车载抬头显示系统(HUD)历史及发展

huangguang

去年理想发布的L9，取消了仪表盘，取而代之的是抬头显示(Head-Up Display，HUD)。除了像理想这么彻底地取消仪表盘，目前越来越多的新车开始配备HUD技术。今天就来聊一聊抬头显示。

01.

HUD前世

HUD其实就技术而言，并不算什么新技术，早在1960 年，就在美国海军的 A-5 舰载机上成功运用。在飞机上叫平视显示系统 ，用于将飞机的飞行参数、姿态信息、导航信息等投射到飞行员视野正前方的透视镜上，飞行员在不低头的情况下，可以兼顾仪表参数和外界目视参照物，减少飞行员低头看仪表的频次，从而提高飞行安全。



▲图1 飞机上的HUD显示

到1980年，HUD技术开始应用于民航飞机上，当时仅仅用于显示导航信息。目前波音、空客的民航客机上已经标配设备了，显示的信息也越来越多了，包括空速、高度、航向、垂直速度、迎角、飞行航径或速度矢量、自动驾驶相关仪器运行状态显示和警告显示等。

02.

HUD在汽车上的发展

与HUD应用在民航飞机的时间差不多，上世纪八十年代，通用汽车在收购航天和国防制造公司Hughes Aircraft后，开始将HUD技术应用在汽车上。

1988年，通用汽车在Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上应用了HUD，是世界上首款采用HUD技术的汽车。最初的汽车HUD系统显示的信息有限并且颜色单一。采用的是战斗机淘汰下来的技术，就如同一个数字闹钟一样，整体的效果一般。但是这种技术首次应用在汽车上，在当时还是令人们惊艳不已。



▲图2 通用1988首次在汽车上应用HUD

最初的汽车HUD系统是最基本的形式，采用战斗机淘汰下来的技术，就如同一个数字闹钟一样，整体的效果一般，但是首次应用于汽车之上，还是令当时的人们惊艳不已。

从此以后，HUD开始逐渐被越来越多的汽车厂商使用。

1991年，丰田在皇冠Majesta上搭载了HUD。

1997年，通用在其第五代Corvette车型上首次搭载了彩色显示HUD。

2003年，宝马成为欧洲第一家使用HUD技术的汽车公司，奔驰、奥迪也随后开始使用HUD技术。同年2003 年，电装开发出了一款新型抬头显示系统，既可以显示各类行车信息，又能显示红外图像，成为世界上第一款可以同时显示行车信息与夜视成像信息的抬头显示器。

2006 年，通用汽车在其高端品牌车型凯迪拉克STS4.6 车型上装备了 HUD 系统，车速信息显示颜色可随车速改变。

2012 年，先锋公司首次将导航信息引入车载 HUD，开发出世界上首个应用HUD 技术的车载导航系统。

2020年，奔驰S级发布AR-HUD(增强现实型抬头显示系统)。在奔驰的AR-HUD系统上，AR(增强现实)技术令导航信息与实际路面信息叠加，导航信息的显示更为直接且易于理解。且AR-HUD结合ADAS功能，可以实时进行道路危险警示和预告路况，提升驾驶安全性。



▲图3 AR-HUD

03.

HUD产品形态

与传统的仪表相比，HUD将驾驶信息投射到前挡玻璃上，大大减少了驾驶员因低头、或扭头看导航导致的驾驶分心，因此装配HUD对用户来说，可以提高驾驶的安全性、交互的简单便捷，也可以让座舱显得有科技感。

HUD主要是由投影单元和显示介质构成，其中投影单元内部集成了投影仪、反射镜、投影镜、调节电机及控制单元等，HUD从车上数据总线获取车速、导航等信息，在投影仪输出图像，利用光学发射原理，将输出图像显示在显示介质上，显示介质可以是透明树脂玻璃，也可以是前挡风玻璃。



▲图4 HUD的技术原理

根据实现方式和产品形态的不同，大致可以将HUD分为三类。

C-HUD

C-HUD是Combiner HUD的缩写，一般是将一块半透明树脂板安装在仪表盘上方，作为投影介质，该树脂板通常会根据成像条件进行特殊处理，例如做成楔形来避免反射重影，提升显示效果。



▲图5 C-HUD

W-HUD

W-HUD是英文Windshield-HUD的缩写，其中Windshield就是前挡玻璃的意思，按字面理解，相比于C-HUD，就是将投影介质改成前挡风玻璃。但是由于前挡玻璃为自由曲面，内外反射面的反射光不重叠，这样直接投影会导致重影，因此需要将前挡风玻璃夹层的 PVB 膜设计成楔形的，并通过调整楔形膜的角度和玻璃的厚度达到消除重影的效果。

目前有多条技术路线，基于曲面反射镜放大成像、基于全息光学元件(HOE)放大成像和基于全息光波导(Waveguide)放大成像。目前HOE和Waveguide技术尚未成熟，主要应用的为基于曲面反射镜放大成像技术。



▲图5 W-HUD

AR-HUD

AR-HUD是Augmented Reality-HUD的缩写，翻译为中文为增强现实抬头显示器，其可提供更远距离及与实景相结合的图像，其结构示意图如下图所示。



▲图6 AR-HUD结构示意图

AR-HUD硬件结构主要包含 PGU(Picture Generation Unit) 成像与空间光学两部分。

PGU成 像 单 元 是 AR-HUD 的关键部件，直接影响 HUD 的成像效果与产品化成本等。目前 PGU 主流成像技术主要有三种：TFT-LCD、DLP 和 LCoS，成像技术的工作原理不同，在 HUD 上的应用表现存在很大差异。

TFT 是 LCD 液晶显示的一种，指的是图像是由集成在LCD 面板每个像素点背后的薄膜晶体管（TFT）驱动改变光源偏振状态进行显示的。这种在手机屏幕上也用得比较多。

DLP 是一种数字光处理技术，是首先将信号经过数字化处理后再进行投影显示的技术。DLP 技术的核心是DMD 即数字微镜芯片。

LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 是一种新型的反射式投影技术。其原理是利用半导体技术和镀铝膜技术，形成有源点阵反射 CMOS 基板，然后将基板与含有 ITO 透明电极的玻璃贴合，最后在基板和玻璃之间灌入液晶形成并封装成 LCoS 器件。



▲图7 三种显示技术的优劣对比

PGU输出影像后，经过反射镜将图像投射到自由曲面镜。自由曲面镜将原图像放大并适配前风挡面型完成光学畸变矫正后，投射到前挡风挡玻璃上。利用前挡风挡玻璃将图像反射进入眼椭球范围，人眼接受到反射光之后在风挡玻璃前形成虚拟图像。这里需要解决阳光倒灌、炫光、重影、图像畸变与双目视差等棘手问题。
参考文章：1.智能座舱人机交互之HUD篇2.抬头显示系统HUD（一）：HUD系统概述3.增强显示白皮书