AR HUD「崛起前夜」

发布时间：2020-12-03 07:21:15来源：建约车评

注：本文讨论的HUD均为W-HUD（挡风玻璃型抬头显示器），不含C-HUD（集成型抬头显示器）。

在传统HUD（抬头显示器）尚未大规模普及的2020年，ARHUD（增强现实型抬头显示）已经呼之欲出，似乎风头还要更劲。

以往，功能简陋的HUD想成为汽车的「第三屏」都是被嫌弃的，而ARHUD则是另外一个维度的东西，它将极有可能成为智能电动车的「第一屏」，甚至更多。

在9月的北京车展上，全新奔驰S亮相，科技成了最大的看点。随车配备的全球首个ARHUD系统，极大提升了整车的科技感。

几乎与此同时，大众MEB平台车型ID.3在欧洲市场攻城掠地，10月份问鼎欧洲电动车销量冠军，ID.4在中美两地发布，引起广泛关注。这两款车也都配备了ARHUD功能。

据业内人士称，接下来一两年，还会有更多的自主、合资品牌的一些非豪华车型，将配备ARHUD。

在更远的2023年、2025年，通用、现代、大陆等厂商，还将量产下个世代的ARHUD。

这些产品基于全息光波导等衍射光学技术开发，可以突破现有几何光学ARHUD只有10米左右投影距离的掣肘，从车内投射一个无限远的虚像，彻底地将现实与虚拟世界结合，为智能汽车开启「万花筒」，将智能汽车带入激动人心的全新时代。

一

在固有的印象中，HUD作为科技亮点，是车企在竞争中的锦上添花，市场基盘主要在高端车型，主要在高端车型中以选装的形式出现，价格不算便宜，需求也并不火爆。

如蔚来选装HUD的价格为6,500元，宝马5系选装HUD的价格为11,600元，奥迪A6L则高达18,700元。

在传统燃油车时代，座舱内的数字内容并不丰富，仪表和中控足以满足信息展示和交互需求。主机厂和零部件公司开发HUD的诉求，主要出于安全的考量。

以仪表盘和中控屏为主的信息显示，大多位于驾驶员的视线下方，需要驾驶员向下移动视线焦点方能观察。

如果在高速上以120公里/小时的速度，低头查看2秒仪表，等于盲驾了66米，这显然对驾驶安全不利。

大陆集团整理的数据显示，在美国大约80%的交通事故碰撞源于驾驶中的分心。

而W-HUD（WindshieldHUD，挡风玻璃型抬头显示器）可以生成一个显示在挡风玻璃前的虚像，只有驾驶者可以看到，这些虚像呈现的是行车过程中的车辆状态信息，主要是速度、导航信息等。

这样，驾驶员便不用低头即可读取重要的行车数据。

但仅以安全为出发点，希望将HUD开发成车内的「第三屏」，并不现实。

从成本和收益来看，车企付出的是：

1、1000左右的硬件成本；

2、几升的仪表板内布置空间，而在仪表板内拥挤的空间里堆放着仪表、空调管道、刹车踏板、方向盘管柱等部件，可谓“寸土寸金”，需要做定制化开发；

3、原本带有弧度的前挡风玻璃直接反射虚像，会有重影，造成驾驶员眩晕，需要做特殊定制，做楔形角的处理，这里也是成本；

注：HUD挡风玻璃与普通挡风玻璃的差异，主要是夹层内部的PVB膜呈楔形

4、软件、测试、验证等成本。

而用户的收益是什么呢？

是在车前几米远的位置投射出一个虚像，这个虚像上显示着时速数据和导航信息，这个导航信息一般只有左转、右转、直行等，甚至不如手机显示全面。

显然，这样的体验既干不掉仪表，也干不掉手机。

狭窄的应用场景，使得HUD产品在用户体验改善上不明显，导致需求起不来，也不能进一步推动供给端扩大规模，进而降低价格，产业的发展陷入了「鸡生蛋、蛋生鸡」的怪圈。

从现有的产业格局上来看，Tier1占据着HUD市场的主要份额，传统HUD已经是非常成熟的产品，成本竞争非常激烈。Tier1希望可以提高复用，进行模块化设计，提供一个普适方案，来降低成本，提高竞争力。

而W-HUD是复杂的光学定制产品，做好一款好用的HUD需要大量针对性开发，需要根据每辆车的挡风玻璃的厚度和曲率做定制化开发和验证，另外不同的车型仪表板内部结构不同，针对单一车型开发的方案，难以同时适配多种车型，导致了规模效应差，成本难以有效下降。

据高工智能汽车研究院监测数据显示，2020年上半年，中国市场在售新车（自主及合资品牌）HUD的前装（标配）搭载上险量25.4万台，搭载率为3.38%，其中，标配搭载W-HUD的新车上险量为21.6万台。

传统HUD的发展不尽如人意，最大的问题在于缺少场景和数据，随着智能电动车的发展，这种情况正在发生改变。

在以往的燃油车上，受限于仪表台的体积布置以及发动机震动、热量等问题，HUD开发难度较大，但这些在电动车上都不是问题。

例如在空间布置方面，大众ID系列车型通过将空调鼓风机从仪表台挪到了发动机舱中，可以容纳当前技术体系下尺寸更大的ARHUD。

在应用层面，自动驾驶和数字座舱技术，使得汽车不再仅仅是驾驶工具，而是移动智能空间，是下一代内容的载体。

车内内容和信息开始爆发增长，传统的仪表、中控已经不能满足车内信息显示的需求。另外，内容增多也会导致驾驶员驾驶时的分心，新的交互方式变得更有必要。

传统HUD只是相当于给汽车增加了一块“屏幕”，承担了一部分仪表的职能，但ARHUD将突破限制，更精准地指导现实中的决策，并且将现实世界与虚拟世界不断融合，与其他传感器之间的融合、交互，带来更多的想象空间。

图片来源：德州仪器

在导航方面，ARHUD可以与高精度地图、摄像头、雷达等融合，拿到自动驾驶相关信号，生成导航信息、道路信息、警示信息等投影到挡风玻璃上，与实际道路进行“虚实结合”，以更直观的方式提醒驾驶员。

在更远的未来，车内AR技术还可以和电商、游戏、物联网、社交、教育等结合，开发出丰富的应用场景。

ARHUD，是AR技术在汽车上落地的最佳场景，它建造了一个更直观、更适合汽车场景的人机交互方式。

新的交互方式意味着，新的生态、新的时代。

1979年，乔布斯拜访施乐公司，他意识到了图形界面的巨大价值，并「窃取」了这个技术，PC进入千家万户的梦想不再是一句空话。

2007年，当乔布斯拿出了配备3.5英寸可触摸电容屏的初代iPhone时，移动互联网的大幕也随之拉开。

ARHUD将是智能电动车关键的下一代交互方案。

二

纵使征途是星辰大海，也需要先发展一块根据地。

车机以及车联网在当前还不能干掉手机支架，最主要的原因则是车载导航产品的体验，相对于手机导航并没有明显的差异化，甚至还有倒退，在这一点上，特斯拉的用户非常有发言权。

AR导航则能提供远胜于手机导航的体验，是ARHUD当前最重要的落地场景，也是车机取代手机的关键一战。

为了能让AR导航上车，一些车企及供应链企业推出了初步的替代方案。

主要的方案是，通过前摄像头的视频图像，与生成的AR导航图像进行拟合，对导航信息进行增强，最终在仪表、中控上将AR导航信息展示出来。

但这并不是终极方案，体验不佳，驾驶员仍需要低头查看，显示结果也并不直接。在技术层面，基于实时视频的导航对延迟要求较高，对座舱芯片算力的要求也不低。

尽管斑马、四维图新等公司在前两年都推出了类似的产品，但市场反应寥寥。

ARHUD拥有终极的AR导航方案。

资料来源：TI

这是一张很有名的图，红色的为传统HUD，无法满足AR导航需要；

浅蓝色为标准ARHUD，需要20米的投影距离（VID）才能做到跨车道显示；

深蓝色为理想的ARHUD，FOV（FieldofVision，视场角）的水平角度到20度以上，在10米以上的投影距离既可以跨车道显示。

VID(VirtualImageDistance，虚像距离)和FOV是非常重要的两个参数。

VID即人眼到虚像的距离。

FOV是以驾驶员眼睛为中心，到虚像的水平以及垂直边缘所呈的角度，例如9度*3度，10度*3度等。

资料来源：大陆集团

为了满足ARHUD的需要，VID要达到10米以上，FOV的水平角要10度以上。良好的VID和FOV参数，其意义在于：

1、可以覆盖更大的车道范围（受水平角度影响）、更远的距离（受垂直角度影响），以保证驾驶者的安全和体验。例如，如果能在路面上覆盖地更远，在高速场景下，可以更早地提醒转弯、匝道等信息，不会错过路口。

2、虚像距离变长，可以减少眼睛疲劳。

3、VID大于6米之后，真实的世界和图像可以融合得比较好，比较贴合。

4、VID增大可以在视觉上消除重影，不再依赖楔形角的设计。根据德州仪器仿真测算，在VID增加至13m之后，人眼感受不到重影，挡风玻璃不需要楔形膜，这相当于减少了成本。

图片来源：德州仪器

要理解这些参数的意义及其实现难度，还需要了解HUD的原理。

当前的HUD以及量产ARHUD方案主要基于几何光学设计，人眼看到的虚像经过三次反射产生。

图片来源：大陆集团

原理方面，根据大陆集团的技术文件显示，图像生成单元(PGU，PictureGenerationUnit)产生亮度以及图像，光发射出来，投射在第一面平面镜上，做第一次反射；

反射以后在非球面镜上进行放大做第二次反射；

然后光从杂光阱中透过来，在挡风玻璃上做第三次反射，反射到驾驶员的眼中去，给驾驶员感觉的是虚像呈现在他面前两米甚至更远的地方。

HUD主要有三部分组成，其中光学零件和图像生成器是非常重要的部件，决定着HUD未来的发展方向。

资料来源：大陆集团

在未来，要达到理想的ARHUD，基于几何光学的部件结构几乎无法支撑。

在以几何光学技术的HUD产品中，光学部件大同小异，由平面镜、非球面镜、轴承组合等组成。非球面镜、平面镜等单元要达到一定的角度，这些光路的设计对体积有需求。

如果以传统的镜面反射光路设计ARHUD，为了实现更广的FOV，第二级非球面反射镜需要很大，导致整体HUD的体积更大，可轻松飙升至15至20升。

这在汽车的仪表板布置中，将是灾难性的。

全息光波导（waveguide），以及HOE（HolographicOpticalelement，全息光学元件）等基于衍射光学的技术方案，在体积上拥有巨大优势。

光波导技术示意图，图片来源：DigiLens

在全息光波导技术中，光从光波导片传播出来之后，就已经是被放大的投影图像。在这种技术下，光波导片部件的需求主要是面积，而不是体积。在仪表板内，较薄的面积空间非常富裕，不像体积空间那样捉襟见肘。

基于光波导技术的ARHUD，图片来源：TI

HOE，即全息膜技术可以将整个挡风玻璃做投影屏，可以像投影机那样直接投影，对体积空间亦要求不高。

基于全息投影的ARHUD，图片来源：TI

相比之下，依靠反射光学的传统HUD在空间上，比较依赖体积。这三张对比图在空间需求上的展示已经非常形象。

传统光学HUD，图片来源：TI

光波导、HOE不仅能缩小ARHUD体积尺寸，也能增加FOV，是ARHUD的理想方案，但是目前不论是成本、质量、技术、材料、工艺方面都还非常不成熟。

光波导等材料，目前也主要基于消费电子产品开发，在车规方面还有很多工作要做。

另外，在投影技术上，还需要配合激光光源，尽管激光投影具有色域广、亮度高、聚焦效果好，非常适合投影信息简单、亮度要求高的HUD场景，但激光二极管对温度较为敏感，也不能达到车规要求的85度的工作要求。

离依托于光波导、HOE等技术的下一代ARHUD的量产时间，大概还有3-5年的窗口期。

目前，很多初创公司在这个领域耕耘，出于普遍看好新技术在未来广阔的应用，传统巨头们热衷于在这些领域投资布局。

2018年，保时捷、现代汽车和阿里巴巴等公司对瑞士ARHUD初创公司WayRay进行了8000万美元的投资，WayRay的主要技术为全息AR，采用激光投影技术。

2020年10月，现代摩比斯、通用汽车、上汽等公司联合对英国ARHUD初创公司Envisics进行了5000万美元的B轮投资。

Envisics下一代HUD技术将于2023年实现量产上车，新版本增加了视场角，可以覆盖三车道，VID可达100米。

大陆已经参与三轮投资的DigiLens，在今年9月份推出了AR-HUD的首款产品，FOV可达15°*5°，体积约5升，亮度可达12,000nits，显示距离可以为无限远。

根据大陆集团的规划，大陆和DigiLens联合打造的光波导ARHUD的量产时间应该在2023年左右。

三

随着ADAS技术发展以及车上传感器的增加，智能驾驶和智能座舱的融合已经是大势所趋，ARHUD是实现「双智融合」的最佳途径之一。

智能电动化的大潮已不可遏制，虽然下一代技术还没准备好，但时间不等人。

在新技术成熟之前，现有技术虽然受到体积和系统复杂度的困扰，但仍可以通过增大可视范围（FOV）和虚像距离（VID），来打造ARHUD。

在下一代技术的过渡期，传统的TFT和DLP技术承担着向ARHUD进军的重任。

还是以已经量产的车型为例，新奔驰S即采用了基于DLP技术的ARHUD，VID为10米，FOV为10度*5度。

大众的MEB车型，在平台设计上就将大体积ARHUD考虑进去，不仅是现在的ID.3和ID.4，未来的Q4e-tron车型也将继续搭载ARHUD。

供应链企业们给出了基于DLP或TFT等投影技术的入门级、紧凑型、FULLARHUD方案，可以满足AR导航的需求。

资料来源：德州仪器

资料来源：大陆集团

由于一些方案的FOV角度较小，没有办法做到远距离投射，需要通过DMS（驾驶员监控系统）摄像头对驾驶员的视线进行实时追求，不断调整HUD的显示位置，来提高增强现实贴合的效果，这种方式对算法和算力的要求较高。

这些方案仍然基于几何光学，系统能力的上限和图像生成器PGU相关。

图像生成器PGU包含显示屏和背光组合，显示屏定义了HUD的对比度、分辨率，光源定义了色域、亮度、均匀度。

这里也是传统HUD发生路线之争的地方，比较成熟的投影技术有TFT-LCD，DLP等方案。

图片来源：雷锋网

TFT较常见、成本低廉，与LCD屏幕的原理类似，将白光光源用棱镜分为红、绿、蓝三色，经过液晶单元，达到投影的效果。

DLP是基于数字微镜单元（DigitalMicromirrorDevice，DMD）的投影技术，由德州仪器发明，并掌握专利。

DMD内部有大量的微反射镜片，每个微反射镜都有“开”和“关”两种状态，由数字信号0和1控制，对应着镜片的两种翻转角度，通常为正负12度或正负10度。处于“开”状态时，入射光线经过微镜片被反射到投影屏幕上，成为一个像素点；“关”状态时，入射光线经过微镜片被反射到光吸收器吸收，不会到达投影屏幕。

DMD就相当于一个数字光开关，可以用数字电路的0和1去理解。

相对于TFT技术，DLP投影更复杂，成本也更高。

DLP投影的是整个平面，为了提升显示效果需要针对不同的挡风玻璃，定制高精度的反射非球面镜，导致其DLPHUD成本较高。

如果基于几何光学打造ARHUD，TFT的问题在于温升太快。

HUD的温度控制主要有两方面，一方面，是内部产热，另一方面是太阳光倒灌。

内部热量：TFTHUD要生成1万、1.5万nits亮度的虚像，光源需要生成40万nits的亮度，TFT的透过率低，很大一部分热量会被吸收。

在太阳光倒灌方面，DLP有扩散片（Diffuser），可以将阳光扩散，温升较慢。

图片来源：德州仪器

而TFT在太阳光照射下，由于不具有扩散，温升快，峰值负载是DLP的三倍，温升速度是DLP的6倍。

宽视角（FOV）带来阳光倒灌，会导致成像面板温度更快上升，同时干扰成像。根据前海智云谷CEO侍强表示，目前TFT的车规级HUD的FOV极限在12*5度，VID为10米。而DLP处理的温度方式比较独特，可以处理13米或更长的距离。

基于几何光学做ARHUD的纠结在于：

如果是做入门级和紧凑型的方案，FOV不大，车道覆盖范围小，体验的提升不够明显，另外还需要配合DMS，方案复杂。

如果是做VID10米以上的FULLARHUD，体积又比较大，成本也较高。

即使困难重重，方案也不甚完美，但是从现在开始量产ARHUD却至关重要。

ARHUD在导航上的应用可以培养用户习惯，开始真正承担仪表和手机的职能，而不再是个鸡肋产品。

也只有拿掉了手机，基于ARHUD的功能和内容才会有进一步发展，属于车机和车联网的时代才会到来。

尾声

交互，是开启每个数字时代的钥匙。

在PC上，图形界面开启了PC的新时代，从此人们不再像DOS时代需要输入长长的代码，然后再得到一串代码，输入输出可以「所见即所得」，PC上的内容生态变得丰富起来。

在手机上，输入和输出都集中在了小小的屏幕上，你无法想象人们使用黑莓手机的键盘刷抖音。

在智能汽车时代，新的交互，输入、输出方式是什么？它一定是新的方式，可能是AR、VR，也可能是语音，甚至还可能是别的什么东西。

如果是继续在屏幕上点按的话，既不符合车内场景，也不会产生新的内容生态。

每一代的终端，都将产生新的交互方式，新的交互方式又催生了新的生态，新的生态又将新的终端送上巅峰，这是个环环相扣的关系。

我们现在正处在通往下个时代的路口上，每个从业者都在思考，智能汽车的未来是什么样的？有什么是可以确定的？

对于一个全新的终端和生态，人类去想象「下个时代的应用是怎样」往往是无力的。

2011年，撒贝宁曾在一场交流活动上预言，以后人人在大街上都可以拿起手机直播，引起了哄堂大笑。而如今直播作为移动互联网最热门的应用之一，人们早已适应。

在苹果的专利上，关于ARHUD的想象力已经开始起飞。

例如，可以直接在挡风玻璃上通话，画面上直接显示真人。

例如，副驾可以通过挡风玻璃看视频、玩游戏。

例如，苹果在ARHUD上还可以对街边大楼、店铺进行标记，用户在车机上选择编号，车辆就会自动驾驶至特定位置。

站在2020年，想象力依然贫瘠。

我们能想到的是，L4之前，ARHUD主要用于导航，L5实现之后，ARHUD的主要应用可能是资讯、社交、游戏、购物、教育。

在《复联4》后的《蜘蛛侠2》中，蜘蛛侠带上了钢铁侠送给他的眼镜「伊迪丝」，带上之后，蜘蛛侠可以看到每个人的信息，可以通过这幅眼镜来操控无人机。

这几乎已经是多数人想象的极限了，但这些会是未来吗？未来会比这些还要绚丽吗？也许。

出于乐观的愿望，我们更加期待2023年，在这一年，基于全新技术的ARHUD开始量产，卓越的产品有望基于此打造，而这些卓越的产品将带领我们在全新的场景下开疆拓土，为我们打开一个光怪陆离的世界。

替代手机，仅仅是ARHUD要做的第一步。

（完）

作者微信ilusanjin，欢迎添加交流。

参考资料：

布谷鸟科技：HUD领域的革命性技术——全息光波导

德州仪器：TIDLP®技术在汽车上的创新及全新应用(线上课程)

大陆集团：抬头显示系统技术原理和应用场景讲解(线上课程)

汽车纵横：车载HUD的发展现状及趋势分析

高工智能汽车：AR-HUD量产难题，是否“有解”？

安信证券：HUD，汽车视觉黑科技

雷锋网：HUD——曾经的鸡肋配置又一次焕发新生

佐思汽车研究：全球首个搭载AR-HUD的量产车型：新一代奔驰S级

锐思华创：基于广角显示与空间成像的AR视觉技术

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