談?wù)勂囂ь^顯示應用火熱的AR-HUD

AR-HUD作為智能座艙，顯示交互《智能座艙系列文六- 它的3種交互方式之顯式交互（語音以及顯示）》的一個重要零部件是繼顯示屏幕之后智能汽車的又一重要技術(shù)以及供應鏈戰(zhàn)場。

根據(jù)IHS markit 的預測，從2022年開始全球抬頭顯示的滲透率將快速攀升，到2027年會達到每六臺車中就有一臺有抬頭顯示，年出貨量達到1700萬臺；其中中國市場需求占比將近1/3 ，每年將近600萬臺，增強現(xiàn)實AR-HUD占比會達到7%將近50萬臺。

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計，隨著新勢力以及智能座艙的更加重視，抬頭顯示的滲透率和出貨量這個數(shù)據(jù)可能會比IHS markit 預測更高，特別是AR-HUD，再如之前文章《智能座艙系列文六- 它的3種交互方式之顯式交互（語音以及顯示）》分享中提到的智能座艙技術(shù)的重要性。

所以本文通過對HUD中技術(shù)相對高階的AR-HUD的相關(guān)技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)信息做一些分享，希望能給關(guān)注行業(yè)以及行業(yè)內(nèi)人士一些信息和啟發(fā)。

什么是AR-HUD
AR HUD(Augmented Reality- Head Up Display)就是增強現(xiàn)實的抬頭顯示功能是繼C-HUD（Combiner HUD 組合型）或W-HUD(Windshield HUD 擋風玻璃HUD）之后當前最熱門HUD技術(shù)。AR-HUD與傳統(tǒng)的C-HUD或W-HUD最核心的區(qū)別在于：能不能做到車道級的導航以及能否在實際車輛上疊加ADAS的感知信息。
 

C-HUD顯示屏為放置于儀表上方的一塊透明樹脂玻璃，結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低。C-HUD是獨立鏡面可以作為獨立系統(tǒng)進行光學設(shè)計，一般會根據(jù)成像條件對鏡面進行特殊處理，設(shè)計成本及難度較低，目前前裝市場很少應用。

傳統(tǒng)W-HUD其實可以理解為一個投影儀，將圖像反射，投影到了擋風玻璃上，實際上相當于把原本顯示在儀表盤上的信息，投射到擋風玻璃上。其實這也是HUD設(shè)計的初衷：駕駛員不需要低頭即可獲得車輛行駛的相關(guān)信息。但是W-HUD的圖像尺寸有限（通常投影距離3m，顯示尺寸15-20寸），能顯示的信息較少，且圖像不會與道路融合，駕駛員仍然需要將視線從路面上移開，重新對焦才能獲得信息，這實際上違背了HUD的設(shè)計初衷。

HUD的終極目標，就是讓駕駛員在不用將視線從前方道路移開的的前提下，讓駕駛員知道行車相關(guān)的數(shù)據(jù)（導航，車速，前車距離，車道等）。而AR-HUD是讓車輛信息，導航與視線內(nèi)的景象融合，省去了視線焦點的轉(zhuǎn)換過程，所以AR-HUD顯然是抬頭顯示的終極路徑。

AR-HUD主要難點
1) 最主要的難點還是在于算法的融合。AR-HUD需要對道路實況進行解析建模，再把HUD需要顯示的信息精準的投影到前方對應的位置，確保人眼，HUD顯示面真實道路在一條視線上，才能達到最佳的AR-HUD顯示效果。這需要精確的算法和強大的運算能力。這個算法，既需要考慮車外環(huán)境信息與相對位置，還要實時考慮駕駛員眼睛的位置。
 

2) ADAS, 高精度地圖等相關(guān)配套技術(shù)還不夠成熟。目前市面上的AR-HUD只能顯示導航路線，車速這類信息。想要達到一般AR-HUD的宣傳視頻中的那些效果，還需要BSD（盲區(qū)檢測），DMS（駕駛員檢測），LDWS（車道偏離預警），前碰撞預警等相關(guān)ADAS配套產(chǎn)品。

3) 陽光倒灌問題。HUD大部分采用凹透鏡放大投影的光學原理，這個光路反過來，就類似于凸透鏡，將陽光光線匯聚到PGU，導致溫度過高而燒毀PGU。AR-HUD比W-HUD投影距離更長，虛像放大倍數(shù)更大，因此陽光倒灌問題更嚴重。

4) 目前的HUD均采用兩次反射的光路結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，為了實現(xiàn)更大的FOV，更遠的VID, 需要更大的非球面反射鏡，導致AR-HUD的整體體積非常大，通常都會達到15L左右。這種體積導致AR-HUD在中小型車型上難以布置。

AR-HUD的4種主流技術(shù)路線
根據(jù)影像源的硬件與原理的不同，目前主流的成像方式分為4種：TFT, DLP, L COS 以及基于MEMS技術(shù)的LBS方案。目前實現(xiàn)量產(chǎn)的有TFT，DLP和L COS，其中MEMS技術(shù)的LBS 還處于產(chǎn)業(yè)前期階段。
 

TFT：TFT-LCD是目前技術(shù)最成熟的投影技術(shù)，其原理是LED發(fā)出的光透過液晶單元后將屏幕上的信息投射出去。這個方案的是目前大部分AR-HUD供應商提供的方案，優(yōu)點是技術(shù)相對成熟，成本較低。這一方案的硬件成本，目前國外供應商能做到2500-3000左右，本土供應商能做到2000左右。隨著技術(shù)的成熟和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，成本應該可以進一步做到2000以內(nèi)。

缺點也很明顯，比如陽光倒灌問題難以解決，另外產(chǎn)品亮度不夠，在白天顯示效果較差。

目前采用TFT方案的有：大眾的ID系列，由LG電子供應。長城Wey摩卡，由maxell供應。紅旗E-HS9，由水晶光電供應。

DLP：DLP即Digital Light Processing的縮寫，采用的是TI的專利產(chǎn)品-DMD芯片（DigitalMicromirror Device，中文意思為數(shù)字微型反射鏡元件）。DMD由數(shù)百萬個高反射的鋁制獨立微型鏡片組成，每個鏡片可以通過數(shù)量龐大的超小型數(shù)字光開關(guān)控制角度。這些開關(guān)可以接受電子訊號代表的資料字節(jié)，然后產(chǎn)生光學字節(jié)輸出。

DLP的優(yōu)點在于，相較于TFT，DLP更容易獲得高亮度，因此在白天陽光強烈時顯示效果也不錯。由于DLP本身材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，能更好的應對太陽光倒灌問題。DLP不使用偏振光，因此即使戴著太陽鏡也能看到顯示內(nèi)容。DLP的缺點在于，成本相對較高，需要用到德州儀器的專利，且產(chǎn)品體積比TFT要大得多。

以奔馳S為例（由日本精機供應），其體積達到27L，硬件成本在5000以上（僅供參考，具體數(shù)據(jù)目前無法考證，有知情者歡迎指正）。

LCOS:LCoS（Liquid Crystal on Silicon），翻譯過來叫液晶附硅，也叫硅基液晶，是一種基于反射模式，尺寸比較小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)在硅芯片上加工制作而成。它屬于新型的反射式micro LCD投影技術(shù)。

LCOS的優(yōu)點在于：分辨率高，DLP能做到1920×1080的真實分辨率，而LCoS則能夠做4k甚至8k的真實分辨率。體積小，0.69英寸的LCoS已經(jīng)可以對標3.1英寸的TFT。

芯片供應商相較于DLP更多，交期可能性更高。缺點是需要用到激光光源，目前可選的供應商較少，成本會比較高。

5月19日發(fā)布的上汽飛凡R7，搭載了來自華為的AR-HUD，采用的就是LCOS方案。（據(jù)說成本在5000左右，集成AR creator）

LBS-MEMS激光投影：LBS即Laser Beam Scanning縮寫，是 “MEMS微激光投影”方案。這種方案是將RGB三基色激光模組與微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）結(jié)合的投影顯示技術(shù)方案。從驅(qū)動的角度來說，MEMS微激光投影屬于掃描式投影顯示，應用微機電二維微型掃描振鏡及RGB三基色激光，以激光掃描的方式成像，其輸出分辨率取決于MEMS微鏡的掃描頻率。

MEMS的優(yōu)點是：光學引擎大幅度簡化，體積可以優(yōu)化。產(chǎn)品對比度高，可以輕松達到7000：1，遠超DLP。高亮度，色域廣（>150%)，功耗更低(<4-6W)，發(fā)熱量很小。MEMS激光顯示純黑像素時是可以關(guān)掉的，因此更易提高對比度，且沒有紗窗效應。缺點是成本較高。需要用到激光二極管，激光二極管目前能實現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)的供應商很少。

目前還沒有量產(chǎn)車型裝配MEMS方案的AR-HUD。網(wǎng)傳先鋒電子曾推出過一款基于MEMS的AR-HUD，售價高達4000美元。