平視（HUD）技術(shù)是汽車市場上最大的增長領(lǐng)域之一，主要專注于通過改進(jìn)車輛駕駛方式和提高駕駛者意識來提升乘客安全度。調(diào)查，HUD技術(shù)目前已取得21.67%的復(fù)合年增長率（CAGR），預(yù)計到2021年將實現(xiàn)13.3億美元的市場規(guī)模。這一增長很大程度上源于顯示器技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)成功做到了將光線投射到遠(yuǎn)景上。同時，這也與增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)步有關(guān)，該技術(shù)能夠?qū)⑻摂M圖像疊加到現(xiàn)實環(huán)境中，用于實時顯示的駕駛情況信息。

圖1 跟AR顯示器一樣，HUD投影必須在精確位置上清晰可見，確保能夠投射到遠(yuǎn)景上。通過確保HUD圖像位置、色彩、亮度和清晰度的正確性，可以強(qiáng)化駕駛者對周圍環(huán)境的感知，盡可能減少可能引起駕駛者分心的失誤。

跟任何其他顯示器一樣，視覺性能對HUD系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。精確的系統(tǒng)設(shè)計和最終的質(zhì)量控制檢測可以確保投影位置，對焦，駕駛者觀察能夠看清，并且光線和色彩足夠生動，駕駛者能夠在任何照明條件下將其與周圍環(huán)境區(qū)別開來。低質(zhì)量的投影不僅會損害制造商的品牌聲譽，而且駕駛者在投影質(zhì)量不佳的情況下無法觀察顯示器時，會使乘客處于危險之中，這可能會導(dǎo)致駕駛員對信息的誤判、重要環(huán)境數(shù)據(jù)（如導(dǎo)航、物距以及其他提醒）丟失以及駕駛員分心。

由于質(zhì)量不佳的系統(tǒng)可能給消費者造成巨大的安全隱患，各種車載HUD性能標(biāo)準(zhǔn)已相繼出臺，旨在確保制造商根據(jù)質(zhì)量和安全基準(zhǔn)閾值對其生產(chǎn)的HUD進(jìn)行評估。SAE J1757-1（“車載顯示器標(biāo)準(zhǔn)測量方法”）和 ISO 15008（“道路車輛—運輸信息和控制系統(tǒng)的人體工程學(xué)方面—車載視覺呈現(xiàn)的規(guī)范和測試程序”）是美國采用的兩種標(biāo)準(zhǔn)方法，概述了汽車HUD的質(zhì)量測試準(zhǔn)則。

作為有效的質(zhì)量控制解決方案，顯示器測試和亮度測量系統(tǒng)發(fā)揮了很大的作用，可確保制造商符合這些標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，但測量系統(tǒng)性能和光學(xué)結(jié)構(gòu)的不同可能會導(dǎo)致不同的制造商之間存在質(zhì)量差異。出于此原因，美國將于2017年夏季發(fā)布新的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步控制用于評估HUD質(zhì)量的測量系統(tǒng)。本白皮書將為大家概述最新版 SAE J1757-2標(biāo)準(zhǔn)4的要求，并介紹一些獲得業(yè)界認(rèn)可的HUD測量方法，希望能夠幫助制造商符合最新的SAE和ISO質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本白皮書還將重點介紹自動化測量系統(tǒng)的功能和優(yōu)勢，幫助制造商在測量應(yīng)用中實現(xiàn)最佳時間和成本效益。

SAE J1757-2汽車HUD光學(xué)測量標(biāo)準(zhǔn)

HUD顯示對安全駕駛的重大影響已經(jīng)促使汽車測試和測量設(shè)備制造商與美國汽車工程師學(xué)會（SAE）展開合作，根據(jù)SAE J1757-1標(biāo)準(zhǔn)和 ISO 15008 標(biāo)準(zhǔn)制定測量方法，用于評估HUD的顯示質(zhì)量。新的標(biāo)準(zhǔn)（SAE J1757-2“汽車HUD光學(xué)測量”）將于2017年夏末出臺，為車輛HUD的測量提供光學(xué)測量結(jié)構(gòu)和方法，并明確相關(guān)要求，包括AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實平視顯示器）性能。標(biāo)準(zhǔn)化測量方法將確保虛擬圖像相對于駕駛者雙眼的準(zhǔn)確投射（包括景深(DOF)、視場(FOV)、屈光度、焦距、圖像位置和圖像距離）、HUD虛擬圖像在典型環(huán)境光線條件下的可識別性（需要進(jìn)行亮度、色度、均勻性和對比度測試）以及通過與目標(biāo)虛擬圖像的點偏差來測量HUD的圖像失真、像差和重影程度。這些測量需要根據(jù)NIST美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的規(guī)定對光學(xué)測量設(shè)備或儀器進(jìn)行標(biāo)定，并且要求將這些設(shè)備或儀器置于駕駛員眼橢圓視野區(qū)域內(nèi)的多個測量點來進(jìn)行測量（確保考慮到潛在可視角范圍）。

所有需要符合 SAE J1757-1 標(biāo)準(zhǔn)和 ISO 15008 標(biāo)準(zhǔn)的HUD制造商和汽車品牌，都必須根據(jù)新的 SAE J1757-2 HUD測量方法來設(shè)計自己的測量系統(tǒng)。雖然標(biāo)準(zhǔn)并沒有指定使用什么類型的測量系統(tǒng)，但市場上目前供應(yīng)的符合SAE標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)在功能上存在一些區(qū)別，因此在改進(jìn)設(shè)置和應(yīng)用方面的能力也會存在差異。先進(jìn)的成像系統(tǒng)提供自動化測量功能，有助于縮短測量時間，降低測量難度，優(yōu)化設(shè)計和質(zhì)量控制流程，從而讓制造商能夠減少投資，加快產(chǎn)品上市速度。在HUD測量應(yīng)用中，為確保完全符合SAE標(biāo)準(zhǔn)，制造商需要對HUD的每個特征進(jìn)行多次測量，因此自動化系統(tǒng)將會有很大的發(fā)揮。

符合SAE標(biāo)準(zhǔn)的HUD測量系統(tǒng)

常見的方法

點式亮度計

點式亮度計的設(shè)計原理是測量在一個顯示區(qū)域內(nèi)的一個小點反射或發(fā)射的光線。點式亮度計提供高精度的亮度和色度測量，但由于取點測量區(qū)域非常小，因此它們無法通過一次測量對整個顯示器的均勻性、對比度、亮度和色度進(jìn)行評估。為了解決這個問題，采用點式亮度計對顯示器進(jìn)行自動化測量時，制造商必須額外使用其他設(shè)備，如傳動裝置或機(jī)械臂，確保能夠?qū)Ⅻc式亮度計架設(shè)在三軸測試平臺內(nèi)測量顯示屏每個點。然后，點式亮度計在每個點采集亮度和色度數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評估整個顯示器的均勻性、對比度以及其他測量參數(shù)。對于HUD測量應(yīng)用而言，這是一種可接受的解決方案，但要實現(xiàn)自動化測量（在生產(chǎn)線上），考慮到成本和復(fù)雜性，因此搭配點式亮度計的解決方案并不理想。

除了亮度值和均勻性測量之外，SAE J1757-2 標(biāo)準(zhǔn)還要求對HUD遠(yuǎn)景平面內(nèi)所投影物體的位置、距離和圖像完整性進(jìn)行評估。點式亮度計無法采集二維圖像，因此無法基于構(gòu)成圖像的整個像素區(qū)域來分析所投影物體的范圍、尺寸和形狀。出于此原因，點式亮度計無法精確地反映所投影物體的特征，也無法量化整體均勻性、對比度以及與目標(biāo)圖像存在的傾斜度、失真度和重影度偏差。制造商必須額外使用一些設(shè)備來對點式亮度計進(jìn)行補充，以完成該標(biāo)準(zhǔn)要求的所有測試。

機(jī)器視覺相機(jī)

機(jī)器視覺相機(jī)是一種二維成像解決方案，用來定位和測量顯示器中的圖像，分析圖像中相鄰像素點和對比區(qū)域的亮度與色度。機(jī)器視覺相機(jī)對點式亮度計是很好的技術(shù)補充，即提供點式亮度計無法獨立實現(xiàn)的測量功能，比如基于像素計算或局部區(qū)域位置（如文本的光學(xué)字符識別(OCV)）來評估物體的狀、尺寸、失真度、重影度或其他特征。但機(jī)器視覺相機(jī)無法單獨執(zhí)行所有HUD測量任務(wù)。如果將點式亮度計與機(jī)器視覺相機(jī)結(jié)合在一起創(chuàng)建一套解決方案，通過利用點式亮度計的測量精度與機(jī)器視覺相機(jī)的快速成像能力、測距與定位能力，可以實現(xiàn)對HUD的全面評估。

人工檢測員

人工檢測一直在HUD測量流程中發(fā)揮作用的原因有多種，主要原因在于測量驗證的需要。人工檢測能夠極其快速地對顯示器質(zhì)量作出判斷，只需看一眼就能對整個顯示器進(jìn)行評估，同時還能運用背景（而非具體亮度值）來確定可接受性。相比之下，點式亮度計必須在顯示器圖像中采集多達(dá)九個測量點的數(shù)據(jù)，來對亮度、色彩和所測量光線的其他特征進(jìn)行比較，使得這種解決方案在設(shè)置、執(zhí)行和分析方面十分耗時。人工檢測速度極快，這有助于執(zhí)行多項HUD測量，包括對HUD中所投影圖像的對比度進(jìn)行評估。該評估是通過比較HUD系統(tǒng)所投影的黑白圖像的黑暗區(qū)域與發(fā)光區(qū)域來執(zhí)行的。人工檢測員通過對圖像進(jìn)行主觀評估，或者比較一系列基準(zhǔn)數(shù)字化測量，就能夠確定圖像對比度是否可接受，無需執(zhí)行任何計算。

圖2 - 使用亮度測量軟件對HUD系統(tǒng)投影的棋盤格測試圖案進(jìn)行分析，然后將發(fā)光區(qū)域的平均亮度值除以黑暗區(qū)域的平均亮度值，來計算對比度。但人工檢測員可能無需進(jìn)行任何計算就能作出量化判斷。

跟任何其他人工檢測一樣，這種方法的缺點在于缺乏可量化的測量數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的缺乏會影響所執(zhí)行測量的精度和可重復(fù)性，阻礙HUD分析的自動化執(zhí)行，從而無法實現(xiàn)生產(chǎn)線連續(xù)評估。此外，對于 SAE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大部分HUD測量，人工檢測都無法充分執(zhí)行，因為這些測量需要可量化的數(shù)據(jù)來評估測量準(zhǔn)確性。在不要求進(jìn)行可量化測量的情況下，人工檢測可能能夠評估HUD質(zhì)量的某些方面，但機(jī)械系統(tǒng)則提供更完整的解決方案，確保能夠滿足SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有其他測量要求。這些自動化技術(shù)使汽車制造商和供應(yīng)商只需投入少量時間和精力，就能針對HUD的質(zhì)量高效實施SAE標(biāo)準(zhǔn)測量，同時維持測量數(shù)據(jù)的精確性。

自動化替代方案

成像色度計和亮度計

成像色度計和亮度計是 SAE J1757-2 標(biāo)準(zhǔn)中提及的有關(guān)HUD測試的主要解決方案，使用根據(jù)NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的組件來提供自動化視覺檢測。這些系統(tǒng)兼具點式亮度計的亮度測量功能與機(jī)器視覺相機(jī)的圖像采集和檢測功能，能夠提供亮度、色度和對比度以及物體存在性、位置、尺寸、形狀和距離方面的絕對測量保證。相比其他系統(tǒng)，亮度成像解決方案在HUD測量應(yīng)用中具備多種優(yōu)勢。

這些自動化技術(shù)使汽車制造商和供應(yīng)商只需投入少量時間和精力，就能針對HUD的質(zhì)量高效實施SAE標(biāo)準(zhǔn)測量，同時維持測量數(shù)據(jù)的精確性。

不同HUD測量裝置在生產(chǎn)環(huán)境下的比較

要充分了解自動化HUD測量系統(tǒng)的效率，一種有用的方法是以可視化方式的SAE J1757-2標(biāo)準(zhǔn)HUD測量系統(tǒng)。下面的兩張圖片描繪了兩種生產(chǎn)級測量系統(tǒng)之間的區(qū)別。在這兩張圖片中，相機(jī)放置在相對于車輛駕駛員位置的眼眶區(qū)域內(nèi)。相機(jī)與HUD系統(tǒng)指向相同的方向，HUD系統(tǒng)向暗場通道（用于遮擋環(huán)境光線）的背面（稱為“無限平面”）投影數(shù)字圖像。兩個插圖中均沒有所連接的計算機(jī)系統(tǒng)。在計算機(jī)系統(tǒng)中，通過運行軟件來控制HUD系統(tǒng)投影來進(jìn)行測試，同時還采集、存儲和處理測量數(shù)據(jù)。

在第一張圖片中（圖3），制造商使用了一臺點式亮度計和一套機(jī)器視覺系統(tǒng)，分別用于測量亮度和評估所投影圖像的物理特征。如上所述，這樣的解決方案需要另外安裝傳動裝置或機(jī)械臂，用于使點式亮度計采集多個測量點的過程實現(xiàn)自動化。在該插圖中，制造商將點式亮度計和機(jī)器視覺相機(jī)安裝到了機(jī)械臂的末端。制造商還可以利用人工檢測進(jìn)一步提升該解決方案，驗證對比度評估，并加快比較點式亮度計在多個點所采集數(shù)據(jù)的過程。

在第二張插圖中（圖4），制造商使用了一臺成像亮度計，用于在生產(chǎn)線上執(zhí)行HUD評估。由于成像亮度計可以同時提供亮度測量和視覺檢測功能，并且能夠采集HUD投影的二維圖像，因此其能夠通過一個圖像執(zhí)行SAE HUD評估標(biāo)準(zhǔn)所要求的所有測量。如果需要重新定位測量系統(tǒng)，成像亮度計的電子鏡頭（本白皮書后文將談到）可以解決圖像距離和光學(xué)焦距方面的差異問題。

圖3 - HUD測量設(shè)備在生產(chǎn)應(yīng)用中的示例；機(jī)械臂上安裝的點式亮度計用于測量亮度，機(jī)器視覺相機(jī)用于進(jìn)行2D圖像分析。

圖4 - HUD測量設(shè)備在生產(chǎn)應(yīng)用中的示例；固定式成像亮度計用于同時執(zhí)行亮度測量和2D圖像分析。

通過比較這兩張插圖，我們很容易就會因為所需的設(shè)備數(shù)量、解決方案的成本以及設(shè)備組合的復(fù)雜性，而對點式亮度計/機(jī)器視覺組合解決方案持懷疑態(tài)度，更不用提及為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性而必須維護(hù)的大量變量因素。同時，我們還應(yīng)當(dāng)考慮對每套HUD系統(tǒng)執(zhí)行完整的評估所需的時間。相比點式亮度計/機(jī)器視覺組合解決方案必須在多個點采集測量數(shù)據(jù)，成像亮度計解決方案只需花費極少的時間，就能評估整個HUD系統(tǒng)，這使得成像亮度計更適合在量產(chǎn)環(huán)境下高效執(zhí)行檢測。

通過自動化系統(tǒng)簡化SAE標(biāo)準(zhǔn)測量

計算物體距離和位置

SAE J1757-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用于執(zhí)行HUD評估的光學(xué)測量系統(tǒng)必須測量標(biāo)定眼橢圓中心（與駕駛員距離最近的視覺焦點）與在投射虛擬圖像的感知距離下定位的不透明單色無限平面（表面）之間的“真正距離”。在標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)中，利用相機(jī)的焦距可以完成由近到遠(yuǎn)的距離測量，用于評估沿著水平面上的各個點，其中，相機(jī)能夠采集到位于焦距內(nèi)物體的圖像。這些測量必須按實際距離單位進(jìn)行計算，以了解兩個點之間的物理距離。

要將焦距換算為實際距離單位，可以手動進(jìn)行計算，但有些測量系統(tǒng)可以自動執(zhí)行這種換算。這類系統(tǒng)利用內(nèi)置軟件算法提供焦距與實際距離之間的換算，讓操作員能夠在系統(tǒng)軟件結(jié)果中以實際距離單位顯示測量數(shù)據(jù)。這類系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢就是節(jié)省時間，其能夠立即按所要求的測量單位提供數(shù)據(jù)，不僅縮短了計算時間，同時還減少了計算和換算不同組的數(shù)據(jù)點時容易出現(xiàn)的誤差幅度。

執(zhí)行多次測量

為了解決車輛駕駛員觀看HUD投影時存在多個潛在視角的問題，以及計算誤差幅度的平均值，SAE J1757-2標(biāo)準(zhǔn)要求在水平面上的不同位置至少進(jìn)行三次測量，以確定虛擬圖像的相對距離。如果采用配備固定鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)，對多個點進(jìn)行測量將是一個費時且耗力的過程，這是因為操作員將必須在每個位置對相機(jī)進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，以確保圖像位于焦距內(nèi)，這樣才能夠在不同的測量點獲得等效測量數(shù)據(jù)。相反，如果采用配備電子控制鏡頭的系統(tǒng)，將可以極大地提高多個角度、位置和距離的測量速度和精度。如右側(cè)的示例所示，這些鏡頭可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，確保焦距和光圈設(shè)置合適，讓圖像始終位于水平面或者無限平面上。當(dāng)對成像色度計重新定位，以執(zhí)行連續(xù)測量時，我們可以在系統(tǒng)軟件中進(jìn)行一些簡單的調(diào)節(jié)，快速確保成像儀的電子鏡頭適應(yīng)需求，能夠在任何距離或位置聚焦物體。

圖5 - 無論是在圖像與車輛駕駛員眼睛之間的距離存在變化的情況下，還是需要將相機(jī)定位在更靠近HUD投影區(qū)域內(nèi)數(shù)字圖像的位置，配備電子控制鏡頭的成像系統(tǒng)都能夠針對所投射的圖像遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)光圈和焦距設(shè)置。

測量彩色物體的亮度

根據(jù) SAE J1757-2 標(biāo)準(zhǔn)，制造商必須達(dá)到最低亮度閾值，以確保在任何環(huán)境光線條件下（白天或夜晚）疊加到現(xiàn)實環(huán)境中的HUD虛擬圖像的清晰度。然而，要測量HUD投影中每個虛擬圖像的亮度，意味著必須考慮各種物體形狀、尺寸、色彩和位置。如果使用基于靜態(tài)關(guān)注點（POI）來定位物體的測量系統(tǒng)，這一過程將需要多個步驟才能完成。對于投射到HUD中的每個物體，靜態(tài)POI系統(tǒng)將通過查看軟件繪制的靜態(tài)POI窗口來定位目標(biāo)物體。成像系統(tǒng)將利用該POI來確定將圖像中的哪組像素用于亮度測量。如果所投射的物體落在該POI范圍以外，可能會導(dǎo)致亮度測量不準(zhǔn)確。此外，隨著投射變化，或者上出現(xiàn)了新的虛擬圖像，在執(zhí)行亮度測量之前，還必須繪制新的POI，確保將每個新的物體包含在其中。

圖6 - 跟AR一樣，HUD也會將數(shù)字圖像疊加到現(xiàn)實環(huán)境中。因此，所投射的圖像在各種背景下的清晰度將會涉及重要的安全問題。圖像必須足夠清晰，確保在白天、夜晚以及各種天氣條件下都清晰可辨。

有些先進(jìn)的亮度測量系統(tǒng)提供強(qiáng)大的軟件功能，能夠?qū)OI設(shè)置過程完全自動化，充分適應(yīng)投射中存在多個物體甚至無法預(yù)測物體的需要。舉例來說，有一種軟件功能稱為Auto-POI（自動關(guān)注點），其能夠創(chuàng)建動態(tài)POI窗口，自動適應(yīng)所定義顏色公差范圍內(nèi)物體像素的需要。制造商可能希望一次性評估投影圖像中出現(xiàn)的所有紅色物體的亮度。要完成該測量，制造商可以在軟件中設(shè)置最小和最大CIE色坐標(biāo)（Cx, Cy），確保將目標(biāo)物體組中代表的紅色值范圍包含在內(nèi)。然后，通過利用自動POI功能，該軟件將“對齊”到與所定義的條件相匹配的任何一組紅色連續(xù)像素，從而創(chuàng)建精確的測量區(qū)域，不受物體形狀、尺寸或位置的影響。即使出現(xiàn)新的投影，也能夠一次性或根據(jù)要求采集自動POI范圍內(nèi)與所定義的顏色公差相匹配的物體圖像，并測量亮度值。

圖7 - 軟件中手動繪制的靜態(tài)POI與基于顏色公差和物體變化自動創(chuàng)建的動態(tài)POI（自動關(guān)注點）之比較。

Auto-POI功能允許一次性對多個顏色組進(jìn)行編程，從而使制造商能夠在一個圖像中同時測量所有物體，不受顏色的影響。此外，在指定顏色值公差時，制造商可以選擇輸入CIE坐標(biāo)作為數(shù)據(jù)，也可以在CIE色表上繪制色區(qū)（使用光標(biāo)創(chuàng)建一個橢圓、矩形或多邊形）來指定POI公差范圍。這些功能可以使測量過程完全自動化，為制造商提供一種“全自動”方法，在定義所有物體顏色后，即可自動執(zhí)行亮度測量。將Auto-POI功能與電子控制鏡頭結(jié)合在一起，可在物體定位和評估方面帶來極大的靈活性，使制造商在每個定義的測量點能夠幾乎即時完成數(shù)據(jù)采集。

圖8 - 通過選擇自動POI軟件工具中的“色區(qū)”，用戶能夠在CIE色表中繪制不同形狀，用于定義應(yīng)當(dāng)包含在測量POI組中彩色物體的Cx, Cy公差范圍。

測量重影問題

HUD投影中的物體通過HUD系統(tǒng)所發(fā)射光線的反射組合來顯現(xiàn)。作為主要面的汽車擋風(fēng)玻璃，由玻璃內(nèi)表面和外表面組成，兩面都會接收HUD發(fā)射的光線，并從獨特的角度將光線反射回駕駛員的眼睛。這些光線反射將創(chuàng)建HUD投影的目標(biāo)虛擬圖像，如果光線發(fā)射角度不正確，還會形成“重影圖像”。在無法完全對齊的情況下，這種雙重圖像會導(dǎo)致模糊，可能極大地影響重要HUD投影的可視化。

為了檢測和評估HUD投影中的重影范圍，測量系統(tǒng)必須能夠定位重影圖像與目標(biāo)圖像之間關(guān)聯(lián)點的位置。然后，對這些位置進(jìn)行比較，以確定偏差程度，并提供必要的信息來對HUD進(jìn)行糾正。如果測量系統(tǒng)的配套軟件能夠提供圖像處理功能，比如圖像自動匹配（RADA），則可以使該比較過程實現(xiàn)自動化，通過一次評估自動完成失真圖像與目標(biāo)圖像之間關(guān)聯(lián)點位置的比較。RADA功能通常用于處理歪斜、扭曲和錯位的圖像，并以正確的形狀和高寬比呈現(xiàn)它們。由于RADA功能必須獲取實際與理想虛擬圖像的物體定位數(shù)據(jù)才能執(zhí)行該過程，具備RADA功能的檢測系統(tǒng)需要預(yù)先裝備，以采集并比較表明物體位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而使圖像重影的檢測和測量過程實現(xiàn)自動化。

測量圖像失真

SAE J1757-2 標(biāo)準(zhǔn)將失真定義為虛擬圖像中的每個測量點與目標(biāo)坐標(biāo)相比的幾何偏差。失真可能包括像差、圖像彎曲、扭曲等，所有這些都可以利用原始或測得虛擬圖像的邊緣像素與二次或目標(biāo)虛擬圖像的邊緣像素之間的距離來計算。在HUD中，如果投影圖像錯位或不均勻，雖然人類的雙目視覺會設(shè)法將其調(diào)和為單一的圖像，但這種缺陷可能會導(dǎo)致物體焦距或景深感知錯誤。如果HUD無法增加與現(xiàn)實物體相對位置相關(guān)的數(shù)據(jù)，還可能會發(fā)生投影圖像定位錯誤。這不僅可能會影響安全，而且圖像失真還會對顯示器的感知質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而損害采用該顯示器的車輛制造商的聲譽。

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是自動化精確檢測圖像失真不可或缺的一個參數(shù)。MTF用于測量光學(xué)系統(tǒng)的成像性能，特別是用于定義相機(jī)生成物體圖像的功能，檢測相機(jī)能否以足夠高的分辨率采集到對比度（清晰度）足夠高的物體圖像，確保精確地反映在現(xiàn)實世界中所看到的該物體。相機(jī)無法生成與現(xiàn)實難以區(qū)分的圖像的原因有多種，首先是相機(jī)所接收光的特性，相機(jī)鏡頭、傳感器分辨率和動態(tài)范圍的局限性也會進(jìn)一步對圖像產(chǎn)生影響。這些因素會影響圖像質(zhì)量，而當(dāng)我們基于圖像進(jìn)行軟件測試時，圖像質(zhì)量將決定測量精度。MTF參數(shù)可用于測量光學(xué)系統(tǒng)彌補技術(shù)局限性并盡可能正確處理光線的能力。

由于要實現(xiàn)精確測量，必須了解圖像失真的起因，因此MTF參數(shù)在測量圖像失真方面具有重要作用。就跟HUD系統(tǒng)中的異常情況可能會導(dǎo)致投影中出現(xiàn)像差一樣，像差也可能是由相機(jī)引起的，因為相機(jī)需要從HUD投影中采集光的信息來創(chuàng)建CCD圖像。如果相機(jī)無法提供足夠高的光學(xué)性能來生成清晰的圖像，測量系統(tǒng)可能出現(xiàn)漏報缺陷的情況，未能清晰顯示HUD圖像失真。這可能會導(dǎo)致后續(xù)測試出現(xiàn)問題，無法精確地測量數(shù)字物體的尺寸、位置甚至總體亮度，因為相機(jī)無法清晰地呈現(xiàn)圖像特征和邊緣。

先進(jìn)的測量系統(tǒng)能夠在配套軟件中提供MTF測試，使用戶能夠測試相機(jī)的光學(xué)性能，確保HUD圖像失真的精確評估。有些系統(tǒng)采用ISO 12233方法來測量MTF，利用斜邊模式來確定成像系統(tǒng)的性能，對相機(jī)的性能進(jìn)行非常嚴(yán)苛的評估。采用這種方法時，將待成像的物體呈一定的傾斜角度置于相機(jī)前面，確保物體中的黑白界線與相機(jī)CCD像素的垂直軸不相匹配。由于每個像素接收到的亮度值并不一致，相機(jī)必須能夠確定亮度值的亞像素差異，以確保在其穿過傳感器像素時，能夠投射亮區(qū)域與暗區(qū)域之間的邊緣位置。

通過評估成像系統(tǒng)對“邊緣”的反應(yīng)，該過程反映了相機(jī)傳感器的有效分辨率，以及相機(jī)生成清晰、精確圖像的能力。該反應(yīng)稱為“邊緣擴(kuò)散函數(shù)（ESF）”。如果測量系統(tǒng)能夠基于這些方法評估它們相機(jī)的性能，則能夠非常可靠地確定HUD圖像失真的原因，從而極大地減少圖像分析中的誤差幅度。

圖9 - 在用于計算相機(jī)ESF參數(shù)的斜邊測量中，將目標(biāo)圖像旋轉(zhuǎn)偏離CCD像素軸5度。紅色線條的是每條像素線感興趣區(qū)域的亮度截面。

多項測量的測試序列

由于HUD投影的獨特性質(zhì)以及車輛駕駛員對可見性的要求，包括物體亮度和上文所述的定位條件，HUD測試和測量過程通常會涉及多個步驟，才能執(zhí)行完整的質(zhì)量評估。根據(jù) SAE J1757-2 標(biāo)準(zhǔn)，測量系統(tǒng)必須在交錯模式的棋盤格圖像上執(zhí)行亮度測量，以確定環(huán)境光線下白色和黑色投影的虛擬圖像對比度。測量系統(tǒng)還必須確定虛擬圖像的亮度均勻性和非均勻性，以及與目標(biāo)虛擬圖像相比的色度。此外，如上所述，還必須進(jìn)行其他測量來確定圖像失真和像差，以確保與目標(biāo)虛擬圖像相比，實際虛擬圖像具有精確的圖像形狀和位置。

圖10 - 上面的測試序列軟件通過10個步驟來編程，從均勻性到MTF線對分析，全面涵蓋，一次性對HUD投影執(zhí)行多項測量。

要對HUD進(jìn)行完整的評估，所需執(zhí)行的所有測量的復(fù)雜性不僅取決于測量硬件的靈活性，還取決于測量軟件的局限性。如果所選的測量系統(tǒng)采用的軟件每次只能執(zhí)行一項測量，或者測量系統(tǒng)采用專為特定測量應(yīng)用開發(fā)的多個軟件包，那么完整的測量過程可能會非常耗時。舉例來說，制造商在應(yīng)用中采用亮度系統(tǒng)進(jìn)行亮度測量，然后另外配備一套視覺檢測系統(tǒng)來測量物體位置，這樣將會非常耗時。事實上，制造商可以采用自動化測試序列軟件，通過單一的系統(tǒng)就能快速、連續(xù)執(zhí)行多項測量。測試序列軟件程序允許在統(tǒng)一的軟件環(huán)境中，將不同的測量準(zhǔn)則、POI和檢測公差編程到一系列單獨的步驟中，然后按順序?qū)UD完成多個部分的評估。這將使測量系統(tǒng)能夠自動執(zhí)行亮度、色度、位置和距離測量，從而完成對HUD多個方面的評估，無需因為全新的準(zhǔn)則或系統(tǒng)更換而重新對測量軟件進(jìn)行編程。

結(jié)論

隨著SAE J1757-2標(biāo)準(zhǔn)的最終確定和出臺，以及HUD市場的快速增長，汽車制造商和供應(yīng)商對高效測量系統(tǒng)的需求將會日益增加，以確保產(chǎn)品能夠符合該標(biāo)準(zhǔn)，同時維持自己在汽車行業(yè)的各種合作關(guān)系和市場競爭力。由于SAE標(biāo)準(zhǔn)符合性成為了HUD選擇的基準(zhǔn)條件，制造商的競爭優(yōu)勢將體現(xiàn)在能否快速、高效地生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，確保實現(xiàn)自身技術(shù)的最佳價值。由成像亮度計或色度計及先進(jìn)的測試定序軟件組成的HUD自動化測量系統(tǒng)將可以極大地縮短HUD評估時間，從而實現(xiàn)生產(chǎn)級高效測量，確保符合該標(biāo)準(zhǔn)的同時，還能降低生產(chǎn)成本，并加快產(chǎn)品上市時間。