Optical design of automotive augmented reality 3D head-up display with light-field rendering

计算机科学 增强现实 渲染(计算机图形) 平视显示器 汽车工业 计算机视觉 光场 计算机图形学(图像) 虚拟现实 人工智能 光学头戴式显示器 工程类 航空航天工程
作者
Jinho Lee,Igor Yanusik,Yoonsun Choi,Byongmin Kang,Chansol Hwang,Elena M. Malinovskaya,Juyong Park,Dongkyung Nam,Chanhee Lee,Chansu Kim,Tae-Hong Min,Sung‐Hoon Hong
标识
DOI:10.1117/12.2576660
摘要

Although head-up displays (HUDs) have already been installed in some commercial vehicles, their application to augmented reality (AR) is limited owing to the resulting narrow field of view (FoV) and fixed virtual-image distance. The matching of depth between AR information and real objects across wide FoVs is a key feature of AR HUDs to provide a safe driving experience. Meanwhile, current approaches based on the integration of two-plane virtual images and computer-generated holography suffer from problems such as partial depth control and high computational complexity, respectively, which makes them unsuitable for application in fast-moving vehicles. To bridge this gap, here, we propose a light-field-based 3D display technology with eye-tracking. We begin by matching the HUD optics with the light-field display view formation. First, we design mirrors to deliver high-quality virtual images with an FoV of 10 × 5° for a total eyebox size of 140 × 120 mm and compensate for the curved windshield shape. Next, we define the procedure to translate the driver eye position, obtained via eye-tracking, to the plane of the light-field display views. We further implement a lenticular-lens design and the corresponding sub-pixel-allocation-based rendering, for which we construct a simplified model to substitute for the freeform mirror optics. Finally, we present a prototyped device that affords the desired image quality, 3D image depth up to 100 m, and crosstalk level of <1.5%. Our findings indicate that such 3D HUDs can form the mainstream technology for AR HUDs.
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