헤드업 디스플레이(HUD)는 무엇이며 어떻게 작동합니까?

운전하다 보면, 도로 위는 물론 차량 내부에도 주의를방해하는q 수많은 방해물이 있습니다. 속도계, 연료 수준, 교통 경보, 주행 상황 등이 앞다퉈 주의를 방해합니다. 더 나은 운전 경험을 위한 중요한 정보를 제공하지만, 이를 보려면 도로 상황에서 눈을 떼고 계기판을 내려다보거나 옆을 봐야 합니다.

헤드업 디스플레이(HUD)는 증강 현실의 한 형태로, 정보를시야에 직접 표시하므로 시선을 돌릴 필요가 없습니다.  이름에서 바로 알 수 있듯이 HUD는 운전자가 도로 및 주의 사항에 시선을 유지하는 데 도움이 됩니다. 

운전이 헤드업 디스플레이의 가장 널리 알려진 응용 분야이지만, 이 기술의 용도는 다양합니다. 운전자가 현실 세계와 디지털 정보를 동시에 볼 수 있어야 하는 곳이라면 어디에서나 HUD가 도움이 될 수 있습니다. 항공기, 군용 차량, 중장비와 같은 조종 시스템은 모두 이상적인 사용 사례입니다. 이러한 상황에서는 운전자가 도로, 하늘 또는 당면한 작업에서 눈을 떼지 않고도 볼 수 있는 위치에 정보가 투영됩니다. 

HUD의 또 다른 일반적인 응용 분야는 비디오 게임입니다. 증강 현실 헤드셋은 HUD 기술을 사용하여 사용자가 게임을 통해 실제 환경을 볼 수 있는 기능을 제공합니다. 이런 방식으로 사용할 때 플레이어 상태에 관한 정보(예:건강, 길 찾기, 게임 통계)가 게임 플레이에 중첩되는 혼합 현실을 생성합니다.  

전 세계적으로 원격 의료가 사용됨에 따라 의료 서비스 분야에서도 헤드업 디스플레이의 사용이 증가했습니다. 의료 전문가에게 핸즈프리 조작의 편리함을 선사하는 HUD 기술이 탑재된 머리 착용 디스플레이와 스마트 안경은 임상 진료, 교육 및 훈련, 진료 팀 협업, 심지어 AI 유도 수술에서도 찾아볼 수 있습니다. 

비행기 운항을 주시해야 하는 조종사든, 커피 테이블 가장자리를 조심하는 게이머든 상관없이 특정 사용자 요구를 충족하기 위해 설계된 헤드업 디스플레이에는 여러 가지 유형이 있습니다. 환경, 비용 제약, 사용자 편의성 등 많은 요인이 모두 응용 분야에 적합한 HUD 유형을 선택하는 데 영향을 미칩니다. 

HUD 유형은 산업 및 사용 사례에 따라 다양할 수 있지만, 대부분의 HUD 유형은 동일한 세 가지 구성 요소인 광원(예: LED), 반사면(예: 전면 유리, 조합기 또는 평면 렌즈), 확대 시스템으로 이루어져 있습니다. 

모든 HUD에는 광원(Picture Generation Unit)과 이미지를 비추는 표면이 있습니다. (대부분의 경우 이 표면은 사용자가 이를 통해 볼 수 있도록 투명합니다.) 광원과 반사면 사이에는 일반적으로 확대 광학 시스템이 있습니다. 확대 시스템은 다음과 같을 수 있습니다.

• 이미지를 확대하는 하나 또는 여러 개의 프리폼 미러
• 이미지를 확대하는 격자가 있는 도파관
• 확대 렌즈(일반적으로 항공기 HUD에 사용)
• 없음(일부 HUD에는 확대 기능이 없음)

헤드업 디스플레이는 사용자의 현재 시야 내에 시각적 정보를 투영합니다. HUD는 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 제공합니다.

• 집중력과 인식력 향상을 통해 안전성 증대
• 적시에 가장 관련성이 높은 정보를 우선적으로 선택 및 추출 
• 계속해서 초점을 바꾸는 데서 오는 눈의 피로를 완화
• 시스템과 인간이 동일한 현실을 공유한다는 점을 보여줌으로써 자율주행 차량과 탑승자 간의 신뢰 구축

휴대폰의 손전등을 창문에 비추면 빛의 반사와 창 밖을 모두 볼 수 있습니다. 헤드업 디스플레이는 투명한 표면에 디지털 이미지를 비춤으로써 비슷한 경험을 제공합니다. 이 광학 시스템은 네 단계로 사용자에게 정보를 제공합니다.

1. 이미지 생성: PGU(Picture Generation Unit)는 데이터를 이미지로 처리합니다.
2. 빛 투사: 그런 다음, 광원이 원하는 표면을 향해 이미지를 투영합니다.
3. 확대: 빛이 반사되거나 굴절되어 광선을 확대합니다.
4. 광학적 조합: 디지털 이미지가 실제 뷰와 중첩되도록 조합기 표면에 놓입니다.

헤드업 디스플레이는 인간의 지각을 수반하므로 설계 및 테스트가 매우 복잡합니다. 엔지니어링 지표를 통해서는 설계자가 사양을 충족할 수 있지만, 인간의 경험이 프로세스에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 궁극적인 성공을 이룰 수 있습니다. 

HUD 설계자는 인간 구성 요소에 대처하기 위해 시뮬레이션을 사용합니다. 모델을 디지털 방식으로 테스트하고 검증함으로써 비용이 많이 드는 실제 프로토타입을 제작하기 전이나 제작하지 않고도 많은 시나리오와 기술적 과제를 사전에 해결할 수 있습니다. 이러한 과제는 다음과 같을 수 있습니다.

• 고스트 이미지, 뒤틀림 값 및 동적 왜곡
• 머리 위치 및 색맹과 같은 생리학적 차이
• 코팅된 전면 유리 또는 편광 안경으로 인한 색상 변화
• 투영된 이미지의 대비, 판독성 및 휘도
• 가독성 및 시력 안전을 방해하는 태양 

엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 다양한 시나리오에서 햇빛의 반사가 HUD 정보의 판독성에 어떻게 영향을 미치는지 예측할 수 있습니다.

아래 시뮬레이션 결과는 미러의 HUD에 반사되는 햇빛을 보여줍니다. 4가지 결과는 HUD 하우징에 4개의 서로 다른 재료가 적용된 동일한 설정 및 햇빛 위치를 보여줍니다. 각각의 새로운 재료 사용 시 원치 않는 반사가 어떻게 눈에 띄게 줄어드는지 확인해 보십시오. 마지막 이미지에서 반사는 재료에 의해 완전히 흡수됩니다. 

엔지니어와 설계자는 Ansys Zemax OpticStudio 및 Ansys Speos와 같은 광학 시뮬레이션 도구를 사용하여 시스템의 광학 성능을 시뮬레이션하고 인간의 시각을 기반으로 최종 조도 효과를 평가함으로써 상당한 이점을 얻을 수 있습니다.

이러한 시뮬레이션 도구를 사용하여 다음을 수행할 수 있습니다.

• 개별 관찰자에 따라 시각적 측면, 반사, 가시성, 판독성 관련 정보 결정
  
• 생리학적 인간 시각 모델링을 기반으로 시각적 예측 시뮬레이션
• 색상, 대비, 조화, 빛의 균일성 및 강도를 최적화하여 시각적 인식 품질 향상
• 주간 및 야간 시력을 포함하여 주변 조명 조건 고려

HUD 빗방울 시뮬레이션

자동차 산업에서 엔지니어는 시뮬레이션을 통해 다양한 날씨 시나리오에서 운전자가 HUD를 어떻게 경험하게 될지도 파악할 수 있습니다. 이 비디오는 시뮬레이션이 소나기 속에서 HUD를 보는 인간의 경험을 모델링하는 방식을 보여줍니다.

사람의 성과가 계속해서 데이터 중심으로 이루어짐에 따라 가장 빠르고 안전한 방법으로 정보의 우선순위를 정하고 사람들에게 이를 전달해야 할 과제를 가장 먼저 염두에 두고 혁신이 추진될 것입니다. HUD 기술은 자동차의 발전 외에도 의료 서비스, 인프라, 통신과 같은 다양한 산업 전반에 걸쳐 사람이 업무를 계속 수행하도록 지원할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

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