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HUD技術(shù)起源

抬頭顯示系統(tǒng)HUD（Head-up display）是一項(xiàng)從反射器瞄準(zhǔn)器中演變而來(lái)的技術(shù)，二戰(zhàn)前用在槍械瞄具和戰(zhàn)斗機(jī)瞄具上。二戰(zhàn)之后，HUD技術(shù)開(kāi)始逐步應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)上，可將速度、高度、雷達(dá)信息、瞄準(zhǔn)器等顯示在戰(zhàn)斗機(jī)的座艙罩或透明板上，飛行員不必低頭，即可看到所需要的重要信息。

到了現(xiàn)代，戰(zhàn)斗機(jī)上的HUD逐漸被頭盔式顯示器（HMDS）取代。

到了上世紀(jì)八十年代，通用汽車(chē)收購(gòu)了航天和國(guó)防制造公司Hughes Aircraft，之后HUD技術(shù)開(kāi)始在汽車(chē)上出現(xiàn)。1988年，通用汽車(chē)在Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上應(yīng)用了HUD，是世界上首款采用HUD技術(shù)的汽車(chē)。最初的汽車(chē)HUD系統(tǒng)顯示的信息有限并且顏色單一。

自此之后，HUD系統(tǒng)開(kāi)始逐漸裝備在跑車(chē)和高檔轎車(chē)中，且其技術(shù)開(kāi)始朝著信息化、數(shù)字化的方向發(fā)展

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HUD技術(shù)的意義

1. 提升駕駛安全性

正常駕駛時(shí)，人眼需要在道路和儀表之間來(lái)回切換，容易導(dǎo)致視覺(jué)疲勞和注意力分散。一項(xiàng)美國(guó)的研究表明，假設(shè)車(chē)輛行駛速度是120km/h，如果駕駛者的視線偏離路面2秒以上，車(chē)輛會(huì)行駛超過(guò)65m的距離。

HUD技術(shù)的最大意義就是可以讓駕駛者不用將視線從路面上挪開(kāi)就能獲取大量的信息：駕駛員查看HUD上的信息，需要低頭5°~10°，而查看組合儀表需要低頭20°~25°。

2.提升人機(jī)交互體驗(yàn)

除了提升駕駛安全性外，HUD技術(shù)還可進(jìn)一步提升人機(jī)交互體驗(yàn)。一方面，HUD可讓車(chē)況、智能駕駛等信息的顯示更為高效；另一方面，HUD還可大幅增強(qiáng)導(dǎo)航的顯示效果，使二維導(dǎo)航邁向?qū)嵕皩?dǎo)航。

隨著人們對(duì)駕駛安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，HUD系統(tǒng)會(huì)不斷普及到中低檔汽車(chē)中，讓普通人也能享受到科技帶來(lái)的安全享受。

03

HUD的分類(lèi)

汽車(chē)HUD主要有三種類(lèi)型：組合型抬頭顯示系統(tǒng)C-HUD（Combiner-HUD）、風(fēng)擋型抬頭顯示W(wǎng)-HUD（Windshield-HUD）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型抬頭顯示系統(tǒng)AR-HUD（Augmented Reality HUD）。

1.C-HUD

C-HUD更多應(yīng)用在后裝市場(chǎng)，其會(huì)在汽車(chē)儀表上方、儀表板頂部加裝一個(gè)半透明樹(shù)脂板，再將該樹(shù)脂板作為投影介質(zhì)反射出虛像。該樹(shù)脂板通常會(huì)根據(jù)成像條件進(jìn)行特殊處理，例如做成楔形來(lái)避免反射重影，提升顯示效果。

相較W-HUD和AR-HUD，C-HUD成本較低，但具有以下三方面劣勢(shì)：

成像區(qū)域小，顯示內(nèi)容有限；

成像距離近，成像高度較低；

布置位置處于駕駛員前方的儀表板上，在車(chē)輛碰撞時(shí)可能會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生二次傷害。

2.W-HUD

W-HUD用于前裝，目前有多條技術(shù)路線：基于曲面反射鏡放大成像、基于全息光學(xué)元件（HOE）放大成像和基于全息光波導(dǎo)（Waveguide）放大成像。目前HOE和Waveguide技術(shù)尚未成熟，主要應(yīng)用的為基于曲面反射鏡放大成像技術(shù)。

W-HUD使用前擋風(fēng)玻璃作為成像介質(zhì)來(lái)反射成像，可以支持更大的成像區(qū)域和更遠(yuǎn)的投影距離。W-HUD的劣勢(shì)在于，擋風(fēng)玻璃通常為曲面反射鏡，W-HUD必須根據(jù)擋風(fēng)玻璃的尺寸和曲率去適配高精度曲面反射鏡，導(dǎo)致成本相對(duì)較高。

3.AR-HUD

AR-HUD和W-HUD一樣使用前擋風(fēng)玻璃作為成像介質(zhì)來(lái)反射成像，但AR-HUD成像區(qū)域更大、投射距離更遠(yuǎn)、成像也更為生動(dòng)。

AR-HUD需要通過(guò)智能駕駛的傳感器（攝像頭、雷達(dá)等）對(duì)前方的路況進(jìn)行解析建模，以得到對(duì)象的位置、距離、大小等要素，再把HUD顯示的信息精準(zhǔn)地投影到對(duì)應(yīng)的位置。AR-HUD可將投射信息與交通環(huán)境進(jìn)行高度融合，例如行駛過(guò)程中的車(chē)道線貼合、前方障礙物/危險(xiǎn)物貼合、車(chē)道偏離預(yù)警與車(chē)道線貼合等。

因此現(xiàn)在的AR-HUD顯示方式大多分為上下兩層，下層是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，上層是新增的輔助駕駛相關(guān)數(shù)據(jù)和指示畫(huà)面。這也變成了區(qū)分傳統(tǒng)W-HUD和AR-HUD的直接方式。

AR-HUD整體顯示效果出眾，是智能駕駛和智能座艙解決方案的重要組成部分。

雖然AR-HUD各方面性能都是最佳，但是體積最大,由于AR-HUD的光路需求比較大，體積就會(huì)增大，所以搭載該功能的車(chē)型都會(huì)在擋風(fēng)玻璃后方挖一個(gè)大洞，這樣看上去就沒(méi)有那么美觀了。同時(shí)目前AR-HUD技術(shù)還不夠成熟，顯示效果仍需提升。

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HUD技術(shù)原理

一、基本原理

HUD本質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)器件，其工作原理與投影儀基本相同，就是將需要顯示的信息投影到駕駛員前方的透明介質(zhì)上。

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HUD主要由圖像生成單元（PGU）和光學(xué)顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，圖像生成單元用以生成HUD輸出圖像，光學(xué)顯示系統(tǒng)用于顯示圖像。

二、圖像生成單元

圖像生成單元PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，占HUD總成本的50%左右。圖像生成單元的作用是生成HUD輸出圖像，由光源、光學(xué)膜片和其它光學(xué)組件構(gòu)成。

PGU是HUD的核心技術(shù)壁壘，其技術(shù)路線的選擇直接決定未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線，影像源部分的成像技術(shù)主要分為TFT，DLP，LCOS和LBS這四種形式。不同的技術(shù)路線，其光源和光學(xué)組件都完全不同。

1. 薄膜晶體管液晶顯示屏技術(shù)TFT-LCD

TFT是LCD液晶顯示技術(shù)的一種，TFT-LCD的工作原理是LCD被背光光源照亮后，通過(guò)集成在LCD面板每個(gè)像素點(diǎn)背后的薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)液晶分子旋轉(zhuǎn)改變光源偏振狀態(tài)，從而呈現(xiàn)不同的明暗灰度，再通過(guò)RGB濾色片呈現(xiàn)彩色圖像。

TFT-LCD可以做到高響應(yīng)速度、高亮度、高對(duì)比度地顯示圖像信息，且技術(shù)成熟、成本低，是目前HUD的主流技術(shù)路線。

TFT-LCD技術(shù)的劣勢(shì)主要在于熱管理難度大，需要有更多熱管理方面的光學(xué)設(shè)計(jì)。

2.激光投影

采用激光作為光源，因激光具有良好的單色性、方向性（聚焦效果好），所以它無(wú)需匹配LCD HUD方案中復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)；

激光投影具有亮度高、飽和度高、衰減少、對(duì)比度好等特點(diǎn)，非常適合投影信息簡(jiǎn)單、亮度要求高的場(chǎng)景，目前主要應(yīng)用于室外大型投影和演出上；

目前再制約激光投影在車(chē)載HUD上應(yīng)用的一大障礙就是激光二極管對(duì)溫度較為敏感，不能達(dá)到車(chē)規(guī)級(jí)要求的85°環(huán)境溫度要求，也導(dǎo)致產(chǎn)品的穩(wěn)定性不佳；

3.DLP投影

DLP全稱(chēng)是Digital Light Processing 數(shù)字光處理技術(shù)，它是集成上百萬(wàn)個(gè)超微型晶片（DMD），這些晶片首先對(duì)影像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再轉(zhuǎn)為光投影出來(lái)；

DLP投影技術(shù)具有分辨率高、亮度高、成像效果好等特點(diǎn)，目前主要是被豪華品牌車(chē)型的前裝HUD所采用

由于DLP是全平面投影，為了提升顯示效果，就需要針對(duì)車(chē)型匹配高精度的反射非球面玻璃，無(wú)形中增加了很高的成本，而且后期的維修成本也不低，所以選裝了原廠HUD的務(wù)必要買(mǎi)玻璃險(xiǎn)；

國(guó)內(nèi)的很多豪車(chē)基本選用這種方案，特別是寶馬的HUD在市場(chǎng)的反饋還是非常好的，唯一的缺點(diǎn)就是選裝成本有點(diǎn)高，后期的維修成本也不低；

4.LCOS投影

LCOS 全稱(chēng) Liquid crystal on silicom 硅基液晶投影技術(shù)，看名字可能有點(diǎn)迷糊，

我們可以把它理解為一種LCD的升級(jí)，它采用涂有液晶硅的CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片，

簡(jiǎn)單理解就是LCD以玻璃為基板，LCOS則以硅晶圓為基板；

LCOS在光效率上非常高，傳統(tǒng)的LCD可能就3%左右，但LCOS則可高達(dá)40%；

三、光學(xué)顯示系統(tǒng)

HUD的光學(xué)顯示系統(tǒng)一般包括反射鏡、調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元與前擋風(fēng)玻璃。

1. 前擋風(fēng)玻璃

除C-HUD依賴(lài)放置于儀表板上方的樹(shù)脂曲面鏡成像外，W-HUD和AR-HUD都需要通過(guò)擋風(fēng)玻璃成像。前擋風(fēng)玻璃的結(jié)構(gòu)有內(nèi)外兩層玻璃，內(nèi)外兩層玻璃之間存在一層PVB薄膜夾層。若將HUD圖像通過(guò)普通擋風(fēng)玻璃投射，在玻璃厚度和傾斜角度作用下，很容易行車(chē)虛像重影，投射效果差。

為了消除重影，目前的主流方案是將玻璃夾層內(nèi)PVB夾層制成楔形，使玻璃呈上厚下薄的狀態(tài)。

此外，還可以通過(guò)在外層玻璃或內(nèi)層玻璃的內(nèi)表面上附加一層反射膜層，用于校正重影。

2.反射鏡

反射鏡和擋風(fēng)玻璃需要進(jìn)行擬合以盡可能消除畫(huà)面畸變。自由曲面反射鏡磨具需要用精密儀器制造，做成納米級(jí)，非球面鏡需要一次成型。

3.控制單元

HUD的控制單元接入車(chē)輛數(shù)據(jù)總線，獲取車(chē)速、導(dǎo)航、智能駕駛等信息，并在圖像生成單元輸出圖像。

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HUD顯示內(nèi)容

HUD的初衷是幫助駕駛員減輕認(rèn)知負(fù)荷，提升對(duì)當(dāng)前情勢(shì)的感知能力。通?？稍贖UD上顯示的信息包括：車(chē)輛信息和外界信息。

1.車(chē)輛信息

車(chē)輛信息指能夠反映當(dāng)前車(chē)輛狀態(tài)的信息，HUD一般通過(guò)車(chē)載總線獲取，具體包括以下四類(lèi)：

1)核心信息指在傳統(tǒng)儀表上顯示的部分重要信息，如車(chē)速、轉(zhuǎn)速、里程、油量等。

2)提示信息指在車(chē)輛行駛過(guò)程中需要顯示部分提示信息，如擋位、轉(zhuǎn)向燈、遠(yuǎn)光燈、霧燈、車(chē)內(nèi)溫度、瞬時(shí)油耗等。

3)報(bào)警信息包括請(qǐng)求駕駛員接管、安全帶提醒、燃油/電量不足、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、車(chē)門(mén)狀態(tài)、駐車(chē)狀態(tài)、機(jī)油剩余量、胎壓、安全氣囊狀態(tài)、玻璃清洗液存量等。

4)附加信息指部分車(chē)型上的特色功能信息，如四驅(qū)模式、轉(zhuǎn)向模式、駕駛模式、天窗及天窗開(kāi)啟狀態(tài)、座椅狀態(tài)、底盤(pán)狀態(tài)等。

2.外界信息

HUD除了可獲取車(chē)輛自身的狀態(tài)信息外，還可通過(guò)與外界的交互獲取更多外界信息，具體包括：

1)出行包含有定位、地圖、導(dǎo)航、行人/障礙物檢測(cè)、車(chē)道保持輔助等信息。

2)安全主要顯示來(lái)自智能駕駛系統(tǒng)感知到的實(shí)時(shí)交通情況，以輔助駕駛員安全駕駛，包括：超速預(yù)警、前車(chē)碰撞預(yù)警、車(chē)距信息提示、交通信號(hào)燈提示、道路安全預(yù)警、遠(yuǎn)程故障診斷信息等。

3)生活主要指通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)獲得的交通違章信息、保養(yǎng)信息、停車(chē)場(chǎng)車(chē)位信息、代駕預(yù)定等。

4)智能辦公如微信、郵件、電話(huà)、語(yǔ)音/視頻會(huì)議、文檔處理等。

5)娛樂(lè)如音樂(lè)和電臺(tái)的播放控制、音量控制、影音媒體播放及控制等。

二、HUD顯示設(shè)計(jì)

1.布局原則

根據(jù)交互設(shè)計(jì)中的希克定律：一個(gè)人所面臨的選擇越多，做出選擇所花的時(shí)間就越多，當(dāng)面臨選擇的數(shù)量增加，做出決定的時(shí)間也會(huì)跟著增加。

因此，HUD界面上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的主要設(shè)計(jì)元素?cái)?shù)量最好保持在1-3個(gè)以?xún)?nèi)，呈現(xiàn)最關(guān)鍵信息的設(shè)計(jì)元素（或視覺(jué)元素組）數(shù)量最好只有一個(gè)。最快的獲取關(guān)鍵駕駛車(chē)輛信息是HUD界面布局的出發(fā)點(diǎn)，使用過(guò)程中不需要駕駛員思考就能獲取信息是最佳的設(shè)計(jì)。

2.顯示區(qū)域分類(lèi)

根據(jù)所顯示信息的重要程度，可將HUD的顯示區(qū)域劃分為三個(gè)部分：

核心顯示區(qū)域：用于持續(xù)顯示，或隨行車(chē)情況的變化自動(dòng)同步激活顯示；

輔助顯示區(qū)域：層級(jí)交替共享顯示；

隨機(jī)顯示區(qū)域：基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信息，根據(jù)實(shí)時(shí)道路與車(chē)輛狀態(tài)信息進(jìn)行顯示。

HUD界面上顯示的內(nèi)容與方式通常允許用戶(hù)自定義，但為防止過(guò)多信息的顯示給駕駛員帶來(lái)視覺(jué)負(fù)擔(dān)，要對(duì)顯示的信息總量進(jìn)行控制。

此外，大部分生活、辦公、娛樂(lè)功能的信息不屬于輔助駕駛界面的顯示內(nèi)容，可以將其設(shè)置為低車(chē)速或駐車(chē)狀態(tài)下才在HUD虛像界面上顯示，而此時(shí)它們可以占據(jù)核心功能顯示的區(qū)域。這類(lèi)界面可采用移動(dòng)互聯(lián)終端信息扁平化的模式來(lái)構(gòu)建，以確保其操作的便捷。

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如何鑒別HUD的好用程度

了解四種具體成像原理的優(yōu)劣對(duì)比，我們可以從整體上看看如何鑒別HUD的好用程度，推薦大家看幾個(gè)參數(shù)，成像距離和視場(chǎng)角。

HUD的成像距離越遠(yuǎn)，眼睛就不需要來(lái)回切換對(duì)焦，越不易產(chǎn)生疲勞，所以這個(gè)參數(shù)是越遠(yuǎn)越好。

視場(chǎng)角是水平和垂直兩個(gè)角度，他們代表了投影的范圍，結(jié)合成像距離，共同組成了大家經(jīng)常在宣傳中看到的“等效XX寸”的巨幕。

就和看電影一樣，大家買(mǎi)票的時(shí)候一般都會(huì)偏向于全景影幕廳，并且選擇中間偏后排的位置進(jìn)行觀看，這樣能獲得比較好的視覺(jué)體驗(yàn)。離屏幕的距離就像是“成像距離”，而視場(chǎng)角則決定了屏幕的尺寸，這兩個(gè)參數(shù)決定了HUD的視覺(jué)體驗(yàn)。

目前AR-HUD憑借更遠(yuǎn)的成像距離，更大的投影視場(chǎng)角，成為了主流發(fā)展趨勢(shì)。

綜合對(duì)比下來(lái)，奔馳EQS和寶馬740Li AR-HUD的視覺(jué)體驗(yàn)應(yīng)該是最好的。

當(dāng)然，這些影響要素還需要結(jié)合HUD本身的成像技術(shù)展現(xiàn)來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)判，環(huán)境光線、使用時(shí)長(zhǎng)和安裝品控等等都能直接影響到用戶(hù)的體驗(yàn)反饋，這也導(dǎo)致了目前很多用戶(hù)對(duì)HUD功能褒貶不一的現(xiàn)象。

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HUD光學(xué)模擬軟件

TT-HUD軟件測(cè)試套件，用于亮度、色度、對(duì)比度、MTF、鬼影、畸變、eyebox等指標(biāo)光學(xué)性能的評(píng)估。

使用電控鏡頭和軟件針對(duì)可變距離投影快速對(duì)焦，并自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際距離單位的VID值。

08

AR-HUD該具備哪些性能？

1、虛像距離VID＞7.5m

2、視場(chǎng)角FOV＞10°

3、亮度＞12000cd/m2

4、消除重影

5、畸變矯正

6、良好的散熱

7、消除光斑

8、前方道路融合

9、眼盒&駕駛員視線追蹤

所謂“眼盒”，就是眼睛可移動(dòng)的區(qū)域，如果眼睛位于這塊區(qū)域內(nèi)則能夠看清整個(gè)圖像，反之出了這塊區(qū)域，則無(wú)法看全整個(gè)圖像。

審核編輯：劉清