如今，智能座艙技術(shù)已經(jīng)卷出了新的高度。過去幾年，車載顯示作為人機(jī)交互信息顯示窗口，不僅出現(xiàn)了多屏化、大屏化、聯(lián)屏化，而且更在汽車擋風(fēng)玻璃上玩出“新花樣”。在2023上海國際車展上，AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實抬頭顯示）更是成為智能座艙顯示技術(shù)的熱點(diǎn)。
當(dāng)前，車載顯示的技術(shù)創(chuàng)新從娛樂性和功能性兩個層面齊頭并進(jìn)，而AR-HUD已經(jīng)成為滿足智能座艙功能帶來的復(fù)雜信息顯示需求的重要技術(shù)。可以預(yù)見，未來智能座艙的信息顯示將帶給人們多樣化、人性化、功能化等體驗，以AR-HUD為代表的創(chuàng)新性顯示技術(shù)也將加速應(yīng)用落地。
什么是AR-HUD？
AR HUD即AR技術(shù)與抬頭顯示的結(jié)合體，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)。據(jù)悉，美國海軍A-5艦載攻擊機(jī)最早搭載了HUD系統(tǒng)，其設(shè)計初衷是為了讓戰(zhàn)斗機(jī)駕駛?cè)丝梢愿玫暮饬康仄骄€及瞄準(zhǔn)，幫助海軍具備戰(zhàn)術(shù)核打擊能力。上世紀(jì)80年代初期，HUD最早出現(xiàn)在概念級的轎車上，但當(dāng)時的HUD功能只能顯示時速。
然而，HUD技術(shù)一直在不斷改進(jìn)中，功能越來越多，實用性也大幅提高。隨著汽車進(jìn)入智能化時代，自然合理的人車交互需求越來越高，AR-HUD成為人與車機(jī)交互的重要技術(shù)載體之一。
不過，AR-HUD技術(shù)更為復(fù)雜，但體驗性更好，其在HUD的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將虛擬的圖像和信息疊加到現(xiàn)實的路面上，形成虛實融合的效果。從技術(shù)原理來看，AR-HUD的成像原理其實和傳統(tǒng)的HUD是基本一致的，都是利用離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)，就是通過圖形顯示器（PGU）產(chǎn)生圖像——利用小反射鏡（fold mirror）折轉(zhuǎn)光路——再通過大反射鏡（rotable mirror）反射放大——最終在擋風(fēng)擋玻璃上反射進(jìn)入人眼成像。
但相較于傳統(tǒng)HUD僅對簡單信息進(jìn)行映射，AR-HUD的先進(jìn)之處就在于，還需要一個AR-Creator算法模塊，可以融合導(dǎo)航、ADAS、車輛信號等信息，進(jìn)行圖像渲染及虛實重疊后，把顯示模型輸出給光機(jī)，最終形成在擋風(fēng)玻璃上看到的增強(qiáng)現(xiàn)實的效果。
具體來說，相對傳統(tǒng)HUD，AR HUD主要優(yōu)勢在于：一是顯示技術(shù)。傳統(tǒng)HUD通常在透明屏幕或合并器上顯示信息，并將信息反射到用戶的視線中，其顯示的信息似乎懸浮在用戶面前。而AR HUD使用更先進(jìn)的顯示技術(shù)，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實元素。AR HUD通常使用透明屏幕、投影儀和光學(xué)元件的組合，將數(shù)字信息疊加到真實環(huán)境中。
二是信息疊加。雖然HUD和AR HUD都提供疊加在用戶視野中的信息，但所顯示的信息性質(zhì)不同。傳統(tǒng)HUD通常顯示限于基本數(shù)據(jù)，如速度、導(dǎo)航指示或車輛狀態(tài)等。而AR HUD可以提供更動態(tài)、與上下文相關(guān)的數(shù)字信息，如實時物體識別、車道引導(dǎo)或與用戶環(huán)境無縫融合的交互元素。
三是可視化技術(shù)。傳統(tǒng)HUD通常使用簡單的圖形或字母字符顯示信息，色彩和圖形能力有限。而AR HUD可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實所支持的先進(jìn)可視化技術(shù)，顯示三維物體、動畫圖形，甚至虛擬物體，使其與真實環(huán)境融為一體。
四是沉浸和交互。與傳統(tǒng)HUD相比，AR HUD提供更沉浸和交互的體驗，可以追蹤用戶的注視點(diǎn)，并根據(jù)用戶的焦點(diǎn)或上下文調(diào)整顯示的信息。AR HUD還可以支持手勢識別或語音命令，使用戶能夠以更自然、直觀的方式與顯示的信息進(jìn)行交互。
五是復(fù)雜性和成本。由于先進(jìn)的技術(shù)和額外的功能，AR HUD的開發(fā)和制造通常比傳統(tǒng)HUD更復(fù)雜和昂貴。AR HUD需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理算法和傳感器集成，以實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實體驗。
因此，在AR HUD技術(shù)支持下，用戶可以獲取更多數(shù)據(jù)信息，比如車輛的位置、方向、速度、路況等，不僅能提升駕駛安全性，而且大大增強(qiáng)了駕駛員的感知和交互能力。
AR HUD技術(shù)挑戰(zhàn)
盡管AR HUD具有很好的體驗優(yōu)勢，但其普及應(yīng)用還有諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，最大的技術(shù)難點(diǎn)在于成像PGU（光機(jī)部分）技術(shù)還有待提高，造成AR HUD應(yīng)用成本過高。
從結(jié)構(gòu)來看，AR-HUD主要為反射型結(jié)構(gòu)和全息型結(jié)構(gòu)。其中，在反射型結(jié)構(gòu)上，成像PGU 是AR-HUD的核心要素，主要有TFT-LCD、DLP、LCOS 和LBS（MEMS）四種方案。
對比來看，TFT-LCD方案成熟，成本相對較低，但是光效低，亮度欠佳，并且會有陽光倒灌；DLP是TI專利產(chǎn)品，成本較高；LCOS光效較低，亮度有待提高；LBS分辨率不高，激光器對溫度敏感。
在全息型結(jié)構(gòu)上，DLP激光投影是核心部件，主要方案為DLP激光投影+光波導(dǎo)或者DLP激光投影+全息薄膜。
對比兩種結(jié)構(gòu)，反射型結(jié)構(gòu)是主流方案，但是HUD體積普遍很大。全息型結(jié)構(gòu)體積小，但是全息波導(dǎo)技術(shù)還不成熟。
除了PGU技術(shù)難題之外，AR-HUD還需要滿足光學(xué)、軟件、硬件結(jié)構(gòu)等技術(shù)性能要求。
其中，在光學(xué)上，F(xiàn)OV（視場角）過小，影像只能呈現(xiàn)在駕駛者視線范圍中的一小部分。FOV反應(yīng)了我們看到的AR-HUD圖像大小，AR-HUD的水平FOV至少需要達(dá)到10°以上。在保證成像距離、大小的同時，要擴(kuò)大FOV，以實現(xiàn)覆蓋多車道顯示，這對功耗控制與光學(xué)設(shè)計有著很高的技術(shù)要求。
在不同的外部光線、天候等影響下，HUD影像的亮度是實現(xiàn)較佳的影像品質(zhì)與視覺效果重要性能指標(biāo)。比如，白天汽車前方的環(huán)境光往往非常強(qiáng)，特別是在陽光直射的時候。為了保證AR HUD的顯示效果，就必須保證本身的亮度。目前業(yè)界的要求HUD最大亮度在12000cd/m2以上。在具體的行駛過程中，HUD的亮度還需要隨著環(huán)境光的變化而變化，以保證最佳顯示效果。
在軟件層面，需要兼容各種數(shù)據(jù)/平臺，進(jìn)行實時矯正，確保AR的圖形和真實路況相匹配；具備支持低延遲、二次開發(fā)能力以此支持不同HMI和應(yīng)用。
在硬件結(jié)構(gòu)層面，需要降低HUD的系統(tǒng)整體體積，比如TFT-LCD/DLP等模組，加上需求較大的FOV，都會讓HUD系統(tǒng)的體積越來越大，勢必會影響到車內(nèi)空間設(shè)計。
另外，還需解決重影、畸變矯正、散熱、光斑、前方道路融合、眼盒&駕駛員視線追蹤、降低成本等問題。比如，AR HUD散熱問題，其主要來源兩個方面：一是由于AR HUD需要具備高亮度，光源發(fā)熱量大；二是陽光倒灌問題，由于光路的可逆性，自然界中的光線會沿著投影光路而集中到PGU中。過高的熱量會對PGU的光電元件造成嚴(yán)重?fù)p傷。因此散熱是一個重要的問題。
消除光斑也是AR-HUD不得不解決的問題。光線傳播的雙向性會導(dǎo)致外界的陽光進(jìn)入HUD內(nèi)部，而部分外部光線經(jīng)過HUD內(nèi)部反射器件的反射之后，就可能進(jìn)入駕駛員的眼睛，從而產(chǎn)生所謂的“光斑”， 可能導(dǎo)致駕駛員無法看清前方的局部路況的情況，帶來駕駛安全隱患。
因此，AR-HUD能否普及上車，除了要解決以上技術(shù)難題之外，還需降低應(yīng)用成本。
AR HUD已成風(fēng)口
實際上，AR-HUD很早就在汽車上得到應(yīng)用，特別是在一些概念車型上。2020年，奔馳推出全球首個AR-HUD產(chǎn)品，可以將車道、預(yù)警等駕駛信息以與環(huán)境融合方式直觀呈現(xiàn)給駕駛用戶。
2022年以來，長城摩卡、吉利星越L、大眾ID.4、廣汽傳祺GS8、北汽魔方、飛凡R7等越來越多配備AR-HUD的量產(chǎn)車型先后亮相，大尺寸、更高清的AR-HUD成為了主流趨勢。
在近期上海國際車展上，華為、銳思華創(chuàng)、疆程、業(yè)成光電等均發(fā)布了AR-HUD產(chǎn)品。其中，華為展示了HUAWEI xHUD AR-HUD增強(qiáng)現(xiàn)實抬頭顯示方案。該方案將前擋風(fēng)玻璃化身為集科技感、安全性、娛樂性于一體的智能信息“第一屏”，不僅可以替代儀表，更能超越儀表，持續(xù)打造更多創(chuàng)新應(yīng)用，如智駕可視、車道級導(dǎo)航、倒車影像、數(shù)字精靈、巨幕觀影等。
華為AR-HUD還是行業(yè)首個2K車規(guī)級自研的光學(xué)成像模組，最大FOV（視場角）為13°*5°，界面范圍更廣；分辨率達(dá)到1920×730；最高亮度可達(dá)12000nits；1200:1高對比度；7.5m可達(dá)70英寸、10m可達(dá)到96英寸影院級巨幕觀影畫幅。
銳思華創(chuàng)發(fā)布了全球首個以LBS為光源的AR-HUD，并推出其全新顯示技術(shù)——應(yīng)用于AR-HUD等多種顯示方案的多層光波導(dǎo)3D?PGU。PGU的特點(diǎn)是支持裸眼3D顯示，在擋風(fēng)玻璃前可呈現(xiàn)更立體的懸浮3D效果。
作為車廠，寶馬也用概念車Dee展示了其全景視域橋技術(shù)，并宣布將在2025年實現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)悉，該技術(shù)能夠?qū)⑿畔⑼队暗綋躏L(fēng)玻璃下緣的深色涂層區(qū)域，在保證出色的清晰度和色彩表現(xiàn)的同時，讓乘客能看到覆蓋擋風(fēng)玻璃整個寬度的信息。
可以說，從應(yīng)用體驗來看，AR-HUD將有潛力成為未來的重要人機(jī)交互方式之一。
未來，AR-HUD也將與ADAS高度融合，比如，跟車距離預(yù)警、壓線預(yù)警、紅綠燈監(jiān)測、提前變道、行人預(yù)警、路標(biāo)顯示、車道偏離、前方障礙物、駕駛員狀態(tài)監(jiān)測等等。同時，通過顏色的變化來提醒駕駛員安全度。同時，AR-HUD還將整合更多新應(yīng)用場景，結(jié)合當(dāng)前位置、地圖和場景AI等來為駕駛員提供路過景區(qū)、商場、餐廳等信息，實現(xiàn)車與道路環(huán)境的互聯(lián)。
綜上，從另外一個層面可以理解，隨著技術(shù)不斷成熟與上車應(yīng)用，AR-HUD正慢慢打開汽車元宇宙之門。
