好用又安全的HUD,为什么我们还是只能在豪华车里见到?


HUD——head up display抬头显示器,最早出现在战斗机上,为了让飞行员集中注意力,不用频繁低头看仪表,将重要信息在视线前方的一块透明玻璃上显示。

HUD技术近年来也逐渐出现在汽车里,让驾驶变得更加便捷和安全,汽车厂商更是在概念车和宣传视频中将HUD描绘得天花乱坠,前两年趁着AR的热潮还出现了AR HUD这种极具未来感的技术。但我们却遗憾的发现,目前市面上也仅仅有一些豪华或高端车型搭载了HUD,并且其效果和体验都远不如宣传片,而AR HUD至今也只是车企吹牛的工具。

宣传片里各种酷炫的HUD效果

那为什么HUD这项明明很有用的配置却迟迟难以普及?我们从技术角度拆解一下。

HUD原理

HUD的工作原理其实非常简单,就是投影——将行车相关的信息投影到驾驶员前方的透明介质上;让信息显示在驾驶员视线的前方,而不用频繁低头看仪表盘,提升驾驶的安全性和便捷性。


把图像经过反射投影到视线前方的玻璃介质上

正是因为原理极其简单,现在去网上搜索HUD,会有几百到几千多种价位几百款产品,甚至有的APP可以将手机屏幕反射到挡风玻璃上变成HUD。其基本与投影仪的工作原理相同,只是由于所选投影技术和投影介质的差别,会有一些实现方法的不同。

HUD分类

按照投影介质的不同,可分为CHUD (Combiner HUD 组合型)和WHUD (Windshield HUD 挡风玻璃HUD)。

·CHUD

CHUD显示屏为放置于仪表上方的一块透明树脂玻璃,结构简单,成本相对较低。但CHUD置于仪表上方,在车辆发生碰撞时可能会对驾驶员产生二次伤害,不利于车内安全,而且由于光学结构简单,其显示尺寸也有限。我们目前在20万以内的车型上看到的基本都是这种CHUD。

马自达的CHUD仅能显示车速信息

·WHUD

WHUD的投影介质屏直接使用汽车的挡风玻璃,显示效果更为一体化,也不会影响内饰的造型。但其光学结构相对复杂,布置也比较不容易,成本相对较高。目前主要出现在中高档车型上。

GL8的实际显示效果与概念图大相径庭

·AR HUD

如果结合增强现实AR技术和智能驾驶技术,把显示尺寸变大,将导航和ADAS信息与前方道路融合,直接将转向指示、障碍物告警等内容显示在视野之前的真实物体上,那就变成了炫酷的AR HUD。

运用增强显示技术的AR HUD

HUD主要技术参数

虽然HUD的基本原理简单,但要做到显示清晰、信息丰富,具备良好的使用体验,还有几个关键参数需要重点注意,而这些要求也是让HUD的成本和难度迟迟无法降低的重要原因。

·VID

VID(Virtual Image Distance)虚拟图像距离,可以理解为图像焦点到眼睛的距离。实际驾驶情况下,HUD的显示图像和道路并不是在一个平面(目前的HUD的VID基本都在8米左右,而一般驾驶时关注的主要是前方20米左右的情况),此时人眼在道路和HUD之间也需要来回切换,调整眼睛的焦点。虽然解决了低头的问题,但频繁调整焦点也还是会导致视觉疲劳。

要提高VID的距离在目前看来只有设计足够的光路结构,让投影的像在光机内经过反射达到足够的距离,这就会导致光机的结构复杂且体积庞大,对其在驾驶前舱的布置提出挑战。

HUD内复杂的光路结构

·视野盒大小和FOV

视野盒的大小和可视角度FOV,简言之就是显示尺寸的大小和可视角度,尺寸越大显示的信息越多。用过投影仪的朋友应该都知道投影仪距离投影屏幕越远,投影的尺寸就越大。这在HUD里也是同样的道理,在投影技术相同的情况下要达到足够大的显示尺寸,就必须让虚像在光机内的光路变长,这个因素同样会提高HUD的体积和结构复杂度。


·亮度和散热

我们都知道,投影显示的效果由投影光线的亮度和环境光亮度决定。汽车前方的环境光往往非常强,特别是在阳光直射的时候。为了提升显示效果,就必须要提高HUD本身的亮度。在DLP和LBS两大投影技术的加持下,目前HUD的亮度已经较为可观。


目前量产的HUD都具备较大的散热结构

但高亮度又带来了新的问题——发热,尤其是驾驶舱前方因为阳光直射本身温度就很高。这使得HUD要想在苛刻的车载环境下稳定工作,必须具备足够高效的散热结构和系统,除了全金属的材质,其尺寸也不能太小。

·重影问题

初中物理告诉我们,玻璃的两个表面均会反射光线,而由于玻璃折射的影响,两个面反射的图像会有一定程度的偏移,形成重影。

玻璃反射的重影问题

要解决这个问题,只能将投影介质的玻璃做成楔形,让两个反射面形成一定的角度。CHUD由于是独立的投影玻璃,这个问题很好解决。但WHUD直接采用了前挡风玻璃,要解决这个问题只有进行特制,在玻璃中间夹一层楔形的PVB胶,让两个反射表面产生角度,使两个反射的像尽可能重合,这也无形中增加了成本。


·畸形矫正

WHUD投影到前挡风玻璃还会带来另一个问题,我们都知道前挡风玻璃一般都是不规则的曲面玻璃,直接投影只会得到畸形的图像。此时就必须在光机内增加一个非球面镜,将图像矫正之后再投影出去。而要达到足够好的矫正效果,非球面镜还要根据前挡风玻璃的形状和HUD布置的情况进行精细化制作,这一技术和生产方式也注定其目前成本很难降低,产量也有限。

在无尘间制作的非球面镜

AR HUD的难点

·前方道路融合

将信息直接显示在真实道路上是AR HUD的重要特点,实现这一特性需要通过前视摄像头对前方的道路情况进行解析建模,得到对象的位置、距离、大小;再把HUD需要显示的信息精准的投影到对应的位置,让人眼、HUD显示面、真实道路在一条视线上,才能达到足够沉浸的AR体验,而这还需要强大的运算能力。

根据前视图像建模后将信息叠加到实际道路上

这里顺便提一下上汽MARVEL X上推出的AR仪表,AR仪表也是把前视摄像头的实时图像叠加增强显示信息,但由于是直接在视频图像上叠加,不需要融合真实场景,其算法的难度大大低于AR HUD。

直接在图像上叠加信息的AR仪表

·驾驶员视线追踪

人眼、HUD、道路三点一线还有一个极其不稳定的因素,就是眼睛的位置。驾驶员的高矮、坐姿、头部位置等等都会影响眼睛的位置和视线的方向。这种情况下,要时刻保持良好的AR显示效果还必须通过摄像头对驾驶员的视线进行实时追踪,并调整HUD的显示位置。在目前看来,这个要求对算法和运算能力都带来了很大的挑战。

典型的AR HUD系统构成

HUD的未来

基于HUD的上述参数和要求,在现有技术条件下,要想提升配置率和体验,更进一步实现AR HUD,还面临着很多问题。

投影技术、光学设计、系统算力等因素限制了HUD的显示效果和体验;散热、光路设计等必要的考虑又导致了HUD的体积庞大,不利于在汽车内的设计和布置。再加上要解决重影、图像清晰度和AR的效果等问题,还需要配合对前挡玻璃、驾驶员监控等部件进行针对性的优化。在现阶段要解决这些问题,需要付出的成本是普通家用车型还难以承受的,这也就是我们目前只能在豪华车或者顶配车型上见到HUD的原因。

不过,经过这几年的技术积累,很多问题也在逐步得到解决。加上国内自主品牌对中高端的挑战,众多高科技配置和技术反而在国内遍地开花,或许我们也将在未来几年看到国内HUD的普及。


作者简介:史高拔,国内一线汽车企业技术中心任职智能网联技术规划工程师,负责包括自动驾驶、车联网、数字座舱等新技术的规划与系统设计;资深汽车电子开发工程师,负责过多款量产车型的整车电控、新能源电控等技术研发。

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