車載HUD的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析

齊濤 邵麗青

汽車上引入HUD（Heads Up Display）抬頭顯示器，主要目的是為了保證司機安全穩(wěn)定的駕駛，使駕駛員不用低頭就可以看到相關(guān)信息，將更多的精力放到觀察路面情況上，同時也可以減少駕駛員觀察遠處道路情況與近距離查看導(dǎo)航、車輛信息視線頻繁轉(zhuǎn)換引發(fā)的視覺疲勞。目前，C-HUD（Combiner HUD）、W-HUD（Windshield HUD）的技術(shù)發(fā)展上已較為成熟，裝車成本也能被部分主機廠所接受。隨著AR技術(shù)的出現(xiàn)，使得HUD的使用范圍更加豐富，能更加有效的提高駕駛安全性。未來AR-HUD（Augmented Reality HUD）應(yīng)用將成為駕艙中的重要技術(shù)方向，成為整車企業(yè)關(guān)注的熱點。

1. HUD的發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 HUD不斷迭代更新

HUD由C-HUD、W-HUD向AR-HUD發(fā)展

HUD主要分為C-HUD（Combiner HUD）、W-HUD（Windshield HUD）、AR-HUD（Augmented Reality HUD）三種類型，C-HUD通過放置于儀表上方的一塊透明樹脂玻璃進行成像，一般會根據(jù)成像條件對樹脂玻璃進行特殊處理，通常做成楔形來避免玻璃兩面的反射重影，當前一般以后裝為主。W-HUD是通過光學(xué)投影原理，將光投射在前擋風玻璃上，在駕駛員的視線前方形成一個虛像，可顯示行車中信息，駕駛員的視線無需離開道路就可以看到，解決了行車中移視其他交互界面帶來的安全隱患。AR-HUD利用了增強現(xiàn)實技術(shù)，將虛像信息和現(xiàn)實路況實時信息進行疊加，讓駕駛員更直接獲取信息。例如，AR-HUD在導(dǎo)航中的應(yīng)用可將虛像的導(dǎo)航指示信息直接疊加到現(xiàn)實道路上。AR技術(shù)的出現(xiàn)，使得HUD的使用范圍更加豐富，能更加有效的提高駕駛安全性。未來AR-HUD與ADAS的結(jié)合，實現(xiàn)及時預(yù)告路況和行人信息，將成為駕艙中的重要技術(shù)方向。

1.2 HUD投影技術(shù)突破提升

基于TFT顯示器投影是車載HUD主流的投影方式

基于TFT顯示器的HUD成像技術(shù)比較成熟，其原理是液晶屏顯示后通過反射改變光源角度最終在擋風玻璃上成像。TFT HUD的優(yōu)勢包括：①方便應(yīng)用于3D和AR設(shè)備;②基于顯示器投影，是大眾熟知的技術(shù)，相關(guān)法規(guī)已經(jīng)到位;③生命周期長;④色度可靠，通過顯示器標定進行控制。TFT HUD的難點包括：①視場有限，受源顯示器限制;②最大亮度限制，提高亮度輸出可能會引起色度準確度和預(yù)期分布變化。

DLP HUD相比TFT HUD性能更佳，但成本較高

DLP（Digital Light Processing）數(shù)字光處理技術(shù)是美國德州儀器的專利技術(shù)，通過集成了數(shù)十萬個超微型鏡片的DMD（數(shù)字微鏡芯片）可以將強光源經(jīng)過數(shù)字反射后投影出來。DLP HUD的優(yōu)勢包括：①方便應(yīng)用于3D和AR設(shè)備;②體積小巧，性能高;③大視場;④圖像明亮度、顏色飽和度、對比度等表現(xiàn)較佳。TFT HUD的難點包括：圖像對位，如清晰度、銳度、重影、失真等問題。

激光HUD受激光器溫控影響未大規(guī)模應(yīng)用

激光 HUD是用激光為投影光源平視顯示系統(tǒng)，但目前激光二極管對溫度較敏感，不能達到車規(guī)要求的85攝氏度的工作要求。激光HUD的優(yōu)勢包括：①小組件;②低能耗;③高亮度（非常明亮）;④大視場，可以在擋風玻璃應(yīng)用中使用（視場占據(jù)擋風玻璃的較大面積）。激光HUD的難點包括：①限于2D固定投影;②分辨率低導(dǎo)致的“模糊”圖像，從反光鏡分束器所折射單光束的影響造成類似于重影的影響;③斑點，當激光束發(fā)生漫反射時，將會出現(xiàn)隨機粒狀圖案。

DLP相比TFT技術(shù)，溫升控制具有一定優(yōu)勢

隨著VID （Virtual Image Distance，虛擬圖像距離）的增加，太陽輻照度造成溫度上升的可能性顯著升高。AR-HUD需要更遠的VID和更大的光學(xué)器件，從而導(dǎo)致太陽輻照度水平可能會更高，進而導(dǎo)致受到很強太陽輻照的機會更大。TFT面板的吸收性很高，因此透射性更容易因太陽輻照度而受到損害。圖4中垂直線表示的是DLP AR HUD原型在7m、12m和15mVID配置下的預(yù)測太陽輻照度。圖中數(shù)據(jù)表明，在類似太陽輻照度下，TFT和DLP在12m VID時的溫升分別為190℃和34℃，TFT的溫度上升速度是DLP MLA的6倍。

在設(shè)計下一代AR-HUD系統(tǒng)時，必須在整個設(shè)計過程中謹慎考慮環(huán)境條件。與傳統(tǒng)HUD設(shè)計相比，AR-HUD具有更高的放大倍數(shù)和更大的日光收集區(qū)域，因此日光會帶來相當大的挑戰(zhàn)。在AR-HUD設(shè)計中，必須注意了解潛在的日光聚焦，并做出設(shè)計選擇或采用緩解技術(shù)來將太陽輻照度控制在可接受的水平。可接受的太陽輻照度高度依賴于HUD圖像源處的材料。對于投影型HUD，例如基于DLP技術(shù)的HUD，散射屏會首當其沖地受到這種太陽輻照的影響，因此必須能夠承受預(yù)期的太陽能負載量。

1.3 HUD市場空間廣闊

當前，HUD供應(yīng)商國外供應(yīng)商主要有：Nippon Seiki、大陸、電裝、偉世通、WayRay、博世、NAVDA、EXPLORIDE;國內(nèi)供應(yīng)商主要有：未來黑科技、樂駕科技、途行者、疆程、水晶光電、點石創(chuàng)新、衍視科技、京龍睿信、華陽多媒體。目前日本精機、電裝、大陸集團、偉世通、樂駕科技、疆程、衍視科技等HUD供應(yīng)商均已開展AR-HUD的布局，預(yù)計AR-HUD成本約在2000-3000元，相比W-HUD成本約1000-2000元、C-HUD成本約500元，AR-HUD的成本更高。

HUD款型裝備率不足3%，日系車型應(yīng)用較多

當前HUD的裝備率仍處于較低水平，HUD車型裝備率為8.81%;款型裝備率HUD款型裝備率為2.82%。從系別來看，日系、美系及德系HUD的款型裝備率較高;從車型級別來看，中型、中大型車型液晶儀表裝備率較高。

2. HUD的發(fā)展趨勢分析

2.1 HUD的功能愈發(fā)智能豐富

未來AR-HUD將與ADAS、眼球追蹤、高精度地圖等技術(shù)加深融合

HUD的發(fā)展仍面臨諸多技術(shù)難點。第一，VID，即圖像焦點到眼睛的距離。目前的W-HUD最多只能將VID做到3米，這一參數(shù)極大的限制著HUD的顯示效果。第二，溫升控制。HUD一般布置在儀表的前方，完全暴露在太陽光下，因此HUD雖然在駕駛艙內(nèi)使用，但也經(jīng)受著高溫環(huán)境的考驗，加之高亮度投影本身就需要大光源的支持，燈泡的合理散熱也是需要考慮的因素。

AR-HUD的技術(shù)趨勢主要體現(xiàn)在以下方面：其一，功能融合。通過ADAS攝像頭，可以得到關(guān)鍵人、車、車道線、垂直位置，水平距離，天氣情況，環(huán)境情況。得到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行處理顯示。眼球追蹤系統(tǒng)，得到人眼的位置，進行圖像位置變換。根據(jù)高精度導(dǎo)航，加入慣性導(dǎo)航算法及延時補償算法，最終將導(dǎo)航信息與地面相結(jié)合。其二，新技術(shù)帶來的性能提升。AR- HUD的主要發(fā)展趨勢是采用全息元件、光波導(dǎo)和熒光膜等新技術(shù)來減小HUD的體積并增大視場角。

2.2 波導(dǎo)HUD裝車優(yōu)勢明顯

基于波導(dǎo)技術(shù)的AR-HUD其空間容量具有較大裝車優(yōu)勢

傳統(tǒng)的擋風玻璃HUD（W-HUD）的設(shè)備體積為3L至4L，但是基于鏡面技術(shù)的AR-HUD的容量將達到30L左右，幾乎是前者的10倍。基于波導(dǎo)技術(shù)的AR-HUD可以較好的解決AR-HUD裝車空間的問題。其使用三個疊加在一起的平面波導(dǎo)來創(chuàng)建RGB全彩顯示，體積可縮小至10L。相比傳統(tǒng)凹面鏡技術(shù)則需要約30L左右的空間容量具有較大優(yōu)勢，其可實現(xiàn)視場角為15°×5°，投影距離為10米，顯示投射面積2.60米×0.87米。

基于有源全息波導(dǎo)技術(shù)的AR-HUD未來有望實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用

有源全息波導(dǎo)技術(shù)，使用一種基于液晶的薄膜聚合物，在電流作用下波導(dǎo)內(nèi)的全息鏡狀光學(xué)元件能夠改變狀態(tài)。當微顯示器通過透鏡的一端流動時，光學(xué)元件將使光波旋轉(zhuǎn)并引導(dǎo)它穿過一個表面，然后再由第二組光學(xué)元件將光波反射回眼睛。如圖9，光線從源顯示屏上射出，分別走紅色和藍綠色波導(dǎo)。最后經(jīng)過多層電流轉(zhuǎn)換全息光學(xué)元件，再射出到眼睛里。

2.3 單一處理器是HUD的技術(shù)趨向

具備強大計算能力的單一處理器支持一芯多屏，帶動HUD創(chuàng)新應(yīng)用

在智能駕艙多屏應(yīng)用的趨勢下，未來將由單一處理器提供計算能力，實現(xiàn)“中控液晶儀表+HUD+其他功能”的融合體驗。單處理器相比多處理器，極大降低了屏幕數(shù)量對系統(tǒng)復(fù)雜程度的影響，硬件和軟件必須按最高標準按設(shè)計，解決了多處理器各模塊相互獨立的問題，高性能的單一處理器將成為車載HUD的重要技術(shù)方案。