AR HUD已成风口，将打开车载元宇宙之门

如今，智能座舱技术已经卷出了新的高度。过去几年，车载显示作为人机交互信息显示窗口，不仅出现了多屏化、大屏化、联屏化，而且更在汽车挡风玻璃上玩出“新花样”。在2023上海国际车展上，AR-HUD（增强现实抬头显示）更是成为智能座舱显示技术的热点。

华为AR-HUD在飞凡汽车R7得到应用    图源：华为官网

当前，车载显示的技术创新从娱乐性和功能性两个层面齐头并进，而AR-HUD已经成为满足智能座舱功能带来的复杂信息显示需求的重要技术。可以预见，未来智能座舱的信息显示将带给人们多样化、人性化、功能化等体验，以AR-HUD为代表的创新性显示技术也将加速应用落地。

什么是AR-HUD？

AR HUD即AR技术与抬头显示的结合体，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术。据悉，美国海军A-5舰载攻击机最早搭载了HUD系统，其设计初衷是为了让战斗机驾驶人可以更好的衡量地平线及瞄准，帮助海军具备战术核打击能力。上世纪80年代初期，HUD最早出现在概念级的轿车上，但当时的HUD功能只能显示时速。

然而，HUD技术一直在不断改进中，功能越来越多，实用性也大幅提高。随着汽车进入智能化时代，自然合理的人车交互需求越来越高，AR-HUD成为人与车机交互的重要技术载体之一。

不过，AR-HUD技术更为复杂，但体验性更好，其在HUD的基础上，进一步将虚拟的图像和信息叠加到现实的路面上，形成虚实融合的效果。从技术原理来看，AR-HUD的成像原理其实和传统的HUD是基本一致的，都是利用离轴三反射镜光学系统，就是通过图形显示器（PGU）产生图像——利用小反射镜（fold mirror）折转光路——再通过大反射镜（rotable mirror）反射放大——最终在挡风挡玻璃上反射进入人眼成像。

但相较于传统HUD仅对简单信息进行映射，AR-HUD的先进之处就在于，还需要一个AR-Creator算法模块，可以融合导航、ADAS、车辆信号等信息，进行图像渲染及虚实重叠后，把显示模型输出给光机，最终形成在挡风玻璃上看到的增强现实的效果。

具体来说，相对传统HUD，AR HUD主要优势在于：一是显示技术。传统HUD通常在透明屏幕或合并器上显示信息，并将信息反射到用户的视线中，其显示的信息似乎悬浮在用户面前。而AR HUD使用更先进的显示技术，结合增强现实元素。AR HUD通常使用透明屏幕、投影仪和光学元件的组合，将数字信息叠加到真实环境中。

二是信息叠加。虽然HUD和AR HUD都提供叠加在用户视野中的信息，但所显示的信息性质不同。传统HUD通常显示限于基本数据，如速度、导航指示或车辆状态等。而AR HUD可以提供更动态、与上下文相关的数字信息，如实时物体识别、车道引导或与用户环境无缝融合的交互元素。

三是可视化技术。传统HUD通常使用简单的图形或字母字符显示信息，色彩和图形能力有限。而AR HUD可以利用增强现实所支持的先进可视化技术，显示三维物体、动画图形，甚至虚拟物体，使其与真实环境融为一体。

四是沉浸和交互。与传统HUD相比，AR HUD提供更沉浸和交互的体验，可以追踪用户的注视点，并根据用户的焦点或上下文调整显示的信息。AR HUD还可以支持手势识别或语音命令，使用户能够以更自然、直观的方式与显示的信息进行交互。

五是复杂性和成本。由于先进的技术和额外的功能，AR HUD的开发和制造通常比传统HUD更复杂和昂贵。AR HUD需要复杂的光学系统、图像处理算法和传感器集成，以实现增强现实体验。

因此，在AR HUD技术支持下，用户可以获取更多数据信息，比如车辆的位置、方向、速度、路况等，不仅能提升驾驶安全性，而且大大增强了驾驶员的感知和交互能力。

AR HUD技术挑战

尽管AR HUD具有很好的体验优势，但其普及应用还有诸多技术挑战。其中，最大的技术难点在于成像PGU（光机部分）技术还有待提高，造成AR HUD应用成本过高。

从结构来看，AR-HUD主要为反射型结构和全息型结构。其中，在反射型结构上，成像PGU 是AR-HUD的核心要素，主要有TFT-LCD、DLP、LCOS 和LBS（MEMS）四种方案。

对比来看，TFT-LCD方案成熟，成本相对较低，但是光效低，亮度欠佳，并且会有阳光倒灌；DLP是TI专利产品，成本较高；LCOS光效较低，亮度有待提高；LBS分辨率不高，激光器对温度敏感。

在全息型结构上，DLP激光投影是核心部件，主要方案为DLP激光投影+光波导或者DLP激光投影+全息薄膜。

对比两种结构，反射型结构是主流方案，但是HUD体积普遍很大。全息型结构体积小，但是全息波导技术还不成熟。

除了PGU技术难题之外，AR-HUD还需要满足光学、软件、硬件结构等技术性能要求。

其中，在光学上，FOV（视场角）过小，影像只能呈现在驾驶者视线范围中的一小部分。FOV反应了我们看到的AR-HUD图像大小，AR-HUD的水平FOV至少需要达到10°以上。在保证成像距离、大小的同时，要扩大FOV，以实现覆盖多车道显示，这对功耗控制与光学设计有着很高的技术要求。

在不同的外部光线、天候等影响下，HUD影像的亮度是实现较佳的影像品质与视觉效果重要性能指标。比如，白天汽车前方的环境光往往非常强，特别是在阳光直射的时候。为了保证AR HUD的显示效果，就必须保证本身的亮度。目前业界的要求HUD最大亮度在12000cd/m2以上。在具体的行驶过程中，HUD的亮度还需要随着环境光的变化而变化，以保证最佳显示效果。

在软件层面，需要兼容各种数据/平台，进行实时矫正，确保AR的图形和真实路况相匹配；具备支持低延迟、二次开发能力以此支持不同HMI和应用。

在硬件结构层面，需要降低HUD的系统整体体积，比如TFT-LCD/DLP等模组，加上需求较大的FOV，都会让HUD系统的体积越来越大，势必会影响到车内空间设计。

另外，还需解决重影、畸变矫正、散热、光斑、前方道路融合、眼盒&驾驶员视线追踪、降低成本等问题。比如，AR HUD散热问题，其主要来源两个方面：一是由于AR HUD需要具备高亮度，光源发热量大；二是阳光倒灌问题，由于光路的可逆性，自然界中的光线会沿着投影光路而集中到PGU中。过高的热量会对PGU的光电元件造成严重损伤。因此散热是一个重要的问题。

消除光斑也是AR-HUD不得不解决的问题。光线传播的双向性会导致外界的阳光进入HUD内部，而部分外部光线经过HUD内部反射器件的反射之后，就可能进入驾驶员的眼睛，从而产生所谓的“光斑”， 可能导致驾驶员无法看清前方的局部路况的情况，带来驾驶安全隐患。

因此，AR-HUD能否普及上车，除了要解决以上技术难题之外，还需降低应用成本。

AR HUD已成风口

实际上，AR-HUD很早就在汽车上得到应用，特别是在一些概念车型上。2020年，奔驰推出全球首个AR-HUD产品，可以将车道、预警等驾驶信息以与环境融合方式直观呈现给驾驶用户。

2022年以来，长城摩卡、吉利星越L、大众ID.4、广汽传祺GS8、北汽魔方、飞凡R7等越来越多配备AR-HUD的量产车型先后亮相，大尺寸、更高清的AR-HUD成为了主流趋势。

在近期上海国际车展上，华为、锐思华创、疆程、业成光电等均发布了AR-HUD产品。其中，华为展示了HUAWEI xHUD AR-HUD增强现实抬头显示方案。该方案将前挡风玻璃化身为集科技感、安全性、娱乐性于一体的智能信息“第一屏”，不仅可以替代仪表，更能超越仪表，持续打造更多创新应用，如智驾可视、车道级导航、倒车影像、数字精灵、巨幕观影等。

华为AR-HUD导航显示效果示意图   图源：华为官网

华为AR-HUD还是行业首个2K车规级自研的光学成像模组，最大FOV（视场角）为13°*5°，界面范围更广；分辨率达到1920×730；最高亮度可达12000nits；1200:1高对比度；7.5m可达70英寸、10m可达到96英寸影院级巨幕观影画幅。

锐思华创发布了全球首个以LBS为光源的AR-HUD，并推出其全新显示技术——应用于AR-HUD等多种显示方案的多层光波导3D PGU。PGU的特点是支持裸眼3D显示，在挡风玻璃前可呈现更立体的悬浮3D效果。

作为车厂，宝马也用概念车Dee展示了其全景视域桥技术，并宣布将在2025年实现量产。据悉，该技术能够将信息投影到挡风玻璃下缘的深色涂层区域，在保证出色的清晰度和色彩表现的同时，让乘客能看到覆盖挡风玻璃整个宽度的信息。

可以说，从应用体验来看，AR-HUD将有潜力成为未来的重要人机交互方式之一。

未来，AR-HUD也将与ADAS高度融合，比如，跟车距离预警、压线预警、红绿灯监测、提前变道、行人预警、路标显示、车道偏离、前方障碍物、驾驶员状态监测等等。同时，通过颜色的变化来提醒驾驶员安全度。同时，AR-HUD还将整合更多新应用场景，结合当前位置、地图和场景AI等来为驾驶员提供路过景区、商场、餐厅等信息，实现车与道路环境的互联。

综上，从另外一个层面可以理解，随着技术不断成熟与上车应用，AR-HUD正慢慢打开汽车元宇宙之门。