Начиная с конца 80-х в машинах подороже начали появляться HUD (Head-up display) – прозрачные дисплеи, которые водитель наблюдает, глядя вперед через лобовое стекло. А еще ранее (незадолго до начала второй мировой войны), в рудиментарном виде – на самолетах, для отображения прицельной марки без параллакса с дальнейшим развитием до современных HUD.
Технологии создания HUD всегда были на острие прогресса: начиная от простых фиксированных прицельных марок из проволоки или нарисованных на стекле, до CRT дисплеев, затем ЖК и наконец DLP и голографических, с лазерной подсветкой. Именно тут, когда стали коммерчески доступны все необходимые компоненты и технологии — появился WayRay со своим продуктом Navion – каких-нибудь 7 лет назад сделать все это было бы просто невозможно: не было ни материалов, ни подходящих лазеров, ни пространственных модуляторов, да и электроника обошлась бы на порядок дороже.
Введение. Зачем вообще нужны HUD?
Собственно, цели и на самолетах и в автомобилях одни и те же: во время управления движущейся техникой каждая миллисекунда отвлечения водителя на вес золота и увеличивает шанс аварии.
Когда водитель переводит взгляд на приборную панель – водителю нужно не только физически повернуть глаза, но и «перефокусироваться» на близко-расположенный предмет, адаптироваться к существенно отличающейся яркости.
HUD привлекают возможностью вывести изображение впереди автомобиля и таким образом радикально уменьшить время отвлечения водителя. А каждая сэкономленная миллисекунда — это жизни водителей и пассажиров.
Классическая реализация HUD и её ограничения
2 основные части HUD – коллиматор и комбайнер. Коллиматор формирует изображение, кажущееся расположенным на некотором удалении. Коллиматор фактически является своего рода большим окуляром.
Комбайнер – в первом приближении полупрозрачное зеркало, совмещающее изображение реального мира и виртуальное изображение, сформированное коллиматором.
В самых примитивных системах коллиматором может быть всего одна линза или одно сферическое зеркало – но качество изображения таких систем уже достаточно плохое, чтобы это можно было заметить глазом при езде в ночное время. Почему в первую очередь в ночное? Зрачок ночью расширяется, и становится видно гораздо больше оптических аберраций. В качестве наглядной демонстрации можно показать изображение прицельной марки в простейшем коллиматорном прицеле (тоже своего рода рудиментарный HUD):
Слева — на F11 («маленький зрачок»), справа — на F2.8 («большой зрачок»):
Следующее очевидное ограничение — угловой размер изображения остается небольшой (порядка 4×2° для автомобильных систем разумного размера) и дистанция до виртуального изображения зачастую также порядка 1.5-2.5м, что все еще заставляет перефокусироваться. Расстояние приходится ограничивать также из-за габаритов — неполная коллимация позволяет сделать систему заметно меньше.
Небольшой угловой размер изображения означает, что нормально отобразить можно только очень небольшой объем информации – скорость, тип следующего маневра и расстояние до него – вот, пожалуй, и все. Классическая схема реализации HUD с большими коллиматорами, зеркалами и комбайнерами – занимает довольно большой объем и потому может быть установлена только на заводе. Все это оставляет пространство для следующего шага по улучшению HUD.
Обзор существующих технологий
Плоский комбайнер:
Классическая «самолетная» схема – коллиматор с линзами большого диаметра формирует изображение «вдали». Это изображение отражаясь от плоского полупрозрачного комбайнера — совмещается с окружающей действительностью и наблюдается пилотом. Главные недостатки – перед пилотом огромные куски стекла, оптика больших габаритов = все это очень тяжело и дорого.
Источник: Wikipedia — PZL TS-11 Iskra
Поверхность лобового стекла как комбайнер:
По этой схеме сделаны HUD в большинстве автомобилей, оснащенных такой системой на заводе. Здесь коллиматор имеет зеркальные элементы, а вместо комбайнера – специальное покрытие на лобовом стекле, чтобы отражение было только от одной его поверхности (в противном случае будет видно двоение изображения).
Среди недостатков такой схемы – схема должна компенсировать фактическую кривизну лобового стекла, достаточно большие габариты и все еще достаточно скромные угловые размеры формируемого изображения (порядка 4×2°).
Источник: Denso
Такая система в частности стоит и в некоторых моделях BMW, и с подачи журналистов — нас с ней теперь любят сравнивать. Основные отличия: угловой размер изображения (у этой классической системы он существенно меньше), расстояние до виртуального изображения (2.5м против наших 10м и более), изображение существенно ниже дороги, и не позволяет отрисовывать элементы дополненной реальности т.е. навигация по-старинке, схематической стрелочкой маневра и расстоянием до него — turn-by-turn навигация (такой режим конечно есть и у нас, если кому-то он покажется привычнее).
Дополнительный сферический комбайнер:
Пытаясь уйти от непредсказуемости формы лобового стекла, и при этом выиграв что-то по габаритам – первое что приходит на ум – заставить комбайнер быть частью коллиматора, т.е. выполнять часть оптической работы по формированию изображения вдали, а не только отражать свет. В самом простом случае – достаточно коллиматор сделать сферическим (или если чуть сложнее — внеосевым сегментом параболоида).
Так (может быть будут) сделаны aftermarket продукты Navdy, Пионер, и новое поколение встраиваемых на заводе систем Bosch.
Главная проблема тут – водителю теперь нужно смотреть через 2 стекла + уменьшающееся фокусное расстояние (при тех же габаритах) не позволяет иметь большое угловое поле.
Источник: ee-times.com, Bosch
Без коллиматора (изображение «вблизи»):
Самые примитивные системы: фактически это экран, наблюдаемый в отражении лобового стекла. Если на стекло не наклеить отражающую пленку – изображение будет двоиться (т.к. отражение будет и от передней, и от задней поверхности лобового стекла).
Эта система состоит из недостатков чуть более чем полностью: угловой размер изображения крошечный, яркость изображения – недостаточна для поездок днем (т.к. стекло отражает от 5% само по себе и до ~25% с пленкой с пропорциональным снижением прозрачности). Изображение остается «вблизи» — глазу все равно придется перефокусироваться при переводе взгляда.
Впрочем, есть и большое достоинство — такие системы дешевле и проще всего. Из самых известных примеров – продукты Garmin, и просто телефоны, который кладут экраном вверх:
Источник: techradar.com
Наконец подход WayRay Navion — голографический комбайнер:
В Navion часть оптической системы вынесена непосредственно на лобовое стекло автомобиля, и реализована в виде голографического оптического элемента. Это позволяет выжать по максимуму все, что возможно из габаритных ограничений автомобиля – и дает самый большой угловой размер изображения, который только возможен в проекционных системах при тех же заданных габаритах. По площади формируемое изображение получается от 4 до 10 раз больше, чем в классических HUD. Также из-за того, что система не так сильно страдает от ограничения габаритов — мы можем выводить изображение на бОльшем расстоянии (в классических HUD очень часто лучи коллимируются не полностью — расстояние до изображение получается порядка 2.5 метров, но это позволяет хоть как-то уменьшить габариты в классических системах).
Это резкое увеличение углового размера изображения – позволяет выводить изображения, совмещенные с реальным миром: аннотации к объектам, и самое главное – нарисовать маршрут движения непосредственно на дороге, чтобы сделать навигацию максимально естественной.
Это уже не фантастика, и с лета 2015 года вовсю тестируется на улицах России и Европы. Впрочем, от рабочего прототипа до серийного продукта – объем работ очень большой, так что купить Navion пока еще нельзя.
Из других особенностей – Navion также может управлять расстоянием до формируемого изображения. Варианты использования этой возможности мы также сейчас отрабатываем на дороге.
Прототип 2016 года сделали летом, чуть больше 1300 деталей:
В массы пойдет версия 2017 года — она будет несколько меньше по габаритам и технологичнее в производстве.
Несколько часто задаваемых вопросов:
Для начала кратко о компании. Сейчас в WayRay работает более 80 человек. БОльшая часть работает в главном офисе разработки — в Москве. Также есть отделения в США, Швейцарии и Китае. За свою историю существования компания привлекла более 10 млн долларов инвестиций. У нас полная вертикаль разработки: от механики, оптики, электроники и драйверов до софта верхнего уровня под Android, дизайна (да и ролики вроде этого кому-то надо делать). Есть своё опытное производство, где на ЧПУ станках мы производим физические прототипы быстрее Китая
3 года назад, в 2013 году — была только идея, и было непонятно как её вообще можно реализовать (и можно ли).
В 2014 — получили первые голографические оптические элементы, и проверили работоспособность идеи на стационарных стендах. Когда стало понятно, что это может работать — скорость работы и количество людей начало расти экспоненциально.
В 2015 — разработали и собрали 2 итерации прототипа на колесах, открыли свою голографическую лабораторию и цех опытного производства.
В 2016 — резко уменьшили размеры, и система существенно приблизилась к тому, как мы её видим в коммерческой эксплуатации. Также началась активная работа напрямую с автопроизводителями.
А не будут ли случайно ваши стрелочки закрывать окружающий мир и мешать водителю?
Любые проекционные системы в принципе не могут ничего закрыть по определению — они не могут сделать мир за стеклом темнее. Т.е. любые элементы интерфейса в любом случае остаются прозрачными. Этот принцип сразу «раскрывает» обман фотографий всяких инновационных проекционных часов, у которых есть магические проекторы черного цвета.
А мне не нравится как двигаются стрелочки в вашем прошлогоднем прототипе
На то он и прошлогодний. Итерации в софте идут гораздо быстрее, чем железо, и мы постоянно пробуем разные варианты реализации интерфейса. Есть конечно и классический режим, с информацией о маневрах.
Резиденты Сколково? Пилите небось?
WayRay за более чем 3 года своего существования государственных денег не получала, так что пилить было нечего. Тем не менее, от Сколково у нас налоговые льготы (что позволяет, например, не переживая платить белые зарплаты) и недавно нам наконец удалось воспользоваться таможенной льготой – импортировать Фурье-спектрометр с компенсацией существенной части таможенных расходов (хотя это уже не такие большие деньги). Также мы работаем и с центром интеллектуальной собственности Сколково — патентные исследования и подача заявок.
Когда Navion можно будет купить?
По плану – в 2017 году.
Надеюсь эта статья была вам интересна, и будет повод продолжить. Задавайте вопросы – и мы попробуем ответить, если не распнут за разглашение коммерческой тайны 🙂
