CN117980177A - 使hud的成像单元中的图像内容单独扭曲以用于理想地展示深度信息 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于交通工具的用于视场显示装置的运行方法。所述视场显示装置包括成像单元和部分透明的反射玻璃，所述成像单元构造用于产生具有显示内容的光射束，所述部分透明的反射玻璃构造在用户的视场中，反射玻璃将光射束反射至用户的眼动范围，并且由此在反射玻璃后的虚拟图像平面中向用户展示所述显示内容。在此，将相应的显示内容划分为多个展示子区域，所述多个展示子区域中的每个展示子区域在其在成像单元中产生时以分别配设的单独的数字的扭曲矩阵预变形，所述数字扭曲矩阵独立于其他的展示子区域而预先确定或动态确定，从而各个展示子区域能在虚拟图像平面中以彼此不同的透视特性被展示。

Description

使HUD的成像单元中的图像内容单独扭曲以用于理想地展示 深度信息
技术领域
本发明涉及一种用于机动车或者其他陆地、空中或者水上交通工具的视场显示装置，所述视场显示装置也被称为平视显示器(HUD)。这种装置被构造用于通过在部分透明的反射玻璃上(如交通工具的前挡风玻璃、后窗玻璃或侧玻璃)或者是为此特意设置的布置在用户视场中的组合玻璃上的反射产生直接显现到用户视场中的虚拟图像。本发明特别是涉及一种用于运行这种视场显示装置的方法以及一种装备有所述视场显示装置的交通工具。
背景技术
在交通工具中利用平视显示器例如将速度信息和其他有用的导航提示和交通工具操作提示、亦或娱乐内容以虚拟图像的形式叠加到被驾驶员或其他乘员观察的在交通工具前方的真实环境图像上。为此，传统构造型式的HUD包括安装在仪表板的顶侧之下的投影单元。所属投影单元一方面包括成像单元、例如显示器，以用于产生具有期望的显示内容的光射束。此外，投影单元一般包括投影光学器件、例如一个或多个反射镜，以便将光射束以合适的形式和方向投射到部分透明的反射玻璃上，通过在反射玻璃上的反射使显示器的显示内容显现到用户的视场中。在此，通过选择投影单元和反射玻璃的各个部件的光学特性和彼此的布置结构来确定：虚拟图像以何种距离、尺寸和质量展示在反射玻璃之后，以及要从交通工具中的哪个针对用户眼睛确定的空间区域(眼动范围(Eyebox))中可见该虚拟图像。
目前可用于机动车的平视显示器一般具有几乎竖直的虚拟图像平面。但是对于未来的用于道路交通工具的HUD技术来说，也已知一种方案，在该方案中通过成像单元的合适的倾斜，虚拟图像平面可以不再垂直于道路、而是特别是几乎平行于道路，例如在DE112019003420T5中所示出的那样。由此可以在观察者处产生清晰的深度效果或3D效果。
此外已知的是，为了校正图像亦或为了产生透视印象，在产生显示内容时，在成像单元中以合适的数字扭曲矩阵(Warping-Matrix)对显示内容进行预变形(参见图2)。
发明内容
本发明的目的是，提出一种备选的和/或在展示可能性、深度印象、图像质量和/或其他方面改进的用于视场显示装置的运行方法，所述视场显示装置特别适合于应用在交通工具中。
所述目的通过一种按照权利要求1的用于运行视场显示装置的方法以及通过按照并列权利要求的相应的控制单元、视场显示装置以及配备有所述视场显示装置的交通工具实现。其他设计方案在从属权利要求中给出。所有在权利要求和后续对于所述方法的描述中提及的其他特征和作用关于控制单元、视场显示装置和交通工具也适用，反之亦然。
根据第一方面，设置一种用于视场显示装置的运行方法，所述视场显示装置特别可以应用在交通工具中。所述视场显示装置例如可以构造为平视显示器(HUD)。所述交通工具可以是机动车，也可以是任意其他陆上、空中或水上交通工具。
视场显示装置具有成像单元(英文：Picture Generating Unit,PGU)，所述成像单元构造用于产生具有期望的显示内容的光射束。在此可以涉及任何合适的成像装置、如例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)、硅上液晶(LCOS，Liquid Crystal onSilicon)或基于μLED或OLED的自发光显示器、亦或DMD装置(数字微镜装置)等的显示器。
在由成像单元产生的光射束的光路中可以设置有合适的投影光学器件，所述投影光学器件例如可以包括一个或多个反射镜、例如折叠反射镜和/或凹面反射镜。投影光学器件的具体的设计方案和布置结构要在每种具体的应用情况中为其设计和优化，使得光射束由此以预定的形状和方向投射到布置在用户的视场中的部分透明的反射玻璃上，以便被所述反射玻璃反射到用户的眼动范围，并由此在反射玻璃后的虚拟图像平面中以虚拟图像的形式向用户展示显示内容。反射玻璃例如可以由交通工具的前挡风玻璃的区段或者由额外布置在前挡风玻璃前的组合玻璃形成。因此，反射玻璃不强制是下文进一步说明的视场显示装置的组成部分，所述视场显示装置例如在使用交通工具前挡风玻璃作为反射玻璃时也可以在没有反射玻璃的情况下被制造和销售。视场显示装置的眼动范围一般被理解为二维或三维的空间区域，从该空间区域中可不受限制地看见所述虚拟图像。
要在相应的时刻展示的显示内容在该显示内容产生前或在该显示内容产生时在成像单元中划分为多个展示子区域(所谓的区域划分)，所述展示子区域同时展示在虚拟图像平面中。因此，在虚拟图像平面中整体可展示的显示内容由这些各个子区域组成。
这些展示子区域中的每一个展示子区域在其在成像单元中产生前或产生时，以配设的单独的扭曲矩阵(预)变形，该扭曲矩阵独立于显示内容的相应其他各子区域被预先确定或动态确定。由此，显示内容的各个展示子区域可在虚拟图像平面中以彼此不同的透视特性被展示。
在现有技术中，所有的显示内容以唯一一个扭曲矩阵变形(参见图2)，因此，与现有技术不同，本方法的构思在于，将显示内容分割成面子区域，以便将彼此独立的、不同的扭曲矩阵应用于不同的子区域(如图3所示)。在此，特别是对于具有从竖直位置向外倾斜的虚拟图像平面的平视显示器而言能够不仅展示二维信息(例如简单的文本)，而且展示具有3D效果的倾斜的深度信息(例如接触模拟地展示的标记)。在此，可以通过对图像的透视变形区分所述内容与其他内容，所述透视变形是根据相应内容的性质和可展示性单独选择的。为了实现这一点，也为了以尽可能简单的仪器手段提供对显示内容的尽可能大的展示灵活性，在此提出一种解决方案，即，针对显示内容的不同内容/子区域应用单独的数字扭曲(即单独定义的扭曲矩阵)。特别是，由此能够同时组合三维呈现的(例如动态的、即其位置在虚拟图像平面中改变的)显示和二维的(例如静态的、即在虚拟图像平面中固定的)显示。在此，本发明可以应用于虚拟图像平面的任何类型和位置，特别是应用于具有竖直的亦或水平的或介于竖直和水平之间的倾斜的虚拟图像平面的视场显示装置。
特别是，这些展示子区域中的至少一个展示子区域通过如下方式限定，该展示子区域包含如下对象，所述对象要在虚拟图像平面中以深度效果(换句话说，三维呈现地)和/或接触模拟地(即定向到位于反射玻璃后的真实的环境对象上)展示。为此目的，所配设的扭曲矩阵构造为，使得所述扭曲矩阵透视地预变形这些展示子区域，以引起分别所期望的单独的深度效果和/或接触模拟的效果，所述效果在各个子区域之间也可以是非常不同的。在此，这些扭曲矩阵可以必要时附加于预先确定的图像校正而限定，以便以本身已知的方式校正在其他的光路中可能的像差。
此外，至少一个展示子区域可以通过如下方式限定，该展示子区域包含如下对象，所述对象要在虚拟图像平面中无深度效果地展示。这样的对象或子区域例如可以是具有与系统相关或交通工具相关的说明的或不与真实环境对象关联的其他说明的文本区域。但其也可以是静态的符号，例如预先确定的报警符号。在此，配设的扭曲矩阵构造用于完全不变形这些展示子区域、或仅根据预先确定的图像校正而没有深度效果和/或接触模拟的效果地变形这些展示子区域。
显示内容到各个展示子区域的划分和/或对配设的单独的扭曲矩阵的确定可以根据相应要展示的显示内容是动态的、即随时间变化的。因此例如在自动驾驶模式中在驾驶员座椅的放松位置中，可以用一个统一的扭曲矩阵在虚拟平面的整个可用面上向驾驶员展示影片或其个人电脑的桌面图像，而驾驶员在主动控制交通工具时在虚拟图像平面的不同区域(其根据情况动态确定)中以相应优化的不同的变形(扭曲)获得用于引导交通工具的各种类型的重要信息。
备选地，在更简单的情况下，显示内容到各个展示子区域的划分和/或对配设的单独的扭曲矩阵的确定也可以是静态的，其方式为，事先预定义所述划分和/或扭曲矩阵。因此例如可以在虚拟图像平面的始终相同的区域中并且以始终相同的透视展示特性始为交通工具的驾驶员始终展示相同类型的信息，例如在图像的上部展示当前限速和当前实际交通工具速度，而在下部图像区域中沿着道路透视变形地展示接触模拟的箭头标记或与前方行驶的其他交通工具的当前距离作为导航辅助，或反之亦然。
根据另一方面，设置一种控制单元，所述控制单元构造和设置用于自动地实施本文所提出类型的方法。为此，可以在控制单元中例如安装相应的计算机程序，并且在运行视场显示装置时运行该计算机程序。
根据另一方面，设置一种用于应用在交通工具中的视场显示装置。除了构造用于产生具有期望的显示内容的光射束的成像单元之外，所述视场显示装置还包括上述控制单元。所述视场显示装置还可以包括布置在光射束的光路中的、至少部分透明的反射玻璃，所述反射玻璃布置和构造在用户的视场中，使得所述反射玻璃将光射束反射到针对用户预先确定的眼动范围，由此能够在反射玻璃后的虚拟图像平面中向用户展示显示内容。此外，在由成像单元产生的光射束的光路中可布置和构造至少一个反射镜和/或其他光学元件，用于将光射束以预先确定的形状和方向投射到反射玻璃上，以便光射束由反射玻璃反射到用户的眼动范围，并由此在反射玻璃后的虚拟图像平面中向用户展示显示内容。成像单元、反射镜和可能的其他投影光学器件例如可以组合在一个空间紧凑的投影单元中。特别是，视场显示装置可以构造用于在安装在交通工具中的情况下，在关于交通工具本身的笛卡尔坐标系水平倾斜的(即，例如以不大于45°的倾斜角)或基本上水平的虚拟图像平面中展示所述显示内容。
根据另一方面，设置一种交通工具，特别是机动车或任意其他陆上、空中或水上交通工具。在此使用的空间方位术语，如“上方”、“下方”、“前方”、“侧向”、“水平”、“竖直”等，在此与具有交通工具的相互垂直的纵轴线、横轴线和竖直轴线的常规的交通工具固定的笛卡尔坐标系有关。
所述交通工具包括前挡风玻璃和布置在所述前挡风玻璃下的仪表板，并且所述交通工具配备有本文所提出类型的视场显示装置。其成像单元或其整个投影单元(其包括成像单元连同上文提及的投影光学器件)可以特别是布置在仪表板的内部中或布置在仪表板的上侧中/上，例如直接安装在仪表板的上侧之下，使得光射束被投影单元投射到前挡风玻璃上或投射到在交通工具内侧在前挡风玻璃前定位在驾驶员或其他乘员的视场中的组合玻璃上，所述组合玻璃用作部分透明的反射玻璃。备选地，视场显示装置也可以安装在交通工具中的任何其他合适的位置处。
附图说明
下面附加地借助于在附图中示出的示例进一步阐述本发明的上述方面和其特定的变型实施方案。附图应理解为纯示意性的图示，即不是按比例尺的图示。图中：
图1以竖直纵剖视图示出在机动车中的本文所给出类型的视场显示装置的实施例；
图2示出在运行传统的视场显示装置时按照现有技术的方法步骤，其中，所有要展示的显示内容在其产生时借助于唯一一个扭曲矩阵被预变形；以及
图3示出在运行图1的视场显示装置时本文所给出类型的方法步骤的示例，其中，要展示的显示内容被划分为具有不同类型的对象的多个(此处为三个)不同的面子区域，所述不同的面子区域随后被分别单独的、彼此不同的扭曲矩阵变形。
具体实施方式
图1以强烈简化的示意性的竖直纵剖视图示出交通工具1的一个实施例，所述交通工具具有本文所给出类型的视场显示装置2。该示例涉及一种机动车，该机动车仅通过其前挡风玻璃3表示。在其下方，在未详细示出的仪表板4中布置有视场显示装置2的投影单元5。其纯示例性地涉及一种平视显示器(HUD)。前挡风玻璃3在该示例中用作视场显示装置2的部分透明的反射玻璃，因此针对用户(驾驶员或其他乘员，仅通过其眼动范围E表示)的虚拟图像在其直接视场中呈现在虚拟图像平面V中，所述虚拟图像平面在交通工具外侧位于前挡风玻璃3前方的预定距离处。在该示例中，虚拟图像平面V以预定的翻转角(该翻转角在图1中仅示意性地表示)相对于水平面倾斜布置。
投影单元5包括构造用于产生具有期望的显示内容的光射束L的成像单元6(也称为图像生成单元，Picture Generating Unit,PGU)、例如显示器，如TFT-LCD。由成像单元6发出的光射束L由其中心射束简化地表示，该中心射束从显示器的中心引导到眼动范围E的中心。眼动范围E在交通工具1中相对于前挡风玻璃3位于预先确定的位置处，并且是针对用户眼睛确定的空间区域，从所述空间区域中可以不受限制地看到虚拟图像。
在图1中纯示例性地示出，在投影单元5内部中在光射束L的光路中布置有折叠镜7和凹面反射镜8。所述折叠镜7和凹面反射镜8这样构造，使得光射束L以合适的形状和方向离开投影单元5，以便随后从前挡风玻璃3反射到眼动范围E。
图2示出在运行传统的视场显示装置时由现有技术已知的方法步骤。在该方法步骤中，在成像单元6中产生整个要展示的显示内容之时或之前，利用一个唯一统一的扭曲矩阵M预变形(如弯曲箭头所示)整个要展示的显示内容(如其例如在图2左侧所示的那样)。变形的结果在图2的右侧可见，并且因此在成像单元6中产生并因此也在虚拟图像平面中对于用户可见。在此，通过共同的扭曲矩阵M以相同的方式对显示内容的所有不同的对象/内容O1、O2和O3进行透视变形。然而在此，这种变形不是对于所有对象/内容都适用或是期望的。因此，虽然要以接触模拟的方式或透视的方式展示的方向箭头(对象O1)通过扭曲矩阵M被成像到为此目的几乎理想的经透视变形的对象O1’上，但是通过这种变形，数字区域(对象O2)(与方向箭头不同，该数字区域在内容上与另外的环境对象相关)与内容不匹配地被转换为经变形的对象O2’，其本应朝向与方向箭头不同的方向变形(例如在图3中所示)。而第三对象O3(所述第三对象是一个文本区域，其具有与真实的环境对象没有关联的信息)在理想情况下应当完全不被扭曲(例如在图3中所示)，然而这在图2中这是不可能的。与方向箭头类似地，其被矩阵M转换为经透视变形的对象O3’，由此文本不仅显得歪歪扭扭，而且还变小，并因此整体上可读性更差。
为了解决这些问题，图3示出在运行图1的视场显示装置时所使用的本文所给出类型的方法的相应步骤的示例。与图2相对，在此将要展示的显示内容划分为多个(纯示例性地划分为三个)不同的面状的展示子区域D1、D2和D3，其具有上面提及的不同类型的对象O1、O2和O3，如在图3中左侧所示的那样。然后，以分别配设的单独定义的扭曲矩阵M1、M2和M3将这些子区域D1、D2和D3(以及因此将包含在其中的对象O1、O2和O3)变形，所述扭曲矩阵针对这些子区域D1、D2和D3的相应内容是彼此独立地优化的，并相应地具有彼此强烈不同的效果。因此，在图3中，如所期望的那样，文本区域被局部矩阵M3无变形地转变为其本身(O3’＝O3)，而数字区段则以与方向箭头通过其局部矩阵M1变形不同的方式通过局部矩阵M2透视变形，从而针对它们各自的内容而彼此独立地呈现被理想地透视变形的对象O2’和O1’。
附图标记列表
1 交通工具
2 视场显示装置
3 前挡风玻璃
4 仪表板
5 投影单元
6 成像单元
7 折叠镜
8 凹面反射镜
M、M1-M3 扭曲矩阵
D1-D3 展示子区域
O1-O3 扭曲前的对象
O1’-O3’扭曲后的对象
L 光射束
V 虚拟图像平面
E 眼动范围

Claims (10)

1.一种用于运行视场显示装置(2)的方法，所述方法特别是用于应用在交通工具(1)中，其中，
-所述视场显示装置(2)包括成像单元(6)和部分透明的反射玻璃，所述成像单元构造用于产生具有期望的显示内容的光射束(L)，所述部分透明的反射玻璃布置和构造在用户的视场中，使得所述光射束(L)从反射玻璃反射至用户的眼动范围(E)，并且由此在反射玻璃后的虚拟图像平面(V)中向用户展示所述显示内容；
-将相应的显示内容划分为多个展示子区域(D1、D2、D3)，所述多个展示子区域一起展示在虚拟图像平面(V)中；以及
-将这些展示子区域(D1、D2、D3)中的每一个展示子区域在其在成像单元(6)中产生时以配设的单独的数字的扭曲矩阵(M1、M2、M3)预变形，所述数字扭曲矩阵独立于相应其他的展示子区域而预先确定或动态确定，由此各个展示子区域(D1、D2、D3)能在虚拟图像平面(V)中以彼此不同的透视特性被展示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
-所述展示子区域中的至少一个展示子区域(D1、D2)定义为所述至少一个展示子区域包含如下对象(O1、O2)，所述对象要在虚拟图像平面(V)中以深度效果和/或接触模拟地展示；和
-所配设的扭曲矩阵(M1、M2)构造为，使得所述展示子区域(D1、D2)透视地变形，以获得分别单独的深度效果和/或接触模拟的效果，所述深度效果和/或接触模拟的效果在子区域(D1)和子区域(D2)之间也能是不同的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
-所述展示子区域中的至少一个展示子区域(D3)定义为所述至少一个展示子区域包含如下对象(O3)，所述对象要在虚拟图像平面(V)中无深度效果地展示，特别是具有不与真实环境对象关联的与系统相关或与交通工具相关的或其他的说明的文本区域；以及
-所配设的扭曲矩阵(M3)构造为，使得所述展示子区域(D3)不变形或仅根据预先确定的图像校正变形而没有深度效果和/或接触模拟的效果。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
-根据分别要展示的显示内容动态地将显示内容划分为各个展示子区域(D1、D2、D3)和/或确定配设的单独的扭曲矩阵(M1、M2、M3)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，
-显示内容到各个展示子区域(D1、D2、D3)的划分和/或对配设的单独的扭曲矩阵(M1、M2、M3)的确定是静态的，其方式为，其事先预定义。
6.一种控制单元，所述控制单元构造和设置用于自动地实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
7.一种视场显示装置(2)，所述视场显示装置用于应用在交通工具(1)中，所述视场显示装置包括：
-成像单元(6)，所述成像单元构造用于产生具有期望的显示内容的光射束(L)；
-根据权利要求6所述的控制单元；并且
-所述视场显示装置优选还包括布置在所述光射束(L)的光路中的至少部分透明的反射玻璃；
-所述反射玻璃布置和构造在用户的视场中，使得所述反射玻璃将光射束(L)反射到针对用户预先确定的眼动范围(E)，由此能够在所述反射玻璃后的虚拟图像平面(V)中向用户展示所述显示内容。
8.根据权利要求7所述的视场显示装置(2)，所述视场显示装置还包括：
-至少一个反射镜(7，8)，所述反射镜布置和构造在由成像单元(6)产生的光射束(L)的光路中，使得光射束(L)以预先确定的形状和方向投射到反射玻璃上，以便被反射玻璃反射到用户的眼动范围(E)，并且由此在反射玻璃后的虚拟图像平面(V)中向用户展示所述显示内容。
9.根据权利要求7或8所述的视场显示装置(2)，所述视场显示装置构造用于在安装在交通工具(1)中的情况下，在关于交通工具本身的笛卡尔坐标系水平倾斜的或水平设置的虚拟图像平面(V)中展示所述显示内容。
10.一种交通工具(1)、特别是机动车，所述交通工具具有交通工具本身的笛卡尔坐标系的相互垂直的纵轴线、横轴线和竖直轴线，所述交通工具包括：
-前挡风玻璃(3)和布置在所述前挡风玻璃下的仪表板(4)；以及
-根据权利要求7至9中任一项所述的视场显示装置(2)，所述视场显示装置的成像单元(6)布置在所述仪表板(4)的内部中或布置在仪表板的上侧中或上，并且所述视场显示装置的反射玻璃构造为所述前挡风玻璃(3)的区段或者构造为在交通工具内侧设置在前挡风玻璃前的组合玻璃。
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