車載HUD的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)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(jī)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(shí)也可以減少駕駛員觀察遠(yuǎn)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(jī)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(diǎn)。

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(jìn)行成像，一般會(huì)根據(jù)成像條件對(duì)樹脂玻璃進(jìn)行特殊處理，通常做成楔形來避免玻璃兩面的反射重影，當(dāng)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(fēng)玻璃上，在駕駛員的視線前方形成一個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將虛像信息和現(xiàn)實(shí)路況實(shí)時(shí)信息進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)及時(shí)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(fēng)玻璃上成像。TFT HUD的優(yōu)勢(shì)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(biāo)定進(jìn)行控制。TFT HUD的難點(diǎn)包括：①視場(chǎng)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(huì)引起色度準(zhǔn)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(gè)超微型鏡片的DMD（數(shù)字微鏡芯片）可以將強(qiáng)光源經(jīng)過數(shù)字反射后投影出來。DLP HUD的優(yōu)勢(shì)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(chǎng);④圖像明亮度、顏色飽和度、對(duì)比度等表現(xiàn)較佳。TFT HUD的難點(diǎn)包括：圖像對(duì)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(duì)溫度較敏感，不能達(dá)到車規(guī)要求的85攝氏度的工作要求。激光HUD的優(yōu)勢(shì)包括：①小組件;②低能耗;③高亮度（非常明亮）;④大視場(chǎng)，可以在擋風(fēng)玻璃應(yīng)用中使用（視場(chǎng)占據(jù)擋風(fēng)玻璃的較大面積）。激光HUD的難點(diǎn)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(diǎn)，當(dāng)激光束發(fā)生漫反射時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)粒狀圖案。

DLP相比TFT技術(shù)，溫升控制具有一定優(yōu)勢(shì)

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(yuǎn)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(huì)更高，進(jìn)而導(dǎo)致受到很強(qiáng)太陽輻照的機(jī)會(huì)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(cè)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(shí)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(jì)下一代AR-HUD系統(tǒng)時(shí)，必須在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中謹(jǐn)慎考慮環(huán)境條件。與傳統(tǒng)HUD設(shè)計(jì)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(huì)帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在AR-HUD設(shè)計(jì)中，必須注意了解潛在的日光聚焦，并做出設(shè)計(jì)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?？山邮艿奶栞椪斩雀叨纫蕾囉贖UD圖像源處的材料。對(duì)于投影型HUD，例如基于DLP技術(shù)的HUD，散射屏?xí)桩?dāng)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(fù)載量。

1.3 HUD市場(chǎng)空間廣闊

當(dāng)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(diǎn)石創(chuàng)新、衍視科技、京龍睿信、華陽多媒體。目前日本精機(jī)、電裝、大陸集團(tuán)、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(jì)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(dāng)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(jí)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(shì)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(diǎn)。第一，VID，即圖像焦點(diǎn)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(yàn)，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(shì)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(jìn)行處理顯示。眼球追蹤系統(tǒng)，得到人眼的位置，進(jìn)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(shí)補(bǔ)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(shì)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(chǎng)角。

2.2 波導(dǎo)HUD裝車優(yōu)勢(shì)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(shì)

傳統(tǒng)的擋風(fēng)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(dá)到30L左右，幾乎是前者的10倍?；诓▽?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(gè)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(shì)，其可實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)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(shí)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(dāng)微顯示器通過透鏡的一端流動(dòng)時(shí)，光學(xué)元件將使光波旋轉(zhuǎn)并引導(dǎo)它穿過一個(gè)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(lán)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(qiáng)大計(jì)算能力的單一處理器支持一芯多屏，帶動(dòng)HUD創(chuàng)新應(yīng)用

在智能駕艙多屏應(yīng)用的趨勢(shì)下，未來將由單一處理器提供計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)“中控液晶儀表+HUD+其他功能”的融合體驗(yàn)。單處理器相比多處理器，極大降低了屏幕數(shù)量對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜程度的影響，硬件和軟件必須按最高標(biāo)準(zhǔn)按設(shè)計(jì)，解決了多處理器各模塊相互獨(dú)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。