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。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。

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。

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