智能座舱之抬显（HUD）介绍（二）发展状态

yuanyou

四、HUD发展状态

以当前技术状态为节点，HUD已历经了三次迭代过程，分别为组合式抬头显示（Combiner HUD，C-HUD）、风挡式抬头显示（Windshield HUD，W-HUD）以及正在到来的增强现实抬头显示（Augmented Reality HUD，AR-HUD）。


图6 HUD类别
HUD的工作原理可以简单理解为日常生活中常见的投影仪的工作原理，其中C-HUD是利用在仪表台上方加装的半透明树脂玻璃为介质，将仪表上的相关信息进行反射以在树脂玻璃上呈现出虚像投影的过程。由于此方式仅能对相关内容进行简单的图形和文本的显示，且存在成像尺寸有限、效果不佳等缺陷，目前正在被逐步取代中。


图7 C-HUD示意
W-HUD取消了C-HUD中应用的半透明树脂玻璃，并通过光学反射原理将与驾驶相关的信息投射到前挡风玻璃上，由此形成虚像。由于其成像区域不再限制于树脂玻璃，因此该方案相对于C-HUD而言具有更大的显示区域，通常该区域的尺寸可轻松达到13英寸以上，同时成像的质量及视野也要更优于C-HUD。


图8 W-HUD示意
不过由于车辆的挡风玻璃通常为曲面反射镜，所以W-HUD在应用中也须根据挡风玻璃的尺寸和曲率去适配高精度曲面反射镜。目前依托于W-HUD在技术成熟度、成本、成像难度相对低、成像效果理想等方面的因素，其在车载HUD的应用中处于主流地位。

AR-HUD是在W-HUD的基础上通过汽车智能化过程中所带来的摄像头、雷达等感知硬件并通过数据、算法再结合AR、高精地图等技术在毫秒级别内对所采集的数据进行建模，同时利用车辆前挡风玻璃为介质，于车辆前方形成投射虚像，再通过数据成像与现实事物的精准拟合叠加，从而实现数字信息与实景交通的深度融合效果的技术手段。


图9 AR-HUD示意
在AR-HUD的实现过程中，为了将数字成像与实景进行叠加同时又不影响驾驶员的视野，因此在成像上要求至少于驾驶员前方7.5m处形成投影虚像。由于此过程中VID（Virtual Image Distance，虚像距离）和FOV（Field of View，视场角）相对于W-HUD而言都更大，因此AR-HUD所呈现的虚像区域更广。据测算，此虚拟大屏的尺寸可达到90英寸以上，在大尺寸虚拟屏的加持之下，其所显示的内容将不再局限于车速、电量等常用信息，同时由于相关技术水平的提升，其所呈之像也更加清晰醒目。


图10 AR-HUD成像距离示意
在汽车智能化的进一步推动之下，AR-HUD方案结合了AR、ADAS等技术对行车导航、车辆周围景物进行增强显示，通过预告路况、行人等预警信息及时对驾驶员做出提醒，以此来降低可能的驾驶风险。此技术在汽车智能化的带动之下，将成为在未来对车载信息进行显示的重要技术手段。不过由于该方案受到技术成熟度、成本、驾驶习惯等因素限制，当前还处于市场探测的小规模量产过程。

五、AR-HUD技术状态

如上所述，在W-HUD与AR-HUD的应用过程中，其成像介质都是具曲面反射镜功能的前挡风玻璃，其成像过程首先是通过成像单元（Picture Generation Unit，PGU）输出可视图像，接着经反射镜将图像投射到自由曲面镜上，再经自由曲面镜将原图像放大，此过程需通过适配挡风玻璃的曲率以完成对图像的光学畸变矫正，最后再将可正常显示的图像投射到挡风玻璃上或前方，挡风玻璃再通过其反射镜功能将图像反射至人眼处，以实现驾驶员对信息的可视化。


图11 成像路径在此成像过程中，PGU硬件成本占据了AR-HUD主要BOM成本的30%-50%。根据其成像技术的不同，作为主要部件的PGU在车载应用中主要有TFT-LCD（薄膜晶体）、DLP（Digital Light Processing，数字光处理）、LCoS（LiquidCrystal on Silicon，硅基液晶）和LBS（Laser Beam Scanning，激光扫描）四类技术方案。

图12 AR-HUD主要BOM

其中，TFT显示技术是使用液晶显示面板来创建HUD图像，该技术是目前最常见且应用最为广泛的方案，具有技术成熟度高、成本低、使用寿命长等优点，但同时也存在清晰度有限、亮度对比度一般等问题，不过鉴于其在成本方面的优势以及当前AR-HUD市场规模尚小的原因，该方案在AR-HUD的应用中处于主流地位。

DLP的核心技术是通过数字微镜芯片DMD（DigitalMicro-mirror Device）和微镜片来生成HUD图像。其过程是通过DMD和聚集在其CMOS上并利用微型铰链所连接的上百万个微镜片所形成的微系统，并以信号驱动微镜片在-12°和+12°之间运动，通过其运动所导致的角度变化来改变光线的反射角来控制图像像素的显示效果，进而实现对成像的控制。该方案相对于TFT方案在亮度、对比度等方面都更好，整体成像显示效果更佳，但由于受到专利的限制，此方案成本要高于TFT。

为规避DLP方案的专利限制，部分科技企业基于TFT-LCD方案的图像调制原理，通过采用单晶硅基板上的CMOS点阵取代多晶硅TFT点阵以形成新型的反射式投影技术LCoS。该方案在继承了TFT-LCD优点同时进一步克服了TFT-LCD在对比度、亮度等方面的许多不足之处，其在成像效果上相较于TFT-LCD方案更好，但由于新技术的发展需要时间沉淀，目前其在技术成熟度及成本方面尚不如意。此方案已实现装车的有如华为推出的搭载于飞凡R7上的AR-HUD，于该车型上其成像分辨率可达1920*730像素。


图13 搭载LCoS的AR-HUD方案
LBS显示技术是通过将RGB三原色激光模组与微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）进行结合的投影技术，此方案的硬件结构包括三色激光模组、MEMS振镜和滤光片，具有结构简单，体积小的特性，同时由于其结构特性，该方案在成本上也相对较低。LBS的成像过程是通过RGB三原色的组合进行实现，其具有成像对比度高、色域广等特点，但由于激光二极管中的红色激光器对温度较为敏感，因此其在实现车规级的应用上具有相当的难度，且该技术目前在成像分辨率上仅能达到约1280*720像素的水平，略低于LCoS，同时该方案在某些场景中还存在散斑等问题。基于技术及成本的种种因素，应用此方案实现整车量产的目前还未有正式上市。


图14 LBS方案成像与其他方案对比对比已量产的三种方案，对其简单总结如下：
表1 不同方案AR-HUD对比


六、总结
在未来多场景融合的车载应用中，用户对于数字显示的要求将会越来越高，而TFT-LCD显示技术受限于技术及成像效果的原因，其市场占有率或会被具有更好成像效果的其他技术所侵蚀。而在LCoS技术成熟度达到稳定后，其成本或将进一步得到优化，在此竞争过程中，限制于DLP专利壁垒导致的高成本，LCoS的市占率或会进一步得到提升。

随着智能化的推动，基于场景化的元素将会越来越多地在HUD中得以显示，在此虚实融合的应用中，伴随着成像技术的进步，LBS依托于成像效果以及成本优势或将在AR-HUD中占据一席之地。