新型智能头盔采用具有抬头显示功能的AR/MR显示器

2021年 12月 6日

话题:

作者:

Anne Corning

我们生活的世界中，智能手机、智能音箱和智能眼镜已经司空见惯，为消费者开发智能头盔已成为必然趋势。毕竟，保护头部不受伤害是人类的首要任务，而且我们已经习惯了无时无刻保持与设备的网络连接。

“智能头盔”一词指所有在技术上具有电子增强功能和/或网络连接功能的头盔。目前，许多摩托车头盔都具有蓝牙和扬声器功能，可保持与驾驶人手机的连接，实现通信、警报、欣赏音乐。新型智能橄榄球头盔正在兴起，它具有内置传感器，甚至提供脑电图（EEG）功能，可检测头部撞击，评估大脑活动，因此如果球员在训练或比赛中遭遇脑震荡，可提供实时警报。

本博客重点说明的是某些类型的智能头盔正尝试添加显示器组件。本质上，这些新型头盔不仅具有传统头盔的保护功能，还具有智能眼镜的网络连接和图像显示功能。

此类头盔--通常称为具有HUD（抬头显示）功能的头盔）--- 仍属于新兴市场，但随着技术和集成的成熟，预计将快速发展。HUD头盔行业的预计全球复合年均增长率为30%，从2022年的刚刚超过1亿美元增长到2030年的10亿多美元，该行业的核心企业包括DigiLens, BWM Motors 和Jarvish.¹

宝马带有抬头显示功能的摩托车头盔概念

早期智能头盔：军事应用

带有抬头显示功能的头盔并非一种新型头盔，自1980年起军事飞行员就已经使用此类头盔，也称为头戴或头盔显示器（HMDs）。当前军用智能头盔包括为地面部队设计的智能型头盔，此类头盔通常具有巡逻或作战状态下所需的夜视和其他高级能力。

例如，美国陆军佩戴的战术增强现实（TAR）头盔目的是支持地面战术行动，由一个“安装在士兵头盔中的1英寸×1英寸（2.5×2.5 cm）的小型护目镜组成。护目镜在士兵视野内显示地图，立刻提供目标信息以及显示团队其他成员位置的GPS跟踪数据。”²佩戴TAR头盔后，士兵不需要使用手持式GPS设备，同时TAR装置也能无线连接到佩戴于士兵腰部的平板以及安装在步枪上的热成像设备。这意味着可在护目镜上显示目标图像或者和目标之间的距离等额外信息。³

军事飞行员用现代智能头盔可以与直升机、喷气式战斗机和其他飞机相结合。例如，美国空军F-35第三代Stryker战斗机用智能头盔（已经在几年前介绍过）集成了一个头盔跟踪/发射单元（HTU），用于跟踪飞行员的头部运动，以确保所显示的图像和其他数据逐秒反映飞行员的视线（LOS），一些图像是由位于飞机外部的固定相机组件（FCAM）单元拍摄。

所有头盔元件由一个与多个飞机系统连接的显示管理计算机（DMC）控制。该头盔显示器“是基于飞行员头部3D扫描定制的嵌入式系统，同时集成有降噪耳机、夜视镜、前额电脑和投影仪。”⁴

佩戴Scorpion增强现实头戴显示器的步兵（左）；F-35 Stryker头盔（右）。（左图：公共，图片来源：David Dobrydney参谋军士/右图来源）

然而，Stryker头盔的价格约为40万至56万美元（与价值1亿美元的F-35战斗机完全整合），很显然该产品不是面向消费者的产品。但市场发展趋势是，已开始为摩托车驾驶员和工业用户开发商用智能头盔。至少，大多数（85%）的消费者和工业智能头盔可与其他智能设备或云服务器实现无线连接。⁵不过，此类头盔的功能比Stryker头盔的功能少得多，但其中一些头盔已采用先进技术。

道路交通使用的智能头盔

例如，最先进的摩托车头盔采用带增强现实/混合现实（AR/MR）技术的抬头显示（HUD）。与一些汽车和飞机中使用的HUD一样，可在操作员视线内投射速度、导航信息等关键数据，因此其可以始终查看道路情况视线无需离开道路。在汽车上，抬头显示表面构成车辆挡风玻璃内部，在智能头盔中，抬头显示表面可以构成透明面罩的内部，或者是位于佩戴者视线范围内的一个小屏幕。

最新的摩托车头盔CrossHelmet X1集成了抬头显示、声音、后视摄像头、触摸面板控制、安全灯和智能手机连接功能。（图片 © CrossHelmet)

其他智能头盔使用案例

智能功能正在被整合到各种场合佩戴的头戴设备、安全帽和头盔中，例如，执法和安全机构正在探索将用途合并热成像（用于机场的COVID新冠筛查）和面部识别等功能，以识别犯罪嫌疑人。消防员的智能头盔系统结合热成像技术，以提高烟雾弥漫的空间中的能见度。

C-Thru头盔AR系统（左）与在能见度为零的环境下向消防员提供的详细图（右）。图片来源：CBS新闻网。

正在探索其他智能头盔设计，以用于工人需要依靠头盔来确保安全的工业和建筑环境中。最近推出的一款智能安全帽由微软和美国天宝合作研发，是HoloLens-安全帽的混合应用，可以使施工人员查看建筑原理图和模型的3D叠加图。

同样，工业设计师Huwan Peng和Haoyu Liu也因其设计的NOCTUA混合现实头盔而受到关注，尽管头盔仍处于原型制作阶段。

NOCTUA 混合现实安全头盔（图片来源）

头盔制造商面临的一个挑战是持续满足特定行业的性能和部件规格要求，并同时满足AR/MR显示设备和抬头显示的光学和视觉性能需求。例如，传统摩托车头盔和智能摩托车头盔必须符合标准机构的要求，如美国交通部（FMVSS 218）和欧洲经济委员会（ECE 22.05），满足ISO标准，并通过Snell测试和/或CE产品认证。为保护头部免受伤害，头盔性能规范还需包括缓冲、能量吸收、抗穿刺性、两侧最低105°的周边可见度和阻燃性。

面罩也有一套标准，如美国飞行器设备安全委员会（VESC 8）发布的标准或ECE 22.05J、ECE 22.05P或ECE 22.05NP。Snell是一个独立的第三方认证，虽然是可选认证，但是头盔产品的理想认证。面罩测试参数包括抗穿刺性，通过使用气枪和一颗尖铅弹以500公里每小时（>300英里每小时）的速度射击面罩上的三个点进行判断。任意一点射穿则视为面罩失败。测试赛车头盔时，还要求因子弹射击在面罩上造成的凸起不得超过2.5毫米。⁶

头盔进行穿透测试（图片来源）

虽然尚未对汽车和摩托车抬头显示推行政府法规，但制造商仍需要对头盔AR系统部件和性能进行严格质量测试，以确保用户安全。HUD/AR显示器表面（如果与面罩分开）可能不需要能够阻挡子弹，但仍应设计为在崎岖道路条件下和在事故中能避免破碎。

与此同时，制造商必须确保HUD系统和AR/VR显示器的质量和性能满足客户预期，投影图像必须清晰、明亮，在任何环境下均字迹可辨，无失真或缺陷。由于显示器非常靠近用户的眼睛，图像亮度、形状或清晰度的微小缺陷都将非常明显。

HUD智能头盔质量测试

智能头盔的功能和性能部分取决于显示器本身。如果在所有环境照明情况和操作条件下信息显示不清楚，则其不仅不会帮助摩托车骑手，甚至会对摩托车骑手造成危害。为了确保HMD显示器屏幕符合行业标准，没有缺陷，且功能最佳，需要在生产阶段进行仔细测试。

虽然此类头盔带有HUD，但它们不像汽车 HUD 那样将图像投射到远离驾驶员，将信息投射到仪表盘屏幕或汽车挡风玻璃上。头盔显示器表面距离佩戴者的眼睛非常近，只有几毫米。在功能上，智能头盔与AR/VR/MR头戴设备很相似，统称为近眼显示器（NEDs）。因此，此类系统的测量和测试要求与AR/MR设备的测试要求更接近。

XR显示设备测试

瑞淀提供一种测试测量解决方案，旨在评估靠近人眼的近眼显示器设备的质量。瑞淀的AR/VR 镜头与ProMetric^® 成像亮度计或色度计搭配使用，提供一个完整的解决方案，从而对头戴显示器进行准确、有效的测量。

这种镜头设计模拟了人眼的大小、位置和视场。与光圈位于镜头内的其他镜头不同，AR/VR镜头的光圈位于镜头前部，可将成像系统的入射光瞳位置定位于头戴设备内，使其从与人眼相同的位置观看近眼显示器。这对于评估显示器性能对操作员可视化的影响方式至关重要。测量镜头必须在与操作员相同的视野内 “看到”相同图像，这需要宽视场光学器件，瑞淀AR/VR镜头使用此类器件在近眼位置捕获高达120°的水平视场。

瑞淀的TrueTest™ 软件提供领先的显示器测试算法，具有在几秒内对所有相关显示器特性进行快速评估的排序测试的能力，从而对相机捕获的单个图像进行选定测试。TrueTest中的标准测试包括亮度、色度、对比度、均匀性、Mura（瑕疵）、像素和线缺陷等。与瑞淀的AR/VR镜头一起使用时，专用 TT-ARVR™ 软件模块在AR/VR显示分析中添加了独特测试，包括：

调制传递函数（MTF），基于线对、斜边对比度（ISO 12233）或线扩散函数（LSF）评估图像清晰度
图像完整性评估，包括失真、聚焦均匀性和翘曲分析
以度数(°)报告x，y位置

瑞淀计划于2022年发布具有电子对焦功能的新XRE镜头，用户可以轻松调整在不同点测量多焦点或动态焦点，以匹配头戴设备中投影的感知图像距离。这有利于可变距离投影。同时镜头采用折叠（“观测镜”）设计，可在各种头戴设备外形因素下从瞳孔位置进行测量。如果头部周围具有硬件，且未留有使标准光学设备到达位置的线性入口点，这一设计在测量头戴设备时特别有用。该镜头通过允许系统光学设备从下方进入头戴设备，然后以90°角到达瞳孔位置解决问题。

瑞淀AR/VR镜头搭配ProMetric Y成像亮度计（左上）；TT-ARVR测试软件（左下）；新一代XRE镜头预览，搭配ProMetric I成像色度计（右）使用。

展望未来的智能头盔，我们期待更多令人眼花缭乱的技术项目。一些工程师已经将人工智能集成到“智能头盔5.0”中，可以将物联网功能扩展到医疗人员的个人防护设备（PPE）头盔中。⁶ 随着新技术和设备能力的不断发展，测量和检测解决方案也必须不断进步。

与AR、VR和MR系统（统称为XR）最新设备和组件质量测试相关的更多信息，请关注网络研讨会：“最新XR光学测试解决方案：显示器、光波导、近红外和其他。”本次网络研讨会由Photonics Media公司举办，研讨会中将为XR光学性能测试提供指导，并展示模拟人眼并在组件开发和生产的每个阶段对精度、速度和易用性进行优化的新技术。