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AR HUD – Entwicklung eines hochauflösenden, retinal begrenzten Displays

| Autor/ Redakteur: Jackson Thomas* / Benjamin Kirchbeck

Immer häufiger werden Informationen mithilfe von Head-up-Displays (HUDs) mit AR -Unterstützung (Augmented Reality) direkt in der Sichtlinie des Fahrers dargestellt. Doch aufgrund der zunehmenden Größe der in Automobilen verbauten Displays steigen auch die Anforderungen an die Auflösung.

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Head-up-Display (HUDs) mit AR -Unterstützung (Augmented Reality).
Head-up-Display (HUDs) mit AR -Unterstützung (Augmented Reality).
(Bild: Conti)

Ein AR-HUD erzeugt ein virtuelles Bild, das auf eine Entfernung von 7,5 m bis 15 m vor dem Fahrer fokussiert ist. Die Auflösung wird daher nicht durch die absolute Pixelanzahl oder die Zahl der Pixel pro Zoll (pixel per inch, ppi) angegeben, sondern in Pixeln pro Grad (pixel per degree, ppd). Der grundsätzliche Aufbau eines AR-HUD ist in Bild 1 zu sehen.

Bild 1: Typische Konfiguration eines Head-up-Displays.
Bild 1: Typische Konfiguration eines Head-up-Displays.
(Bild: TI)

Auflösungsdichte und Pixel pro Grad

Unsere Augen nehmen die absolute Auflösung eines Bilds weniger wahr als die Auflösungsdichte. Die Auflösungsdichte wird häufig in ppi oder auch in Pixeln pro cm (px/cm) angegeben. Ein HD-Bild mit 1080p scheint, wenn es auf einem 20“-Computerbildschirm betrachtet wird, eine deutlich höhere Auflösung zu haben als dasselbe Bild, wenn es aus derselben Entfernung auf einem 65“-Flachbildfernsehgerät gesehen wird. Der Grund hierfür ist, dass der ppi-Wert des kleineren Bildschirms deutlich größer ist.

Dennoch ist mit der Angabe der Auflösungsdichte in ppi bei weitem noch nicht alles gesagt, da die Betrachtungsentfernung nicht berücksichtigt wird. Selbst bei einem UHD- oder 4K-Display kann man gegebenenfalls noch einzelne Pixel erkennen, wenn man es aus einer Entfernung von nur wenigen Zentimetern betrachtet. Da der Betrachtungsabstand so wichtig für die wahrgenommene Auflösung ist, sollte die ppd-Angabe verwendet werden, um die Auflösung für alle Distanzen exakter angeben zu können.

Das typische Maß für perfektes Sehvermögen ist 20/20 (Fuß) oder 6/6 (Meter). Eine Person mit einem Sehvermögen von 20/20 kann Pixel mit 60 ppd oder weniger auflösen, sodass alle Bilder mit einer Auflösung von mehr 60 ppd für diesen Betrachter von gleicher Deutlichkeit sind. Da weniger als 20 % der Menschen über 35 Jahre ein Sehvermögen von besser als 20/20 haben, gilt der Wert von 60 ppd typisch als die höchste Auflösung, die Menschen erreichen können. Dies ist somit auch der Grenzwert für ein retinal (d. h. von der Netzhaut) begrenztes Display. Anders ausgedrückt: Jedes Display mit einer Auflösung von mindestens 60 ppd sieht hervorragend aus. Betrachtet man beispielsweise das Infotainment-Display des Tesla Model S (17 Zoll, 1.920 x 1.200 Pixel) aus einer Distanz von etwa einer Armlänge (gut 60 cm), so erreicht es genau diese Auflösung von 60 ppd.

Zur Ermittlung des ppd-Werts dividiert man die Zahl der in einer Dimension auf dem Bildschirm sichtbaren Pixel durch den Winkel, den das Display im Blickfeld (Field of View, FOV) des Betrachters einnimmt. Wird beispielsweise ein Handy-Display, das in der Höhe 4,1 Zoll misst, aus einer Distanz von 10 Zoll betrachtet, belegt es im vertikalen FOV einen Winkel von etwa 23,2 Grad. Beträgt die vertikale Auflösung des Displays 1.334 Pixel, sieht man in vertikaler Richtung etwa 57,6 ppd. Siehe hierzu Bild 2.

Bild 2: Definition des ppd-Werts.
Bild 2: Definition des ppd-Werts.
(Bild: TI)

Die Auflösung bei Head-up-Displays

Da sich die Auflösung eines HUD mit dem Blickfeld ändert, muss man die Bedeutung der gewünschten Auflösung verstehen und außerdem wissen, ab wann eine weitere Steigerung der Bildauflösung keine Verbesserung der Bildqualität mehr bewirkt. HUD-Systeme werden in der Regel für Auflösungen von mehr als 60 ppd ausgelegt.

Tatsächlich ist ein Wert von 80 ppd eine sehr typische Auflösungsvorgabe für HUD-Designs, denn dieser höhere Wert lässt einen gewissen Spielraum für Faktoren, die die Bildauflösung geringfügig reduzieren – zum Beispiel eine Verwerfung des Bilds zum Formen des Displays oder etwaige systembedingte Bildverzerrungen. Dennoch kann auch unter diesen Umständen das Bild mit deutlich mehr als 60 ppd dargestellt werden. Bild 3 zeigt als Beispiel den FOV eines AR-HUD auf Basis der DLP®-Technologie von TI.

Bild 3: Maximaler FOV mit dem Digital Micromirror Device (DMD) DLP3030-Q1 von TI bei 80 ppd.
Bild 3: Maximaler FOV mit dem Digital Micromirror Device (DMD) DLP3030-Q1 von TI bei 80 ppd.
(Bild: TI)

Das Design eines HUD mit 80 ppd führt zu gewissen Restriktionen, was die mögliche Größe des FOV betrifft. Alle HUD-Systeme erzeugen ein Bild mit einer festgelegten Pixelanzahl, und das virtuelle Bild kann nur so lange vergrößert werden, wie die Auflösung nicht unter 80 ppd fällt. Die DLP-Technologie aber unterstützt einen sehr großen FOV-Wert. Mit der DLP-Technologie wird das reale Bild von einem DMD erzeugt und von der Windschutzscheibe reflektiert, um das virtuelle Bild darzustellen. Das Automotive-qualifizierte DMD des Typs DLP3030-Q1 unterstützt Displayauflösungen von 864 x 480 Pixel. Legt man eine Bildauflösung von 80 ppd zugrunde, unterstützt dieses DMD also große FOV-Werte von bis zu 10,6 x 6 Grad (wie Bild 4 verdeutlicht).

Bild 4: Auflösung als Funktion des FOV für den Chipsatz DLP3030-Q1.
Bild 4: Auflösung als Funktion des FOV für den Chipsatz DLP3030-Q1.
(Bild: TI)

Eine hohe Auflösung ist in HUD-Systemen zweifellos wichtig, lässt sich aber unter Umständen nur schwierig mit traditionellen Displays vergleichen. Die Einhaltung einer Auflösung von 60 ppd trägt dazu bei, ein Optimum an Bildqualität zu erzielen und ein retinal begrenztes Display zu realisieren. Die Verwendung von DLP-Chipsätzen in einem HUD kann bei der Realisierung von Displays mit sehr großem Blickfeld und höchster Auflösung helfen.

* Jackson Thomas ist als Analog Applications Engineer für Texas Instruments tätig.

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