Automotive HUDs in general and WayRay Navion in particular
Since the late 1980s, some high-end vehicles have begun featuring HUDs (head-up displays), transparent displays that the driver sees when looking through the windshield. Earlier, just before the start of World War II, some airplanes had rudimentary HUDs for showing a graticule with parallax, which later morphed into modern HUDs.
HUD design technologies have always been at the forefront of innovation: starting from the simple fixed crosshairs made of wire or drawn on glass, to CRT displays, LCD, and finally, DLP and holographic displays with laser highlighting. Having assembled all the necessary components and technologies commercially available, WayRay emerged with its flagship product, Navion. The holographic AR navigation system for cars, Navion creates an augmented reality experience without any eyewear or headgear. Just nine years ago a project of this kind would have been impossible — with no materials, no suitable lasers, no spatial modulators, and overpriced electronics.
Introduction. What are HUDs for?
The point of using HUDs is pretty much the same for pilots and car drivers: even the slightest distraction can increase the risk of an accident and have severe, life-threatening consequences.
When shifting the gaze from the road onto the dashboard, the driver must not only move his or her eyes but also “refocus” onto the closer object and adjust to a different brightness.
HUDs make it possible to put the image ahead of the car — where the driver is already looking — and thus significantly reduce the distraction time. It takes a mere millisecond to endanger driver, passenger, and bystander safety.
HUD standard design and its limitations
The two main components of HUDs are the collimator and the combiner. The collimator builds the image that looks as if it’s located at a certain distance. The collimator is a sort of large ocular.
The combiner is a semi-transparent mirror that combines a real-world image with a virtual image compiled by the collimator.
In most primitive systems, a single lens or a spherical mirror can construct a collimator. The image quality in such systems, though, is not high enough for the eye to perceive it at nighttime. How so? At night, our pupils dilate, and more optical aberrations can be seen. A clear illustration of this would be the two images of crosshairs in a simple collimator sight — a kind of rudimentary HUD.
Another obvious limitation is the small angular dimensions of the image (around 4° x 2° for automobile systems of a reasonable size), and the short distance to the virtual image (around 5 ft — 8 ft), which still requires the driver to refocus.
The small angular dimension of the image means only a limited amount of information can be adequately displayed: speed, type of turn and distance to the next turn. A standard HUD design with large collimators, mirrors and combiners is quite bulky and therefore can only be installed in a factory. All of this leaves room for further improvement of HUDs.
Overview of modern technologies
Flat combiner:
The standard “airplane” design features a collimator with large-diameter lenses that generate an image “at a certain distance.” The image, reflected from the flat semi-transparent combiner, merges with the surroundings and becomes visible for the pilot. The critical disadvantage of this technology is the large glass in front of the pilot and sizable optical system, all of which is rather bulky and expensive.
Windscreen surface as a combiner:
Most pre-installed automotive HUDs have this design. The collimator here has mirror elements, and instead of a combiner there is a special windscreen coating that reflects from only one of its surfaces (to avoid the double vision effect).
This design is still imperfect, as it has to make up for actual windscreen curvature. Moreover, the large size of the system along with the small angular dimensions of the image (around 4° x 2°) result in additional flaws.
This is the type of system installed in some BMW models, and thanks to journalists, WayRay is often confused with this automaker. Some significant differences include angular image dimensions (that are considerably smaller in this standard system), distance to the visual image (8 ft compared to 30 ft in WayRay’s design), and an image level that is significantly lower than that of the road. The low position of the image in the pre-installed BMW navigation systems doesn’t allow it to display augmented reality elements. Instead, it looks more like an old-fashioned navigation system with arrows, known as turn-by-turn navigation (this mode is also available in the WayRay system).
Additional spherical combiner:
To avoid the unpredictable shape of the windscreen while securing an advantage regarding dimensions, the first thing to do is to make the combiner a part of the collimator so that it not only reflects light but also does part of the optical job of building the image at a distance. In the simplest case, it’s enough to make the collimator spherical (or, slightly harder, making it an off-axis segment of a paraboloid).
This is how aftermarket products like Navdy (which went into liquidation in November 2017), Pioneer, and the new generation of pre-installed Bosch systems have been designed.
The critical issue here is that the driver will now have to look through two glasses. Also, the decreasing focal distance (with unchanged dimensions) doesn’t allow for a broad angular field.
No collimator (“close up” image):
The most primitive system is basically a screen visible as a reflection off of the windscreen. Without a reflective film attached to the windscreen, the image will be doubled (as the reflection will come from both the front and back surface of the windscreen).
This system has a plethora of flaws: tiny angular dimensions of the image, insufficient image brightness for daytime driving (since the glass reflects at least 5% on its own and up to
25% with a proportionally-decreasing-transparency film). The image stays “close up,” and the eye will still have to refocus when shifting.
However, there is one huge advantage — these systems are the cheapest and simplest option. Some of the best-known examples are Garmin products and virtually any mobile phone put on a surface with the screen facing upwards.
Finally, the WayRay Navion approach — a holographic combiner:
Navion consists of a projection system and a visor with an embedded holographic optical element. The area of the image is 4 to 10 times larger than in conventional HUDs. Moreover, since the system isn’t really hindered by size limitations, we can project the image at a longer distance (in standard HUDs, rays are often collimated only partially, so the distance to the image is around 8 ft).
This radical increase in the image’s angular dimensions allows for augmented reality scenarios, such as object captions, but most importantly, it allows the system to project the route right on the road and make navigation as natural as possible. This isn’t mere fiction, as the system has been tested on European roads starting in 2015.
WayRay, a Swiss holographic AR technology company, started in 2012 with a group of 15 enthusiasts and a bold idea to create the first ever holographic AR navigation system for cars. In January 2017, at the Consumer Electronics Show in Las Vegas, WayRay demoed its holographic AR infotainment system for self-driving vehicles built into the Rinspeed Oasis concept car. One year later, at CES 2018, the company triumphantly presented Navion, the first aftermarket holographic AR navigation system for automobiles. As the exclusive developer of embedded holographic AR displays for OEMs, WayRay announced a joint project with Porsche at Startup Autobahn 2018 in Stuttgart.
Author Michail Svarichevsky, CTO at WayRay
Follow WayRay on Facebook and Twitter to stay up-to-date with all of our latest news!
Проекция на стекло – плюсы и минусы HUD-приложений для смартфонов
В мобильных маркетах сейчас представлены десятки HUD-приложений, делающих из смартфона так называемый Heads-Up Display, когда лежащий на торпедо телефон проецирует изображение на лобовое стекло, делая бюджетный автомобиль немножко похожим на премиум-класс, а то и на самолет! Насколько они удобны, необходимы и какие имеют нюансы использования?
Разновидности HUD-приложений
HUD – это «head-up display», устройство, информация с которого считывается водителем или пилотом без наклона головы, не отвлекаясь от управления. В случае мобильных приложений имеет место эффект отражения от лобового стекла – смартфон дает отзеркаленное изображение, которое на лобовом стекле смотрится, как прямое.
Соответственно, все, что предлагают традиционные мобильные приложения для автомобилистов, можно проецировать на стекло – карты, пробки, радары, скорость, ошибки check engine и т.п. Приложений – масса, большинство из них бесплатны, и функциональность их разнообразна.
Самое простое из существующего – это приложения-спидометры. Отображают только скорость крупными цифрами или аналоговыми стрелочными шкалами. Как правило, имеют возможность визуальных настроек – цвет индикации и т.п.
Чуть сложнее – спидометр + «оповещалка» о радарах. Вдобавок к индикации скорости предупреждает о приближении камер-радаров за счет скачанных баз координат. Эффективность приложений такого типа целиком зависит от качества обновления баз разработчиками.
Еще более навороченный вариант – HUD-приложения со встроенной навигацией, сделанных, как правило, на базе Гугл-карт с их функциональностью. Интересным бонусом может оказаться ночной черно-белый режим, показывающий только дорогу, избавляя водителя от всей лишней информации, которая присутствует в обычных навигационных программах с ночным режимом.
Особенности использования HUD-режима
Работа только в сумерках или ночью
Во встроенных с завода HUD-системах явно используются средства проекции с повышенной яркостью. Телефон, увы, к таким не относится – даже имеющий дисплей ярче среднего и отрегулированный на максимум. На солнце проекцию на стекле не видно от слова совсем. Слегка можно разлечить в тени, но основное время актуальности «смартфонного» HUD – это сумерки.
Перегрев телефона
Тут сложнее. Скажем честно, использовать HUD-режим в тех приложениях, где задействована навигация, да еще и в холодное время года – просто опасно для вашего телефона! Ибо идет, по сути, тройной нагрев — от печки через дефлекторы обдува лобового стекла, разогрев чипов аппарата от ресурсоемкой навигации, а также выделение тепла на заряжающейся батарее, поскольку оставлять без зарядки аппарат с работающим GPS-приемником явно нерационально – за час он высосет полбатареи.
В итоге гаджет греется буквально как утюг, что явно не способствует его долгожительству. Отчасти может помочь резиновый коврик, перекрывающий щели обдува, но режим работы аппарата все равно крайне тяжелый и вредный.
Двоение изображения
За счет того, что изображение отражается и от внутренней поверхности стекла, и от внешней, символы HUD всегда двоятся. Смотрится не слишком приятно, хотя этот «косяк» HUD-программкам первое время прощают за счет эффекта экзотичности. Вторая сторона той же медали заключается в том, что положить телефон на торпедо так, чтобы водителю было видно ТОЛЬКО отражение на экране – крайне сложно. Как правило, в поле зрения попадает и отражение, и сам дисплей – а вместе получается какая-то неопрятная светящаяся каша… Примерно такая:
Выводы
Говоря о полезности HUD-приложений, стоит отметить, что индикация скорости в чистом виде – фактически пустое баловство. К чему дублировать четкий и наглядный штатный спидометр мутноватыми цифирками подпрыгивающего на кочках смартфона?! Разве что если у вас имеется некая, пусть и живая, но весьма престарелая иномарка, приборная панель вышла из строя, и купить её либо сложно, либо нерационально ввиду общей стоимости и возраста машины. В этом случае смартфон может отчасти выполнить роль «приборки», в особенности с приложением для диагностики, и HUD эффект тут окажется кстати, хотя это и небесспорно.
Индикация скорости с предупреждением о радарах – ну, режьте меня, но ровно столь же бесполезна, как и спидометр. Есть приложения, предупреждающие о радарах, работающие с голосовыми предупреждениями в фоне и при выключенном дисплее – им проекция на стекло совершенно не нужна…
Вот разве что в HUD-навигации в черно-белом минималистичном варианте что-то есть, да и то с этим можно поспорить – лично у меня из-за привычки к классическому виду GPS-приложений постоянно возникало ощущение некой урезанности информации, как будто чего-то не хватает… Впрочем, все фломастеры разные на вкус – пробуйте, и, возможно, вы найдете HUD-приложение, которое окажется удобным и полезным для вас!
Как работает «худ-дисплей» и нужна ли такая технология водителю?
Это современная технология, которая в настоящее время существует не только на премиальных моделях.
Впервые систему HUD (Head-up-Display) в монохромном исполнении применили на седане Oldsmobile Cutlass Supreme еще в 1988 году. Затем появились цветные версии, которые сперва устанавливали только на премиальные авто.
Изображение выводится на лобовое стекло, плюс это может быть и выдвижной прозрачный дисплей. Положение картинки настраивается в более удобном для обзора положении, делится Car.ru. Основой экрана обычно является прозрачная пленка, которую клеят на стекло.
Водитель получает следующую информацию об авто:
— количество оборотов двигателя;
— температурные показатели охлаждающей жидкости;
— распознание дорожных знаков;
— данные об имеющихся неисправностях.
На экране даже можно проложить маршрут с указанием дорожных знаков. Водителю не придется отвлекаться от дороги для получения необходимых данных.
Технология нового поколения AR-HUD работает на основе голографии, применяются оптические волноводы, источником света выступают светодиоды и лазеры. Картинку при необходимости можно растянуть на все стекло.
Сегодня можно найти и более бюджетный вариант, которые можно получить с помощью гаджетов, используя специальное приложение. Смартфон располагают над приборной панелью. Но полученное таким образом изображение не отличается высоким качеством, не учитываются при этом условия освещения.
Все виды проекторов можно распределить на несколько типов:
— классический проектор представляет собой небольшой прибор — в этом формате нет возможности регулировки интенсивности свет;
— мультимедийный формат оснащается звуковым датчиком — здесь уже можно регулировать яркость дисплея и громкость;
— проектор-навигатор – более дорогой вариант, отличающийся большими размерами, информация поступает на лобовое стекло. Данные идут от спутников от системы GPS;
— проектор с видеорегистратором, позволяющий записывать в процессе движения.
Полезность этой технологии зависит от чувства меры, как ее создателей, так и пользователей. Чтобы визуализация была идеальной, без искажений — на стекле не должно быть трещин и грязи. Необходимость этого устройства каждый определяет для себя самостоятельно.
Проекция на стекле: как это работает и нужно ли на самом деле
Системы Head-up Display (HUD) заимствованы у военной авиации, где разрабатывались для оптимизации наведения прицела. Пилоты штурмовиков давным-давно получили возможность считывать важные данные не с приборов, а с прозрачного экрана, чтобы не отвлекаться. Дословно head-up display – дисплей для поднятой головы, но у нас устоялось название «проекционный дисплей».
На серийный автомобиль система HUD впервые пришла в 1988 году стараниями концерна General Motors – ее, в монохромном исполнении, получил седан Oldsmobile Cutlass Supreme. Затем появились цветные версии, но поначалу только в премиальном сегменте. В наши дни HUD начинают ставить и в более простые машины.
Как это работает
Электронный блок-проектор получает данные из диагностического блока OBD (on-board diagnostics) автомобиля, обрабатывает их и отправляет картинку на светоотражающее покрытие. Изображение выводится на ветровое стекло или выдвижной прозрачный экран – серийно реализованы обе схемы.
Все данные, которыми располагает OBD, могут быть вынесены на экран: скорость, обороты двигателя, температура охлаждающей жидкости, количество топлива, сведения о неисправностях… Вплоть до показаний любого датчика. С появлением бортовых навигаторов стало возможно «выложить» на стекло маршрут и подсказки о дорожных знаках.
Спустя некоторое время после начала массовой установки системы HUD на серийные автомобили стали появляться эрзацы – гаджеты, стыкуемые с автомобильной электроникой и выполняющие те же функции. Сегодня же можно получить совсем бюджетный вариант HUD, просто скачав мобильное приложение и установив смартфон над панелью приборов. Правда, «телефонные» изображения страдают бликами и скверным качеством, а спектр отображаемой информации ограничен.
Некоторой проблемой остается невнятная работа HUD при разных условиях освещения, особенно на ярком солнце. Заводы устраняют этот недостаток, корректируя рабочие характеристики отражающей поверхности и проектора. В случае со смартфонами эту задачу никто решать не собирается – и так сойдет.
Дополняем реальность
Дальнейшее развитие HUD связано с применением дополненной реальности (augmented reality, AR). К делу подключается штатная электроника автомобиля, умеющая анализировать окружающую обстановку и распознавать ее элементы – разметку, пешеходов, дорожные знаки, транспортные средства, направление движения объектов, их скорости и ускорения. А если заглянуть еще чуть дальше в будущее, с HUD смогут контактировать сервисы общения между автомобилями (Car-to-Car) и с инфраструктурой (Car-to-X).
Для систем нового поколения устоялось общее обозначение AR-HUD. К разработкам приступили в начале века, и вскоре многие компании доложили о готовности устройств к внедрению. Объединяет их возможность добавлять к данным, поступающим от OBD, оперативные сведения о дорожной обстановке.
Поначалу в конструкции таких HUD обычно применялась система зеркал, которые совмещали созданную проектором картинку с реальным миром. Попутно это позволяло достичь большего углового размера изображения и варьировать виртуальное расстояние от глаз водителя до формируемой картинки. Например, «рисовать» стрелки навигации прямо на дороге.
Практическое применение сдерживалось тем, что комплекс устройств занимает большой объем. Одна из разработок компании Continental, в частности, тянула на 13 литров, схожий объем – у стандартного ведра. Попробуйте разместить его под панелью приборов. Естественно, это не вызывало прилива энтузиазма у производителей автомобилей, которые экономят каждый грамм и сантиметр. И разработчики стали ломать голову над более совершенными и компактными конструкциями.
Решение нашли довольно быстро, – фактически зеркальный вариант устарел, едва встав на конвейер. Сегодня более актуальна голография с использованием оптических волноводов, где источник света – светодиоды или лазеры. Тоже недешево, зато очень компактно и перспективы открываются фантастические. Проектор нового поколения, имеющий те же размеры, что и предшественник, может растянуть картинку почти на всё ветровое стекло. В теории HUD такого уровня, взаимодействуя с интернетом, относительно реалистично покажет водителю не только сведения в привязке к маршруту, например ближайшее кафе, но и наличие там свободных столиков и, если потребуется, меню для заказа. И это прекрасно согласуется с тенденцией к наделению автомобиля функциями ближайшего друга и помощника водителя.
О чувстве меры
Группа канадских ученых провела в 2015 году серию экспериментов и доказала, что при переизбытке визуальной информации человек в 7–10 процентах случаев пропускает наиболее важную информацию или воспринимает ее искаженно. И предостерегли общественность относительно необдуманного использования AR-HUD. По мнению ученых, увеличение объема информации, получаемой водителем, размывает его внимание и концентрацию. Производители систем, в свою очередь, позиционируют их как устройства, повышающие безопасность.