一文詳解HUD基礎(chǔ)知識(shí)

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HUD技術(shù)起源

抬頭顯示系統(tǒng)HUD（Head-up display）是一項(xiàng)從反射器瞄準(zhǔn)器中演變而來(lái)的技術(shù)，二戰(zhàn)前用在槍械瞄具和戰(zhàn)斗機(jī)瞄具上。二戰(zhàn)之后，HUD技術(shù)開始逐步應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)上，可將速度、高度、雷達(dá)信息、瞄準(zhǔn)器等顯示在戰(zhàn)斗機(jī)的座艙罩或透明板上，飛行員不必低頭，即可看到所需要的重要信息。

到了現(xiàn)代，戰(zhàn)斗機(jī)上的HUD逐漸被頭盔式顯示器（HMDS）取代。

到了上世紀(jì)八十年代，通用汽車收購(gòu)了航天和國(guó)防制造公司Hughes Aircraft，之后HUD技術(shù)開始在汽車上出現(xiàn)。1988年，通用汽車在Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car上應(yīng)用了HUD，是世界上首款采用HUD技術(shù)的汽車。最初的汽車HUD系統(tǒng)顯示的信息有限并且顏色單一。

自此之后，HUD系統(tǒng)開始逐漸裝備在跑車和高檔轎車中，且其技術(shù)開始朝著信息化、數(shù)字化的方向發(fā)展

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HUD技術(shù)的意義

1. 提升駕駛安全性

正常駕駛時(shí)，人眼需要在道路和儀表之間來(lái)回切換，容易導(dǎo)致視覺(jué)疲勞和注意力分散。一項(xiàng)美國(guó)的研究表明，假設(shè)車輛行駛速度是120km/h，如果駕駛者的視線偏離路面2秒以上，車輛會(huì)行駛超過(guò)65m的距離。

HUD技術(shù)的最大意義就是可以讓駕駛者不用將視線從路面上挪開就能獲取大量的信息：駕駛員查看HUD上的信息，需要低頭5°~10°，而查看組合儀表需要低頭20°~25°。

2.提升人機(jī)交互體驗(yàn)

除了提升駕駛安全性外，HUD技術(shù)還可進(jìn)一步提升人機(jī)交互體驗(yàn)。一方面，HUD可讓車況、智能駕駛等信息的顯示更為高效；另一方面，HUD還可大幅增強(qiáng)導(dǎo)航的顯示效果，使二維導(dǎo)航邁向?qū)嵕皩?dǎo)航。

隨著人們對(duì)駕駛安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，HUD系統(tǒng)會(huì)不斷普及到中低檔汽車中，讓普通人也能享受到科技帶來(lái)的安全享受。

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HUD的分類

汽車HUD主要有三種類型：組合型抬頭顯示系統(tǒng)C-HUD（Combiner-HUD）、風(fēng)擋型抬頭顯示W(wǎng)-HUD（Windshield-HUD）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型抬頭顯示系統(tǒng)AR-HUD（Augmented Reality HUD）。

1.C-HUD

C-HUD更多應(yīng)用在后裝市場(chǎng)，其會(huì)在汽車儀表上方、儀表板頂部加裝一個(gè)半透明樹脂板，再將該樹脂板作為投影介質(zhì)反射出虛像。該樹脂板通常會(huì)根據(jù)成像條件進(jìn)行特殊處理，例如做成楔形來(lái)避免反射重影，提升顯示效果。

相較W-HUD和AR-HUD，C-HUD成本較低，但具有以下三方面劣勢(shì)：

成像區(qū)域小，顯示內(nèi)容有限；

成像距離近，成像高度較低；

布置位置處于駕駛員前方的儀表板上，在車輛碰撞時(shí)可能會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生二次傷害。

2.W-HUD

W-HUD用于前裝，目前有多條技術(shù)路線：基于曲面反射鏡放大成像、基于全息光學(xué)元件（HOE）放大成像和基于全息光波導(dǎo)（Waveguide）放大成像。目前HOE和Waveguide技術(shù)尚未成熟，主要應(yīng)用的為基于曲面反射鏡放大成像技術(shù)。

W-HUD使用前擋風(fēng)玻璃作為成像介質(zhì)來(lái)反射成像，可以支持更大的成像區(qū)域和更遠(yuǎn)的投影距離。W-HUD的劣勢(shì)在于，擋風(fēng)玻璃通常為曲面反射鏡，W-HUD必須根據(jù)擋風(fēng)玻璃的尺寸和曲率去適配高精度曲面反射鏡，導(dǎo)致成本相對(duì)較高。

3.AR-HUD

AR-HUD和W-HUD一樣使用前擋風(fēng)玻璃作為成像介質(zhì)來(lái)反射成像，但AR-HUD成像區(qū)域更大、投射距離更遠(yuǎn)、成像也更為生動(dòng)。

AR-HUD需要通過(guò)智能駕駛的傳感器（攝像頭、雷達(dá)等）對(duì)前方的路況進(jìn)行解析建模，以得到對(duì)象的位置、距離、大小等要素，再把HUD顯示的信息精準(zhǔn)地投影到對(duì)應(yīng)的位置。AR-HUD可將投射信息與交通環(huán)境進(jìn)行高度融合，例如行駛過(guò)程中的車道線貼合、前方障礙物/危險(xiǎn)物貼合、車道偏離預(yù)警與車道線貼合等。

因此現(xiàn)在的AR-HUD顯示方式大多分為上下兩層，下層是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，上層是新增的輔助駕駛相關(guān)數(shù)據(jù)和指示畫面。這也變成了區(qū)分傳統(tǒng)W-HUD和AR-HUD的直接方式。

AR-HUD整體顯示效果出眾，是智能駕駛和智能座艙解決方案的重要組成部分。

雖然AR-HUD各方面性能都是最佳，但是體積最大,由于AR-HUD的光路需求比較大，體積就會(huì)增大，所以搭載該功能的車型都會(huì)在擋風(fēng)玻璃后方挖一個(gè)大洞，這樣看上去就沒(méi)有那么美觀了。同時(shí)目前AR-HUD技術(shù)還不夠成熟，顯示效果仍需提升。

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HUD技術(shù)原理

一、基本原理

HUD本質(zhì)上是一個(gè)光學(xué)器件，其工作原理與投影儀基本相同，就是將需要顯示的信息投影到駕駛員前方的透明介質(zhì)上。

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HUD主要由圖像生成單元（PGU）和光學(xué)顯示系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，圖像生成單元用以生成HUD輸出圖像，光學(xué)顯示系統(tǒng)用于顯示圖像。

二、圖像生成單元

圖像生成單元PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，占HUD總成本的50%左右。圖像生成單元的作用是生成HUD輸出圖像，由光源、光學(xué)膜片和其它光學(xué)組件構(gòu)成。

PGU是HUD的核心技術(shù)壁壘，其技術(shù)路線的選擇直接決定未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線，影像源部分的成像技術(shù)主要分為TFT，DLP，LCOS和LBS這四種形式。不同的技術(shù)路線，其光源和光學(xué)組件都完全不同。

1. 薄膜晶體管液晶顯示屏技術(shù)TFT-LCD

TFT是LCD液晶顯示技術(shù)的一種，TFT-LCD的工作原理是LCD被背光光源照亮后，通過(guò)集成在LCD面板每個(gè)像素點(diǎn)背后的薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)液晶分子旋轉(zhuǎn)改變光源偏振狀態(tài)，從而呈現(xiàn)不同的明暗灰度，再通過(guò)RGB濾色片呈現(xiàn)彩色圖像。

TFT-LCD可以做到高響應(yīng)速度、高亮度、高對(duì)比度地顯示圖像信息，且技術(shù)成熟、成本低，是目前HUD的主流技術(shù)路線。

TFT-LCD技術(shù)的劣勢(shì)主要在于熱管理難度大，需要有更多熱管理方面的光學(xué)設(shè)計(jì)。

2.激光投影

采用激光作為光源，因激光具有良好的單色性、方向性（聚焦效果好），所以它無(wú)需匹配LCD HUD方案中復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)；

激光投影具有亮度高、飽和度高、衰減少、對(duì)比度好等特點(diǎn)，非常適合投影信息簡(jiǎn)單、亮度要求高的場(chǎng)景，目前主要應(yīng)用于室外大型投影和演出上；

目前再制約激光投影在車載HUD上應(yīng)用的一大障礙就是激光二極管對(duì)溫度較為敏感，不能達(dá)到車規(guī)級(jí)要求的85°環(huán)境溫度要求，也導(dǎo)致產(chǎn)品的穩(wěn)定性不佳；

3.DLP投影

DLP全稱是Digital Light Processing 數(shù)字光處理技術(shù)，它是集成上百萬(wàn)個(gè)超微型晶片（DMD），這些晶片首先對(duì)影像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再轉(zhuǎn)為光投影出來(lái)；

DLP投影技術(shù)具有分辨率高、亮度高、成像效果好等特點(diǎn)，目前主要是被豪華品牌車型的前裝HUD所采用

由于DLP是全平面投影，為了提升顯示效果，就需要針對(duì)車型匹配高精度的反射非球面玻璃，無(wú)形中增加了很高的成本，而且后期的維修成本也不低，所以選裝了原廠HUD的務(wù)必要買玻璃險(xiǎn)；

國(guó)內(nèi)的很多豪車基本選用這種方案，特別是寶馬的HUD在市場(chǎng)的反饋還是非常好的，唯一的缺點(diǎn)就是選裝成本有點(diǎn)高，后期的維修成本也不低；

4.LCOS投影

LCOS 全稱 Liquid crystal on silicom 硅基液晶投影技術(shù)，看名字可能有點(diǎn)迷糊，

我們可以把它理解為一種LCD的升級(jí)，它采用涂有液晶硅的CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片，

簡(jiǎn)單理解就是LCD以玻璃為基板，LCOS則以硅晶圓為基板；

LCOS在光效率上非常高，傳統(tǒng)的LCD可能就3%左右，但LCOS則可高達(dá)40%；

三、光學(xué)顯示系統(tǒng)

HUD的光學(xué)顯示系統(tǒng)一般包括反射鏡、調(diào)節(jié)電機(jī)及控制單元與前擋風(fēng)玻璃。

1. 前擋風(fēng)玻璃

除C-HUD依賴放置于儀表板上方的樹脂曲面鏡成像外，W-HUD和AR-HUD都需要通過(guò)擋風(fēng)玻璃成像。前擋風(fēng)玻璃的結(jié)構(gòu)有內(nèi)外兩層玻璃，內(nèi)外兩層玻璃之間存在一層PVB薄膜夾層。若將HUD圖像通過(guò)普通擋風(fēng)玻璃投射，在玻璃厚度和傾斜角度作用下，很容易行車虛像重影，投射效果差。

為了消除重影，目前的主流方案是將玻璃夾層內(nèi)PVB夾層制成楔形，使玻璃呈上厚下薄的狀態(tài)。

此外，還可以通過(guò)在外層玻璃或內(nèi)層玻璃的內(nèi)表面上附加一層反射膜層，用于校正重影。

2.反射鏡

反射鏡和擋風(fēng)玻璃需要進(jìn)行擬合以盡可能消除畫面畸變。自由曲面反射鏡磨具需要用精密儀器制造，做成納米級(jí)，非球面鏡需要一次成型。

3.控制單元

HUD的控制單元接入車輛數(shù)據(jù)總線，獲取車速、導(dǎo)航、智能駕駛等信息，并在圖像生成單元輸出圖像。

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HUD顯示內(nèi)容

HUD的初衷是幫助駕駛員減輕認(rèn)知負(fù)荷，提升對(duì)當(dāng)前情勢(shì)的感知能力。通常可在HUD上顯示的信息包括：車輛信息和外界信息。

1.車輛信息

車輛信息指能夠反映當(dāng)前車輛狀態(tài)的信息，HUD一般通過(guò)車載總線獲取，具體包括以下四類：

1)核心信息指在傳統(tǒng)儀表上顯示的部分重要信息，如車速、轉(zhuǎn)速、里程、油量等。

2)提示信息指在車輛行駛過(guò)程中需要顯示部分提示信息，如擋位、轉(zhuǎn)向燈、遠(yuǎn)光燈、霧燈、車內(nèi)溫度、瞬時(shí)油耗等。

3)報(bào)警信息包括請(qǐng)求駕駛員接管、安全帶提醒、燃油/電量不足、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、車門狀態(tài)、駐車狀態(tài)、機(jī)油剩余量、胎壓、安全氣囊狀態(tài)、玻璃清洗液存量等。

4)附加信息指部分車型上的特色功能信息，如四驅(qū)模式、轉(zhuǎn)向模式、駕駛模式、天窗及天窗開啟狀態(tài)、座椅狀態(tài)、底盤狀態(tài)等。

2.外界信息

HUD除了可獲取車輛自身的狀態(tài)信息外，還可通過(guò)與外界的交互獲取更多外界信息，具體包括：

1)出行包含有定位、地圖、導(dǎo)航、行人/障礙物檢測(cè)、車道保持輔助等信息。

2)安全主要顯示來(lái)自智能駕駛系統(tǒng)感知到的實(shí)時(shí)交通情況，以輔助駕駛員安全駕駛，包括：超速預(yù)警、前車碰撞預(yù)警、車距信息提示、交通信號(hào)燈提示、道路安全預(yù)警、遠(yuǎn)程故障診斷信息等。

3)生活主要指通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)獲得的交通違章信息、保養(yǎng)信息、停車場(chǎng)車位信息、代駕預(yù)定等。

4)智能辦公如微信、郵件、電話、語(yǔ)音/視頻會(huì)議、文檔處理等。

5)娛樂(lè)如音樂(lè)和電臺(tái)的播放控制、音量控制、影音媒體播放及控制等。

二、HUD顯示設(shè)計(jì)

1.布局原則

根據(jù)交互設(shè)計(jì)中的?？硕桑阂粋€(gè)人所面臨的選擇越多，做出選擇所花的時(shí)間就越多，當(dāng)面臨選擇的數(shù)量增加，做出決定的時(shí)間也會(huì)跟著增加。

因此，HUD界面上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的主要設(shè)計(jì)元素?cái)?shù)量最好保持在1-3個(gè)以內(nèi)，呈現(xiàn)最關(guān)鍵信息的設(shè)計(jì)元素（或視覺(jué)元素組）數(shù)量最好只有一個(gè)。最快的獲取關(guān)鍵駕駛車輛信息是HUD界面布局的出發(fā)點(diǎn)，使用過(guò)程中不需要駕駛員思考就能獲取信息是最佳的設(shè)計(jì)。

2.顯示區(qū)域分類

根據(jù)所顯示信息的重要程度，可將HUD的顯示區(qū)域劃分為三個(gè)部分：

核心顯示區(qū)域：用于持續(xù)顯示，或隨行車情況的變化自動(dòng)同步激活顯示；

輔助顯示區(qū)域：層級(jí)交替共享顯示；

隨機(jī)顯示區(qū)域：基于車聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信息，根據(jù)實(shí)時(shí)道路與車輛狀態(tài)信息進(jìn)行顯示。

HUD界面上顯示的內(nèi)容與方式通常允許用戶自定義，但為防止過(guò)多信息的顯示給駕駛員帶來(lái)視覺(jué)負(fù)擔(dān)，要對(duì)顯示的信息總量進(jìn)行控制。

此外，大部分生活、辦公、娛樂(lè)功能的信息不屬于輔助駕駛界面的顯示內(nèi)容，可以將其設(shè)置為低車速或駐車狀態(tài)下才在HUD虛像界面上顯示，而此時(shí)它們可以占據(jù)核心功能顯示的區(qū)域。這類界面可采用移動(dòng)互聯(lián)終端信息扁平化的模式來(lái)構(gòu)建，以確保其操作的便捷。

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如何鑒別HUD的好用程度

了解四種具體成像原理的優(yōu)劣對(duì)比，我們可以從整體上看看如何鑒別HUD的好用程度，推薦大家看幾個(gè)參數(shù)，成像距離和視場(chǎng)角。

HUD的成像距離越遠(yuǎn)，眼睛就不需要來(lái)回切換對(duì)焦，越不易產(chǎn)生疲勞，所以這個(gè)參數(shù)是越遠(yuǎn)越好。

視場(chǎng)角是水平和垂直兩個(gè)角度，他們代表了投影的范圍，結(jié)合成像距離，共同組成了大家經(jīng)常在宣傳中看到的“等效XX寸”的巨幕。

就和看電影一樣，大家買票的時(shí)候一般都會(huì)偏向于全景影幕廳，并且選擇中間偏后排的位置進(jìn)行觀看，這樣能獲得比較好的視覺(jué)體驗(yàn)。離屏幕的距離就像是“成像距離”，而視場(chǎng)角則決定了屏幕的尺寸，這兩個(gè)參數(shù)決定了HUD的視覺(jué)體驗(yàn)。

目前AR-HUD憑借更遠(yuǎn)的成像距離，更大的投影視場(chǎng)角，成為了主流發(fā)展趨勢(shì)。

綜合對(duì)比下來(lái)，奔馳EQS和寶馬740Li AR-HUD的視覺(jué)體驗(yàn)應(yīng)該是最好的。

當(dāng)然，這些影響要素還需要結(jié)合HUD本身的成像技術(shù)展現(xiàn)來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)判，環(huán)境光線、使用時(shí)長(zhǎng)和安裝品控等等都能直接影響到用戶的體驗(yàn)反饋，這也導(dǎo)致了目前很多用戶對(duì)HUD功能褒貶不一的現(xiàn)象。

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HUD光學(xué)模擬軟件

TT-HUD軟件測(cè)試套件，用于亮度、色度、對(duì)比度、MTF、鬼影、畸變、eyebox等指標(biāo)光學(xué)性能的評(píng)估。

使用電控鏡頭和軟件針對(duì)可變距離投影快速對(duì)焦，并自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際距離單位的VID值。

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AR-HUD該具備哪些性能？

1、虛像距離VID＞7.5m

2、視場(chǎng)角FOV＞10°

3、亮度＞12000cd/m2

4、消除重影

5、畸變矯正

6、良好的散熱

7、消除光斑

8、前方道路融合

9、眼盒&駕駛員視線追蹤

所謂“眼盒”，就是眼睛可移動(dòng)的區(qū)域，如果眼睛位于這塊區(qū)域內(nèi)則能夠看清整個(gè)圖像，反之出了這塊區(qū)域，則無(wú)法看全整個(gè)圖像。

審核編輯：劉清