CN111076905B - 一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法。该方法包括布置虚像像质测量装置、测量虚像距离、测量虚像空间倾斜、测量下视角、测量视场角参数和测量畸变等步骤。该方法考虑虚像在三维空间中产生的变形，在竖直方向增加一个相机观察点。水平摆放的相机对于虚像出现的空间变形可能无法识别，不足以与虚像本身的畸变进行区分，通过三个点进行观察，然后针对空间倾斜的情况实现对角度的测量。

Description

一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法

技术领域

本发明涉及车载抬头显示技术领域，特别涉及一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法。

背景技术

HUD(Head Up Display，车载抬头显示器)通过在驾驶员视野前方投影虚像，减少行车中的视线转移时间，使驾驶人员的视线和注意力更少的偏离道路，提升行车安全性。因此HUD系统需要保证虚像的投影准确性和可识别性，避免由于HUD投影虚像质量不佳而对安全行车造成隐患。需要对HUD的虚像像质进行客观评价，对虚像的评价参数进行测量。

目前，所有已有的对抬头显示系统进行测量的方法，都基于一个前提——虚像位于一个竖直平面上。但实际上，由于生产、装配中存在的问题，抬头显示系统的图像会存在严重的倾斜或是不规则的空间上的变形，即图像不位于竖直平面之上。因此需要对图像的空间形状进行测量。

虚像距离是抬头显示测量中的一个重要参数，它是指车载抬头显示投影的虚像平面到驾驶员眼动范围平面的距离。基于这样的定义，通常认为虚像存在一个确定的距离。目前对抬头显示虚像的测量主要是通过成像测量的方式，主要分为基于单目调焦测距原理的方法和基于双目视差原理的方法。单目测距通过相机清晰成像时的物像关系计算出虚像距离，这种方法完全忽略了虚像的三维形变，且需要拍摄多个图像，常常需要实物标定，操作较为繁琐。双目视差测量则利用可移动参考屏，当水平放置左相机拍摄的虚像与右相机拍摄的虚像在参考屏上处于同一位置时，通过将虚像距离转化为参考屏到相机的距离完成测量，这种方法由于需要物理移动参考屏、判断左右虚像是否在参考屏上重合，操作较为复杂；且虚像的距离决定参考屏的移动距离，虚像距离较大的HUD系统对测量场地要求较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法，包括以下步骤：

1)在挡风玻璃前方布置参考屏。在挡风玻璃后方布置相机和HUD装置。其中，所述参考屏上设置有刻度和参考线。相机与计算机相连接。相机可在驾驶员眼动范围内移动。HUD装置的虚像投影在参考屏上。相机对虚像进行拍摄并传递至计算机。

2)利用双目视差原理，通过两台相机拍摄到的虚像中心在参考屏上的间距计算虚像距离。

3)控制HUD装置使投影虚像为矩形。在驾驶员眼动范围内增加竖直观察点对虚像进行拍摄。当虚像产生不规则形变时，利用视差测距方法对虚像多点测距，得到虚像在空间中的形状。针对虚像产生空间上的倾斜的情况，利用视差测距方法测量虚像的空间倾斜角度。

4)将一台相机固定到眼动范围中心位置。移动参考屏，使相机观察到虚像中心与参考屏中心位置重合。通过相机拍摄时中存在的三角形关系计算下视角和视场角。

5)通过参考屏上的刻度线观察虚像畸变情况。

进一步，步骤2)中，双目相机左镜头拍摄到的虚像中心和右镜头拍摄到的虚像中心投影在参考屏上的位置存在水平距离差。虚像中心到相机的距离D为：

式中，x为左右观察到的虚像中心在参考屏上的距离差，b为两相机间距，L为参考屏到相机的距离。其中，参考屏上左右虚像中心偏移距离x通过对比拍摄图像中的参考屏上坐标算出。

进一步，步骤3)中，在驾驶员眼动范围内，通过固定三台相机或移动相机到直角三角形的三个顶点位置，对虚像进行拍摄。

进一步，步骤5)之后还具有根据HUD的设计规格进行参数评价的相关步骤。其中，虚像距离、下视角和视场角决定了虚像在空间中的位置。空间倾斜和畸变用于评估虚像的显示效果。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.利用双目视差的原理，固定参考屏，通过水平放置的两相机拍摄到的虚像在参考屏上的间距计算虚像距离，避免了测量时反复移动参考屏，解决了场地限制的问题；

B.在双目测距的基础上，本发明考虑虚像在三维空间中产生的变形，在竖直方向增加一个相机观察点。水平摆放的相机对于虚像出现的空间变形可能无法识别，不足以与虚像本身的畸变进行区分，通过三个点进行观察，可以实现虚像空间形状的测量，针对空间倾斜的情况实现对角度的测量。

附图说明

图1为虚像像质测量装置；

图2为虚像距离示意图；

图3为虚像距离测量方法原理图；

图4为虚像空间倾斜示意图；

图5为测量虚像空间变形角时相机布置示意图；

图6为说明虚像空间倾斜角计算关系的示意图；

图7为下视角测量原理图；

图8为视场角测量原理图；

图9为畸变测量示意图；

图10为畸变类型示意图。

图中：相机1、挡风玻璃2、HUD装置3、参考屏4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法，包括以下步骤：

1)按车辆内坐标固定相关部件。其中，HUD装置3、挡风玻璃2以及驾驶员人眼所在位置的相对位置关系如图1和图2所示。

采用校正良好的两台相机1，放置于驾驶员眼动范围内，对挡风玻璃2前方的虚像进行拍摄。在挡风玻璃前方设置一块竖直参考屏，使抬头显示的虚像投影在参考屏之上。根据上述说明，需要搭配相应的测量结构还原车内坐标，包括挡风玻璃和抬头显示装置的支持结构。需要搭配相应的相机支撑结构，使相机水平的位于驾驶员眼动范围内且可以进行移动。相机与计算机相连接，相机拍摄的图像可直接在计算机上观察和处理。参考屏上标明明确的刻度和参考线，用可滑动的支撑结构支撑，摆放于挡风玻璃之后小于虚像距离位置处，要求虚像投影在参考屏之上。HUD投影的虚像要求虚像的图像中心容易辨认(通常HUD虚像的畸变中心位置较小，边缘的畸变会对测量造成影响)，颜色与参考屏颜色存在区分，便于对HUD虚像的移动进行判定。

2)测量虚像距离。两台相机水平放置于驾驶员眼动范围内，此时左相机拍摄到的虚像中心和右相机拍摄到的虚像中心，投影在参考屏上的的位置存在一段水平距离差。如图3和图4所示，由左右观察到的虚像中心在参考屏上的距离差x、两相机间距b、参考屏到相机的距离L，根据相似三角形：

参考屏到相机距离L，相机间距b通过实际测量得到，参考屏上左右虚像中心偏移距离x可以通过对比拍摄图像中的参考屏上坐标算出，因此虚像中心到相机的距离：

认为虚像处于竖直平面时，取相对虚像周围畸变最小的虚像中心点的距离作为虚像距离。

3)虚像空间倾斜测量。虚像畸变会随观察位置变化而变化，而虚像空间的变形不会随观察位置变化。增加竖直方向的观察点可以获取更多的空间信息，观察虚像的三维形态，如图5所示。

针对三维变形中虚像倾斜的测量，控制HUD装置使投影虚像为矩形形状，在驾驶员眼动范围内，通过固定三台相机或移动相机到直角三角形的三个顶点位置，对HUD虚像进行拍摄。若在三台位置观察到的虚像为明显的梯形且具有一致性，则认为是虚像产生空间上的倾斜所导致。测量倾斜如图3所示，根据梯形的方向可进行判断。图6表示了倾斜度θ与其余测量值之间的关系。使用发明中的视差测距方法测量出点A和点B的距离D1、D2，测量出参考屏到相机距离L，眼动范围中心高度h1(即相机位置)，虚像投影在参考板顶端高度h2、底端高度h3。

可以看出：

X1、X2和X3为中间过渡的量。X1、X2和X3所在位置如图6所示。X1-X2-X3为虚像倾斜角度θ所形成的直角三角形的一条边。由相似三角形，可以得出：

所以倾斜角：

4)测量下视角、视场角参数。各相关部件在车辆坐标内安置完毕，将一台相机固定到眼动范围中心位置，在小于设计虚像距离位置固定好参考屏，使相机观察到虚像中心与参考屏中心位置重合。

如图7所示，眼动范围中心高度h1，参考屏到相机距离L。根据相机拍摄图像找到虚像中心在参考屏上投影位置所在高度h4。

下视角η计算公式：

在测量下视角的数据基础上，测量虚像的长n，根据图8所示的几何关系，得出视场角的计算公式为：

垂直视场角：

水平视场角：

5)测量畸变。参见图9和图10，抬头显示装置投影图片为网格状。图9a为投影虚像图，图片上横向和纵向线条均匀分布，横纵线条为奇数不小于三条，形成均匀分布的交点。固定参考屏使虚像投影在参考屏之上，参考屏上使用横纵交错的刻度线。图9b眼动范围内相机位置示意图。用校正良好相机，在眼动范围中心和边缘的九个点分别对虚像进行拍摄。10a为桶形畸变，10b为枕形畸变。

抬头显示的虚像投影到参考屏刻度线上，通过参考屏可快速判断畸变情况，测量得到ΔH、H的具体值，计算畸变。

畸变计算式：

6)根据HUD的设计规格进行参数评价。其中，虚像距离、下视角和视场角决定了虚像在空间中的位置。空间倾斜和畸变用于评估虚像的显示效果。在实际生产中，虚像距离W-HUD通常大于2.5米，AR-HUD大于7.5米。虚像的显示除设计要求之外不应出现空间倾斜、变形。下视角和视场角大小满足设计，畸变小于人眼识别范围。

Claims (2)

1.一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在挡风玻璃(2)前方布置参考屏(4)；在挡风玻璃(2)后方布置相机(1)和HUD装置(3)；其中，所述参考屏(4)上设置有刻度和参考线；相机(1)与计算机相连接；相机(1)可在驾驶员眼动范围内移动；HUD装置(3)的虚像投影在参考屏(4)上；相机(1)对虚像进行拍摄并传递至计算机；

2)利用双目视差原理，通过两台相机(1)拍摄到的虚像中心在参考屏(4)上的间距计算虚像距离；双目相机左镜头拍摄到的虚像中心和右镜头拍摄到的虚像中心投影在参考屏上的位置存在水平距离差；虚像中心到相机的距离D为：

式中，x为左右观察到的虚像中心在参考屏上的距离差，b为两相机间距，L为参考屏到相机的距离；其中，参考屏上左右虚像中心偏移距离x通过对比拍摄图像中的参考屏上坐标算出；

3)控制HUD装置(3)使投影虚像为矩形；在驾驶员眼动范围内增加竖直观察点对虚像进行拍摄；当虚像产生不规则形变时，利用视差测距方法对虚像多点测距，得到虚像在空间中的形状；针对虚像产生空间上的倾斜的情况，利用视差测距方法测量虚像的空间倾斜角度；

4)将一台相机(1)固定到眼动范围中心位置；移动参考屏(4)，使相机(1)观察到虚像中心与参考屏(4)中心位置重合；通过相机拍摄时中存在的三角形关系计算下视角和视场角；

5)通过参考屏上的刻度线观察虚像畸变情况；

6)根据HUD的设计规格进行参数评价；其中，虚像距离、下视角和视场角决定了虚像在空间中的位置；空间倾斜和畸变用于评估虚像的显示效果。

2.根据权利要求1所述的一种车载抬头显示虚像像质综合测量方法，其特征在于：步骤3)中，在驾驶员眼动范围内，通过固定三台相机或移动相机到直角三角形的三个顶点位置，对虚像进行拍摄。

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