动态全息图生成方案，设计人员几乎可以实现一系列的光学功能。像速度，方向箭头等符号的显示当然是最基本的，另外它还可以实现光学元件，如镜头等的功能。这是什么意思呢？这意味着这种方案可以实时移动虚拟图像的焦平面。最重要的是，现在可以基于软件而不是硬件的方法来对色彩，对比度，帧速率，位深度等进行性能折衷设计，从而可以很快地展示新功能。

Envisics向汽车行业展示的第二代 HUD实现了2.5米和10米两个深度的双平面解决方案。就分辨率而言，这里使用每角度内拥有的像素数量更合适。Envisics为较近图像平面提供每度350像素的分辨率，为较远图像平面提供每度170像素的分辨率。设计人员对此进行了基准测试，该产品在20/20视觉测试下大约为每度60像素，这样的分辨率说明我们正在讨论的图像具有非常高的保真度。这款设备的亮度可以从1 cd /m²到25K cd /m²进行调节。Christmas博士并未指明视野，但表示他们可以用这些显示图像同时覆盖“三条公路”。

在Envisics的展示中，投影仪可以在距离HUD 10米处的屏幕上显示驾驶视频。当汽车行驶时，我们会看到方向箭头以及用来突出路线的很宽的照明区域。当汽车转弯时，这些很宽的照明区域也会同步在HUD视野（FOV）中移动。HUD所显示画面中还有车道保持线，自行车警示信号和其他AR提示信号。

这些提示信号看起来像是和真实的物理世界互相映射的，从观看者角度来看，远场图像看起来一点都不像是放置在距观察者很远的地方。图像生成利用了长距离的3D深度线索，像一种几何体，这种几何体可以让大脑误以为我们正在查看一个具有连续深度信息的空间。

下面的图像显示，用户可以聚焦于近场平面的符号系统，这时远场画面由于离焦而虚化成背景；同样，用户也可以聚焦于远场图像，相应地，这时前景画面失焦，这些都像我们在现实生活中感受到的一样。

设备展示期间让我分心的一件事是部分图像中出现了一些重影。例如，当一个圆形图标出现在视野的下半部分时，画面重影比较严重，但是当它在视野中向上移动时会快速收敛进而消失。这里出现鬼影问题是因为挡风玻璃没有针对平视显示器展示样品的大视场进行优化。他们告诉我，这在他们其他的产品上可以很轻松地解决。

我还认为红色看起来会显得有点暗淡。不过有趣的是，Christmas博士说，其他人还认为它太明亮了，这表明可能有一些人为因素在这里起作用。例如，每个人的明视反应都不同，因此激光波长的选择会对人产生不同的影响。

总的来说，这是一次非常令人惊艳的展示，Christmas博士暗示Envisics正在与许多汽车制造商和供应商合作，在新车开发中部署这项技术，另外，他们正在研发更高阶的版本。从这样的展示品到在真实汽车的设计中应用通常需要很长时间，不过考虑到以前的汽车HUD公司的历史记录，也许我们可以期望这样的技术会比想象的更快。