与自动驾驶天生登对的AR-HUD 无心插柳般打开了全新的交互大门

2020年对于整个汽车业都是值得回味的一年，其中有很多挑战，也有很多成就。在BAO师傅看来，其中最重要的成就之一，就是AR-HUD（增强现实抬头显示）开始走向了普及之路。其背后的意义，并不仅仅是在汽车之上增加了一块屏幕，而是增加了一个人机交互的窗口，它可以更安全，更高效，并且注定会取代传统的仪表。

AR-HUD的"蹿红"

AR-HUD的"蹿红"还要从今年奔驰全新一代S级上市说起。虽然这辆车的设计颇具争议，但其搭载的AR-HUD成为了绝对的亮点，并且为整个行业指明了方向。区别于传统的W-HUD，这套抬头显示系统，除了更大的显示区间，更远的视距，更丰富的色彩，更高的分辨率，它最主要的是实现了AR，即增强现实技术。

增强现实技术的加持，带来的好处显而易见，可以将导航、道路、ADAS信息更加直观、安全的通过投射到风挡玻璃上的虚像，呈现给驾驶员；它已经不再是仪表信息的替代者，有着属于自己专门的功能属性。

当然，从另一个层面讲，随着自动驾驶辅助系统和车联网的普及，仪表上需要呈现的信息总量成爆炸式增长，传统仪表从机械表针升级到了液晶屏幕，就是为了解决信息呈现的问题。但这样的升级，却无法避免因低头看屏幕而降低驾驶安全性的弊端。

抬头显示的出现就是为了解决这一矛盾，而AR-HUD的出现无疑给人机交互提供了新的思路。它将摄像头、雷达收集到的车外环境信息，融合进了现实，进一步增加了显示二字对于车辆的意义，成为了车辆与外界交互的新窗口，也为HUD系统赋予了无可替代的功能性，使HUD系统终于能够走向普及。

但从技术的角度分析，要做到AR傍身，HUD技术需要进行较大幅度的调整。说到这里，我们可以先了解一下普通HUD的原理。通常而言，HUD系统由三重反射机构组成。如下图般，均是通过图像生成单元产生亮度以及图像，而后这些光会投在第一平面（或非球面）做第一次反射，之后在第二个非球面镜上进行放大（第二次反射），之后光从杂光阱里透过来，在挡风玻璃上做第三次反射，反射到驾驶员眼中，于是我们就看到了相关信息显示。

当然我们这里面所讲的方案是目前奔驰所用的W-HUD方案，即通过风挡玻璃进行反射。早前有很多车辆，会在仪表台上升起一块专门的反射玻璃，进行反射，这样的方案被称作C-HUD（Combiner?Head-Up?Display），虽然成本较低，但是由于VID（人员到虚像的距离）较短，通常小于2.5m，在使用过程中，眼睛在驾驶时，焦点需要在HUD玻璃和风挡玻璃间切换，仍然存在安全隐患，所以在这里并不做具体的讲解。

典型的C-HUD方案

这里会以成本相对更高的W-HUD?(windshield-HUD)?为例，顾名思义，这个W就是指的风挡玻璃，HUD的虚像会直接投射到前风挡玻璃上。但是由于风挡玻璃都有一定的厚度和弧度，普通玻璃在成像时会在前方形成不重叠的两个图像，该现象即重影现象，会导致图像模糊，信息难以识别等问题。HUD玻璃与普通玻璃的不同之处在于其中间夹有一层楔形PVB膜。可以将两个图像重叠在一起，使驾驶员看到一个清晰完整的信息。而这也是W-HUD成本较高的原因之一。

当然，如果是一个AR-HUD，它将面临更高的成本。这就要从几个维度来解释。首先从HUD的几个基本指标讲起。

VID(Virtual?Image?Distance，虚像距离)和FOV（Field?of?Vision视场角）是非常重要的两个参数。

VID即人眼到虚像的距离。FOV是以驾驶员眼睛为中心，到虚像的水平以及垂直边缘所呈的角度，例如9度*3度，10度*3度等。

资料来源：德州仪器

这是一张很有名的图，红色的为传统HUD，无法满足AR导航需要；

浅蓝色为标准AR-HUD，需要20米的投影距离（VID）才能做到跨车道显示；

深蓝色为理想的AR-HUD，FOV（Field?of?Vision，视场角）的水平角度到20度以上，在10米以上的投影距离既可以跨车道显示。

为了满足AR-HUD的需要，VID要达到10米以上，FOV的水平角要10度以上。良好的VID和FOV参数，其意义在于：

1、可以覆盖更大的车道范围（受水平角度影响）、更远的距离（受垂直角度影响），以保证驾驶者的安全和体验。例如，如果能在路面上覆盖地更远，在高速场景下，可以更早地提醒转弯、匝道等信息，不会错过路口。

2、虚像距离变长，可以减少眼睛疲劳。

3、VID大于6米之后，真实的世界和图像可以融合得比较好，比较贴合。

4、VID增大可以在视觉上消除重影，不再依赖楔形角的设计。根据德州仪器仿真测算，在VID增加至13m之后，人眼感受不到重影，挡风玻璃不需要楔形膜，这相当于减少了成本。

来源：德州仪器

要让这些指标能够尽可能满足AR-HUD，智慧的零部件企业提供了不同成本条件下的解决方案。目前在市场上能够量产的主要有TFT、DLP、激光三种方案，前两者目前已有量产的产品。

TFT-LCD?投影：

基于TFT显示器HUD，成像技术原理是液晶屏显示后通过反射改变光源角度最终在挡风玻璃上成像。TFT（Thin?Film?Transistor薄膜晶体管）为?LCD?液晶显示技术中的一种，液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动，能够做到高速度、高亮度、高对比度地显示屏幕信息。由于技术成熟、成本低廉，当前各大HUD供应商普遍采用TFT方案。

TFT-HUD?的优势包括：①方便应用于?3D?和?AR?设备；②基于显示器投影，是大众熟知的技术，相关法规已经到位；③生命周期长；④色度可靠，通过显示器标定进行控制。

TFT-HUD?的难点包括：①视场有限，受源显示器限制；②最大亮度限制，提高亮度输出可能会引起色度准确度和预期分布变化。

DLP投影：

DLP（Digital?Light?Processing数字光处理）是一种以数字微镜装置作为成像器件，通过调节反射光实现投射图像的投影技术，其亮度高、分辨率高、对比度好，但其设计难度与生产成本均高于TFT。DLP?数字光处理技术是美国德州仪器的专利技术，通过集成了数十万个超微型镜片的?DMD（Digital?Micromirror?Device数字微镜芯片），可以将强光源经过数字系统计算反射后投影出来。

DMD微镜阵列示例

DLP-HUD?的优势包括：①方便应用于?3D?和?AR?设备；②体积小巧，性能高；③大视场；④图像明亮度、颜色饱和度、对比度等表现较佳。

DLP-HUD?的难点包括：图像对位，如清晰度、锐度、重影、失真等问题。

激光投影：

激光扫描投影技术使用具有较高功率的红、绿、蓝（三基色）单色激光器为光源，激光在机器内经过相应的光学元件和处理芯片的整合与扫描后投射在显示屏上，该方案色域空间大、色饱和度高、分辨率清晰，但其对温度较为敏感，易受环境亮度影响，成本居高不下，且不能达到车规要求的?85摄氏度的工作要求。

激光?HUD?的优势包括：①小组件；②低能耗；③高亮度（非常明亮）；④大视场，可以在挡风玻璃的较大面积上成像（视场占据挡风玻璃的较大面积）。

激光?HUD?的难点包括：①限于?2D?固定投影；②分辨率低导致的"模糊"图像，从反光镜分束器所折射单光束的影响造成类似于重影的影响；③斑点，当激光束发生漫反射时，将会出现随机粒状图案。

目前，基于成本与技术成熟度所限。TFT和DLP方案，正在被越来越多的企业使用。特别是在预算相对宽裕的情况下，在?AR-HUD?体系的设计过程中，企业更倾向于选择使用具有温升控制优势的?DLP?技术。由?于?AR-HUD?虚拟图像距离较?W-HUD?增加，光学器件会变大，从而导致太阳辐照度水平可能会更高，进而导致受到很强太阳辐照的机会更大，温度上升的可能性显著升高，TFT?面板的吸收性很高，窄视角情况下，TFT尚能承受阳光倒灌导致的温度上升，宽视角下就无法承受。TFT的温度上限是105度，而DLP系统使用Diffuser，温度上限是150度。

TFT对阳光中可见光谱的吸收高达95%，这就导致其温度上升速度远高于DLP，由于阳光负载导致的薄膜晶体管（TFT）面板的温升比基于DLP技术的系统中所用的透射式微透镜阵列散射屏快6倍，从而使TFT面板更易受到太阳辐照度的损害。在85°C的环境温度下，由于其低光谱吸收和高工作温度的特性，HUD系统中采用DLP技术的Kuraray散射屏可以承受高达82kW/m2的太阳辐照度。这种热性能使DLP技术能够支持AR?HUD中的长虚像距离。因DLP技术具有较强的温升控制优势，更适合用于AR-HUD。

如果我们回到奔驰的这套AR-HUD系统来看，它就是采用了DLP技术，其中的DMD（数字微镜）芯片使用了德州仪器最新的DLP5531（2018年下半年量产），有130万像素，FOV为10X5°，VID距离为33英尺即10米。

不过奔驰的这套DLP方案，也并非十全十美，较大的体积就是其中的弊端之一。奔驰的这套方案，体积已达到惊人的27升，这对于很多体型娇小的中小型车，简直是噩梦般的存在，即使重新设计仪表台和台内的风道，也无法容纳这样的庞然大物。所以将整套机构进一步小型化是未来的绝对趋势。

就目前而言，光波导技术（Waveguide）或许是一个好的解决方案，它将去掉传统HUD内部的机械光学机构，省略掉三重反射中的前两重，直接将光源信息投射到风挡玻璃之上。其占用体积可以是传统机械方案的1/10。但是由于光源将采用激光，且其间的光信号传导，将使用非常精密复杂的薄膜结构，目前的良品率仍然较低，成本较高，距离实际量产仍需时日。

走在规模化的大路上

奔驰S上的AR-HUD仅仅是激起产业热情的一颗石子，随后的精彩纷至沓来。目前已在欧洲跃升为新能源销量第一的ID.系列，便开始搭载了AR-HUD系统，尽管这套方案的价格更加亲民，但其意义更加宏大。目前ID.4即将进入中国市场，25万左右的价格区间，无疑比起奔驰S会收获更多的消费者。同时今年大众集团分别在中国市场上投放的第八代高尔夫以及新CC等新进车型上，都开始搭载W-HUD系统（是大陆的产品），HUD进入最广大消费群体的时代已经来临。

而在大众的带动下，其竞争对手们也已然纷纷跟进，甚至价格区间更低但突破品牌格局意愿更强的中国品牌，也开始尝试搭载AR-HUD产品，这样的市场前景或许值得从业者们的乐观情绪。

根据大陆提供的资料显示，在2030年的时候，现实增强抬头显示器整个市场量规模基本上接近于整个抬头显示器市场规模的一半以上，并且它的增长趋势是呈几何倍数的关系。而随着自动驾驶的发展，AR-HUD的发展将会继续向好。所以这一产业正走在朝阳之路上，并不必担心。

跨领域合作与融合或是最大挑战

不过，相对于体积、工艺与成本的挑战，BAO师傅个人认为AR-HUD走向真正的广泛应用，缺乏的是生态级的跨领域合作。AR-HUD与普通HUD的差别在哪里？可能有两点最为重要，一个是可视距离、角度更大，可呈现的信息会更多。第二点就是有强交互性。传感器的加入，让车辆可以和你在同样的视觉范畴内交流，并且可以在同一个画面中，与你分享它的信息和观点，关键是在并不影响驾驶安全的前提下，这就有着非常多的想象空间。

比如车辆开到了一个陌生的城市，驾驶员希望对眼前雄伟的建筑有所了解，便可以直接语音询问汽车："我左前方的大楼叫什么名字？"车辆就会将这栋楼的名字通过AR-HUD显示出来；如果是在赛道上，我正在进行圈速的练习，车辆又能把最佳的入弯出弯路线和速度通过风挡玻璃直接在路中标出；如果我的前方有一辆大货车，挡住了红绿灯，这时我的车辆会把红绿灯信息在风挡上直接显示出来，避免误闯红灯……等等等等。

而这些还仅仅是基于驾驶层面的应用。此前碟中谍4**中，汤姆·科鲁兹驾驶的宝马Vision?Dynamic给人们留下了深刻印象，但原因并不仅是车辆炫酷的外形，而是其超级好用的，集成了AR-HUD功能的全屏可显示风挡玻璃，并且通过手势、语音等前沿操作方式，把车辆操作得如同移动电脑一般。这或许就是AR-HUD的未来！

AR-HUD，在BAO师傅看来，其意义更像是触摸电容屏之于手机，它成为了一个更直观、更适合汽车场景的人机交互方式。新的交互方式意味着，新的生态、新的时代。而新的生态、新的时代，需要的是更多不同领域、更多不同企业、更多不同人才的通力协作，才能够使其更加精彩。

其背后一定是传感器数据融合、人工智能算法匹配、专属应用适配等软件能力与硬件能力共同协作的结果。

同时，这一发展势必将不仅仅局限在汽车自身的固有领域，将会有更多的软件、硬件公司，非汽车类的娱乐、服务等圈外企业加入进来，才有可能使整个生态更完整，也更具活力。所以，目前对于企业而言，BAO师傅私以为，应该从两个方面同时着手，一方面改进硬件，加速普及，一方面，筹备与之配套的生态环境（可整合进整车的生态建设工作中），方可在变革真正到来的一天，做好充足的准备。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

以下为世界各个国家与地区的中英文对照名称以及简写名称。以A~Z的顺序进行排列：

1、A字头

AF — 阿富汗 — Afghanistan

AX — 奥兰群岛 — Aland Islands

AL — 阿尔巴尼亚 — Albania

DZ — 阿尔及利亚 — Algeria

AS — 美属萨摩亚 — American Samoa

AD — 安道尔 — Andorra

AO — 安哥拉 — Angola

AI — 安圭拉 — Anguilla

AG — 安提瓜和巴布达 — Antigua and Barbuda

AR — 阿根廷 — Argentina

AM — 亚美尼亚 — Armenia

AW — 阿鲁巴 — Aruba

AU — 澳大利亚 — Australia

AT — 奥地利 — Austria

AZ — 阿塞拜疆 — Azerbaijan

2、B字头

BD — 孟加拉 — Bangladesh

BH — 巴林 — Bahrain

BS — 巴哈马 — Bahamas

BB — 巴巴多斯 — Barbados

BY — 白俄罗斯 — Belarus

BE — 比利时 — Belgium

BZ — 伯利兹 — Belize

BJ — 贝宁 — Benin

BM — 百慕大 — Bermuda

BT — 不丹 — Bhutan

BO — 玻利维亚 — Bolivia

BA — 波斯尼亚和黑塞哥维那 — Bosnia and Herzegovina

BW — 博茨瓦纳 — Botswana

BV — 布维岛 — Bouvet Island

BR — 巴西 — Brazil

BN — 文莱 — Brunei

BG — 保加利亚 — Bulgaria

BF — 布基纳法索 — Burkina Faso

BI — 布隆迪 — Burundi

KH — 柬埔寨 — Cambodia

3、C字头

CM — 喀麦隆 — Cameroon

CA — 加拿大 — Canada

CV — 佛得角 — Cape Verde

CF — 中非 — Central African Republic

TD — 乍得 — Chad

CL — 智利 — Chile

CX — 圣诞岛 — Christmas Islands

CC — 科科斯（基林）群岛 — Cocos (keeling) Islands

CO — 哥伦比亚 — Colombia

KM — 科摩罗 — Comoros

CD — 刚果（金） — Congo (Congo-Kinshasa)

CG — 刚果 — Congo

CK — 库克群岛 — Cook Islands

CR — 哥斯达黎加 — Costa Rica

CI — 科特迪瓦 — Cote D'Ivoire

CN — 中国 — China

HR — 克罗地亚 — Croatia

CU — 古巴 — Cuba

CZ — 捷克 — Czech

CY — 塞浦路斯 — Cyprus

4、D字头

DK丹麦Denmark

DJ吉布提Djibouti

DM多米尼加Dominica

5、E字头

East Timor东帝汶

EC厄瓜多尔Ecuador

EG埃及Egypt

GQ赤道几内亚Equatorial Guinea

ER厄立特里亚Eritrea

EE爱沙尼亚Estonia

ET埃塞俄比亚Ethiopia

6、F字头

FO法罗群岛Faroe Islands

FJ斐济Fiji

FI芬兰Finland

FR法国France

FX法国大都会MetropolitanFrance

GF法属圭亚那French Guiana

PF法属波利尼西亚French Polynesia

7、G字头

GA加蓬Gabon

GM冈比亚Gambia

GE格鲁吉亚Georgia

DE德国Germany

GH加纳Ghana

GI直布罗陀Gibraltar

GR希腊Greece

GD格林纳达Grenada

GP瓜德罗普岛Guadeloupe

GU关岛Guam

GT危地马拉Guatemala

GG根西岛Guernsey

GW几内亚比绍Guinea-Bissau

GN几内亚Guinea

GY圭亚那Guyana

HT海地Haiti

HN洪都拉斯Honduras

HU匈牙利Hungary

IS冰岛Iceland

IN印度India

ID印度尼西亚Indonesia

IR伊朗Iran

IQ伊拉克Iraq

IE爱尔兰Ireland

IM马恩岛Isle of Man

IL以色列Israel

IT意大利Italy

JM牙买加Jamaica

JP日本Japan

JE泽西岛Jersey

JO约旦Jordan

KZ哈萨克斯坦Kazakhstan

KE肯尼亚Kenya

KI基里巴斯Kiribati

KR韩国Korea (South)

KD朝鲜Korea (North)

KW科威特Kuwait

KG吉尔吉斯斯坦Kyrgyzstan

LO老挝Laos

LV拉脱维亚Latvia

LB黎巴嫩Lebanon

LS莱索托Lesotho

LR利比里亚Liberia

LY利比亚Libya

LI列支敦士登Liechtenstein

LT立陶宛Lithuania

LU卢森堡Luxembourg

MK马其顿Macedonia

MW马拉维Malawi

MY马来西亚Malaysia

MG马达加斯加Madagascar

MV马尔代夫Maldives

ML马里Mali

MT马耳他Malta

MH马绍尔群岛Marshall Islands

MQ马提尼克岛Martinique

MR毛里塔尼亚Mauritania

MU毛里求斯Mauritius

YT马约特Mayotte

MX墨西哥Mexico

MF密克罗尼西亚Micronesia

MD摩尔多瓦Moldova

MC摩纳哥Monaco

MN蒙古Mongolia

ME黑山Montenegro

MS蒙特塞拉特Montserrat

MA摩洛哥Morocco

MZ莫桑比克Mozambique

MM缅甸Myanmar

NA纳米比亚Namibia

NR瑙鲁Nauru

NP尼泊尔Nepal

NL荷兰Netherlands

NC新喀里多尼亚New Caledonia

NZ新西兰New Zealand

NI尼加拉瓜Nicaragua

NE尼日尔Niger

NG尼日利亚Nigeria

NU纽埃Niue

NF诺福克岛Norfolk Island

NO挪威Norway

OM阿曼Oman

PK巴基斯坦Pakistan

PW帕劳Palau

PS巴勒斯坦Palestine

PA巴拿马Panama

PG巴布亚新几内亚Papua New Guinea

PE秘鲁Peru

PH菲律宾Philippines

PN皮特凯恩群岛Pitcairn Islands

PL波兰Poland

PT葡萄牙Portugal

PR波多黎各Puerto Rico

QA卡塔尔Qatar

RE留尼汪岛Reunion

RO罗马尼亚Romania

RW卢旺达Rwanda

RU俄罗斯联邦Russian Federation

SH圣赫勒拿Saint Helena

KN圣基茨和尼维斯Saint Kitts-Nevis

LC圣卢西亚Saint Lucia

VG圣文森特和格林纳丁斯Saint Vincent and the Grenadines

SV萨尔瓦多El Salvador

WS萨摩亚Samoa

SM圣马力诺San Marino

ST圣多美和普林西比Sao Tome and Principe

SA沙特阿拉伯Saudi Arabia

SN塞内加尔Senegal

SC塞舌尔Seychelles

SL塞拉利昂Sierra Leone

SG新加坡Singapore

RS塞尔维亚Serbia

SK斯洛伐克Slovakia

SI斯洛文尼亚Slovenia

SB所罗门群岛Solomon Islands

SO索马里Somalia

ZA南非South Africa

ES西班牙Spain

LK斯里兰卡Sri Lanka

SD苏丹Sudan

SR苏里南Suriname

SZ斯威士兰Swaziland

SE瑞典Sweden

CH瑞士Switzerland

SY叙利亚Syria

TJ塔吉克斯坦Tajikistan

TZ坦桑尼亚Tanzania

TH泰国Thailand

TT特立尼达和多巴哥Trinidad and Tobago

TL东帝汶Timor-Leste

TG多哥Togo

TK托克劳Tokelau

TO汤加Tonga

TN突尼斯Tunisia

TR土耳其Turkey

TM土库曼斯坦Turkmenistan

TV图瓦卢Tuvalu

UG乌干达Uganda

UA乌克兰Ukraine

AE阿拉伯联合酋长国United Arab Emirates

UK英国United Kingdom

US美国United States

UY乌拉圭Uruguay

UZ乌兹别克斯坦Uzbekistan

VN瓦努阿图Vanuatu

VA梵蒂冈Vatican City

VE委内瑞拉Venezuela

VN越南Vietnam

WF瓦利斯群岛和富图纳群岛Wallis and Futuna

EH西撒哈拉Western Sahara

YE也门Yemen

YU南斯拉夫Yugoslavia

ZM赞比亚Zambia

ZW津巴布韦Zimbabwe

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