四、HUD發(fā)展狀態(tài)
以當前技術(shù)狀態(tài)為節(jié)點，HUD已歷經(jīng)了三次迭代過程，分別為組合式抬頭顯示（Combiner HUD，C-HUD）、風擋式抬頭顯示（Windshield HUD，W-HUD）以及正在到來的增強現(xiàn)實抬頭顯示（Augmented Reality HUD，AR-HUD）。
圖6 HUD類別
HUD的工作原理可以簡單理解為日常生活中常見的投影儀的工作原理，其中C-HUD是利用在儀表臺上方加裝的半透明樹脂玻璃為介質(zhì)，將儀表上的相關(guān)信息進行反射以在樹脂玻璃上呈現(xiàn)出虛像投影的過程。由于此方式僅能對相關(guān)內(nèi)容進行簡單的圖形和文本的顯示，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。
圖7 C-HUD示意
W-HUD取消了C-HUD中應用的半透明樹脂玻璃，并通過光學反射原理將與駕駛相關(guān)的信息投射到前擋風玻璃上，由此形成虛像。由于其成像區(qū)域不再限制于樹脂玻璃，因此該方案相對于C-HUD而言具有更大的顯示區(qū)域，通常該區(qū)域的尺寸可輕松達到13英寸以上，同時成像的質(zhì)量及視野也要更優(yōu)于C-HUD。
圖8 W-HUD示意
不過由于車輛的擋風玻璃通常為曲面反射鏡，所以W-HUD在應用中也須根據(jù)擋風玻璃的尺寸和曲率去適配高精度曲面反射鏡。目前依托于W-HUD在技術(shù)成熟度、成本、成像難度相對低、成像效果理想等方面的因素，其在車載HUD的應用中處于主流地位。
AR-HUD是在W-HUD的基礎(chǔ)上通過汽車智能化過程中所帶來的攝像頭、雷達等感知硬件并通過數(shù)據(jù)、算法再結(jié)合AR、高精地圖等技術(shù)在毫秒級別內(nèi)對所采集的數(shù)據(jù)進行建模，同時利用車輛前擋風玻璃為介質(zhì)，于車輛前方形成投射虛像，再通過數(shù)據(jù)成像與現(xiàn)實事物的精準擬合疊加，從而實現(xiàn)數(shù)字信息與實景交通的深度融合效果的技術(shù)手段。
圖9 AR-HUD示意
在AR-HUD的實現(xiàn)過程中，為了將數(shù)字成像與實景進行疊加同時又不影響駕駛員的視野，因此在成像上要求至少于駕駛員前方7.5m處形成投影虛像。由于此過程中VID（Virtual Image Distance，虛像距離）和FOV（Field of View，視場角）相對于W-HUD而言都更大，因此AR-HUD所呈現(xiàn)的虛像區(qū)域更廣。據(jù)測算，此虛擬大屏的尺寸可達到90英寸以上，在大尺寸虛擬屏的加持之下，其所顯示的內(nèi)容將不再局限于車速、電量等常用信息，同時由于相關(guān)技術(shù)水平的提升，其所呈之像也更加清晰醒目。
圖10 AR-HUD成像距離示意
在汽車智能化的進一步推動之下，AR-HUD方案結(jié)合了AR、ADAS等技術(shù)對行車導航、車輛周圍景物進行增強顯示，通過預告路況、行人等預警信息及時對駕駛員做出提醒，以此來降低可能的駕駛風險。此技術(shù)在汽車智能化的帶動之下，將成為在未來對車載信息進行顯示的重要技術(shù)手段。不過由于該方案受到技術(shù)成熟度、成本、駕駛習慣等因素限制，當前還處于市場探測的小規(guī)模量產(chǎn)過程。
五、AR-HUD技術(shù)狀態(tài)
如上所述，在W-HUD與AR-HUD的應用過程中，其成像介質(zhì)都是具曲面反射鏡功能的前擋風玻璃，其成像過程首先是通過成像單元（Picture Generation Unit，PGU）輸出可視圖像，接著經(jīng)反射鏡將圖像投射到自由曲面鏡上，再經(jīng)自由曲面鏡將原圖像放大，此過程需通過適配擋風玻璃的曲率以完成對圖像的光學畸變矯正，最后再將可正常顯示的圖像投射到擋風玻璃上或前方，擋風玻璃再通過其反射鏡功能將圖像反射至人眼處，以實現(xiàn)駕駛員對信息的可視化。
圖11 成像路徑
在此成像過程中，PGU硬件成本占據(jù)了AR-HUD主要BOM成本的30%-50%。根據(jù)其成像技術(shù)的不同，作為主要部件的PGU在車載應用中主要有TFT-LCD（薄膜晶體）、DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）、LCoS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）和LBS（Laser Beam Scanning，激光掃描）四類技術(shù)方案。
圖12 AR-HUD主要BOM
其中，TFT顯示技術(shù)是使用液晶顯示面板來創(chuàng)建HUD圖像，該技術(shù)是目前最常見且應用最為廣泛的方案，具有技術(shù)成熟度高、成本低、使用壽命長等優(yōu)點，但同時也存在清晰度有限、亮度對比度一般等問題，不過鑒于其在成本方面的優(yōu)勢以及當前AR-HUD市場規(guī)模尚小的原因，該方案在AR-HUD的應用中處于主流地位。
DLP的核心技術(shù)是通過數(shù)字微鏡芯片DMD（Digital Micro-mirror Device）和微鏡片來生成HUD圖像。其過程是通過DMD和聚集在其CMOS上并利用微型鉸鏈所連接的上百萬個微鏡片所形成的微系統(tǒng)，并以信號驅(qū)動微鏡片在-12°和+12°之間運動，通過其運動所導致的角度變化來改變光線的反射角來控制圖像像素的顯示效果，進而實現(xiàn)對成像的控制。該方案相對于TFT方案在亮度、對比度等方面都更好，整體成像顯示效果更佳，但由于受到專利的限制，此方案成本要高于TFT。
為規(guī)避DLP方案的專利限制，部分科技企業(yè)基于TFT-LCD方案的圖像調(diào)制原理，通過采用單晶硅基板上的CMOS點陣取代多晶硅TFT點陣以形成新型的反射式投影技術(shù)LCoS。該方案在繼承了TFT-LCD優(yōu)點同時進一步克服了TFT-LCD在對比度、亮度等方面的許多不足之處，其在成像效果上相較于TFT-LCD方案更好，但由于新技術(shù)的發(fā)展需要時間沉淀，目前其在技術(shù)成熟度及成本方面尚不如意。此方案已實現(xiàn)裝車的有如華為推出的搭載于飛凡R7上的AR-HUD，于該車型上其成像分辨率可達1920*730像素。
圖13 搭載LCoS的AR-HUD方案
LBS顯示技術(shù)是通過將RGB三原色激光模組與微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）進行結(jié)合的投影技術(shù)，此方案的硬件結(jié)構(gòu)包括三色激光模組、MEMS振鏡和濾光片，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的特性，同時由于其結(jié)構(gòu)特性，該方案在成本上也相對較低。LBS的成像過程是通過RGB三原色的組合進行實現(xiàn)，其具有成像對比度高、色域廣等特點，但由于激光二極管中的紅色激光器對溫度較為敏感，因此其在實現(xiàn)車規(guī)級的應用上具有相當?shù)碾y度，且該技術(shù)目前在成像分辨率上僅能達到約1280*720像素的水平，略低于LCoS，同時該方案在某些場景中還存在散斑等問題。基于技術(shù)及成本的種種因素，應用此方案實現(xiàn)整車量產(chǎn)的目前還未有正式上市。
圖14 LBS方案成像與其他方案對比
對比已量產(chǎn)的三種方案，對其簡單總結(jié)如下：
表1 不同方案AR-HUD對比
六、總結(jié)
在未來多場景融合的車載應用中，用戶對于數(shù)字顯示的要求將會越來越高，而TFT-LCD顯示技術(shù)受限于技術(shù)及成像效果的原因，其市場占有率或會被具有更好成像效果的其他技術(shù)所侵蝕。而在LCoS技術(shù)成熟度達到穩(wěn)定后，其成本或?qū)⑦M一步得到優(yōu)化，在此競爭過程中，限制于DLP專利壁壘導致的高成本，LCoS的市占率或會進一步得到提升。
隨著智能化的推動，基于場景化的元素將會越來越多地在HUD中得以顯示，在此虛實融合的應用中，伴隨著成像技術(shù)的進步，LBS依托于成像效果以及成本優(yōu)勢或?qū)⒃?/span>AR-HUD中占據(jù)一席之地。
轉(zhuǎn)自覺知汽車
