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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

開車時，您需要眼觀六路、耳聽八方，隨時留意道路上以及車內的狀況。比如速度表、剩余油量、交通警報和駕駛條件等等。有價值的信息可改善您的駕駛體驗，但如果為了查看這些信息，您需要低頭或俯瞰，則無暇顧及前方道路。

什么是抬頭顯示器？

抬頭顯示器（HUD）是一種增強現實（AR）系統，它將直接在您的水平視線內呈現信息，因此您不必移開視線就能讀取信息。 顧名思義，它有助于駕駛員將視線始終集中于道路，在讀取信息的同時抬頭正視前方。

抬頭顯示器的應用有哪些？

雖然抬頭顯示器在車輛駕駛中的應用最廣為人知，但其實該技術有許多其他用途。只要是操作人員需要同時觀察真實世界和查看數字信息的場景，HUD就可以提供幫助。比如，飛機、軍用車輛和重型機械等有人駕駛的系統，都是HUD的理想的用例。在這些情況下，信息會被投影到操作人員可以直接查看的位置，操作人員無需將目光從道路、天空或手頭的任務上移開。

HUD的另一個常見應用領域是電子游戲。增強現實頭戴式設備采用了HUD技術，使游戲玩家能夠看到游戲場景以及他們所處的真實物理環境。在這種應用下，游戲會創造出一種混合現實體驗，游戲玩家可以直接看到與玩家狀態相關信息（如生命值、尋路和游戲統計數據）。

此外，遠程醫療在全球的應用，也增加了抬頭顯示器在醫療領域的應用。在臨床護理、教育培訓、護理團隊協作、甚至是AI指導的手術中，采用HUD技術的頭戴式顯示器和智能眼鏡為醫療專業人員提供了免手持操作的便利。

抬頭顯示器的類型

多種不同類型的抬頭顯示器，可滿足特定的用戶需求，無論是對于需要關注飛機交通的飛行員，還是需要留意咖啡桌邊緣的游戲玩家。環境、成本限制和用戶舒適度等諸多因素都會影響如何為應用選擇合適的HUD類型。

但是，雖然可能因行業和用例而異，但大多數HUD都同樣由三大部分組成，即光源（如LED）、反射器（如擋風玻璃、組合器或平面透鏡）和放大系統。

所有HUD都具有光源（圖像生成單元）和反射圖像的表面。（大多數情況下，此表面是透明的，使用戶能夠透過它看到現實世界的物體）。在光源和反射表面之間，通常有一個放大光學系統。放大系統可以是：

• 一個或多個放大圖像的自由曲面鏡
• 放大圖像的帶光柵的波導
• 放大鏡（常見于飛機HUD中）
• 沒有放大系統（某些HUD沒有放大功能）

HUD的優勢

抬頭顯示器可在用戶當前視場內投影視覺信息。這提供了幾個關鍵優勢：

• 通過提高操作人員的專注度和注意力來提高安全性
• 在合適的時間優先處理并提取最相關的信息
• 緩解因人眼焦點不斷變化而導致的疲勞
• 通過展示系統和人眼共享的相同現實，在自動駕駛汽車和乘坐者之間建立信任

?抬頭顯示器的工作原理是什么？

將手機上的手電筒光照在窗戶上，您將同時看到光線的反射和窗外的世界。抬頭顯示器通過在透明表面上反射數字圖像來實現類似的體驗。該光學系統通過四個步驟向用戶提供信息。

1. 圖像創建：圖像生成單元將數據處理成圖像
2. 光投影：然后，光源將圖像投影到目標表面
3. 放大：光被反射或折射，以放大光束
4. 光學組合：數字圖像顯示在組合器表面，并與真實場景視圖同時出現

抬頭顯示器設計

抬頭顯示器涉及人類感知，而這使其設計和測試變得非常復雜。工程指標有助于設計人員滿足規范要求，但對人類體驗如何產生影響的了解，將決定最終的成功。

為了考慮與人類相關的因素，HUD設計人員會使用仿真技術。通過對模型進行數字測試和驗證，他們在使用成本高昂的物理原型之前，或者甚至無需物理原型，即可主動解決許多場景和技術挑戰。這些挑戰包括：

• 鬼像、翹曲值和動態畸變
• 生理差異，如頭部位置和色盲用戶
• 擋風玻璃膜層或偏振眼鏡導致的色彩偏移
• 投影圖像的對比度、可讀性和亮度
• 太陽對可讀性的干擾和視覺安全性

案例：太陽反射仿真

通過使用仿真，工程師可以預測太陽反射如何影響不同場景下HUD信息的可讀性。

下面的仿真結果顯示了太陽在HUD鏡中的反射情況，即在相同的設置和太陽位置條件下，HUD外殼分別應用4種不同材料時的4個結果。請注意每種新材料如何幫助減少不必要的反射。在最后一張圖像中，反射完全被材料吸收。

工程師和設計人員可通過使用光學仿真工具（如Ansys Zemax OpticStudio和Ansys Speos）對系統的光學性能進行仿真，并基于人眼視覺評估最終的照明效果，從而獲得巨大優勢。利用這些仿真工具，您可以：

• 根據人眼視覺傳感器來確定不同的視覺性能，比如反射、可視性和有關可讀性的信息
• 基于生理學人眼視覺建模對視覺預測進行仿真
• 通過優化顏色、對比度、和諧度、光均勻性和強度來提高視覺感知質量
• 考慮包括晝夜視覺在內的環境照明條件。

 

HUD雨滴仿真 

在汽車行業中，仿真還可以幫助工程師了解駕駛員在不同天氣場景下對HUD的體驗。本視頻展示了仿真如何對雨天查看HUD的人類體驗進行建模。

視頻鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/-2_zUSz1UQZpgm51qGR0zg

聚焦未來

隨著人類越來越依靠數據提供的支持，對以最快、最安全的方式篩選并交付信息的需求，將成為創新的前沿。除了推動汽車發展之外，HUD技術還有望幫助人們在醫療、基礎設施和通信等多個行業中保持對任務的專注。