四、HUD發(fā)展?fàn)顟B(tài)
以當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)為節(jié)點，HUD已歷經(jīng)了三次迭代過程，分別為組合式抬頭顯示（Combiner HUD，C-HUD）、風(fēng)擋式抬頭顯示（Windshield HUD，W-HUD）以及正在到來的增強(qiáng)現(xiàn)實抬頭顯示（Augmented Reality HUD，AR-HUD）。
圖6 HUD類別
HUD的工作原理可以簡單理解為日常生活中常見的投影儀的工作原理，其中C-HUD是利用在儀表臺上方加裝的半透明樹脂玻璃為介質(zhì)，將儀表上的相關(guān)信息進(jìn)行反射以在樹脂玻璃上呈現(xiàn)出虛像投影的過程。由于此方式僅能對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡單的圖形和文本的顯示，且存在成像尺寸有限、效果不佳等缺陷，目前正在被逐步取代中。
圖7 C-HUD示意
W-HUD取消了C-HUD中應(yīng)用的半透明樹脂玻璃，并通過光學(xué)反射原理將與駕駛相關(guān)的信息投射到前擋風(fēng)玻璃上，由此形成虛像。由于其成像區(qū)域不再限制于樹脂玻璃，因此該方案相對于C-HUD而言具有更大的顯示區(qū)域，通常該區(qū)域的尺寸可輕松達(dá)到13英寸以上，同時成像的質(zhì)量及視野也要更優(yōu)于C-HUD。
圖8 W-HUD示意
不過由于車輛的擋風(fēng)玻璃通常為曲面反射鏡，所以W-HUD在應(yīng)用中也須根據(jù)擋風(fēng)玻璃的尺寸和曲率去適配高精度曲面反射鏡。目前依托于W-HUD在技術(shù)成熟度、成本、成像難度相對低、成像效果理想等方面的因素，其在車載HUD的應(yīng)用中處于主流地位。
AR-HUD是在W-HUD的基礎(chǔ)上通過汽車智能化過程中所帶來的攝像頭、雷達(dá)等感知硬件并通過數(shù)據(jù)、算法再結(jié)合AR、高精地圖等技術(shù)在毫秒級別內(nèi)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，同時利用車輛前擋風(fēng)玻璃為介質(zhì)，于車輛前方形成投射虛像，再通過數(shù)據(jù)成像與現(xiàn)實事物的精準(zhǔn)擬合疊加，從而實現(xiàn)數(shù)字信息與實景交通的深度融合效果的技術(shù)手段。
圖9 AR-HUD示意
在AR-HUD的實現(xiàn)過程中，為了將數(shù)字成像與實景進(jìn)行疊加同時又不影響駕駛員的視野，因此在成像上要求至少于駕駛員前方7.5m處形成投影虛像。由于此過程中VID（Virtual Image Distance，虛像距離）和FOV（Field of View，視場角）相對于W-HUD而言都更大，因此AR-HUD所呈現(xiàn)的虛像區(qū)域更廣。據(jù)測算，此虛擬大屏的尺寸可達(dá)到90英寸以上，在大尺寸虛擬屏的加持之下，其所顯示的內(nèi)容將不再局限于車速、電量等常用信息，同時由于相關(guān)技術(shù)水平的提升，其所呈之像也更加清晰醒目。
圖10 AR-HUD成像距離示意
在汽車智能化的進(jìn)一步推動之下，AR-HUD方案結(jié)合了AR、ADAS等技術(shù)對行車導(dǎo)航、車輛周圍景物進(jìn)行增強(qiáng)顯示，通過預(yù)告路況、行人等預(yù)警信息及時對駕駛員做出提醒，以此來降低可能的駕駛風(fēng)險。此技術(shù)在汽車智能化的帶動之下，將成為在未來對車載信息進(jìn)行顯示的重要技術(shù)手段。不過由于該方案受到技術(shù)成熟度、成本、駕駛習(xí)慣等因素限制，當(dāng)前還處于市場探測的小規(guī)模量產(chǎn)過程。
五、AR-HUD技術(shù)狀態(tài)
如上所述，在W-HUD與AR-HUD的應(yīng)用過程中，其成像介質(zhì)都是具曲面反射鏡功能的前擋風(fēng)玻璃，其成像過程首先是通過成像單元（Picture Generation Unit，PGU）輸出可視圖像，接著經(jīng)反射鏡將圖像投射到自由曲面鏡上，再經(jīng)自由曲面鏡將原圖像放大，此過程需通過適配擋風(fēng)玻璃的曲率以完成對圖像的光學(xué)畸變矯正，最后再將可正常顯示的圖像投射到擋風(fēng)玻璃上或前方，擋風(fēng)玻璃再通過其反射鏡功能將圖像反射至人眼處，以實現(xiàn)駕駛員對信息的可視化。
圖11 成像路徑
在此成像過程中，PGU硬件成本占據(jù)了AR-HUD主要BOM成本的30%-50%。根據(jù)其成像技術(shù)的不同，作為主要部件的PGU在車載應(yīng)用中主要有TFT-LCD（薄膜晶體）、DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）、LCoS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）和LBS（Laser Beam Scanning，激光掃描）四類技術(shù)方案。
圖12 AR-HUD主要BOM
其中，TFT顯示技術(shù)是使用液晶顯示面板來創(chuàng)建HUD圖像，該技術(shù)是目前最常見且應(yīng)用最為廣泛的方案，具有技術(shù)成熟度高、成本低、使用壽命長等優(yōu)點，但同時也存在清晰度有限、亮度對比度一般等問題，不過鑒于其在成本方面的優(yōu)勢以及當(dāng)前AR-HUD市場規(guī)模尚小的原因，該方案在AR-HUD的應(yīng)用中處于主流地位。
DLP的核心技術(shù)是通過數(shù)字微鏡芯片DMD（Digital Micro-mirror Device）和微鏡片來生成HUD圖像。其過程是通過DMD和聚集在其CMOS上并利用微型鉸鏈所連接的上百萬個微鏡片所形成的微系統(tǒng)，并以信號驅(qū)動微鏡片在-12°和+12°之間運(yùn)動，通過其運(yùn)動所導(dǎo)致的角度變化來改變光線的反射角來控制圖像像素的顯示效果，進(jìn)而實現(xiàn)對成像的控制。該方案相對于TFT方案在亮度、對比度等方面都更好，整體成像顯示效果更佳，但由于受到專利的限制，此方案成本要高于TFT。
為規(guī)避DLP方案的專利限制，部分科技企業(yè)基于TFT-LCD方案的圖像調(diào)制原理，通過采用單晶硅基板上的CMOS點陣取代多晶硅TFT點陣以形成新型的反射式投影技術(shù)LCoS。該方案在繼承了TFT-LCD優(yōu)點同時進(jìn)一步克服了TFT-LCD在對比度、亮度等方面的許多不足之處，其在成像效果上相較于TFT-LCD方案更好，但由于新技術(shù)的發(fā)展需要時間沉淀，目前其在技術(shù)成熟度及成本方面尚不如意。此方案已實現(xiàn)裝車的有如華為推出的搭載于飛凡R7上的AR-HUD，于該車型上其成像分辨率可達(dá)1920*730像素。
圖13 搭載LCoS的AR-HUD方案
LBS顯示技術(shù)是通過將RGB三原色激光模組與微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）進(jìn)行結(jié)合的投影技術(shù)，此方案的硬件結(jié)構(gòu)包括三色激光模組、MEMS振鏡和濾光片，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的特性，同時由于其結(jié)構(gòu)特性，該方案在成本上也相對較低。LBS的成像過程是通過RGB三原色的組合進(jìn)行實現(xiàn)，其具有成像對比度高、色域廣等特點，但由于激光二極管中的紅色激光器對溫度較為敏感，因此其在實現(xiàn)車規(guī)級的應(yīng)用上具有相當(dāng)?shù)碾y度，且該技術(shù)目前在成像分辨率上僅能達(dá)到約1280*720像素的水平，略低于LCoS，同時該方案在某些場景中還存在散斑等問題。基于技術(shù)及成本的種種因素，應(yīng)用此方案實現(xiàn)整車量產(chǎn)的目前還未有正式上市。
圖14 LBS方案成像與其他方案對比
對比已量產(chǎn)的三種方案，對其簡單總結(jié)如下：
表1 不同方案AR-HUD對比
六、總結(jié)
在未來多場景融合的車載應(yīng)用中，用戶對于數(shù)字顯示的要求將會越來越高，而TFT-LCD顯示技術(shù)受限于技術(shù)及成像效果的原因，其市場占有率或會被具有更好成像效果的其他技術(shù)所侵蝕。而在LCoS技術(shù)成熟度達(dá)到穩(wěn)定后，其成本或?qū)⑦M(jìn)一步得到優(yōu)化，在此競爭過程中，限制于DLP專利壁壘導(dǎo)致的高成本，LCoS的市占率或會進(jìn)一步得到提升。
隨著智能化的推動，基于場景化的元素將會越來越多地在HUD中得以顯示，在此虛實融合的應(yīng)用中，伴隨著成像技術(shù)的進(jìn)步，LBS依托于成像效果以及成本優(yōu)勢或?qū)⒃?/span>AR-HUD中占據(jù)一席之地。
轉(zhuǎn)自覺知汽車
