空中安全：航空抬头显示（HUD）的最新发展趋势

在航空领域，军事飞行员早在数十年前已经开始使用抬头显示(HUDs)；而现在，抬头显示在大型商用飞机和私人飞机上的应用已变得相当普遍。抬头显示将关键的导航、飞行和飞机能源管理数据显示在飞行员视线水平的屏幕上，这样他们就不必低头查看仪表，也不必将视线从周围环境中移开。抬头显示已被证明可以减少飞行员的工作量，提升态势感知，并减少事故。

抬头显示在飞行员视线水平的透明面板上显示来自主飞行显示器的信息。（图片：Virgin Atlantic）

抬头显示也称为增强型飞行视觉系统（简称“EFVS”），在飞机起飞和着陆期间尤其有用，而这通常是任何飞行中最危险的部分。举例来说，使用抬头显示进行引导可以减少起飞时发生擦尾（在飞行员太快拉升飞机的情况下，飞机尾部将会撞击地面）的可能性。¹在着陆期间，抬头显示系统可以充分考虑侧风等因素，并预测理想的着陆轨迹供飞行员采用。飞行安全基金会（Flight Safety Foundation）进行的一项具有里程碑意义的研究表明，在过去13年的时间里，抬头显示类型的系统可以预防或减轻38%的商用、商业和企业飞机事故。²

一架客机在大雾天气下未能成功着陆，被迫拉升以进行第二次着陆尝试。

这些优点促使商业航空行业成为了推动抬头显示市场增长的主要力量，预计到2024年市场规模将达到21.8亿美元，复合年增长率为7.53%。³“在大雾天气等不确定的环境条件下，抬头显示可以帮助飞行员进行起飞和降落。此外，世界上大多数航空管理部门都强制要求使用增强型飞行视觉系统，以减少事故和提高乘客安全性。由于航空业在过去一直占据抬头显示市场的主要份额，新一代飞机订单的增加也将推动抬头显示市场的增长。”⁴

售后市场抬头显示（MyGoFlight's SkyDisplay），安装在一架小型私人飞机的驾驶舱内（图片来源：Matt Thurber）。

航空抬头显示领域的发展状况

机载抬头显示领域的一些最新发展包括：

• 更多的显示区域。当波音公司设计Dreamliner 787飞机时，其打算为飞行员打造最舒适、最干净和最简化的驾驶舱。抬头显示系统是其设计的一个方面。波音787飞机共设计有两个抬头显示面板，分别供飞行员和副驾驶使用，而不是仅设计一个面板供飞行员使用。此外，这些抬头显示面板的尺寸也比标准尺寸更大。波音787飞机的显示区域由Rockwell Collins公司进行设计，尺寸是波音777飞机显示区域的两倍多。⁵

Rockwell Collins HGS-6000抬头显示，安装在波音客机的驾驶舱内。 （图片：Collins Aerospace）

• 数字HUD显示器。在消费类显示器和车载显示器行业向更新型的技术过渡之后很久，CRT显示器一直存在于航空行业。举例来说，美国空军的F-22 Raptor喷气式飞机一直到2020 年才采用全数字抬头显示。“此次升级去除了CRT图像源，取而代之的是使用数字光引擎（DLE）技术来实现更先进的抬头显示，直接安装在飞行员的视线前方。”⁶
• 合成和增强视觉。Embraer（一家巴西航空工业公司）的Praetor喷气式飞机现在配备了业界首套将传统HUD与增强和合成视觉功能相结合的系统。增强型视觉系统整合了来自飞机上各种传感器（例如：近红外相机、毫米波雷达）的信息，以便在能见度有限的环境中为飞行员提供更多信息。举例来说，军事飞行员长期以来一直使用红外护目镜进行夜视。合成视觉是指使用先进算法生成3D图像，以向飞行员提供更直观的可视化环境信息。

具有增强和合成视觉的抬头显示：Rockwell Collins公司开发的新型抬头显示引导系统（HGS™）及其多光谱 EVS-3000增强型视觉系统。（图片：Rockwell Collins）

增强现实抬头显示的发展潜力

尽管抬头显示最早应用于军用飞机，但抬头显示如今在汽车中的应用已变得很普遍，因为抬头显示可以向驾驶员提供许多与其提供给飞行员的相同优点，包括态势感知、能够专注于外部环境等。现在，汽车行业对增强现实抬头显示（AR HUD）的关注越来越多，这种HUD可以充分利用汽车挡风玻璃上的大视野，动态地将虚拟图像映射到现实环境中的物体。

在航空领域，全息光学元件和 AR HUD的应用还有些遥远。来自Thales公司的一位研究工程师解释道：“在汽车和航空领域，增强现实应用越来越需要的大视场抬头显示的设计目前受到光学组件通常较大尺寸的限制。”⁷

目前，航空抬头显示的类型将继续以安装在挡风玻璃前面的透明屏幕或军事飞行员头盔内的显示器（也称为头盔式显示器或头戴式显示器，简称“HMD”）为主。

Striker II 军用头盔式显示器将400的视野、日光可读的彩色显示器和内置的夜视功能结合在了一起。（图片：BAE Systems）

确保抬头显示的质量和性能

为了确保抬头显示满足其预期用途，制造商们必须仔细考虑多种因素，包括设计、外形、符号、显示质量等。飞行员依靠视觉来获取90%以上与飞机驾驶相关的信息⁸。这意味着，飞机驾驶舱内的任何显示系统必须与人类视觉感知科学相协调。制造商们必须从人类用户观看的角度对抬头显示进行评估。举例来说，制造商们必须对抬头显示投影进行测试，以确保正确对位和对焦双目观看，因为我们大脑中的视觉处理系统会将每只眼睛采集的两个略有不同的图像组合在一起。

此外，光线和颜色必须足够明亮和鲜艳，以确保在任何照明条件下都能从周围环境中清晰辨别出来。如果飞行员无法解读显示器观看区域中投影质量不佳的物体，那么低质量的投影将会使飞机处于危险之中。这可能导致错误解读、丢失关键环境数据（比如导航、物体接近度和其他警报）和飞行员注意力分散。

为了准确评估抬头显示的关键视觉质量，制造商们需要一种严格的检测方案，其中结合了与人类视觉感知高度匹配的亮度或色度测量及尺寸检测。光学（基于图像的）测量设备和与之互补的测试和测量软件可用于检测HUD投影的一系列视觉标准合规性以及视窗区域内的多个点（以考虑潜在视角的范围）。瑞淀光学系统为消费类电子产品、汽车和航空航天行业的传统显示器、近眼显示器（NED）和抬头显示测试提供领先的解决方案，这些检测设备所具有的优点可优化测试速度，并简化测试。

瑞淀的ProMetric® 成像亮度计和色度计经过专门设计，可模拟人类视觉对光线和色彩的感知（基于CIE标准色彩匹配功能）。这些系统具有众多优点，包括电子控制镜头和虚拟图像距离的动态计算，可实现对抬头显示的自动化测量。瑞淀的TT-HUD™ 软件为制造商们提供抬头显示测试库、API、SDK和自动化通过/未通过测试定序，以确保航空HUD 显示器的质量和性能。

如需了解更多有关航空抬头显示设计和质量保证考虑因素的信息，请阅读我们发表在今日航空的以下文章：“航空抬头显示（HUD）的质量考虑因素”。

 

引用文献

1. Davies, A., “High-Tech Screens for Pilots are Making Your Flights Shorter and Safer,” Business Insider, June 28, 2013.
2. “Heads Up: HUDS Could Have Been A Factor In Many Aircraft Accidents,” Aero News Network, April 27, 2010.
3. “Increasing Demand From Commercial Aircraft to Boost Market Growth,” reporting by BusinessWire, February 12, 2020, on Global Heads-Up Display (HUD) Market 2020-2024 report published by Technavio
4. Ibid.
5. “Under the HUD”, Defence & Security Systems International, July 10, 2020.
6. Bailey, J., “Why The Boeing 787 Dreamliner Has a Head-Up Display,” Simple Flying, May 7, 2021.
7. “How holographic optics could be the future of head-up displays”, Thales Aerospace Blog, September 27, 2019. (Retrieved May 13, 2021)
8. Nichol, R. J., “Airline Head-Up Display Systems: Human Factors Considerations,” International Journal of Economics & Management Sciences, 2015, Vol 4:5. DOI: 10.4172/2162-6359.1000248