IQ.LIGHT: fotonika ratuje życie. Anatomia systemu, który widzi to, co Ty przeoczysz

Noc na drogach to statystyczny chaos. Mimo iż natężenie ruchu spada o 80%, ryzyko śmiertelnego wypadku wzrasta trzykrotnie. Dlaczego? Bo ewolucja nie przygotowała nas do podróżowania z prędkością 90 km/h w całkowitej ciemności. Nasze oczy to biologiczne sensory o fatalnej dynamice w mroku. Tutaj wchodzi inżynieria.

Wyjaśnianie niuansów świata, w którym technologia realnie poszerza naszą percepcję wymaga konkretnych przykładów. Owszem, można abstrakcyjnie deliberować o rozwiązaniach, ale to nie przybliża nas do zrozumienia. Konkretne systemy, produkty osadzone w społecznej świadomości, rozpoznawalne na rynku, lepiej wchodzą do głowy. Tak się składa, iż miałem okazję dość dobrze poznać konkretny system rozwiązań, który sprawia, iż szanse przeżycia na drodze krajowej rosną. I błagam, nie mówcie „reflektory” sprowadzanie zaawansowanej inżynierii do detalu nadwozia to igranie z ignorancją, ale tu przychodzę z pomocą. Pozwólcie, iż Was… oświecę.

Volkswagenowski system IQ.LIGHT to nie jest po prostu „lepsza żarówka”. To skomplikowany układ scalony, optoelektronika i algorytmy, które w czasie poniżej 30 milisekund podejmują decyzje o życiu i śmierci. Rozbieram ten system na czynniki pierwsze – bez marketingowego lukru, opierając się na faktach, fizyce i regulacjach ECE.

Luty w Polsce to poligon doświadczalny dla wszystkich kierowcy. Szarówka, mgła, deszcz ze śniegiem i asfalt, który pochłania światło zamiast je odbijać. W takich warunkach klasyczne oświetlenie – choćby to ksenonowe – kapituluje. Problemem nie jest już „jasność” (lumeny), ale „inteligencja” (dystrybucja światła). Zresztą, z jasnością nie można przesadzić, bo… inni uczestnicy dróg publicznych też chcą widzieć. Żeby zrozumieć, dlaczego technologia IQ.LIGHT (Matrix LED) jest tak przełomowa, musimy najpierw zrozumieć problem, który rozwiązuje. A problemem jesteśmy… my sami.

Biologiczna luka, czyli dlaczego potrzebujesz wsparcia

Ludzkie oko to majstersztyk natury, ale zaprojektowany do zbierania owoców na sawannie w pełnym słońcu, a nie do analizy wektorów ruchu na autostradzie A2, czy DK92 w nocy. W ciemności nasze widzenie przechodzi z fotopowego (czopki, widzenie barwne) w skotopowe (pręciki, widzenie czarno-białe), a najczęściej utykamy w fazie mezopowej (pośredniej). Co to oznacza? Drastyczny spadek ostrości widzenia i percepcji głębi. Do tego dochodzi czas reakcji. Przyjmuje się, iż kierowca potrzebuje około 1 sekundy na reakcję. Przy 90 km/h to 25 metrów „na ślepo”. jeżeli dodamy do tego czas na rozpoznanie obiektu w słabym świetle, droga hamowania kończy się często… za przeszkodą.

Tutaj do gry wchodzi IQ.LIGHT. Celem inżynierów z Wolfsburga (wspieranych przez uznanych partnerów technologicznych) nie było „zrobienie jaśniej”. Celem było kupienie kierowcy czasu. Każdy dodatkowy metr zasięgu świateł drogowych, który nie oślepia innych (warunek absolutnie konieczny!), to ułamki sekund na reakcję. W świecie inżynierii bezpieczeństwa to najcenniejsza waluta.

Hardware. Krzem, aluminium i tysiące pikseli

Kiedy otworzymy obudowę reflektora IQ.LIGHT – na przykład w nowym Volkswagenie Tiguanie, Tayronie czy odświeżonym Golfie – nie znajdziemy tam ani jednego żarnika. Znajdziemy tam zaawansowaną elektronikę, która bardziej przypomina wnętrze komputera niż lampy. Czas zajrzeć do środka.

Na czym adekwatnie polega architektura matrycy (Matrix LED) w kontekście oświetlenia drogowego w nowoczesnym aucie? W standardowych systemach LED mamy kilka diod i soczewkę. W systemie Matrix sercem jest moduł składający się z macierzy diod LED. W zależności od generacji i modelu auta, mówimy tu o liczbach od kilkudziesięciu do choćby 19 200 mikro-diod na jeden reflektor w topowych systemach HD Matrix (dostępnych np. w nowym Touaregu, Tiguanie i Tayronie).

Każda z tych diod (pikseli) jest sterowana indywidualnie. To kluczowe. Nie ma tu mechanicznych przesłon, silniczków zasłaniających światło (jak w starych systemach DLA z ksenonami). Jest czysta elektronika półprzewodnikowa. Sterownik reflektora może włączyć diodę nr 45, ściemnić diodę nr 46 do 30% mocy i wyłączyć diodę nr 47. Dzieje się to płynnie, bezstopniowo. Banał? No… niezupełnie.

Wyzwanie termiczne

Dlaczego to trudne? Upakowanie tak dużej mocy świetlnej na płytce drukowanej (PCB) wielkości karty kredytowej generuje potężne ilości ciepła. Diody LED nienawidzą temperatury – spada ich wydajność i żywotność. Dlatego zaawansowane moduły IQ.LIGHT posiadają skomplikowane systemy chłodzenia – radiatory, a często choćby aktywne wentylatory zintegrowane wewnątrz lampy, które zarządzają przepływem powietrza, wykorzystując ciepło diod np. do odparowywania klosza w wilgotne dni. To inżynieria termiczna na poziomie najwyższej klasy procesorów gamingowych. Tyle, iż tu stawką nie jest zwycięstwo w grze, a dotarcie do celu. Po co ta moc obliczeniowa? Dochodzimy do sedna.

Mózg operacji, czyli Sensor Fusion

Lampa sama w sobie jest „głupia”. choćby najlepsza matryca LED bez danych jest tylko drogą (nawet bardzo) latarką. Magia IQ.LIGHT dzieje się na poziomie sterownika, który zbiera dane z całego samochodu. W inżynierii nazywamy to Sensor Fusion (fuzja czujników).

IQ.LIGHT w czasie rzeczywistym (z częstotliwością odświeżania rzędu milisekund) analizuje strumień danych z kamery frontowej MFK (Multifunktionskamera) umieszczonej za przednią szybą (dlatego systemy ADAS głupieją, gdy „bylejak” zeskrobiesz szron z szyby) – to ona „widzi” punkty świetlne innych pojazdów (przednie i tylne lampy). Do tego dochodzi analiza z czujnika kąta skrętu kierownicy. Dzięki temu system wie, gdzie chcesz jechać, zanim auto faktycznie zmieni tor jazdy. To wciąż nie wszystko, do tego dochodzą czujniki prędkości. Inaczej IQ.LIGHT świeci się w mieście (szeroko, krótko), inaczej na autostradzie (wąsko, daleko). No i nie zapominajmy o GPS i danych mapowych z pokładowej nawigacji (w przypadku Volkswagena – w modelach wyposażonych w pokładową nawigację Discover Pro). To tzw. oświetlenie predykcyjne. Samochód „wie”, iż za 50 metrów jest zakręt, jeszcze zanim go zobaczysz, i kieruje wiązkę światła w cięciwę łuku. Ty choćby tego nie zauważasz, ale czujesz, iż „fajnie się prowadzi”. Świadomość nie rejestruje, ale Twój mózg… docenia.

Scenariusze z drogi

Nie będzie przesady, gdy stwierdzę, iż Volkswagenami wyposażonymi w system IQ.LIGHT pokonałem już grube tysiące kilometrów. Wiedza połączona z doświadczeniem pozwala odpowiedzieć na ważne pytanie. Jak to przekłada się na praktykę? Zapomnijmy o marketingowych hasłach. Zobaczmy, co dzieje się na poziomie fizyki i algorytmu w konkretnych sytuacjach drogowych. Oto co możesz zaobserwować, gdy podróżujesz i świadomie monitorujesz działanie opisywanego systemu.

Dynamiczne wycinanie (Glare-free High Beam) to „killer feature” systemu IQ.LIGHT. Jedziesz na światłach drogowych („długich”). Kamera wykrywa auto nadjeżdżające z naprzeciwka. Kiedyś w autach z automatyką sterowania światłami mijania/drogowymi (i w wielu modelach wciąż dziś oferowanych, pozbawionych reflektorów matrycowych), system przełączał na światła mijania. Nie oślepiałeś innych, ale traciłeś widoczność pobocza.

W IQ.LIGHT algorytm lokalizuje obiekt w przestrzeni 3D. Wylicza, które konkretnie piksele matrycy LED oświetlają ten pojazd. Następnie wysyła komendę do sterownika: „wygaś piksele X, Y, Z”. Tworzy się tzw. tunel cienia. Pojazd z naprzeciwka jedzie w ciemnej strefie, nie jest oślepiany, ale wszystko dookoła niego (pobocze, znaki, Twój pas ruchu) przez cały czas jest oświetlone pełną mocą świateł drogowych. Co więcej, tunel ten jest dynamiczny – przesuwa się wraz z ruchem tamtego pojazdu. To wymaga latencji (opóźnienia) systemu poniżej 30-40 milisekund, inaczej „oślepiłbyś” kierowcę przy mijaniu. Tu nie ma miejsca na elektronikę, która – niczym na Netflixie na kiepskim łączu buforuje. W streamingu to jedynie irytuje. Na drodze wydajność to kwestia bezpieczeństwa.

Redukcja odblasków od znaków (Sign Glare Reduction), to kolejny „ficzer” warty docenienia. Wielu kierowców zna ten ból – nowoczesne, silnie odblaskowe znaki drogowe oświetlone mocnymi LED-ami potrafią oślepić samego kierowcę. IQ.LIGHT rozpoznaje (dzięki kamerze), iż oświetla znak drogowy. System punktowo przyciemnia diody skierowane na ten znak, redukując refleks, ale pozostawiając resztę otoczenia jasną. To chirurgiczna precyzja. Widzisz znak, a nie oślepiający cię jego odblask.

Wreszcie to co lubię podróżując trasami szybkiego ruchu, czyli autostradowy „szperacz”. Powyżej 110 km/h, jeżeli nie ma innych pojazdów, system zmienia geometrię wiązki. Nie potrzebujemy wtedy oświetlać szeroko rowów. Na drogach klasy A zwierzętom buduje się tunele i mosty, szansa, iż wbiegną na drogę jest absolutnie minimalna (i wymagałoby to uszkodzenia infrastruktury). Oświetlanie pobocza na takich drogach to marnowanie potencjału. Za to co robią kierowcy na autostradach? Cóż… jadą szybciej. Algorytm IQ.LIGHT zawęża wiązkę i podnosi ją minimalnie (w granicach normy ECE), skupiając energię świetlną na jak największym dystansie. Zasięg wzrasta choćby o kilkadziesiąt metrów. Przy prędkości autostradowej to najważniejsze sekundy na zauważenie nieoświetlonej naczepy czy przeszkody, w stylu „kierowca nieoświetlonego busa, który postanowił załatwić potrzebę na trawie przy barierkach autostradowych” (serio, doświadczyłem takiego zdarzenia).

Regulacje – czyli problem krótkiej kołdry

Umówmy się, źródła światła przecinające mrok nocy to nie nowość. Wielu prawdopodobnie zapyta: „Czemu nie zrobili tego wcześniej?”. Odpowiedź brzmi: prawo i moc obliczeniowa. W Europie systemy oświetlenia podlegają trudnym (z inżynierskiego punktu widzenia) normom ECE R149 (wcześniej R123) dot. systemów AFS (Adaptive Frontlighting Systems). Nie chcę was zmuszać do lektury unijnej legislacji, podam to po ludzku.

System IQ.LIGHT musi gwarantować, iż w strefie cienia (tam, gdzie jest inny kierowca) natężenie światła spadnie poniżej określonego poziomu (zazwyczaj poniżej 1 luxa na poziomie oczu kierowcy), podczas gdy milimetry obok, na poboczu, natężenie musi wynosić kilkadziesiąt luksów. To wymaga niesamowitej precyzji optycznej. Granica światła i cienia (cut-off line) musi być ostra jak brzytwa. Gdyby diody „siały” światłem na boki, system nie przeszedłby homologacji, bo oślepiałby mimo wygaszenia pikseli. Volkswagen, współpracując z uznanymi partnerami technologicznymi osiągnął tu mistrzostwo w precyzji mikrosoczewek.

IQ.LIGHT HD – skok w nadprzestrzeń

Warto wspomnieć o najnowszej ewolucji opisywanego rozwiązania, którą znajdziecie w topowych modelach marki z Wolsfburga.W topowym systemie HD (np. w Touaregu, ale również w najnowszym Volkswagenie Tayronie oraz Tiguanie) mamy ponad 38 000 aktywnych, dynamicznie sterowanych w czasie rzeczywistym diod LED na auto (19 200 na reflektor). To zmiana jakościowa, nie ilościowa. To pozwala na rzutowanie na asfalt tzw. Carpet of Light (dywanu świetlnego). Samochód rysuje pas światła dokładnie o szerokości Twojego auta na pasie ruchu. Pomaga to w precyzyjnym prowadzeniu w nocy na zwężeniach (np. roboty drogowe). To już nie jest oświetlenie – to rozszerzona rzeczywistość (AR) rzutowana analogowo na drogę. o ile ktokolwiek zastanawiał się po co to, pytanie zniknie, gdy dojedziesz do zwężenia pasa, robót drogowych, czy będziesz zmuszony do przejechania pomiędzy dwiema przeszkodami. Światło – dosłownie – powie Ci, czy się zmieścisz.

Granice fizyki

IQ.LIGHT ma swoje ograniczenia i wynikają one z praw fizyki, których inżynierowie VW (ani jakiejkolwiek innej marki) nie przeskoczą. Jedną bardzo istotną rzecz już wam zasygnalizowałem wcześniej, co uważniejsi być może dostrzegli mój wtręt o nieudolnym oczyszczeniu szyby. To kluczowe. System jest zależny od kamery na szybie. Ulewa, gęsty śnieg zalepiający pole widzenia kamery, czy bardzo niskie słońce świecące prosto w obiektyw mogą oślepić sensor. Wtedy system bezpiecznie degraduje się do poziomu standardowych świateł mijania. W dzień (słońce) to nie problem, bo i tak nie korzystamy z „długich”, ale zimą, w nocy, przy zamieci, warto czasem skorzystać z MOP-a by oczyścić radar (tempomat) i kamerę (IQ.LIGHT).

Mgła i efekt Tyndalla, to kolejne ograniczenie wynikające z fizyki i aury jaką możemy spotkać na nocnym szlaku. Matryca LED emituje światło o chłodnej barwie (zazwyczaj ok. 5500-6000 Kelwinów). We mgle, potężna wiązka świateł drogowych (nawet inteligentnych) odbija się od cząsteczek wody (składników mgły), tworząc białą ścianę przed kierowcą. W takich warunkach automatyka bywa zgubna i manualna interwencja kierowcy (oraz użycie świateł przeciwmgłowych umieszczonych niżej) jest niezbędna.

Podróżując przez wzgórza czy wzniesienia warto pamiętać o jeszcze jednym. Choć opisywany system ma samopoziomowanie, przy bardzo dynamicznym wjeździe na szczyt wzniesienia, wiązka przez ułamek sekundy może „strzelić” w niebo lub w oczy kierowcy nadjeżdżającego z naprzeciwka, zanim algorytm skoryguje kąt pochylenia. Fizyka działa szybciej niż serwomechanizmy.

Inwestycja w życie

Czytając specyfikację nowego auta, łatwo pominąć pakiet oświetlenia. Felgi 19 cali wyglądają lepiej na Instagramie. Skóra Nappa jest milsza w dotyku, a dobry system audio z pewnością umili podróż. Ale to IQ.LIGHT jest opcją, która realnie zmienia zasady gry. To technologia, która zdejmuje z kierowcy gigantyczny ładunek poznawczy (Amerykanie mówią na to: cognitive load). Nie musisz myśleć o przełączaniu świateł. Nie musisz wytężać wzroku, by zobaczyć, czy ten cień na poboczu to sarna, czy słupek – bo matryca oświetli to z pełną mocą, nie oślepiając przy tym ciężarówki jadącej z naprzeciwka.

W świecie, gdzie systemy bezpieczeństwa często są irytujące (piszczące asystenty pasa ruchu, czy obowiązkowa ISA, która właśnie zczytała ograniczenie 20 km/h z… parkingu wzdłuż drogi), IQ.LIGHT jest systemem „cichym”. Działa w tle, robiąc niesamowitą robotę inżynierską, której – paradoksalnie – nie rejestrujesz w pełni świadomie. Po prostu widzisz. Widzisz lepiej, dalej, dokładniej. A w lutową noc na polskiej drodze krajowej, widzieć znaczy przeżyć.

Materiał powstał we współpracy z marką Volkswagen

Jeśli artykuł IQ.LIGHT: fotonika ratuje życie. Anatomia systemu, który widzi to, co Ty przeoczysz nie wygląda prawidłowo w Twoim czytniku RSS, to zobacz go na iMagazine.