談?wù)勂?chē)抬頭顯示應(yīng)用火熱的AR-HUD

AR-HUD作為智能座艙，顯示交互《智能座艙系列文六- 它的3種交互方式之顯式交互（語(yǔ)音以及顯示）》的一個(gè)重要零部件是繼顯示屏幕之后智能汽車(chē)的又一重要技術(shù)以及供應(yīng)鏈戰(zhàn)場(chǎng)。

根據(jù)IHS markit 的預(yù)測(cè)，從2022年開(kāi)始全球抬頭顯示的滲透率將快速攀升，到2027年會(huì)達(dá)到每六臺(tái)車(chē)中就有一臺(tái)有抬頭顯示，年出貨量達(dá)到1700萬(wàn)臺(tái)；其中中國(guó)市場(chǎng)需求占比將近1/3 ，每年將近600萬(wàn)臺(tái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR-HUD占比會(huì)達(dá)到7%將近50萬(wàn)臺(tái)。

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，隨著新勢(shì)力以及智能座艙的更加重視，抬頭顯示的滲透率和出貨量這個(gè)數(shù)據(jù)可能會(huì)比IHS markit 預(yù)測(cè)更高，特別是AR-HUD，再如之前文章《智能座艙系列文六- 它的3種交互方式之顯式交互（語(yǔ)音以及顯示）》分享中提到的智能座艙技術(shù)的重要性。

所以本文通過(guò)對(duì)HUD中技術(shù)相對(duì)高階的AR-HUD的相關(guān)技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)信息做一些分享，希望能給關(guān)注行業(yè)以及行業(yè)內(nèi)人士一些信息和啟發(fā)。

什么是AR-HUD
AR HUD(Augmented Reality- Head Up Display)就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的抬頭顯示功能是繼C-HUD（Combiner HUD 組合型）或W-HUD(Windshield HUD 擋風(fēng)玻璃HUD）之后當(dāng)前最熱門(mén)HUD技術(shù)。AR-HUD與傳統(tǒng)的C-HUD或W-HUD最核心的區(qū)別在于：能不能做到車(chē)道級(jí)的導(dǎo)航以及能否在實(shí)際車(chē)輛上疊加ADAS的感知信息。
 

C-HUD顯示屏為放置于儀表上方的一塊透明樹(shù)脂玻璃，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。C-HUD是獨(dú)立鏡面可以作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，一般會(huì)根據(jù)成像條件對(duì)鏡面進(jìn)行特殊處理，設(shè)計(jì)成本及難度較低，目前前裝市場(chǎng)很少應(yīng)用。

傳統(tǒng)W-HUD其實(shí)可以理解為一個(gè)投影儀，將圖像反射，投影到了擋風(fēng)玻璃上，實(shí)際上相當(dāng)于把原本顯示在儀表盤(pán)上的信息，投射到擋風(fēng)玻璃上。其實(shí)這也是HUD設(shè)計(jì)的初衷：駕駛員不需要低頭即可獲得車(chē)輛行駛的相關(guān)信息。但是W-HUD的圖像尺寸有限（通常投影距離3m，顯示尺寸15-20寸），能顯示的信息較少，且圖像不會(huì)與道路融合，駕駛員仍然需要將視線(xiàn)從路面上移開(kāi)，重新對(duì)焦才能獲得信息，這實(shí)際上違背了HUD的設(shè)計(jì)初衷。

HUD的終極目標(biāo)，就是讓駕駛員在不用將視線(xiàn)從前方道路移開(kāi)的的前提下，讓駕駛員知道行車(chē)相關(guān)的數(shù)據(jù)（導(dǎo)航，車(chē)速，前車(chē)距離，車(chē)道等）。而AR-HUD是讓車(chē)輛信息，導(dǎo)航與視線(xiàn)內(nèi)的景象融合，省去了視線(xiàn)焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，所以AR-HUD顯然是抬頭顯示的終極路徑。

AR-HUD主要難點(diǎn)
1) 最主要的難點(diǎn)還是在于算法的融合。AR-HUD需要對(duì)道路實(shí)況進(jìn)行解析建模，再把HUD需要顯示的信息精準(zhǔn)的投影到前方對(duì)應(yīng)的位置，確保人眼，HUD顯示面真實(shí)道路在一條視線(xiàn)上，才能達(dá)到最佳的AR-HUD顯示效果。這需要精確的算法和強(qiáng)大的運(yùn)算能力。這個(gè)算法，既需要考慮車(chē)外環(huán)境信息與相對(duì)位置，還要實(shí)時(shí)考慮駕駛員眼睛的位置。
 

2) ADAS, 高精度地圖等相關(guān)配套技術(shù)還不夠成熟。目前市面上的AR-HUD只能顯示導(dǎo)航路線(xiàn)，車(chē)速這類(lèi)信息。想要達(dá)到一般AR-HUD的宣傳視頻中的那些效果，還需要BSD（盲區(qū)檢測(cè)），DMS（駕駛員檢測(cè)），LDWS（車(chē)道偏離預(yù)警），前碰撞預(yù)警等相關(guān)ADAS配套產(chǎn)品。

3) 陽(yáng)光倒灌問(wèn)題。HUD大部分采用凹透鏡放大投影的光學(xué)原理，這個(gè)光路反過(guò)來(lái)，就類(lèi)似于凸透鏡，將陽(yáng)光光線(xiàn)匯聚到PGU，導(dǎo)致溫度過(guò)高而燒毀PGU。AR-HUD比W-HUD投影距離更長(zhǎng)，虛像放大倍數(shù)更大，因此陽(yáng)光倒灌問(wèn)題更嚴(yán)重。

4) 目前的HUD均采用兩次反射的光路結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，為了實(shí)現(xiàn)更大的FOV，更遠(yuǎn)的VID, 需要更大的非球面反射鏡，導(dǎo)致AR-HUD的整體體積非常大，通常都會(huì)達(dá)到15L左右。這種體積導(dǎo)致AR-HUD在中小型車(chē)型上難以布置。

AR-HUD的4種主流技術(shù)路線(xiàn)
根據(jù)影像源的硬件與原理的不同，目前主流的成像方式分為4種：TFT, DLP, L COS 以及基于MEMS技術(shù)的LBS方案。目前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的有TFT，DLP和L COS，其中MEMS技術(shù)的LBS 還處于產(chǎn)業(yè)前期階段。
 

TFT：TFT-LCD是目前技術(shù)最成熟的投影技術(shù)，其原理是LED發(fā)出的光透過(guò)液晶單元后將屏幕上的信息投射出去。這個(gè)方案的是目前大部分AR-HUD供應(yīng)商提供的方案，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)相對(duì)成熟，成本較低。這一方案的硬件成本，目前國(guó)外供應(yīng)商能做到2500-3000左右，本土供應(yīng)商能做到2000左右。隨著技術(shù)的成熟和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，成本應(yīng)該可以進(jìn)一步做到2000以?xún)?nèi)。

缺點(diǎn)也很明顯，比如陽(yáng)光倒灌問(wèn)題難以解決，另外產(chǎn)品亮度不夠，在白天顯示效果較差。

目前采用TFT方案的有：大眾的ID系列，由LG電子供應(yīng)。長(zhǎng)城Wey摩卡，由maxell供應(yīng)。紅旗E-HS9，由水晶光電供應(yīng)。

DLP：DLP即Digital Light Processing的縮寫(xiě)，采用的是TI的專(zhuān)利產(chǎn)品-DMD芯片（DigitalMicromirror Device，中文意思為數(shù)字微型反射鏡元件）。DMD由數(shù)百萬(wàn)個(gè)高反射的鋁制獨(dú)立微型鏡片組成，每個(gè)鏡片可以通過(guò)數(shù)量龐大的超小型數(shù)字光開(kāi)關(guān)控制角度。這些開(kāi)關(guān)可以接受電子訊號(hào)代表的資料字節(jié)，然后產(chǎn)生光學(xué)字節(jié)輸出。

DLP的優(yōu)點(diǎn)在于，相較于TFT，DLP更容易獲得高亮度，因此在白天陽(yáng)光強(qiáng)烈時(shí)顯示效果也不錯(cuò)。由于DLP本身材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，能更好的應(yīng)對(duì)太陽(yáng)光倒灌問(wèn)題。DLP不使用偏振光，因此即使戴著太陽(yáng)鏡也能看到顯示內(nèi)容。DLP的缺點(diǎn)在于，成本相對(duì)較高，需要用到德州儀器的專(zhuān)利，且產(chǎn)品體積比TFT要大得多。

以奔馳S為例（由日本精機(jī)供應(yīng)），其體積達(dá)到27L，硬件成本在5000以上（僅供參考，具體數(shù)據(jù)目前無(wú)法考證，有知情者歡迎指正）。

LCOS:LCoS（Liquid Crystal on Silicon），翻譯過(guò)來(lái)叫液晶附硅，也叫硅基液晶，是一種基于反射模式，尺寸比較小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)在硅芯片上加工制作而成。它屬于新型的反射式micro LCD投影技術(shù)。

LCOS的優(yōu)點(diǎn)在于：分辨率高，DLP能做到1920×1080的真實(shí)分辨率，而LCoS則能夠做4k甚至8k的真實(shí)分辨率。體積小，0.69英寸的LCoS已經(jīng)可以對(duì)標(biāo)3.1英寸的TFT。

芯片供應(yīng)商相較于DLP更多，交期可能性更高。缺點(diǎn)是需要用到激光光源，目前可選的供應(yīng)商較少，成本會(huì)比較高。

5月19日發(fā)布的上汽飛凡R7，搭載了來(lái)自華為的AR-HUD，采用的就是LCOS方案。（據(jù)說(shuō)成本在5000左右，集成AR creator）

LBS-MEMS激光投影：LBS即Laser Beam Scanning縮寫(xiě)，是 “MEMS微激光投影”方案。這種方案是將RGB三基色激光模組與微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）結(jié)合的投影顯示技術(shù)方案。從驅(qū)動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，MEMS微激光投影屬于掃描式投影顯示，應(yīng)用微機(jī)電二維微型掃描振鏡及RGB三基色激光，以激光掃描的方式成像，其輸出分辨率取決于MEMS微鏡的掃描頻率。

MEMS的優(yōu)點(diǎn)是：光學(xué)引擎大幅度簡(jiǎn)化，體積可以?xún)?yōu)化。產(chǎn)品對(duì)比度高，可以輕松達(dá)到7000：1，遠(yuǎn)超DLP。高亮度，色域廣（>150%)，功耗更低(<4-6W)，發(fā)熱量很小。MEMS激光顯示純黑像素時(shí)是可以關(guān)掉的，因此更易提高對(duì)比度，且沒(méi)有紗窗效應(yīng)。缺點(diǎn)是成本較高。需要用到激光二極管，激光二極管目前能實(shí)現(xiàn)車(chē)規(guī)級(jí)量產(chǎn)的供應(yīng)商很少。

目前還沒(méi)有量產(chǎn)車(chē)型裝配MEMS方案的AR-HUD。網(wǎng)傳先鋒電子曾推出過(guò)一款基于MEMS的AR-HUD，售價(jià)高達(dá)4000美元。