车载HUD系统设计原则及其发展

摘要：在汽车行驶过程中，驾驶员获取信息有80%是靠视觉获取，因此提高有关视觉的汽车安全技术能有效的提高行驶安全。抬头显示系统作为一种视觉辅助安全系统在汽车行驶安全中的重要性越来越显著。本文从提高驾驶信息视认性和提高驾驶安全性两方面，主要介绍了车载抬头显示系统的工作原理及设计原则，并对比了中外车载抬头显示技术的研究现状，提出车载抬头显示系统的研究具有战略意义。

关键词：抬头显示系统；工作原理；设计原则；发展趋势

引言

驾驶员的驾驶行为按顺序可以分为感知信息、驾驶判断和执行操作这三个阶段。其中信息感知阶段是驾驶基础，感知阶段的信息主要是依靠触觉、视觉、听觉、嗅觉等感官器官获得，其中驾驶员获取的80%的有价值信息都是依靠视觉获取的[1]，相关视觉的汽车安全技术乃是汽车安全研究的重中之重。

随着单片机技术和投影技术的发展，车载抬头显示系统（Head-Up Display，简称HUD）得到了迅速的发展。HUD是一种视觉辅助安全系统，该技术是在驾驶员视觉合理范围内以投射等技术实现汽车速度、实时油耗等信息的显示[2]，从而避免分散对前方道路的注意力，而且不必在观察远方的道路和近处的仪表之间调节眼睛，可避免眼睛的疲劳，从而提高驾驶安全性。如图1所示。

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1.车载HUD的原理

HUD系统又叫平视显示系统，利用光学反射的原理，将重要的飞行相关资讯投射在位于座舱前端、高度大致与飞行员的眼睛成水平的一片玻璃上面，投射的文字和影像调整在焦距无限远的距离上面，飞行员能够透过HUD轻易的将外界的景象与HUD显示的资料融合在一起[3]。1988年通用公司首次将HUD应用在Oldsmobile车上。目前车载HUD显示系统主要有以下三类：HUD直视系统，HUD反射板系统，HUD风窗玻璃映像系统。

HUD直视系统一般把显示器安装在仪表板上，使用的平板显示器由于其透射率较低，因此前视野范围不大，不能远距离投影显示。HUD反射板系统，它的投影装置安装在仪表板下面，其投影光经仪表板上面的半透明反射板反射到驾驶员眼睛里，由于反射板的透射率在60%-80%，因此其前方视野也不大[1]。

当前大多数汽车配置的均为HUD风窗玻璃映射系统。此系统在前挡风玻璃上镀膜或者贴膜来得到所需要的显示屏，显示光经位于驾驶席前方的半透明反射板（组合器）反射后，映入驾驶员的眼睛。驾驶员通过组合器，对前方的景色和显示图像以相重叠的形式能同时视认两方的信息。显示像通过透镜系统能在无限远点处成像，所以能够缩短视线的移动和焦点调节所需要的时间[4]。其结构原理如图2所示。

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2.车载HUD的设计原则

由于人们对HUD的易读性、舒适性的要求以及汽车驾驶室的特殊使用环境，对HUD的设计需要遵循以下原则：

（1）简洁、直观、易读[1]。作为人（驾驶员）机（车辆）交互的界面，HUD的显示界面应该简洁、直观、易读，以便于驾驶员能在很短的时间内获得需要的信息，从而缩短反应时间。

（2）多用符号表示信息。实验表明HUD易造成信息量超负荷，尤其是使用文本显示形式，易造成视觉捕捉的效果。经比较发现，符号比字母数字更易理解[1]。

（3）亮度、颜色可调。随着外界光照强度和前方外界参照物的不同，显示亮度及颜色应具有连续可调功能，以适应驾驶环境亮度及显示信息与外界参照物的颜色对比度的变化，以便于驾驶员更容易读取信息。

（4）舒适性。HUD显示界面给驾驶员提供各种车况和驾驶信息，是获取驾驶信息的主要途径，因此HUD显示系统需要良好的操作性，显示界面要具有一定的查看舒适性[1]。

（5）可靠性与稳定性。虽然驾驶室环境要比发动机舱和底盘等环境好，但是依然要求HUD的投影显示单元要在振动、潮湿、高低温、加减速、冲击、沙尘、太阳辐射等汽车制造业要求的恶劣条件下还能可靠稳定的工作。

3.车载HUD的研究现状

20世纪80年代国内开始重视座舱抬头显示器标准化工作，有关单位制定了部分国军标，为座舱显示设计提供了必要依据[6]。但是，对车载HUD的研究才刚刚起步。而且目前在汽车上已经应用的HUD信息指示符显示的内容、字符格式大小、颜色及分布位置各式各样没有一个统一的标准，光学投影映像系统特别是显示屏的材料、尺寸、布置及实现方法上更是多种多样，现有的HUD在响应速度、光照强度、对比度等方面有所欠缺。

目前通用公司研发的使用镭射科技的全挡式（整片挡风玻璃）抬头显示系统可以在雨天、雪地、甚至视线相当恶劣的大雾情况下，还能在前挡玻璃上显示出路面的路径。东芝公司开发出的可视性较高的平视显示器基础技术让一只眼睛看到显示的虚像。这种方式的优点：一是由于只有单眼能够看到显示影像，因此即使看到背景，显示也不会重影；另一个优点是，如果虚像位置在眼镜焦点深度范围内，风景和显示影像都不会模糊，可同时看到风景和显示影像。

4.车载HUD的发展趋势

知名研究机构Strategy Analytics在其《汽车电子报告》中指出，到2018年，“高增长的应用领域（单位平均年增长率超过50%）包括：纯电动汽车、HUD、疲劳检测、LED前光照明、车道偏离警示及盲点监测”。

随着人们汽车安全意识的不断增强，科学技术的不断发展，HUD显示系统会不断普及到中低档汽车中，让普通人也能享受科技带来的安全享受。目前已经成型的产品有HUD夜间防撞辅助驾驶系统、全息显影HUD技术、视网膜显影HUD技术等。HUD显示系统在现有技术基础之上还能实现该系统的多元化、智能化。目前像沃尔沃公司已经推出了车辆偏移自动校正系统、自动刹车系统等先进技术，将来HUD显示系统将和相关系统互联互通共享数据，提供给驾驶人员给位安全可靠的驾驶数据处理显示系统。（作者单位：重庆交通大学机电与车辆工程学院）

参考文献：

[1]胡宇.车载抬头显示器系统的研究[D].武汉理工大学硕士学位论文.2012.

[2]李冰，戴树岭.具有可复用性和可配置型的HUD模拟系统的研究.[C].第八届全国虚拟现实与可视化学术会议论文集.2009.

[3]李延福.基于HUD技术汽车夜视系统关键技术的研究[D].厦门大学硕士论文.2011.

[4]刘兰涛，高镜惠.汽车仪表远视点成像显示系统.机械设计与制造.2002（2）.

[5]伊丽，郭小朝，李嵘等.新型歼击机平视显示器指示符号优化实验研究.人类工效学.2010，16.

[6]谷明雨.科技改变生活之抬头显示仪.移动信息，2013（5）.