車載平視顯示器光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)

沈春明，侯麗敏，許 超，宋 俊

(上海復(fù)光競(jìng)成科技有限公司，上海 200437)

引言

平視顯示器(head up display，HUD)，是早期應(yīng)用在航空器上的飛行輔助儀器。平視的意思是指飛行員不需要低頭就能夠看到他需要的重要資訊。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，平視顯示器也被越來越多地在汽車上使用。汽車上的平視顯示器能夠?qū)⒅匾男熊囆畔?shí)時(shí)地顯示駕駛員的視野中，這樣使得駕駛員不必低頭，就可以看到行車信息，從而避免分散對(duì)前方道路的注意力，消除了潛在的行車隱患；而且，由于投影時(shí)虛像落在車正前方，駕駛員調(diào)整目視焦距的時(shí)間將縮短，對(duì)于駕駛者而言更為安全，同時(shí)使得駕駛員不必在觀察遠(yuǎn)方的道路和近處的儀表之間調(diào)節(jié)眼睛，可以避免眼睛的疲勞，能夠極大地增強(qiáng)行車全和改進(jìn)駕駛體驗(yàn)。

目前在市面上尚無檢測(cè)HUD光學(xué)顯示質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)設(shè)備，主要通過人的主觀感受來進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于HUD這種目視系統(tǒng)而言，每一個(gè)人在不同場(chǎng)景中的感受都是不同的，市場(chǎng)急需對(duì)HUD進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法。隨著SAE J1757-2《Standard-Optical System HUD for Automotive》標(biāo)準(zhǔn)[1]的即將出臺(tái)，以后所有對(duì)HUD的光學(xué)檢測(cè)都將會(huì)參考此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)HUD的顯示質(zhì)量的評(píng)價(jià)將會(huì)更加客觀。本文將會(huì)對(duì)HUD光學(xué)檢測(cè)方面的測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試方法進(jìn)行分析。

1 HUD 光學(xué)系統(tǒng)分析

HUD 通過將高亮像元(LCD、DMD或者LED陣列產(chǎn)生的圖像信息)通過成像系統(tǒng)(前裝HUD包括前擋風(fēng)玻璃，后裝HUD包括combiner)將圖像投射到人的眼前。前擋風(fēng)玻璃和combiner有一定的透射率和反射率，道路等外界信息能通過透射能被人所感知，HUD圖像能通過反射被人所感知，兩個(gè)圖像疊加形成我們所看的HUD的虛實(shí)結(jié)合效果，圖1為HUD顯示的基本原理和顯示效果[2]。

圖1 HUD原理與顯示圖像Fig.1 HUD principle and display image

HUD 相對(duì)于傳統(tǒng)的顯示器有明顯的不同，它不僅是一個(gè)虛擬顯示器，也是一個(gè)目視成像系統(tǒng)。所以在HUD光學(xué)測(cè)試的過程中，不僅僅需要測(cè)試顯示器相關(guān)的亮度、色度、均勻度等參數(shù)，還需要測(cè)試成像光學(xué)系統(tǒng)所需要的下視角、圖像尺寸、投射距離、MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))、畸變、Eyebox(視窗)、雙目視差、重影等參數(shù)。這就需要測(cè)量時(shí)，需要對(duì)各個(gè)參數(shù)的物理意義有著深刻的理解，才能對(duì)HUD顯示進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)。

2 HUD 光學(xué)測(cè)試原理

目前在市場(chǎng)上沒有特定的測(cè)試設(shè)備和方法來測(cè)試HUD光學(xué)質(zhì)量。而HUD是一個(gè)目視成像系統(tǒng)，所有的測(cè)試項(xiàng)必須在人眼的角度進(jìn)行觀察與測(cè)試，這就需要用成像的方式去檢測(cè)。目前在顯示行業(yè)中，廣泛使用成像亮度計(jì)來檢測(cè)顯示器的質(zhì)量與缺陷。成像亮度計(jì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟件控制配合，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)HUD顯示的圖像拍攝，在經(jīng)過圖像處理與算法計(jì)算就能得到各種參數(shù)的具體數(shù)值。對(duì)顯示器的評(píng)價(jià)比如亮度、色度、均勻度等，目前在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有成熟測(cè)試算法和標(biāo)準(zhǔn)，這里不做贅述。下面主要對(duì)HUD對(duì)成像上的測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試算法進(jìn)行討論以及分析HUD系統(tǒng)的定位問題[3]。

測(cè)試原點(diǎn)的位置確定在HUD光學(xué)測(cè)試中有著至關(guān)重要的作用，略微的位置差異就會(huì)引起測(cè)試結(jié)果的巨大誤差。圖2為一個(gè)五軸光學(xué)測(cè)試平臺(tái)，其中部件3 為擋風(fēng)玻璃，部件4為光學(xué)引擎，部件5為可以五軸高精度運(yùn)動(dòng)的成像亮度計(jì)位移平臺(tái)，部件2為環(huán)境光模擬器裝置。

圖2 HUD測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 HUD testing system

五軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方向：3個(gè)方向?yàn)槠絼?dòng)，2個(gè)方向?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)。圖2中的HUD圖像通過部件3(擋風(fēng)玻璃)反射到成像亮度計(jì)。成像亮度計(jì)與擋風(fēng)玻璃大致為70～80 cm模擬真實(shí)駕駛?cè)藛T到擋風(fēng)玻璃的大致距離。成像亮度計(jì)需放置在駕駛?cè)藛T的眼位上，這時(shí)成像亮度計(jì)中就會(huì)顯示不在中心的不清晰HUD的圖像，要使圖像放置在正確的測(cè)試位置上需要先通過對(duì)焦使圖像大致清晰，再調(diào)整五軸的位移運(yùn)動(dòng)就可以使圖像在成像亮度計(jì)顯示正中心，通過平移控制來調(diào)整圖像的相對(duì)位置，通過旋轉(zhuǎn)控制來使成像亮度計(jì)與HUD圖像垂直。當(dāng)HUD顯示圖像的中心與成像亮度計(jì)的中心重合，圖像左右，上下的大小清晰度基本一致時(shí)，并且沒有圖像扭曲的現(xiàn)象，該位置則為測(cè)試的原點(diǎn)位置，也是該系統(tǒng)eyebox的中心。測(cè)試過程中，每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)都有特定的圖像測(cè)試pattern與之對(duì)應(yīng)，下面是各個(gè)測(cè)試項(xiàng)的定義與測(cè)試方法。

1)投射距離與圖像尺寸。投射距離位于人眼到虛像成像位置的距離(目前為2 m以上)，圖像為該位置的圖像大小，一般用FOV或者英寸表示，它是表示虛像位置和大小的最基本參數(shù)。成像亮度計(jì)使用的是電動(dòng)鏡頭，相關(guān)參數(shù)(焦距、工作距離)等可以直接輸入和從測(cè)試設(shè)備中讀取。當(dāng)工作距離改變時(shí)，成像亮度計(jì)可以對(duì)不同距離測(cè)試圖像可以清晰成像，通過理論計(jì)算就可以得到清晰成像的位置，這個(gè)就是計(jì)算HUD投射距離的原理。已知鏡頭焦距為F，鏡頭與CCD的像距l(xiāng)，則物距l(xiāng)′[4]為

(1)

當(dāng)然使用成像亮度計(jì)測(cè)距之前都是先對(duì)某個(gè)固定的距離的實(shí)際圖像進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定的，以保證工作距離的準(zhǔn)確性。當(dāng)測(cè)試圖像具有明顯的邊緣輪廓時(shí)，可通過圖像算法提取圖像的輪廓，作為該圖像的大小。通過圖像對(duì)角線像素?cái)?shù)a，CCD整體對(duì)角線的像素?cái)?shù)b，成像亮度計(jì)的FOV1，可得HUD圖像的FOV2為

(2)

2)MTF。MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))是評(píng)價(jià)成像解析力，最客觀的參量，表現(xiàn)的不同周期正弦條紋圖像的明暗對(duì)比度，實(shí)際上在像素有限的圖像上很難刻畫出高空間頻率的正弦圖像，但是從PSF(點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù))、邊緣擴(kuò)散函數(shù)(ESF)、和對(duì)比傳遞函數(shù)(CTF)可以間接換算出MTF。在這里使用CTF計(jì)算MTF，不僅因?yàn)樵贖UD系統(tǒng)測(cè)試中相對(duì)于PSF和ESF比較穩(wěn)定和精確，并且可以拍攝全圖，有效利用所有的圖像信息。目前HUD 顯示的像素?cái)?shù)較低，顯示上并沒有真正意義上的斜條紋，所以HUD通過對(duì)橫向和縱向黑白矩形條紋的對(duì)比度來測(cè)試下面時(shí)所拍攝條紋的圖像(圖3)。

圖3 MTF 測(cè)試圖像Fig.3 MTF testing image

值得指出的是，用成像亮度計(jì)用亮度檢測(cè)條紋間對(duì)比度相對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)(灰度值0～255)有更高、更精確的對(duì)比度數(shù)值。拍攝多組像素寬度的黑白矩形條紋得到多個(gè)空間頻率CTF通過插值得到整體的CTF，就可以通過下列公式得到MTF，f為空間頻率[5]。

條紋間對(duì)比度越高，圖像的解析力越強(qiáng)，MTF也越高。從拍攝的圖像可以看出在不同區(qū)域有著不同的對(duì)比度，通過算法的演算也可以得到不同視場(chǎng)的MTF。目前HUD系統(tǒng)的MTF較低(15 lp/mm左右)，而測(cè)試的成像鏡頭較高(200 lp/mm)即測(cè)試圖像的對(duì)比度主要由HUD顯示引起，基本排除了測(cè)試鏡頭對(duì)HUD的MTF的影響。

3) 畸變和重影(圖4)?；兪潜憩F(xiàn)圖像各個(gè)區(qū)域放大倍數(shù)不一致的現(xiàn)象，人眼就回看到圖像扭曲的現(xiàn)象，它是每一個(gè)成像系統(tǒng)必須測(cè)試的參數(shù)，一般1%以下人眼就無法感知明顯的畸變現(xiàn)象。重影是因?yàn)殓R頭或者前擋風(fēng)玻璃的設(shè)計(jì)缺陷引起的圖像的劣化。

圖4 畸變與重影測(cè)試圖像Fig.4 Testing image of distortion and ghost

由測(cè)試圖像pattern可知，畸變測(cè)試使用的是等距分布的圓點(diǎn)，通過不同位置圓點(diǎn)間間距的距離，再通過理論計(jì)算，即可得知不同位置的放大率的差異，進(jìn)而得到畸變程度。重影表現(xiàn)的時(shí)在主要圖像的邊緣，會(huì)形成于主要圖像一致的次要圖像，通過對(duì)單個(gè)測(cè)試單元主要圖像和次要圖像(重影)的分離程度和亮度的比例的檢測(cè)，即可定量描述重影的影響，當(dāng)主要圖像和次要圖像基本重合，或者次要圖像的亮度顯著小于主要圖像的亮度時(shí)，即可認(rèn)為重影的影響較小，當(dāng)重影現(xiàn)象非常明顯時(shí)，就必須查看設(shè)計(jì)或者安裝上的問題。

4)Eyebox。Eyebox(視窗)是目視系統(tǒng)中關(guān)鍵的測(cè)試量，表現(xiàn)得是人眼能看全HUD顯示圖像的可移動(dòng)范圍。人眼在不同亮度條件下，人眼的光圈是不同，比如低亮度的情況下，人眼F數(shù)降低導(dǎo)致人眼對(duì)邊緣視場(chǎng)的辨識(shí)度下降。所以測(cè)試成像亮度計(jì)的圖像大小必須模擬真實(shí)人眼的視場(chǎng)，即也需對(duì)不同光圈下的eyebox進(jìn)行測(cè)量。據(jù)相關(guān)資料人眼的最大光圈為F/2.1，人眼的最小光圈為F/8.3。并且人眼在對(duì)焦完全并且清晰觀察時(shí)，視場(chǎng)角約為35°(橫向)×20°(縱向)。若成像亮度計(jì)的視場(chǎng)角大于該視場(chǎng)，則可以通過計(jì)算和圖像處理，將拍攝圖像非人眼觀察范圍內(nèi)的像素點(diǎn)刪除或者使用其他的方式，模擬人眼的FOV。

圖5中是一個(gè)五軸平臺(tái)上成像亮度計(jì)的掃描路徑，從eyebox的中心點(diǎn)向邊緣開始移動(dòng)通過成像亮度計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)圖像是否完全不出現(xiàn)斷點(diǎn)，圖像完全則在eyebox范圍之內(nèi)，圖像不完全則在eyebox之外。該圖像不完全時(shí)，掃描路徑的方向?qū)?huì)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)然后繼續(xù)掃描。最終當(dāng)掃描路徑完全封閉時(shí)則得到該光圈下eyebox。當(dāng)進(jìn)行下一次測(cè)量時(shí)，回到測(cè)試原點(diǎn)更換光圈，繼續(xù)重復(fù)測(cè)量，最后得到不同光圈下，eyebox的不同范圍。

圖5 eyebox 測(cè)試路徑Fig.5 Test path of eyebox

5)其他光學(xué)測(cè)試。HUD光學(xué)測(cè)試人眼在eyebox范圍內(nèi)觀察到的圖像位置與亮度和成像效果都是不同的，有時(shí)候不僅需要在eyebox中心進(jìn)行測(cè)試，也必須選取幾個(gè)不同的特定的位置進(jìn)行整體顯示效果的測(cè)試。通過位移平臺(tái)在eyebox的范圍內(nèi)，特定的幾個(gè)點(diǎn)檢測(cè)圖像亮度和質(zhì)量，良好的HUD顯示需在eyebox在各個(gè)位置的亮度差距小，在邊緣部分無明顯的像差。

6)實(shí)際狀態(tài)的模擬測(cè)試。HUD在道路的復(fù)雜環(huán)境下使用，所以對(duì)HUD測(cè)試不僅需要進(jìn)行絕對(duì)量的測(cè)試，也需要模擬實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。HUD顯示的虛擬圖像直接呈現(xiàn)在駕駛員前方，或多或少都會(huì)影響駕駛員對(duì)外界的觀察。當(dāng)字符過大、亮度過高遮蔽道路信息，實(shí)際測(cè)試中需要在高亮度環(huán)境和低亮度環(huán)境中拍攝圖像，在該極限情況下，圖像本身的對(duì)比度和與環(huán)境光的對(duì)比度需要滿足一定的指標(biāo)才能符合人眼良好的視覺效果；另外當(dāng)使用LCD作為像元，也需要評(píng)估圖像的偏振狀態(tài)對(duì)穿戴偏振墨鏡的駕駛?cè)藛T產(chǎn)生的影響；并且若外界亮度發(fā)生劇烈變化時(shí)，HUD顯示的亮度若不能隨之相應(yīng)變化，就會(huì)到人眼造成強(qiáng)烈刺激，所以HUD顯示的亮度應(yīng)與外界的亮度理應(yīng)有一個(gè)映射關(guān)系，且需要相應(yīng)的亮度快速轉(zhuǎn)換。在這里搭建一個(gè)環(huán)境光模擬器，可以一定程度上模擬外界環(huán)境對(duì)HUD效果的影響。

3 總結(jié)

HUD發(fā)展日新月異，但是目前的檢測(cè)方法和手段還沒有相應(yīng)跟進(jìn)，這對(duì)HUD整體健康發(fā)展產(chǎn)生影響。而HUD與安全駕駛息息相關(guān)，檢測(cè)的重要性不言而喻。HUD相對(duì)于傳統(tǒng)顯示器而言，測(cè)試項(xiàng)的增多導(dǎo)致測(cè)試的復(fù)雜性增強(qiáng)，本文提供一個(gè)使用成像亮度計(jì)進(jìn)行HUD光學(xué)檢測(cè)的測(cè)試方法，在檢測(cè)方法和算法上符合HUD光學(xué)參數(shù)的定義，一定程度上為HUD的安全性進(jìn)行穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)檢測(cè)。