ARCAS: An Augmented Reality Collision Avoidance System with SLAM-Based Tracking for Enhancing VRU Safety

📄 arXiv: 2512.05299v1 📥 PDF

作者: Ahmad Yehia, Jiseop Byeon, Tianyi Wang, Huihai Wang, Yiming Xu, Junfeng Jiao, Christian Claudel

分类: eess.SY, cs.AR, cs.CV, cs.ET, cs.RO, eess.IV

发布日期: 2025-12-04

备注: 8 pages, 3 figures, 1 table

💡 一句话要点

ARCAS：基于SLAM的增强现实碰撞避免系统，提升弱势道路使用者安全

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知 (Perception & SLAM)

关键词: 增强现实 碰撞避免 SLAM 激光雷达 弱势道路使用者 交通安全 可穿戴设备

📋 核心要点

  1. 现有安全系统主要关注驾驶员或车辆辅助，忽略了对弱势道路使用者（VRU）的直接支持，导致VRU面临高碰撞风险。
  2. ARCAS通过融合路侧激光雷达数据和SLAM头显跟踪，在AR头显上为VRU提供个性化的3D空间警报，从而避免碰撞。
  3. 实验表明，ARCAS能显著提升VRU的安全，例如行人与碰撞的时间几乎翻倍，对方反应余量提升高达4倍。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种名为ARCAS的实时增强现实碰撞避免系统，旨在为混合交通中的弱势道路使用者（VRU）提供个性化的空间警报。该系统通过可穿戴AR头显实现，融合了路侧360度3D激光雷达数据、基于SLAM的头显跟踪以及自动3D校准程序，从而在用户的透视视图中精确地叠加与世界坐标系对齐的3D包围盒和方向箭头，以指示接近的危险。此外，该系统还支持通过共享世界锚定实现多头显协同。在与电动滑板车和车辆的真实行人交互实验（180次试验）中，ARCAS使行人与碰撞的时间几乎翻倍，并将对方的反应余量提高了高达4倍。实验结果验证了激光雷达驱动的AR引导的可行性和有效性，并突出了可穿戴AR作为城市交通中下一代安全工具的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：混合交通中，弱势道路使用者（VRU）如行人、骑行者等面临较高的碰撞风险。现有的车辆安全系统主要关注驾驶员或车辆本身，对VRU的直接保护不足，导致VRU在复杂交通环境中缺乏有效的安全保障。现有方法无法提供及时、准确、个性化的碰撞预警信息。

核心思路：利用增强现实（AR）技术，将环境感知信息（来自路侧激光雷达）与用户视角融合，为VRU提供直观的碰撞预警。核心在于将危险信息以3D空间的方式叠加在用户的真实视野中，使其能够及时感知并采取规避措施。通过SLAM技术实现头显的精确定位，保证AR信息的准确性和稳定性。

技术框架：ARCAS系统主要包含以下几个模块：1) 路侧3D激光雷达感知模块，用于获取周围环境的3D信息；2) 基于SLAM的头显跟踪模块，用于精确估计用户头显的位置和姿态；3) 3D校准模块，用于将激光雷达坐标系与头显坐标系对齐；4) AR渲染模块，用于将3D包围盒和方向箭头等警示信息叠加到用户的透视视图中；5) 多头显协同模块，通过共享世界锚定实现多用户之间的信息共享。

关键创新：该系统最重要的创新在于将路侧激光雷达数据与AR头显相结合，为VRU提供个性化的碰撞预警。与传统的基于视觉的AR系统相比，激光雷达不受光照条件影响，能够提供更准确的深度信息。此外，该系统还实现了自动3D校准和多头显协同，提高了系统的实用性和可扩展性。

关键设计：系统采用基于特征点的SLAM算法进行头显跟踪，并使用卡尔曼滤波器对跟踪结果进行平滑。3D校准过程通过最小化激光雷达点云与头显观测到的特征点之间的重投影误差来实现。AR渲染模块使用Unity引擎实现，并针对不同的危险等级采用不同的颜色和动画效果来增强警示效果。多头显协同模块使用ROS（Robot Operating System）进行通信和数据共享。

📊 实验亮点

在真实行人与电动滑板车和车辆的交互实验中，ARCAS系统显著提升了VRU的安全。实验结果表明，与未辅助状态相比，ARCAS使行人与碰撞的时间几乎翻倍，并将对方的反应余量提高了高达4倍。这些数据有力地证明了激光雷达驱动的AR引导在提升VRU安全方面的有效性。

🎯 应用场景

ARCAS系统可应用于多种场景，例如智慧交通、智能园区、自动驾驶测试等。它可以为行人、骑行者等VRU提供实时的碰撞预警，降低交通事故的发生率。此外，该系统还可以用于自动驾驶车辆的测试和验证，帮助车辆更好地理解周围环境，提高安全性。未来，该技术有望集成到智能手机、智能眼镜等设备中，为更广泛的用户提供安全保障。

📄 摘要（原文）

Vulnerable road users (VRUs) face high collision risks in mixed traffic, yet most existing safety systems prioritize driver or vehicle assistance over direct VRU support. This paper presents ARCAS, a real-time augmented reality collision avoidance system that provides personalized spatial alerts to VRUs via wearable AR headsets. By fusing roadside 360-degree 3D LiDAR with SLAM-based headset tracking and an automatic 3D calibration procedure, ARCAS accurately overlays world-locked 3D bounding boxes and directional arrows onto approaching hazards in the user's passthrough view. The system also enables multi-headset coordination through shared world anchoring. Evaluated in real-world pedestrian interactions with e-scooters and vehicles (180 trials), ARCAS nearly doubled pedestrians' time-to-collision and increased counterparts' reaction margins by up to 4x compared to unaided-eye conditions. Results validate the feasibility and effectiveness of LiDAR-driven AR guidance and highlight the potential of wearable AR as a promising next-generation safety tool for urban mobility.