作者簡介：史高拔，國內(nèi)一線汽車企業(yè)技術(shù)中心任職智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)規(guī)劃工程師，負(fù)責(zé)包括自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字座艙等新技術(shù)的規(guī)劃與系統(tǒng)設(shè)計(jì)；資深汽車電子開發(fā)工程師，負(fù)責(zé)過多款量產(chǎn)車型的整車電控、新能源電控等技術(shù)研發(fā)。

HUD——head up display抬頭顯示器，最早出現(xiàn)在戰(zhàn)斗機(jī)上，為了讓飛行員集中注意力，不用頻繁低頭看儀表，將重要信息在視線前方的一塊透明玻璃上顯示。

HUD技術(shù)近年來也逐漸出現(xiàn)在汽車?yán)�，讓駕駛變得更加便捷和安全，汽車廠商更是在概念車和宣傳視頻中將HUD描繪得天花亂墜，前兩年趁著AR的熱潮還出現(xiàn)了AR HUD這種極具未來感的技術(shù)。但我們卻遺憾的發(fā)現(xiàn)，目前市面上也僅僅有一些豪華或高端車型搭載了HUD，并且其效果和體驗(yàn)都遠(yuǎn)不如宣傳片，而AR HUD至今也只是車企吹牛的工具。

宣傳片里各種酷炫的HUD效果

那為什么HUD這項(xiàng)明明很有用的配置卻遲遲難以普及？我們從技術(shù)角度拆解一下。

HUD原理

HUD的工作原理其實(shí)非常簡單，就是投影——將行車相關(guān)的信息投影到駕駛員前方的透明介質(zhì)上；讓信息顯示在駕駛員視線的前方，而不用頻繁低頭看儀表盤，提升駕駛的安全性和便捷性。

把圖像經(jīng)過反射投影到視線前方的玻璃介質(zhì)上

正是因?yàn)樵�理極其簡單，現(xiàn)在去網(wǎng)上搜索HUD，會(huì)有幾百到幾千多種價(jià)位幾百款產(chǎn)品，甚至有的APP可以將手機(jī)屏幕反射到擋風(fēng)玻璃上變成HUD。其基本與投影儀的工作原理相同，只是由于所選投影技術(shù)和投影介質(zhì)的差別，會(huì)有一些實(shí)現(xiàn)方法的不同。

HUD分類

按照投影介質(zhì)的不同，可分為CHUD （Combiner HUD 組合型）和WHUD （Windshield HUD 擋風(fēng)玻璃HUD）。

·CHUD

CHUD顯示屏為放置于儀表上方的一塊透明樹脂玻璃，結(jié)構(gòu)簡單，成本相對(duì)較低。但CHUD置于儀表上方，在車輛發(fā)生碰撞時(shí)可能會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生二次傷害，不利于車內(nèi)安全，而且由于光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，其顯示尺寸也有限。我們目前在20萬以內(nèi)的車型上看到的基本都是這種CHUD。

馬自達(dá)的CHUD僅能顯示車速信息

·WHUD

WHUD的投影介質(zhì)屏直接使用汽車的擋風(fēng)玻璃，顯示效果更為一體化，也不會(huì)影響內(nèi)飾的造型。但其光學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，布置也比較不容易，成本相對(duì)較高。目前主要出現(xiàn)在中高檔車型上。

GL8的實(shí)際顯示效果與概念圖大相徑庭

·AR HUD

如果結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)和智能駕駛技術(shù)，把顯示尺寸變大，將導(dǎo)航和ADAS信息與前方道路融合，直接將轉(zhuǎn)向指示、障礙物告警等內(nèi)容顯示在視野之前的真實(shí)物體上，那就變成了炫酷的AR HUD。

運(yùn)用增強(qiáng)顯示技術(shù)的AR HUD

HUD主要技術(shù)參數(shù)

雖然HUD的基本原理簡單，但要做到顯示清晰、信息豐富，具備良好的使用體驗(yàn)，還有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)需要重點(diǎn)注意，而這些要求也是讓HUD的成本和難度遲遲無法降低的重要原因。

·VID

VID(Virtual Image Distance)虛擬圖像距離，可以理解為圖像焦點(diǎn)到眼睛的距離。實(shí)際駕駛情況下，HUD的顯示圖像和道路并不是在一個(gè)平面（目前的HUD的VID基本都在8米左右，而一般駕駛時(shí)關(guān)注的主要是前方20米左右的情況），此時(shí)人眼在道路和HUD之間也需要來回切換，調(diào)整眼睛的焦點(diǎn)。雖然解決了低頭的問題，但頻繁調(diào)整焦點(diǎn)也還是會(huì)導(dǎo)致視覺疲勞。

要提高VID的距離在目前看來只有設(shè)計(jì)足夠的光路結(jié)構(gòu)，讓投影的像在光機(jī)內(nèi)經(jīng)過反射達(dá)到足夠的距離，這就會(huì)導(dǎo)致光機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大，對(duì)其在駕駛前艙的布置提出挑戰(zhàn)。

HUD內(nèi)復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)

·視野盒大小和FOV

視野盒的大小和可視角度FOV，簡言之就是顯示尺寸的大小和可視角度，尺寸越大顯示的信息越多。用過投影儀的朋友應(yīng)該都知道投影儀距離投影屏幕越遠(yuǎn)，投影的尺寸就越大。這在HUD里也是同樣的道理，在投影技術(shù)相同的情況下要達(dá)到足夠大的顯示尺寸，就必須讓虛像在光機(jī)內(nèi)的光路變長，這個(gè)因素同樣會(huì)提高HUD的體積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

·亮度和散熱

我們都知道，投影顯示的效果由投影光線的亮度和環(huán)境光亮度決定。汽車前方的環(huán)境光往往非常強(qiáng)，特別是在陽光直射的時(shí)候。為了提升顯示效果，就必須要提高HUD本身的亮度。在DLP和LBS兩大投影技術(shù)的加持下，目前HUD的亮度已經(jīng)較為可觀。

目前量產(chǎn)的HUD都具備較大的散熱結(jié)構(gòu)

但高亮度又帶來了新的問題——發(fā)熱，尤其是駕駛艙前方因?yàn)殛柟庵鄙浔旧頊囟染秃芨摺＿@使得HUD要想在苛刻的車載環(huán)境下穩(wěn)定工作，必須具備足夠高效的散熱結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，除了全金屬的材質(zhì)，其尺寸也不能太小。

·重影問題

初中物理告訴我們，玻璃的兩個(gè)表面均會(huì)反射光線，而由于玻璃折射的影響，兩個(gè)面反射的圖像會(huì)有一定程度的偏移，形成重影。

玻璃反射的重影問題

要解決這個(gè)問題，只能將投影介質(zhì)的玻璃做成楔形，讓兩個(gè)反射面形成一定的角度。CHUD由于是獨(dú)立的投影玻璃，這個(gè)問題很好解決。但WHUD直接采用了前擋風(fēng)玻璃，要解決這個(gè)問題只有進(jìn)行特制，在玻璃中間夾一層楔形的PVB膠，讓兩個(gè)反射表面產(chǎn)生角度，使兩個(gè)反射的像盡可能重合，這也無形中增加了成本。

·畸形矯正

WHUD投影到前擋風(fēng)玻璃還會(huì)帶來另一個(gè)問題，我們都知道前擋風(fēng)玻璃一般都是不規(guī)則的曲面玻璃，直接投影只會(huì)得到畸形的圖像。此時(shí)就必須在光機(jī)內(nèi)增加一個(gè)非球面鏡，將圖像矯正之后再投影出去。而要達(dá)到足夠好的矯正效果，非球面鏡還要根據(jù)前擋風(fēng)玻璃的形狀和HUD布置的情況進(jìn)行精細(xì)化制作，這一技術(shù)和生產(chǎn)方式也注定其目前成本很難降低，產(chǎn)量也有限。

在無塵間制作的非球面鏡

AR HUD的難點(diǎn)

·前方道路融合

將信息直接顯示在真實(shí)道路上是AR HUD的重要特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)這一特性需要通過前視攝像頭對(duì)前方的道路情況進(jìn)行解析建模，得到對(duì)象的位置、距離、大��；再把HUD需要顯示的信息精準(zhǔn)的投影到對(duì)應(yīng)的位置，讓人眼、HUD顯示面、真實(shí)道路在一條視線上，才能達(dá)到足夠沉浸的AR體驗(yàn)，而這還需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

根據(jù)前視圖像建模后將信息疊加到實(shí)際道路上

這里順便提一下上汽MARVEL X上推出的AR儀表，AR儀表也是把前視攝像頭的實(shí)時(shí)圖像疊加增強(qiáng)顯示信息，但由于是直接在視頻圖像上疊加，不需要融合真實(shí)場景，其算法的難度大大低于AR HUD。

直接在圖像上疊加信息的AR儀表

·駕駛員視線追蹤

人眼、HUD、道路三點(diǎn)一線還有一個(gè)極其不穩(wěn)定的因素，就是眼睛的位置。駕駛員的高矮、坐姿、頭部位置等等都會(huì)影響眼睛的位置和視線的方向。這種情況下，要時(shí)刻保持良好的AR顯示效果還必須通過攝像頭對(duì)駕駛員的視線進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，并調(diào)整HUD的顯示位置。在目前看來，這個(gè)要求對(duì)算法和運(yùn)算能力都帶來了很大的挑戰(zhàn)。

典型的AR HUD系統(tǒng)構(gòu)成

HUD的未來

基于HUD的上述參數(shù)和要求，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，要想提升配置率和體驗(yàn)，更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)AR HUD，還面臨著很多問題。

投影技術(shù)、光學(xué)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)算力等因素限制了HUD的顯示效果和體驗(yàn)；散熱、光路設(shè)計(jì)等必要的考慮又導(dǎo)致了HUD的體積龐大，不利于在汽車內(nèi)的設(shè)計(jì)和布置。再加上要解決重影、圖像清晰度和AR的效果等問題，還需要配合對(duì)前擋玻璃、駕駛員監(jiān)控等部件進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。在現(xiàn)階段要解決這些問題，需要付出的成本是普通家用車型還難以承受的，這也就是我們目前只能在豪華車或者頂配車型上見到HUD的原因。

不過，經(jīng)過這幾年的技術(shù)積累，很多問題也在逐步得到解決。加上國內(nèi)自主品牌對(duì)中高端的挑戰(zhàn)，眾多高科技配置和技術(shù)反而在國內(nèi)遍地開花，或許我們也將在未來幾年看到國內(nèi)HUD的普及。