带有AR成像的汽车HUD系统

图1 基于激光雷达点云数据的树的图像（左），及全息图转换结果（右）

英国的一个研究组开发了一种用于汽车平视显示系统（HUD），能够从汽车的激光雷达系统中导入点云数据，并将数据转换为超高清的3D全息图像，直接成像到驾驶员的眼动范围（eye box）中，从而创造增强现实（augmented-reality, AR)体验（文章见：Opt. Express, doi: 10.1364/OE.420740）。

研究人员认为，通过有选择地将AR投影到驾驶员的视野，他们所开发的全景全息投影方案能够提醒驾驶员前方道路上的隐藏障碍物，提高驾驶安全性。

鬼成像到全增强现实

HUD系统是一种在驾驶员的视野不离开道路的情况下，获取车辆控制信息的技术。早在1988年，通用汽车生产的Oldsmobile Cutlass Supreme上首次出现了这种内置系统。该系统是一个简单的单色显示器，能够反射成像至汽车的挡风玻璃上。此后技术的进步逐渐完善了这款汽车的配件，提高了图像质量。然而发展至今，此款显示器成像仍然为悬浮在挡风玻璃上的鬼像，而且只能通过汽车的扬声器显示速度、燃油水平和当前播放的歌曲等信息。

在HUD系统中进行增强现实成像，则更具挑战性。增强现实技术需要将不断变化的外部环境中的元素，投射到司机的眼动范围内（即司机眼前大致为15×15-cm的区域），以使驾驶员看到整个场景。该技术采用多焦点成像，能对不同深度、距离的物体进行真实再现——这远非此前在挡风玻璃上速度信息的静态显示。除此之外，该系统还必须实用，例如必须能够显示道路隐患，同时也要免除非必要的增强现实成像，以免驾驶员感到不知所措。

激光雷达和全息技术相结合

因此，许多人将目光投向了全息显示器：它可以将不同距离的场景元素的全景3D图像投射到眼动范围内，呈现在驾驶员眼前。这项技术将成为汽车HUD系统的未来。参与到此项技术中的研究团队，包括来自剑桥大学、牛津大学和伦敦大学学院的科学家们。研究人员们已经找到了一种方法，将全景全息显示系统与来自激光雷达（一种被日益广泛地用于自动驾驶汽车上的激光测距技术）的数据相结合。

该系统首先读取激光雷达点云数据（即数百万个返回的激光脉冲，以绘制前方场景的3D模型），然后将其输入设计好的计算机算法中，以挑选场景中的特定目标物体。然后，与目标物体相对应的激光雷达数据被输入另一种算法，以建立计算机生成的衍射图案，这些衍射图案可以用来创建全息图像。

图2 研究小组的装置（上图）使用了相位调制空间光调制器，将激光雷达点云模型的衍射数据（左下）转换为能投影到驾驶员眼睛3D全息图（右下）。

根据衍射数据建立物体的3D图像，然后将图像投射到用户的眼动范围内，首先使用633纳米，5兆瓦的氦氖激光器。激光器的光束通过一系列透镜、偏光器、半波片和非偏光分束器发送到超高清相位调制空间光调制器(SLM)。SLM利用从激光雷达点云物体中提取的衍射数据来调制激光，以创建物体的计算机生成的全息图，然后这些全息图从SLM中投射出来，并通过分束器向投射到驾驶员眼前。

驾驶隐患提醒

该系统尚未在汽车上实际测试过，目前使用的数据来源于Malet街（一条位于伦敦的繁忙的道路）的激光雷达扫描点云数据。

该团队能够在屏幕上实现2D图像的重建和投影，并利用晶状体实现3D眼内图像的重建和投影。团队表示，该装置能实现虚拟全息物体与真实世界中的物体以不同的深度对齐，为汽车平视显示器中增强现实技术的应用奠定了基础。

尽管将AR应用在汽车中这个概念已经足够酷，研究人员认为，进一步开发已有的原型系统，一定能对提高汽车的安全性起到帮助。例如，收集密度足够大的激光雷达数据，并从中提取正确的元素，该系统将能够提醒司机前方道路上隐藏的路标、隐患或障碍。

目前，该团队正致力于将光学元件小型化，以将成像系其装入车辆中，随后进行实际道路测试。研究人员还希望重建计算机程序，以将不同物体的不同层次分布在司机的视觉空间的不同位置上。剑桥大学博士、本文的第一作者Jana skirnewskaja说，其最终目标是提供全景实时全息投影，“既可以起到提醒驾驶员的作用，又不会分散驾驶员的注意力。”

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