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전방 시현기

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목차

1. 개요

전방 시현기(HUD, Head-Up Display)는 조종사나 운전자의 시야에 비행, 주행, 전술 정보 등을 투영하여 표시하는 기술이다.

HUD는 제2차 세계 대전 중 반사 조준경에서 시작되어, 레이더 정보와 자이로 조준기를 결합한 형태로 발전했다. 이후 영국 해군에서 처음으로 실용화되었으며, 1960년대에는 표준화된 HUD 기호 시스템이 개발되었다. 1970년대에는 상업 항공기에 도입되었고, 1988년에는 자동차에도 적용되었다.

HUD는 1세대 음극선관(CRT)부터 4세대 스캐닝 레이저 방식까지 다양한 기술로 구현되며, 프로젝터, 결합기, 영상 생성 컴퓨터로 구성된다. 시야각, 콜리메이션, 아이박스, 휘도/대비, 보어사이트, 스케일링, 호환성 등의 설계 요소가 중요하며, 군용 전투기, VTOL/STOL 항공기, 전차 등에 널리 사용된다.

민간 항공 분야에서는 시야 제한 이착륙, Category III A 착륙 등을 지원하며, 강화된 비행 시야 시스템(EFVS)과 합성 시현 시스템(SVS)으로 발전하고 있다. 자동차 분야에서는 속도, 내비게이션 정보를 표시하며, 증강 현실(AR) 기술과 결합하여 더욱 발전하고 있다. 이 외에도 군사, 수영, 스쿠버 다이빙, 실시간 언어 번역 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 컴퓨터 게임에서도 게임 정보를 표시하는 데 사용된다.

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전방 시현기
개요
자동차 HUD
자동차 HUD
설명사용자 시야 내에 데이터를 투사하는 투명 디스플레이 장치이다.
약칭HUD
기술 및 용도
특징증강 현실 기술을 활용하여 실제 세계에 가상 정보를 겹쳐 보여준다.
군사적 용도전투기 조종사의 헬멧 장착형 디스플레이
탱크 사격 통제 시스템
차량 용도자동차 내비게이션, 속도 정보 표시
기타 용도항공기
상업용 항공
비디오 게임
기타 분야
관련 기술증강 현실 (AR)
가상 현실 (VR)

2. 역사

제2차 세계 대전 이전, 반사 조준경은 시차가 없는 군사 전투기를 위한 광학 조준 기술이었다.[4] 자이로 조준기는 기동 중 표적을 맞히기 위해 필요한 탄착점 선행의 양을 계산하기 위해 속도와 회전율을 기반으로 움직이는 레티클을 추가했다. 1940년대 초, 영국의 통신 연구소(TRE)는 영국 공군(RAF) 야간 전투기 조종사들이 레이더 정보를 효과적으로 활용할 수 있도록 하기 위해 레이더 튜브 영상과 GGS Mk. II 자이로 조준기의 투사를 조종석에 결합하는 HUD 개발을 시작했다.[5]

기본적인 ''반사 조준경''(1937년 독일 Revi C12/A)의 종단면


C-130J의 부조종석 HUD


1955년, 미 해군의 해군 연구 개발국은 현대 제트 항공기를 조종하는 조종사의 부담을 덜고 비행 중 계측기를 덜 복잡하게 만들기 위해 사이드스틱 컨트롤러와 함께 HUD 컨셉 유닛의 모형을 연구했다.[6] 1958년, 버캐니어에 영국 해군이 HUD 기술을 최초로 적용했다.[7] 영국 국방부는 스트라이크 조준경 개발을 후원했고, 영국 왕립 항공 연구소(RAE)가 장비를 설계하면서 "헤드업 디스플레이"라는 용어가 처음 사용되었다.[7] 생산 유닛은 Rank Cintel에서 제작되었으며, 이 시스템은 1958년에 처음 통합되었다. Cintel HUD 사업은 Elliott Flight Automation에 인수되었고, 버캐니어 HUD는 제조 및 추가 개발되었으며, 총 375개의 시스템을 갖춘 Mark III 버전까지 계속되었다.[8]

1960년대, 프랑스 테스트 조종사 Gilbert Klopfstein은 최초의 현대 HUD와 표준화된 HUD 기호 시스템을 만들어 조종사들이 하나의 시스템만 배우고 항공기 간에 더 쉽게 전환할 수 있도록 했다.[9] 계기 비행 규칙 착륙에 사용되는 현대 HUD는 1975년에 개발되었다.[9]

2. 1. 제2차 세계 대전 및 전후

제2차 세계 대전 이전, 반사 조준경은 시차가 없는 군사 전투기를 위한 광학 조준 기술이었다.[4] 자이로 조준기는 기동 중 표적을 맞히기 위해 필요한 탄착점 선행의 양을 계산하기 위해 속도와 회전율을 기반으로 움직이는 레티클을 추가했다. 1940년대 초, 영국의 통신 연구소(TRE)는 영국 공군(RAF) 야간 전투기 조종사들이 레이더 정보를 효과적으로 활용할 수 있도록 하기 위해 레이더 튜브 영상과 GGS Mk. II 자이로 조준기의 투사를 조종석에 결합하는 HUD 개발을 시작했다.[5]

1955년, 미 해군의 해군 연구 개발국은 현대 제트 항공기를 조종하는 조종사의 부담을 덜고 비행 중 계측기를 덜 복잡하게 만들기 위해 사이드스틱 컨트롤러와 함께 HUD 컨셉 유닛의 모형을 연구했다.[6] 1958년, 버캐니어에 영국 해군이 HUD 기술을 최초로 적용했다.[7] 영국 국방부는 스트라이크 조준경 개발을 후원했고, 영국 왕립 항공 연구소(RAE)가 장비를 설계하면서 "헤드업 디스플레이"라는 용어가 처음 사용되었다.[7] 생산 유닛은 Rank Cintel에서 제작되었으며, 이 시스템은 1958년에 처음 통합되었다. Cintel HUD 사업은 Elliott Flight Automation에 인수되었고, 버캐니어 HUD는 제조 및 추가 개발되었으며, 총 375개의 시스템을 갖춘 Mark III 버전까지 계속되었다.[8]

1960년대, 프랑스 테스트 조종사 Gilbert Klopfstein은 최초의 현대 HUD와 표준화된 HUD 기호 시스템을 만들어 조종사들이 하나의 시스템만 배우고 항공기 간에 더 쉽게 전환할 수 있도록 했다.[9] 계기 비행 규칙 착륙에 사용되는 현대 HUD는 1975년에 개발되었다.[9]

2. 2. 민간 항공 및 자동차 분야 도입

1970년대에는 HUD가 상업 항공에 도입되었고, 1988년에는 Oldsmobile Cutlass Supreme이 헤드업 디스플레이를 갖춘 최초의 양산 자동차가 되었다.[9] 보잉 787에는 HUD가 표준 장비로 장착되었으며,[10] 에어버스 A320, A330, A340 및 A380 제품군도 HUD 인증 과정을 거치고 있다.[11]

사진 상단 근처 앞 유리에 있는 녹색 화살표는 2013년형 토요타 프리우스의 헤드업 디스플레이입니다. 이는 GPS 내비게이션 안내 화살표와 속도계를 전환합니다. 화살표는 차량이 회전에 접근함에 따라 앞으로 스크롤되는 애니메이션이 적용됩니다. 이 이미지는 어떤 종류의 유리 콤비네이터 없이 투영됩니다.


|thumb|BMW E60의 HUD]]

양산차에서는 일반적으로 속도계, 회전속도계, 내비게이션 시스템 디스플레이를 HUD로 제공하며, 일부 차종에서는 야간 시계 정보도 표시한다. 대부분의 항공기 HUD와 달리 자동차 헤드업 디스플레이는 시차 보정이 되지 않는다.[28] 애드온 HUD 시스템도 존재하며, 앞 유리의 위 또는 아래에 장착된 유리 콤비네이터에 디스플레이를 투영하거나 앞 유리 자체를 콤비네이터로 사용한다.

최초의 차량용 HUD는 1999년 제너럴 모터스(General Motors Corporation)에서 개발되었으며, 운전자 시야 앞에 내비게이션 서비스를 표시했다. 2010년대에는 AR 기술이 도입되어 차량용 HUD와 결합되었고, 차량 앞 유리에 내비게이션 서비스가 표시되기 시작했다.[28] 2012년, 파이오니아 주식회사는 운전석 측 햇빛 가리개를 대체하고 전방 상황의 애니메이션을 시각적으로 오버레이하는 HUD 내비게이션 시스템을 도입했다. 이는 증강 현실(AR)의 한 형태이다.[29][30] 파이오니아 주식회사의 AR-HUD는 가상 망막 디스플레이 (VRD)라고도 하는 직접 눈 레이저 빔 스캔 방식을 사용하는 최초의 애프터마켓 자동차 헤드업 디스플레이였다. AR-HUD의 핵심 기술은 MicroVision, Inc.에서 개발한 소형 레이저 빔 스캔 디스플레이를 포함한다.[31] 오토바이 헬멧 HUD도 상용으로 판매되고 있다.[32]

최근에는 기존 HUD를 홀로그래픽 광학 소자 (HOE)를 사용하는 WayRay에서 개발한 것과 같은 홀로그래픽 AR 기술로 대체하려는 시도가 있다. HOE를 사용하면 장치 크기를 줄이면서 더 넓은 시야를 확보할 수 있으며, 모든 자동차 모델에 맞게 솔루션을 맞춤 설정할 수 있다.[33][34] 메르세데스 벤츠(Mercedes Benz)는 증강 현실 기반 헤드업 디스플레이를 도입했으며,[35] 포레시아(Faurecia)는 시선 추적 및 손가락 제어 헤드업 디스플레이에 투자했다.[36]

3. 종류

전방 시현기 (HUD)는 이미지를 생성하는 기술에 따라 4세대로 나뉜다.

;1세대

:1세대는 음극선관(CRT)을 사용하여 형광체 스크린에 이미지를 생성한다. 형광체 스크린 코팅이 시간이 지남에 따라 저하되는 단점이 있다. 오늘날 운용 중인 대부분의 HUD가 이 유형이다.

;2세대

:2세대 전방 시현기는 발광 다이오드(LED)와 같은 고체 광원을 사용하여 이미지를 표시하며, LCD 화면으로 변조한다. 이러한 시스템은 1세대 시스템과 달리 형광체 스크린 코팅이 시간이 지남에 따라 저하되는 단점이 없고, 고전압이 필요하지 않다. 이러한 2세대 시스템은 상업용 항공기에 사용된다.

;3세대

:3세대는 광 도파관을 사용하여 결합기에 직접 이미지를 생성하며, 프로젝션 시스템을 사용하지 않는다.

;4세대

:4세대는 스캐닝 레이저를 사용하여 투명한 매체에 이미지와 비디오 이미지를 표시한다. LCD, LCoS, DMD, OLED를 포함한 최신 마이크로 디스플레이 이미징 기술이 도입되고 있다.

3. 1. 1세대

1세대는 음극선관(CRT)을 사용하여 형광체 스크린에 이미지를 생성한다. 형광체 스크린 코팅이 시간이 지남에 따라 저하되는 단점이 있다. 오늘날 운용 중인 대부분의 HUD가 이 유형이다.

3. 2. 2세대

2세대 전방 시현기는 발광 다이오드(LED)와 같은 고체 광원을 사용하여 이미지를 표시하며, LCD 화면으로 변조한다. 이러한 시스템은 1세대 시스템과 달리 형광체 스크린 코팅이 시간이 지남에 따라 저하되는 단점이 없고, 고전압이 필요하지 않다. 이러한 2세대 시스템은 상업용 항공기에 사용된다.

3. 3. 3세대

3세대는 광 도파관을 사용하여 결합기에 직접 이미지를 생성하며, 프로젝션 시스템을 사용하지 않는다.

3. 4. 4세대

4세대는 스캐닝 레이저를 사용하여 투명한 매체에 이미지와 비디오 이미지를 표시한다. LCD, LCoS, DMD, OLED를 포함한 최신 마이크로 디스플레이 이미징 기술이 도입되고 있다.

4. 구성 요소 및 작동 원리

유리판 결합기와 그 아래 볼록 집광 렌즈가 있는 PZL TS-11 Iskra 제트 훈련기에 장착된 HUD


일반적인 HUD는 세 가지 주요 구성 요소, 즉 ''프로젝터 유닛'', ''결합기'', 그리고 ''영상 생성 컴퓨터''를 포함한다.[3]

일반적인 HUD의 프로젝션 유닛은 광학 콜리메이터 설정이다. 즉, 초점에 볼록 렌즈 또는 오목 거울과 음극선관, 발광 다이오드 디스플레이 또는 액정 디스플레이가 있다. 이 설정(1900년 반사 조준경 발명 이후 존재해 온 디자인)은 빛이 평행광선화, 즉 초점이 무한대로 인식되는 이미지를 생성한다.

결합기는 일반적으로 시청자 바로 앞에 위치한 각진 평면 유리 조각(a 빔 분할기)으로, 프로젝터에서 투사된 이미지를 시야와 투사된 무한대 이미지를 동시에 볼 수 있도록 재지향한다. 결합기는 프로젝터 유닛에서 투사된 단색광을 반사하는 특수 코팅을 가질 수 있으며, 동시에 다른 모든 파장의 빛을 통과시킨다. 일부 광학 레이아웃에서 결합기는 프로젝터의 이미지를 다시 초점을 맞추기 위해 곡면을 가질 수도 있다.

컴퓨터는 HUD(즉, 프로젝션 유닛)와 표시할 시스템/데이터 간의 인터페이스를 제공하고, 프로젝션 유닛에서 표시할 이미지와 기호를 생성한다.

4. 1. 프로젝터 유닛

일반적인 전방 시현기(HUD)의 프로젝션 유닛은 광학 콜리메이터 설정을 사용한다. 광학 콜리메이터는 초점에 볼록 렌즈 또는 오목 거울과 음극선관, 발광 다이오드 디스플레이 또는 액정 디스플레이를 사용하는 방식이다.[3] 이러한 설정은 1900년 반사 조준경 발명 이후 사용되어 왔으며, 빛을 평행광선으로 만들어 초점이 무한대로 인식되는 이미지를 생성한다.[3]

4. 2. 결합기

결합기는 일반적으로 각진 평면 유리 조각(빔 분할기)으로, 프로젝터에서 투사된 이미지를 시야와 겹쳐서 보여준다.[3] 결합기는 특수 코팅을 통해 프로젝터 유닛에서 투사된 단색광을 반사하는 한편, 다른 모든 파장의 빛은 통과시킨다.[3] 일부 광학 레이아웃에서 결합기는 프로젝터의 이미지를 다시 초점을 맞추기 위해 곡면을 갖기도 한다.

4. 3. 영상 생성 컴퓨터

영상 생성 컴퓨터는 전방 시현기(HUD)와 표시할 시스템/데이터 간의 인터페이스를 제공하고, 프로젝션 유닛에서 표시할 이미지와 기호를 생성한다.[3]

5. 설계 요소

Headset computer 사진
헤드셋 컴퓨터


HUD(전방 시현기) 설계에는 여러 가지 요인이 작용한다.

  • '''시야각''' – "FOV"라고도 하며, 결합기가 외부 시야와 관련하여 심볼을 표시하는 각도(들), 수직 및 수평을 나타낸다. 좁은 FOV는 결합기를 통한 시야(예: 활주로)에 활주로 환경의 주변을 넘어선 추가 정보가 거의 포함되지 않을 수 있음을 의미한다. 반면 넓은 FOV는 '더 넓은' 시야를 허용한다. 항공 응용 분야에서 넓은 FOV의 주요 장점은 항공기가 측풍에서 활주로에 접근할 때 항공기가 활주로 문턱에서 멀리 떨어져 있더라도 결합기를 통해 활주로를 볼 수 있다는 것이다. 좁은 FOV에서는 HUD의 시야에서 벗어나 결합기의 '가장자리'에 활주로가 있게 된다. 인간의 눈은 분리되어 있기 때문에 각 눈은 다른 이미지를 받는다. 현대의 기대는 양쪽 눈이 동일한 이미지를 보는 것이다. 즉, "쌍안경 시야각(FOV)"이다.[12]
  • '''콜리메이션''' – 투영된 이미지는 콜리메이션되어 빛선이 평행을 이룬다. 빛선이 평행하기 때문에 인간의 눈의 렌즈는 선명한 이미지를 얻기 위해 무한대에 초점을 맞춘다. HUD 결합기의 콜리메이션된 이미지는 광학적 무한대에 존재하거나 그 근처에 있는 것으로 인식된다. 즉, 조종사의 눈은 외부 세계와 HUD 디스플레이를 보기 위해 초점을 다시 맞출 필요가 없다. 이미지는 "거기에" 있는 것처럼 보이며 외부 세계에 겹쳐진다. 이 기능은 효과적인 HUD에 매우 중요하다. HUD에 표시된 기호 정보와 해당 정보가 겹쳐진 외부 세계 사이에서 초점을 다시 맞출 필요가 없는 것은 콜리메이션된 HUD의 주요 장점 중 하나이다. 이는 조종사가 조종석 내부에서 다시 초점을 맞추고 다시 외부로 초점을 맞추는 데 몇 초가 걸리는 경우, 예를 들어 착륙의 마지막 단계에서 안전과 시간이 중요한 기동에서 HUD에 특별한 고려를 준다. 따라서 콜리메이션은 고성능 HUD의 주요 특징이며, 예를 들어 단순히 콜리메이션되지 않은 정보를 자동차 앞 유리에 반사하여 운전자가 다시 초점을 맞추고 앞쪽 도로에서 주의를 돌리게 하는 소비자 품질 시스템과 차별화된다.
  • '''아이박스''' – 광학 콜리메이터는 평행 광선 원통을 생성하므로 시청자의 눈이 해당 원통 내 어딘가에 있는 경우에만 디스플레이를 볼 수 있다. 이 3차원 영역을 ''헤드 모션 박스'' 또는 ''아이박스''라고 한다. 현대 HUD 아이박스는 일반적으로 가로 13cm, 세로 8cm, 세로 15cm 정도이다. 이를 통해 시청자는 약간의 머리 움직임의 자유를 얻을 수 있지만, 위/아래 또는 좌/우로 너무 많이 움직이면 디스플레이가 콜리메이터의 가장자리에서 사라지고 뒤로 너무 많이 움직이면 가장자리 주위가 잘린다(비네팅). 조종사는 한쪽 눈이 아이박스 안에 있는 한 전체 디스플레이를 볼 수 있다.[12]
  • '''휘도/대비''' – 디스플레이는 주변 조명에 맞춰 휘도와 대비를 조정할 수 있다(예: 밝은 구름의 눈부심부터 달 없는 밤에 접근하여 최소 조명 필드까지).
  • '''보어사이트''' – 항공기 HUD 구성 요소는 항공기의 3개 축과 매우 정확하게 정렬된다. 이를 ''보어사이팅''이라고 하며, 표시된 데이터가 일반적으로 ±7.0 밀리라디안(±24 각분)의 정확도로 현실에 부합하도록 한다. HUD의 FOV에 따라 달라질 수 있다. 이 경우 "부합"이라는 단어는 "개체가 결합기에 투영되고 실제 개체가 보이면 정렬된다"는 의미이다. 이를 통해 디스플레이는 조종사에게 인공 지평선이 정확히 어디에 있는지, 그리고 항공기의 투영 경로를 매우 정확하게 표시할 수 있다. 예를 들어, 향상된 시야를 사용하면 실제 조명이 보일 때 활주로 조명의 표시가 실제 활주로 조명과 정렬된다. 보어사이팅은 항공기 제작 과정에서 수행되며, 많은 항공기에서 현장에서 수행할 수도 있다.[9]
  • '''스케일링''' – 표시된 이미지(비행 경로, 피치 및 요 스케일링 등)는 조종사에게 외부 세계와 정확히 1:1의 관계를 갖는 그림을 제공하도록 스케일링된다. 예를 들어, 조종석에서 볼 때 지평선에서 3도 아래에 있는 물체(예: 활주로 문턱)는 HUD 디스플레이에서 −3도 지수에 나타나야 한다.
  • '''호환성''' – HUD 구성 요소는 다른 항공 전자 장치, 디스플레이 등과 호환되도록 설계되었다.

5. 1. 시야각 (FOV)

"FOV"라고도 하는 시야각은 결합기가 외부 시야와 관련하여 심볼을 표시하는 각도로, 수직 및 수평을 나타낸다. 좁은 FOV는 결합기를 통한 시야에 활주로 환경의 주변을 넘어선 추가 정보가 거의 포함되지 않을 수 있다는 것을 의미하며, 넓은 FOV는 더 넓은 시야를 허용한다. 항공 응용 분야에서 넓은 FOV의 주요 장점은 항공기가 측풍에서 활주로에 접근할 때 항공기가 활주로 문턱에서 멀리 떨어져 있더라도 결합기를 통해 활주로를 볼 수 있다는 것이다. 인간의 눈은 분리되어 있기 때문에 각 눈은 다른 이미지를 받는데, 현대의 HUD는 양쪽 눈이 동일한 이미지를 보는 "쌍안경 시야각(FOV)"을 제공하는 것을 기대한다.[12]

5. 2. 콜리메이션

전방 시현기(HUD) 설계에는 여러 가지 요인이 작용하는데, 그 중 콜리메이션은 투영된 이미지를 빛선이 평행을 이루도록 하여 조종사의 눈이 무한대에 초점을 맞추도록 한다. [12] 광학적 무한대에 콜리메이션된 이미지가 존재하거나 그 근처에 있는 것으로 인식되기 때문에, 조종사는 외부 세계와 HUD 디스플레이를 보기 위해 초점을 다시 맞출 필요가 없다.[12] 이러한 특징은 조종사가 외부를 보다가 조종석 내부를 보면서 초점을 맞추는데 시간이 필요한 경우를 없애기 때문에, 착륙과 같은 안전과 시간이 중요한 기동에서 HUD에 특별한 고려를 준다.[12]

광학 콜리메이터는 평행 광선 원통을 생성하며, 시청자의 눈이 해당 원통 내에 있을 때만 디스플레이를 볼 수 있는데 이 3차원 영역을 ''헤드 모션 박스'' 또는 ''아이박스''라고 한다.[12]

5. 3. 아이박스

광학 콜리메이터는 평행 광선 원통을 생성하므로 시청자의 눈이 해당 원통 내 어딘가에 있는 경우에만 디스플레이를 볼 수 있다. 이 3차원 영역을 ''헤드 모션 박스'' 또는 ''아이박스''라고 한다. 현대 HUD 아이박스는 일반적으로 가로 13cm, 세로 8cm, 세로 15cm 정도이다. 이를 통해 시청자는 약간의 머리 움직임의 자유를 얻을 수 있지만, 위/아래 또는 좌/우로 너무 많이 움직이면 디스플레이가 콜리메이터의 가장자리에서 사라지고 뒤로 너무 많이 움직이면 가장자리 주위가 잘린다(비네팅). 조종사는 한쪽 눈이 아이박스 안에 있는 한 전체 디스플레이를 볼 수 있다.[12]

5. 4. 휘도/대비



HUD(Head-Up Display, 전방 시현기)는 주변 조명에 맞춰 휘도와 대비를 조절할 수 있다.[12] 예를 들어, 밝은 구름의 눈부심부터 달 없는 밤에 접근하여 최소 조명 필드까지 조절이 가능하다.

5. 5. 보어사이트

항공기 HUD 구성 요소는 항공기의 3개 축과 매우 정확하게 정렬되는데, 이를 '''총기 조화(보어사이팅)'''라고 한다. 표시된 데이터는 일반적으로 ±7.0 밀리라디안(±24 각분)의 정확도로 현실에 부합하며, HUD의 FOV에 따라 달라질 수 있다.[9] "부합"이라는 단어는 결합기에 투영된 개체가 실제 개체와 정렬되어 보인다는 의미이다. 이를 통해 인공 지평선의 위치와 항공기의 투영 경로를 정확하게 표시할 수 있다. 예를 들어, 향상된 시야를 사용하는 경우, 실제 조명이 보일 때 활주로 조명의 표시가 실제 활주로 조명과 정렬된다. 보어사이팅은 항공기 제작 과정에서 수행되며, 많은 항공기에서 현장에서 수행할 수도 있다.[9]

5. 6. 스케일링

HUD(Head-Up Display, 전방 시현기) 설계에는 여러 가지 요인이 작용하는데, 그 중 스케일링은 중요한 요소이다.[12] 표시된 이미지(비행 경로, 피치 및 요 스케일링 등)는 조종사에게 외부 세계와 정확히 1:1의 관계를 갖는 그림을 제공하도록 스케일링된다.[9] 예를 들어, 조종석에서 볼 때 지평선에서 3도 아래에 있는 물체(예: 활주로 문턱)는 HUD 디스플레이에서 −3도 지수에 나타나야 한다.[9]

5. 7. 호환성

전방 시현기(HUD) 설계에는 여러 요인이 작용하며, 그 중 호환성은 다른 항공 전자 장치 및 디스플레이와의 호환성을 고려하여 설계된다는 것을 의미한다.[12]

6. 군사적 응용

F-15 이후의 전투기 등에 기존의 광학 조준기 등을 대신하여 장착되어 있다.

F-14A 톰캣의 전방 시현기


모의 공중전 중인 FA-18 HUD


위에 설명된 일반적인 정보 외에도, 군사용 애플리케이션은 다음과 같은 무기 시스템 및 센서 데이터를 포함한다.[9]

  • ''목표 지정(TD)'' 표시기 — 공중 또는 지상 목표물 위에 단서를 표시한다 (일반적으로 레이더 또는 관성 항법 시스템 데이터에서 파생됨).
  • ''Vc'' — 목표물과의 접근 속도.
  • ''사거리'' — 목표물, 경유지 등까지의 거리.
  • ''무기 탐색기'' 또는 센서 시선 — 탐색기 또는 센서가 어디를 가리키는지 표시한다.
  • ''무기 상태'' — 선택된 무기의 유형 및 수, 사용 가능 여부, 장전 상태 등을 포함한다.

6. 1. 전투기

F/A-18, F-16, 유로파이터와 같은 많은 현대 전투기는 전방 시현기(HUD)와 헬멧 장착 디스플레이(HMD)를 함께 사용한다. F-35 라이트닝 II는 HMD에만 의존하도록 설계되어 고정형 HUD를 갖추지 않은 최초의 현대 군용 전투기가 되었다.

군사용 전방 시현기는 무기 시스템 및 센서 데이터도 표시한다. 여기에는 목표 지정(TD) 표시기, 목표물과의 접근 속도(Vc), 목표물까지의 거리, 무기 탐색기 또는 센서 시선, 무기 상태 등이 포함된다.

6. 2. 표시 정보 (군용 항공기)

전방 시현기 표시 데이터 심볼


일반적인 항공기 HUD는 항공 속도, 고도, 수평선, 방위각, 선회/경사 및 미끄러짐/미끄러짐 지시계를 표시한다.[13]

일반적인 정보 외에 군용 항공기 HUD에는 무기 시스템 및 센서 데이터가 포함된다.[13]

  • '''목표 지정(TD)''' 표시기 — 공중 또는 지상 목표물 위에 단서를 표시한다. (일반적으로 레이더 또는 관성 항법 시스템 데이터에서 파생됨).
  • '''Vc''' — 목표물과의 접근 속도.
  • '''사거리''' — 목표물, 경유지 등까지의 거리.
  • '''무기 탐색기''' 또는 센서 시선 — 탐색기 또는 센서가 어디를 가리키는지 표시한다.
  • '''무기 상태''' — 선택된 무기의 유형 및 수, 사용 가능 여부, 장전 상태 등을 포함한다.

6. 3. VTOL/STOL

1980년대 동안, 미국 군은 수직 이착륙(VTOL) 및 단거리 이착륙(STOL) 항공기에서 전방 시현기(HUD) 사용을 시험했다.[14] NASA(미국 항공우주국) 에임스 연구 센터에서는 Category III C 터미널 지역 비행 운영을 위해 VTOL 및 STOL 항공기 조종사에게 완벽한 비행 안내 및 제어 정보를 제공하는 HUD 형식을 개발했다.[14] 여기에는 육상 활주로에서의 STOL 비행에서부터 항공모함에서의 VTOL 운용에 이르기까지 다양한 비행 운영이 포함된다.[14] 이 디스플레이 형식은 비행 경로 및 추적 안내 정보를 좁은 시야에 통합하고, 수직 및 수평 상황 정보를 중첩하여 조종사가 한 번의 시선으로 쉽게 이해할 수 있도록 하였다.[14] 이 디스플레이는 기존 수송 항공기를 위해 개발된 성공적인 디자인의 파생물이다.[14]

6. 4. 전차

2017년 중반, 이스라엘 방위군은 엘빗의 아이언 비전(Iron Vision) 시험을 시작했는데, 이는 세계 최초의 전차용 헬멧 장착형 헤드업 디스플레이이다. F-35용 헬멧 장착형 디스플레이 시스템을 개발한 엘빗은 아이언 비전을 통해 여러 대의 외부 장착 카메라를 사용하여 전차 주변의 360° 시야를 승무원 헬멧 장착형 바이저에 투사한다. 이를 통해 승무원은 해치를 열지 않고도 전차 내부에 머물면서 외부를 볼 수 있다.

7. 민간 항공 분야 응용

합성 시현 시스템이 장착된 NASA의 걸프스트림 GV 조종석. HUD 컴바이너는 조종사 앞에 있으며(프로젝터가 위에 장착됨), 이 컴바이너는 이미지를 초점화하기 위해 곡면을 사용한다.


헤드업 디스플레이(HUD)의 사용은 상업용 항공기의 운항에 상당한 유연성을 제공한다. 시야가 제한된 이착륙과 완전 수동 Category III A 착륙 및 롤아웃을 허용하는 시스템이 승인되었다.[15][16][17] 처음에는 비싸고 물리적으로 컸기 때문에 이러한 시스템은 이를 지원할 수 있는 더 큰 항공기에만 설치되었다. 이는 자동 착륙을 표준으로 지원하는 동일한 항공기인 경향이 있었으며(HUD를 옵션으로 갖춘 특정 터보프롭 유형) Cat III 착륙에 헤드업 디스플레이가 필요하지 않게 되었다. 이로 인해 상업용 항공기에서 HUD의 채택이 지연되었다. 동시에 HUD를 착륙 중에 사용하면 착륙 조건에 관계없이 중심선에서 측면 편차가 감소하지만 중심선을 따라 터치다운 지점은 변경되지 않는다는 연구 결과가 나왔다.[18]

일반 항공의 경우, MyGoFlight는 STC를 받고 Cirrus SR22와 같은 단일 피스톤 엔진에 대해 설치 비용을 제외하고 25,000달러에 SkyDisplay HUD를 판매할 것으로 예상하며, Cessna Caravan 또는 PC-12s 단일 엔진 터보프롭의 경우 전통적인 HUD 비용의 5~10% 수준이지만 외부 지형과 정확히 일치하지 않는 비등각 투영 방식이다.[19]

태블릿 컴퓨터의 비행 데이터는 1,800달러 Epic Optix Eagle 1 HUD에 투영될 수 있다.[20]

7. 1. 표시 정보 (민간 항공기)

일반적인 항공기 HUD는 항공 속도, 고도, 수평선, 방위각, 선회/경사 및 미끄럼/미끄러짐 지시계를 표시한다. 이러한 계기는 14 CFR Part 91에서 요구하는 최소 요구 사항이다.[13]

일부 HUD에서는 다른 심볼 및 데이터도 사용할 수 있다.

  • 보어사이트 또는 수선 심볼 - 디스플레이에 고정되어 있으며 항공기 기수가 실제로 가리키는 곳을 보여준다.
  • 비행 경로 벡터(FPV) 또는 속도 벡터 심볼 - 보어사이트와 달리 항공기가 단순히 가리키는 곳이 아니라 실제로 어디로 가고 있는지 보여준다. 예를 들어, 항공기가 피치 업되어 있지만 하강하는 경우 높은 받음각 비행 또는 하강 기류 비행에서 발생할 수 있으며, FPV 심볼은 보어사이트 심볼이 수평선 위에 있더라도 수평선 아래에 표시된다. 접근 및 착륙 중에 조종사는 FPV 심볼을 원하는 강하 각도와 활주로의 터치다운 지점에 유지하여 접근 방식을 비행할 수 있다.
  • 가속도 지시계 또는 에너지 신호 - 일반적으로 FPV 심볼의 왼쪽에 있으며, 항공기가 가속되면 그 위에 있고, 감속되면 FPV 심볼 아래에 표시된다.
  • 받음각 지시계 - 날개의 기류에 대한 각도를 표시하며, 종종 ''"α"''로 표시된다.
  • 항법 데이터 및 심볼 - 접근 및 착륙을 위해 비행 안내 시스템은 계기 착륙 장치 또는 증강된 위성 항법 시스템과 같은 항법 보조 장치를 기반으로 시각적 신호를 제공할 수 있다. 일반적으로 이것은 비행 경로 벡터 심볼 내부에 맞는 원이다. 조종사는 안내 신호에 "비행"하여 올바른 비행 경로를 따라 비행할 수 있다.


HUD에 도입된 이후, FPV와 가속도 심볼은 헤드다운 디스플레이(HDD)에서도 표준이 되고 있다. HDD의 FPV 심볼의 실제 형태는 표준화되어 있지 않지만 일반적으로 두 개의 짧은 각진 선이 있는 원(180 ± 30도)과 하강선 끝에 "날개"가 있는 단순한 항공기 그림이다. FPV를 수평선에 유지하면 조종사는 다양한 경사각으로 수평 선회를 비행할 수 있다.

헤드업 디스플레이의 사용은 상업용 항공기의 운항에 상당한 유연성을 제공한다. 시야가 제한된 이착륙과 완전 수동 Category III A 착륙 및 롤아웃을 허용하는 시스템이 승인되었다.[15][16][17]

7. 2. 강화된 비행 시야 시스템 (EFVS)

열화상이 헤드업 디스플레이를 통해 보이는 모습


미국 연방 항공국(FAA)에서 '강화된 비행 시현 시스템'(Enhanced Flight Vision System)으로 명명한 더 발전된 시스템에서는[21] 실제 시각 이미지(적외선 카메라)를 콤바이너 위에 겹쳐서 표시할 수 있다. "EVS 강화 시현 시스템"은 FAA가 "FAA는 [이 용어가] 91.175(l) 및 (m)에서 발견되는 시스템 정의 및 운영 개념과 혼동될 수 있다고 생각하기 때문에" 사용하지 않기로 결정한 업계에서 인정하는 용어이다.[21]

"정합", 즉 EVS 이미지와 실제 세계 이미지의 정확한 겹침은 HUD 기반 EVS의 승인 전에 당국이 면밀히 검토하는 한 가지 기능이다. 이는 HUD가 실제 세계와 일치하여 오해의 소지가 있는 정보가 아닌 정확한 데이터를 제공할 수 있는 것이 중요하기 때문이다.

EVS 디스플레이는 큰 도움이 될 수 있으며, FAA는 운영 규정을 완화하여[22] EVS가 장착된 항공기가 CATEGORY I 접근 방식을 CATEGORY II 최소값으로 수행할 수 있도록 했다.

7. 3. 합성 시현 시스템 (SVS)

합성 시현 시스템 디스플레이 (Honeywell)


합성 시현 시스템(SVS) 그래픽 이미지는 고정밀 항법, 자세, 고도 및 지형 데이터베이스를 사용하여 외부 세계의 현실적이고 직관적인 뷰를 생성한다.[23][24][25]

HUD에 표시되는 SVS는 일반적으로 녹색 음영과 같은 단색으로 표시된다. 헤드 다운 주 비행 디스플레이의 SVS에는 속도 테이프(왼쪽), 고도 테이프(오른쪽), 선회/뱅크/미끄러짐/스키드 디스플레이(상단 중앙)와 같은 지표들이 즉시 볼 수 있게 표시된다. 보어사이트 기호(-v-)가 중앙에 있고, 그 아래에는 비행 경로 벡터(FPV) 기호(짧은 날개와 수직 안정 장치가 있는 원)가 위치한다.

항공기의 피치는 수평선과 함께 표시되며, 수평선은 디스플레이 중앙에서 끊어져 있고, 좌우에 ±10도, ±5도에 해당하는 숫자와 선이 표시되어 있다. 이미지는 날개가 수평인 항공기를 나타내며, 속도는 140노트, 고도는 9,450피트, 방위각은 343도이다. 비행 안내 시스템에서 제공되는 안내 신호는 FPV에서 약간 오른쪽 아래에 있는 작은 보라색 원으로 표시된다.

지형은 고해상도 지형 데이터베이스에서 완전히 컴퓨터로 생성된다.[26]

일부 시스템에서는 SVS가 항공기의 현재 또는 가능한 비행 경로를 계산하여 장애물을 빨간색으로 표시하여 비행 승무원에게 경고한다.

SVS 고유 기호는 디스플레이 왼쪽에 보라색으로 표시되어 점점 작아지는 옆으로 기울어진 사다리 모양이며, 디스플레이 오른쪽에서도 계속된다. 두 줄은 "하늘의 터널"을 정의하며, 항공기의 원하는 3차원 궤적을 나타낸다. 조종사가 비행 경로 벡터를 궤적 기호와 나란히 유지하면 항공기는 최적의 경로를 비행하게 된다. 하늘의 터널은 요구 항법 성능(RNP)과 같이 보다 정확한 4차원 비행이 필요한 경우 조종사를 도울 수 있다.

8. 자동차 분야 응용

자동차 분야에서 전방 시현기(HUD)는 속도계, 회전속도계, 내비게이션 시스템 디스플레이를 제공하며, 일부 차량에서는 야간 시계 정보도 표시한다.[28] 애드온 HUD 시스템도 존재하며, 파이오니아 주식회사는 증강 현실(AR) HUD 내비게이션 시스템을 개발했다.[29][30]

1999년 제너럴 모터스(General Motors Corporation)에서 최초의 차량용 HUD를 개발하여 운전자 시야 앞에 내비게이션 서비스를 표시했다. 2010년에는 AR 기술이 도입되어 기존 차량용 HUD와 결합되었고, 차량 앞 유리에 내비게이션 서비스가 표시되기 시작했다.

2012년 파이오니아 주식회사는 운전석 햇빛 가리개를 대체하고 전방 상황 애니메이션을 시각적으로 오버레이하는 HUD 내비게이션 시스템을 도입했다.[29][30] 이는 증강 현실(AR)의 한 형태이며, 가상 망막 디스플레이 (VRD)라고도 하는 직접 눈 레이저 빔 스캔 방식을 사용하는 최초의 애프터마켓 자동차 헤드업 디스플레이였다. 이 AR-HUD의 핵심 기술에는 MicroVision, Inc.에서 개발한 소형 레이저 빔 스캔 디스플레이가 포함된다.[31]

최근에는 홀로그래픽 광학 소자 (HOE)를 사용하는 WayRay의 홀로그래픽 AR 기술로 기존 HUD를 대체하려는 시도가 있다. HOE는 장치 크기를 줄이면서 더 넓은 시야를 확보할 수 있게 한다.[33][34] 메르세데스 벤츠는 증강 현실 기반 헤드업 디스플레이를 도입했으며,[35] 포레시아는 시선 추적 및 손가락 제어 헤드업 디스플레이에 투자했다.[36]

일본에서는 5세대 닛산 실비아 (S13계)에서 속도 표시만 가능한 HUD를 메이커 옵션으로 처음 설정했고,[42] 이후 토요타 크라운 마제스타가 전 차종 표준 장비로 탑재하여 속도 표시, 카 내비게이션 가이드, 나이트 뷰 등에 사용했다.[41] 마쓰다 아텐자, 마쓰다 데미오, 마쓰다 CX-3, 마쓰다 악셀라, 마쓰다 CX-5 일부 그레이드, 혼다 레전드는 인텔리전트 나이트 비전 시스템에 HUD를 사용하고 있다. 파이오니아의 카로체리아・사이버 내비는 2012년 7월부터 HUD 탑재 모델과 단품 HUD를 시판했으나, 2014년 모델을 마지막으로 판매를 종료했다.

2017년 1월, 코니카 미놀타는 세계 최초의 차량용 3D 증강 현실 헤드업 디스플레이를 개발했다. 운전자 시점이 움직여도 AR 표시가 운전 속도를 고려하여 가변적으로 움직여 정확한 영상 정보를 전달할 수 있게 되었다.[43]

9. 기타 응용 분야

군사 환경에서 HUD는 레이저 거리 측정기의 출력이나 분대원의 위치와 같은 전술 정보를 보병에게 오버레이하는 데 사용될 수 있다.[37] 수영 선수나 스쿠버 다이버를 위한 HUD 프로토타입도 개발되었다.[37] 저전력 레이저(가상 망막 디스플레이)를 사용하여 착용자의 망막에 직접 정보를 투사하는 HUD 시스템도 테스트되고 있다.[38][39]

2012년에 개발된 HUD 제품은 실시간 언어 번역을 수행할 수 있었다.[40] 광학식 헤드 마운트 디스플레이의 일종인 아이탭은 컴퓨터 그래픽을 렌즈에 중첩하여 표시한다. 구글 글래스도 초창기 HUD 제품 중 하나였다.

10. 컴퓨터 게임에서의 활용

컴퓨터 게임에서는 화면에 겹쳐서 표시되는 정보를 "HUD 표시"라고 부른다. 일반적인 게임 화면에 플레이어 캐릭터의 체력, 탄약 잔량, 지도, 점수 등 여러 가지 정보를 겹쳐서 표시한다. 다만, 무한대의 전방을 주시하면서 각종 상태 표시를 동시에 보기 위한 헤드업 디스플레이를 일반적인 컴퓨터 디스플레이에 사용해도 큰 의미는 없다.

11. 비판 및 한계

참조

[1] 서적 Oxford Dictionary of English Oxford University Press 2010
[2] 웹사이트 Augmented reality brings VR to the real world in all sorts of exciting ways https://www.digitalt[...] 2019-06-06
[3] 서적 Spatial Disorientation in Aviation https://books.google[...] AIAA
[4] 서적 Cockpit engineering https://books.google[...] Ashgate Pub. 2012-07-14
[5] 서적 The History of Air Intercept Radar & the British Nightfigher https://books.google[...] Pen & Sword 2007
[6] 간행물 Windshield TV Screen To Aid Blind Flying. https://books.google[...] Popular Mechanics 1955-03
[7] 문서 Rupture of the Virtual http://digitalcommon[...] Digital Commons Macalester College 2016
[8] 문서 Rochester Avionics Archives
[9] 서적 Digital Avionics Handbook CRC Press 2001
[10] 서적 Boeing 787 Dreamliner—Flying Redefined Aerospace Technical Publications International 2005
[11] 웹사이트 Airbus A318 approved for Head Up Display http://www.airbus.co[...] Airbus.com 2007-12-03
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[13] 웹사이트 14 CFR Part 91 http://www.airweb.fa[...] Airweb.faa.gov 2009-10-02
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[15] 웹사이트 Order: 8700.1 Appendix: 3 Bulletin Type: Flight Standards Handbook Bulletin for General Aviation (HBGA) Bulletin Number: HBGA 99-16 Bulletin Title: Category III Authorization for Parts 91 and 125 Operators with Head-Up Guidance Systems (HGS); LOA and Operations Effective Date: 8-31-99 http://www.faa.gov/l[...]
[16] 뉴스 Falcon 2000 Becomes First Business Jet Certified Category III A by JAA and FAA Aviation Weeks Show News Online 1998-09-07
[17] 웹사이트 Design Guidance for a HUD System is contained in Draft Advisory Circular AC 25.1329-1X, "Approval of Flight Guidance Systems" dated 10/12/2004 http://www.airweb.fa[...] Airweb.faa.gov 2009-10-02
[18] 논문 HUD With a Velocity (Flight Path) Vector Reduces Lateral Error During Landing in Restricted Visibility 2007
[19] 뉴스 A HUD For the Rest of Us by https://www.ainonlin[...] 2018-08-24
[20] 뉴스 This HUD's For You https://www.ainonlin[...] 2018-12-26
[21] 웹사이트 U.S. DOT/FAA – Final Rule: Enhanced Flight Vision Systems http://www.regulatio[...] www.regulations.gov
[22] 문서 14 CFR Part 91.175 change 281 "Takeoff and Landing under IFR"
[23] 웹사이트 Slide 1 http://www.faa.gov/a[...] 2009-10-02
[24] 웹사이트 Evaluation of Alternate Concepts for Synthetic Vision Flight Displays with Weather-Penetrating Sensor Image Inserts During Simulated Landing Approaches, NASA/TP-2003-212643 http://techreports.l[...]
[25] 웹사이트 No More Flying Blind, NASA http://www.nasa.gov/[...] Nasa.gov 2009-10-02
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[42] 간행물 新型シルビア発売 ・若い男女のカーライフをお酒落に演出する、センスが良く、走りが楽しい2ドア・スタイリッシュ・クーペ　・新開発マルチリンクリヤサスペンションを採用 https://global.nissa[...] 日産自動車株式会社 1988-05-17
[43] 뉴스 コニカミノルタ 世界初の車載用3D拡張現実ヘッドアップディスプレイを開発 https://www.konicami[...] コニカミノルタ ニュースリリース
[44] 서적 Oxford Dictionary of English Oxford University Press 2010


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