HUDs: Wie verbessern Head-Up-Displays die Fahrsicherheit?

Ein Head-up-Display (HUD) projiziert Informationen als virtuelles Bild in das Blickfeld des Fahrers auf die Windschutzscheibe. Instrumente im Armaturenbrett abzulesen wird damit zur Ausnahme – die Aufmerksamkeit bleibt beim Verkehrsgeschehen (daher auch der Name Kopf-hoch-Anzeige).

Die Windschutzscheibe (WSS) ist in diesem Kontext keine selbstleuchtende Anzeige, sondern fungiert stattdessen als eine Art passiver Spiegel für im Armaturenbrett verbaute bildgebende Systeme. Allerdings ist die WSS nicht plan, sondern eine in jeder Dimension variabel gekrümmte Freiformfläche. Entsprechend entstehen bei einer Spiegelung geometrische Verzerrungen. Geschickt berechnete und angeordnete optische Elemente kompensieren diesen Effekt und erzeugen eine für den Fahrer scharfe Darstellung.

Die wahrnehmbaren Charakteristika wie Bildgröße, Bildentfernung und Leuchtdichte sind abhängig von der verwendeten HUD-Technologie und haben wesentlichen Einfluss auf die Systemauslegung. Das HUD-Team von Creat unterstützt hier von der frühen Konzeptauslegung bis zur Serienbetreuung. Die wesentlichen technischen Ansätze  grenzen sich wie folgt gegeneinander ab.

Windshield-HUD: augenfreundlich, aber unflexibel

Das Windschutzscheiben-HUD oder W-HUD (Bild 1) ist das bekannteste HUD-System; es lässt sich beinahe unsichtbar in das Fahrzeug integrieren. Ein unauffälliger Schacht im Armaturenbrett hinter der Tachoanzeige dient als Bauraum für die Bilderzeugungseinheit (Picture Generating Unit, PGU) und die zugehörigen Optikelemente.

Das HUD ermöglicht ein besonders schnelles Erkennen der Anzeige, da die 2,5 m Entfernung des Bildes dem Auge das Ablesen erleichtert. Es entfällt die Akkommodation, also die Anpassung des Auges von Fernsehen (reguläre Fahraufgabe) auf Nahsehen (Dashboard- oder Armaturenbrettentfernung, ein deutlicher Ergonomie- und Sicherheitsvorteil.

Nachteile des W-HUD

• Bauraum in hinreichender Größe ist bei der Fahrzeugentwicklung zu berücksichtigen; Nachrüsten ist schwierig bis unmöglich.
• Das W-HUD ist speziell für eine bestimmte Fahrzeugscheibengeometrie (Fahrzeug-Modell) berechnet. WSS und W-HUD bilden ein optisches System und lassen sich somit nur in dieser Kombination betreiben.
• Die WSS muss speziell für die Verwendung mit einem HUD modifiziert werden, damit keine Doppelbilder die Bildqualität beeinträchtigen.
• Zudem sind die Scheibenparameter für die HUD-Performance enorm wichtig. Um hier einen gleichbleibend hohen Qualitätsstandard zu gewährleisten, ist intensive Zusammenarbeit mit dem Scheibenhersteller notwendig.

Combiner-HUD: läuft mit jeder Scheibe

Einen Ansatz, die oben aufgeführten Nachteile zu reduzieren, stellt das Combiner-HUD oder C-HUD dar (Bild 2). Es projiziert die Bildinformationen über eine separate Scheibe, den Combiner, in das Auge des Fahrers. Die WSS ist hier nicht mehr Bestandteil des HUD-Optiksystems und das System davon unabhängig mit jeder Standard-WSS möglich. Soll die Combiner-Scheibe nur bei Bedarf in Position fahren, ist entsprechende Kinematik notwendig.

Vorteile

• Weniger Bauraum, unter anderem wegen der sich näher am Fahrer befindlichen Combiner-Scheibe und des dadurch größeren Blickwinkels
• Gleichteil-Systemverbau in unterschiedlichen Fahrzeugen möglich, da unabhängig von WSS
• Geringere Kosten

Nachteile

• Eventuell höherer Aufwand für Kinematik
• Ästhetik einer zusätzlichen Scheibe zwischen dem Fahrer und der Straße

Panorama-HUD: viel Fläche, aber schwer einstellbar

Das Panorama-HUD oder P-HUD (Bild 3) verfolgt den Ansatz einer weitläufigen horizontalen (Panorama), aber vertikal flachen Anzeige. Im Armaturenbrett, am Übergangsbereich zur WSS, sind mehrere Displays (meist drei) von der Fahrerseite bis zur Beifahrerseite platziert. Diese sind nicht direkt einsehbar, sondern lediglich als Reflexion über die Scheibe sichtbar. Der Sichtbereich liegt unterhalb der Motorhaube. Die Scheibe ist hier nicht transparent, sondern geschwärzt, wodurch es sich eher um ein klassisches Spiegelbild an der Windschutzscheibe handelt.

Vorteile

• Die Displayfläche ist in der Regel deutlich größer als beim konventionellen HUD.
• Einsehbar von Fahrer und Beifahrer (konventionelles HUD ist dem Fahrer vorbehalten)

Nachteile

• Der Blick zum P-HUD-Display ist weiter vom Verkehrsgeschehen entfernt als bei W- und C-HUDs. Damit ist die Akkommodationszeit zwar besser als beim Blick auf ein Instrument im Armaturenbrett, aber doch länger als bei den anderen beiden Systemen.
• Die Leuchtdichtehomogenität über die ganze Displaybreite hinweg ist nicht einfach für alle Blickrichtungen einzustellen.
• Die Verzerrung der Scheibe lässt sich zwar digital korrigieren, jedoch nur für eine Position. Daher ist die Anzeige eher für die weniger gekrümmten Bereiche der WSS vorgesehen, also zentral und nicht zu weit außen.

Beim P-HUD hat man sich von der eigentlichen Idee eines HUD entfernt, nämlich ein virtuelles und transparentes Bild in den Sichtbereich des Fahrers einzublenden. Es ist also eher eine Anzeigetechnik, die ein echtes HUD ergänzen kann.

Das Augmented-Reality-HUD oder AR-HUD (Bild 4) ist dem Wesen nach ein W-HUD, jedoch mit deutlich aufgewertetem Nutzererlebnis. Der dargestellte Inhalt wird in Echtzeit dreidimensional in das Sichtfeld eingebettet und mit der Wirklichkeit überlagert. Diesen Effekt ermöglicht das Zusammenspiel verschiedener Disziplinen.

Für die überzeugende Darstellung einer Augmented Reality ist ein virtuelles Bild erforderlich, das deutlich größer ist als von W-HUD oder C-HUD bekannt. Damit eine räumliche Darstellung mit nur einem Display gelingt, wird der Arbeitsabstand auf rund 10 m erhöht, da ab dort das Auge Tiefenunterschiede nicht mehr exakt wahrnehmen kann. Eine Vergrößerung des virtuellen Bildes führt in erster Konsequenz zu einem höheren Lichtbedarf sowie zu einer Vergrößerung des benötigten Bauraums. Da dieser ohnehin knapp bemessen und nicht mehr ohne Weiteres verfügbar ist, herrscht im AR-HUD-Umfeld enormer Druck zur Integration neuer optischer Technologien zur Effizienzsteigerung und Miniaturisierung.

Hardware, Software, Datenbasis

Charakteristisch für ein AR-HUD ist das dreidimensionale Einbetten von Inhalten in das Sichtfeld. Das bedeutet, dass die dargestellten Objekte jederzeit unabhängig von der Augenposition korrekt ortszugeordnet und in der korrekten Entfernung erscheinen müssen. Für eine exakte und ruckelfreie Darstellung werden die Fahrzeugdaten unter anderem aus Kameras, Radarelektronik und GPS mit leistungsstarken Computern verarbeitet und in Echtzeit angepasst.

Abgeleitet von Sensordaten lässt sich somit bei einem vorausfahrenden Fahrzeug, abhängig von Geschwindigkeitsdifferenz und Abstand, ein Bereich auf der Fahrbahn einfärben oder eine Kollisionswarnung ausgeben (Abstandsradar, Lidar). Ebenso sind potenzielle Gefahren (IR-Signatur von Mensch oder Tier) oder Hinweise vom Spurwarnassistenten grafisch darstellbar.

Verkehrsinformationen, Spurwechselempfehlungen und andere Navigationshinweise werden räumlich exakt dargestellt (Navi). Das schließt auch Zusatzinformationen zu Sonderzielen etwa mit touristischer Relevanz ein.

In einem weiter gefassten Kontext sind auch (personalisierte) Werbeeinblendungen vorstellbar oder eingebettete, selbst- oder fremdgenerierte virtuelle Daten. Hier stellt sich dann, zumindest den Fahrer betreffend, unmittelbar die Frage der Relevanz des Angezeigten. Mithilfe von Sicherheitsrichtlinien lässt sich entsprechend filtern und priorisieren, um ein Informationsüberangebot und damit Ablenkungsgefahr zu vermeiden. Automobilhersteller arbeiten an eigenen, angepassten Datendiensten wie beispielsweise Automotive Cloud (Volkswagen) und HERE Maps (AUDI, BMW, Daimler).

Technische Herausforderungen und Lösungsansätze

Ein hinreichend helles und großes virtuelles Bild (Field of View, FOV) ist gleichermaßen Grundvoraussetzung und Hauptherausforderung für ein überzeugendes Augmented-Reality-Erlebnis. Der Lichtstrombedarf steigt rapide an, weshalb Imager mit schlechter Effizienz hier ungeeignet sind (LCD benötigt polarisiertes Licht). Zudem sind neue Optikkonzepte erforderlich, um das System trotz erweitertem FOV möglichst kompakt zu halten. Thermisch sind sowohl die Leistungsaufnahme als auch die Belastung durch Sonneneinstrahlung zu beachten.

Kompakte und effiziente Bilderzeugungseinheiten lassen sich auf Basis von Mikrospiegelarrays umsetzen. Unpolarisiertes Licht wird hier über eine Vielzahl kleiner, schwenkbarer Spiegel gelenkt (Digital Micromirror Devices, DMD), das reflektierte Nutzlicht in der Folge auf eine Mattscheibe projiziert und von dort in Richtung Windschutzscheibe weitergeleitet. Ein positiver Effekt hier ist die problemlose Nutzung von Polarisationssonnenbrillen. Auch die Sonnenbelastung bei ungünstigen Sonnenständen entschärft sich, da statt empfindlichem LCD die weniger anfällige Mattscheibe exponiert ist.

Analog zum DMD-Ansatz ist auch ein scannendes System mit Einzelspiegel denkbar. Dabei werden Laserstrahlen mithilfe eines in beide Richtungen schwingenden Spiegels (Mikro-Electro-Mechanical System, MEMS) auf die Mattscheibe abgelenkt und zeitgleich intensitätsmoduliert, um das gewünschte Bild zu erzeugen.

Holografisch-optische Elemente sind an unterschiedlichen Stellen im Systemaufbau denkbar. Das lichttechnische Verhalten ist ortsaufgelöst „eincodiert“. An jedem Ort lässt sich eine definierte Reaktion auslösen, etwa genau präzise festgelegtes Reflexionsverhalten (Bild 5).

Hologramme können auch dazu dienen, Licht einer kompakten bildgebenden Einheit (z. B. DMD-Basis) gezielt an einer Stelle einzukoppeln, um es mit einem weiteren Gitter andernorts großflächig auszukoppeln. Kommt diese Technik bei einer Combiner-Scheibe (C-HUD) zum Einsatz, erlaubt das eine Sichtfeldvergrößerung bei gleichzeitig kompakter Bauweise.