HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的由來與工作原理

我們都知道，在開車過程中，我們需要不時低頭查看儀表盤上的時速、油耗等信息，而這一小小的動作，平均所需時間約為1-3秒。以城市道路的平均車速65公里/時來計算，注意力離開路面3秒鐘，就相當于閉著眼睛行駛了54米。在現(xiàn)實生活中，由于駕駛員注意力分散而引發(fā)的交通事故數(shù)不勝數(shù)。

然而，開車總不能不看儀表盤信息啊，是的，不能不看，但是，我們可以不低頭看！本期我們介紹的就是HUD汽車抬頭顯示技術(shù)。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的由來

HUD的全稱是Head Up Display，即平視顯示器，最早應(yīng)用于軍用飛機上，旨在降低飛行員需要低頭查看儀表的頻率。起初，HUD通過光學(xué)原理，將駕駛相關(guān)的信息投射在飛行員的頭盔上，使得飛行員能在保證正常駕駛的同時，關(guān)注到飛行的各項指標并接收地面?zhèn)鬏數(shù)男畔?，提升駕駛的安全性和便捷性。

自上世紀80年代，HUD開始從飛機嫁接于汽車，但HUD真正受到世人矚目還是在虛擬顯示概念被廣泛了解的今天。谷歌眼鏡激起了對增強現(xiàn)實的無限遐想，HUD可謂是“屬于汽車的智能眼鏡”。應(yīng)用于汽車的HUD要求所產(chǎn)生的投影畫面呈現(xiàn)在道路上，而非聚焦于車內(nèi)或者擋風(fēng)玻璃上，通過這樣的設(shè)計，免除了人眼的焦距調(diào)整。

設(shè)計初期，應(yīng)用HUD的驅(qū)動力是駕駛的安全性，使得駕駛員在駕駛過程中無需將視線轉(zhuǎn)移到儀表盤或者中控上，因此，HUD所投影的信息主要是汽車的行駛狀況指標，比如儀表盤上所顯示的車速、油量等信息；進一步，設(shè)計人員希望通過HUD實現(xiàn)智能駕駛的目標，賦予其更多的功能，包括導(dǎo)航、短信、電話、郵件等，甚至加入簡單的互動，讓汽車成為類似智能手機的移動終端。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的工作原理

HUD的原理類似于幻燈片投影。由投影儀發(fā)出光信息，經(jīng)過“反射鏡”反射到“投影鏡”上，再由“投影鏡”反射到“擋風(fēng)玻璃”，人眼看到的是位于眼前2-2.5米處的虛像，給人的感覺就是信息懸浮在前方路上。

HUD圖像在擋風(fēng)玻璃上位置是可調(diào)的，而這其中的關(guān)鍵便是“投影鏡”，通過改變“投影鏡”的角度，就可以調(diào)節(jié)HUD圖像的位置。

擋風(fēng)玻璃是彎曲的，圖像若是直接投射在彎曲的玻璃面上，會造成圖像變形。這就需要一個糾正措施——于是“投影鏡”和“反射鏡”被設(shè)計成彎曲的。

HUD利用光學(xué)反射原理，可以在擋風(fēng)玻璃上顯示超速預(yù)警、車況監(jiān)控、油耗、時速、防止追尾等信息，能夠讓駕駛員的注意力集中在前方路面，實現(xiàn)主動的行車安全。

它將行車信息投射到和駕駛員平行視線的前方，避免了因觀察儀表而分散對前方道路的注意力，同時降低眼睛焦距需要不斷調(diào)整產(chǎn)生的延遲與不適。高度與人眼的平視視線處于相似的高度，因此成像在擋風(fēng)玻璃的中下方，虛擬圖像與路面融合度較好，通?？赏渡渲疗囈嫔w前方1-2米處。

另外，如今的HUD平視顯示技術(shù)不僅僅只提供車輛的基本行車信息，它可以具備高精度的導(dǎo)航指引和路面信息提示，還能語音收發(fā)微信、打電話、點歌等。

大家試想一下，有多少交通事故是因為司機低頭看了一眼手機而造成的，而HUD恰好能解放你的手機，安全性大大提高。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)能夠顯示的信息

當前車速。

它是HUD最基本的信息，在限速攝像頭無處不在的城市道路上，掐著最高限速開車時或者攝像頭前減速時，這個信息就顯得尤為重要了。

導(dǎo)航信息。

這個是很實用的信息，尤其是在市內(nèi)車多、路雜導(dǎo)航時效果顯著。

紅色故障標記

紅色故障燈出現(xiàn)，意味著車子開起來會有很大的安全隱患。

駕駛輔助信息

如限速顯示、主動車道保持信息、巡航信息等，在使用車上高科技并進行調(diào)節(jié)的時候，這些信息可以顯示在HUD上，使得駕駛員不必低頭看儀表進行調(diào)節(jié)。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的優(yōu)點

1、HUD信息顯示位置比傳統(tǒng)的組合儀表位置高。也就是說，駕駛員想查看車輛信息時，通過HUD只需低下頭5-10°；而看組合儀表的話，則需低20-25°。

2、駕駛員從組合儀表上查看駕駛信息時，眼睛從道路轉(zhuǎn)移到組合儀表再轉(zhuǎn)移到道路，由于道路亮度高而組合儀表（車內(nèi)）的亮度低，眼睛就會經(jīng)歷由亮到暗再到亮的過程，眼睛瞳孔會進行調(diào)整；同時眼睛的聚集點會由遠到近再到遠。而駕駛員從HUD上看信息時，眼睛就不需要這么折騰了。

以上兩個方面綜合起來，駕駛員使用HUD，可以減少視線轉(zhuǎn)移的時間、視線轉(zhuǎn)移帶來的眼睛瞳孔變化、眼睛聚集點的變化，最終結(jié)果就是駕駛員的視線和注意力更少的偏離道路，提升行車安全性。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的實現(xiàn)方案

當前的HUD實現(xiàn)方案主要三種：

1、直接將前擋風(fēng)玻璃作為顯示屏

該種實現(xiàn)方案多屬于前裝方案。代表產(chǎn)品是捷豹路虎公司在2014年7月開發(fā)出的汽車虛擬風(fēng)擋HUD概念技術(shù)，可以直接在風(fēng)擋上顯示車內(nèi)參數(shù)以及行車路線。就像在玩現(xiàn)實版的GT賽車或Forza一樣，該系統(tǒng)甚至能夠顯示紀錄你在之前相同跑道開過的幽靈車影。并能借助手勢操控汽車的各種功能。

2、通過一塊附加的顯示屏實現(xiàn)

該種實現(xiàn)方案屬于后裝方案。2014年推出的Nandy便是該種方案下的明星產(chǎn)品。

3、利用前擋風(fēng)玻璃反射實現(xiàn)

該種方案也屬于后裝方案，產(chǎn)品主要通過手機APP實現(xiàn)，利用手機屏幕在前擋風(fēng)玻璃上的倒影實現(xiàn)HUD功能。代表的產(chǎn)品有：百度地圖、圖吧地圖、高德地圖、Navier HUD、aSmart HUD 3D、Awesome HUD等。

通過前擋風(fēng)玻璃反射實現(xiàn)的產(chǎn)品主要有四個劣勢：

清晰度差：通過手機屏幕投影的像都是利用物理的反光原理，更容易受到環(huán)境中光線的影響，不能在較強的外光條件下實現(xiàn)顯示效果；

信息量小：由于手機和汽車是獨立的，沒有實現(xiàn)有效的互聯(lián)，只能將手機自身具備的功能信息進行顯示和投影，并不能兌現(xiàn)HUD最初的安全駕駛目標；

立體感差：手機屏幕的投影相比與HUD產(chǎn)品在成像的真實感和立體感上相比都相差甚遠；

適應(yīng)性差：手機長時間置于儀表盤上進行投影，不利于散熱，會對手機造成損害，同時利用手機投影的能耗較大，會縮短手機的帶電時間。

因此，利用手機軟件實現(xiàn)的HUD模式的實用效果差，更多的只是一種好奇者的嘗試，并不能真正滿足當前對于HUD功能的定位。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)關(guān)鍵點

1、成像距離和顯示亮度是關(guān)鍵

評價HUD成像效果的最關(guān)鍵指標是成像距離。HUD的本質(zhì)是為了提高人們的駕駛安全系數(shù)，進而才是提高駕駛的智能性，提供全新的駕駛體驗，因此HUD的成像一定要置于道路上，從而使人們在不用進行頻繁的焦距變換條件下，閱讀所顯示的信息。

2、其次是視角問題

視角受到顯示亮度局限，由于汽車所處環(huán)境的復(fù)雜多變，對于顯示亮度的要求就很高，既要清晰又要不刺眼。

3、成像技術(shù)的升級

最基礎(chǔ)的HUD產(chǎn)品是通過LED燈進行成像，其成本較低但靈活性及顯示效果較差，后續(xù)微型激光投影技術(shù)逐漸應(yīng)用于HUD成像，在成像距離和顯示亮度這兩個指標上有明顯的改善。單純從更好的實現(xiàn)HUD的功能目標而言，激光投影技術(shù)是大趨勢。

微型激光投影技術(shù)自出現(xiàn)至今已經(jīng)經(jīng)歷了3代：

CRT，陰極射線管，CRT純平顯示器具有可視角度大、無壞點、色彩還原度高、色度均勻、可調(diào)節(jié)的多分辨率模式、響應(yīng)時間極短等LCD顯示器難以超越的優(yōu)點。這種成像方式對于周圍光照和溫度變化的適應(yīng)性較差，不適合在汽車上使用。

DLP，DLP技術(shù)是指數(shù)字光處理技術(shù)，也就是說這種技術(shù)要先把影像信號經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來。其核心是一個微鏡陣列此類狀態(tài)由運行期間微鏡下方內(nèi)存單元所存放的數(shù)據(jù)所決定。微鏡表面由具有非常高反射率的鋁金屬制成，當有一束外部光照射到微鏡上時，微鏡的兩個偏轉(zhuǎn)狀態(tài)會將光反射偏轉(zhuǎn)到不同角度上。但是這種技術(shù)在晃動條件下會導(dǎo)致RGB的光重疊效果變差，會產(chǎn)生較嚴重的色變。其次，DLP投影技術(shù)中DMD芯片容易受控制器的影響，產(chǎn)生壞點。而且，長期的使用會導(dǎo)致DLP中色輪的玻璃薄片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致色輪松動。各種問題的出現(xiàn)證明了DLP技術(shù)并不是長期的選擇。

LCOS，LCOS是硅基液晶，是一種基于反射模式，尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)在硅芯片上加工制作而成，像素的尺寸大小從7微米到20微米，百萬級的像素分辨率來說，這個裝置的大小也才有1英寸。LCOS的呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)容量比DLP技術(shù)所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)容量要大很多。LCOS技術(shù)的應(yīng)用對于HUD的改善會有積極的促進作用，會更加有科技感。

HUD汽車抬頭顯示的關(guān)鍵部件

投影單元

投影單元內(nèi)部集成了投影儀、反射鏡、投影鏡、調(diào)節(jié)電機及控制單元，HUD控制單元從車上數(shù)據(jù)總線獲取車速、導(dǎo)航等信息，并在投影儀輸出圖像。

擋風(fēng)玻璃

大家可能會想，這擋風(fēng)玻璃有啥特殊的？的確，下面左圖是普通擋風(fēng)玻璃夾層結(jié)構(gòu)示意，如果把HUD圖像投射到普通擋風(fēng)玻璃上，很容易形成圖像重影，投射效果差。

而HUD擋風(fēng)玻璃夾層內(nèi)部的PVB膜呈楔形，即玻璃呈上厚下薄的狀態(tài)，這樣就不會形成圖像重影。

從這里也可以看到，為了降低玻璃成本，在大多A、B級車上搭配的HUD系統(tǒng)的，會另外配備一塊反射玻璃，而在大多豪華品牌上，成本限制沒那么緊張，就會用HUD擋風(fēng)玻璃。

HUD汽車抬頭顯示的技術(shù)趨勢

3D HUD是未來

在2014年9月，豐田位于加州的設(shè)計團隊研制了出了3D的HUD顯示，可以實現(xiàn)裸眼觀看3D影響，這一進展使得HUD顯示的信息更加豐富、直觀。相較于大眾化的平面顯示，3D效果能夠在保證HUD實現(xiàn)駕駛安全性這一初衷的基礎(chǔ)上，將實時信息與顯示進行更好地匹配、結(jié)合，從而實現(xiàn)增強現(xiàn)實的功能。比如，豐田3D HUD還可以顯示附近可用的停車場，并且估計抵達所用的時間。目前，這套系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)了2年時間，主要數(shù)據(jù)來源于三個傳感器，雷達負責采集車速、位置信息，攝像頭捕捉路面信息，LiDAR傳感器確定路面物體或十字路口。

利用OBD信息，全面整合OBD盒子

OBD（On-Board Diagnostic）全稱是車載診斷系統(tǒng)，現(xiàn)在市場上很多HUD設(shè)備都需要連接OBD接口，從OBD接口中可以獲得汽車油耗、胎壓、轉(zhuǎn)速等基本信息，這也是HUD設(shè)備所必需的基本信息。目前市場上所推出的OBD盒子，作為車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，它可以收集車輛數(shù)據(jù)并通過與云端的交互進行數(shù)據(jù)分析，甚至有些產(chǎn)品可以實現(xiàn)導(dǎo)航、遠程診斷等功能。

但是HUD對于顯示信息內(nèi)容的要求就意味著其也要通過OBD接口獲取信息并進行處理，其核心也是OBD芯片，所有的數(shù)據(jù)解析方式和OBD盒子也基本相同。隨著對HUD設(shè)備功能多樣化、智能化的要求，在顯示端的后臺完成數(shù)據(jù)的分析處理、定位導(dǎo)航、聯(lián)網(wǎng)診斷等功能就成為必然。這也就表明，HUD將全面整OBD盒子的功能。相較于OBD盒子，HUD在數(shù)據(jù)的顯示方式上更加直觀，更富科技感和吸引力，因此市場更開闊。在這樣的市場趨勢逐步明朗的條件下，諸多OBD盒子的廠商也已經(jīng)開始了HUD產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)。

HUD汽車抬頭顯示產(chǎn)品的目前面臨的主要問題

盡管HUD的產(chǎn)品實用性高，未來的前景廣闊，但該行業(yè)仍舊處于萌芽階段，要實現(xiàn)從一個新奇的設(shè)備向被大眾廣泛接受的產(chǎn)品的跨越，仍需要在以下4個方面進行完善：

硬件成本高

一臺完整的HUD設(shè)備，需要有足夠強的背光亮度，可調(diào)焦的光學(xué)透鏡組，耐高溫的配件等，這些都需要較高的成本。比如BMW選配HUD要加7000多人民幣，Navdy正式售價要3000人民幣（499美元）。

交互體驗差

車載HUD的軟件，硬件都沒有形成相應(yīng)的標準，處在一個混沌階段。像車速這個數(shù)據(jù)，有的廠商通過車內(nèi)OBD接口獲取，有的廠商又是通過手機GPS來獲取。

對功能的開發(fā)也僅僅停留在讀取儀表盤信息加導(dǎo)航信息范疇。沒能AllInOne的解決用戶在汽車上的整個需求。

行業(yè)處于萌芽階段，沒有明確的規(guī)則

相比于國際標準化的OBD，HUD并不是一個汽車標準化的一個東西，也就是對于集成設(shè)計廠商來說做HUD比做OBD門檻高。而HUD的開發(fā)只要你買到專門做OBD廠家的模塊嵌入到HUD做2次開發(fā)就可以了。HUD有很多結(jié)構(gòu)上的門檻，還有光學(xué)上的虛擬圖像處理。它沒有行業(yè)標準。至今沒有廠商的圖像處理技術(shù)足以作為行業(yè)的標準

市場成熟度低

目前國內(nèi)民用車市場，大部分都沒有配置HUD或者只是選配。第三方的HUD設(shè)備也相對少。很多人對HUD的了解僅限于聽說過。與很多智能硬件設(shè)備當下面對的問題相同，產(chǎn)品的不完善，影響了它的市場表現(xiàn)。市場的不成熟，沒有利益驅(qū)動，廠商又沒有改進產(chǎn)品的動力。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的未來

1、汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢下，HUD智能硬件迎來良機。

2、 HUD讓信息的顯示變得更加智能，能夠在恰當?shù)臅r間和位置為駕駛者提供所需的信息，是最理想的方式。

3、新的技術(shù)進步（包括更廣的視角(FOV)、增強現(xiàn)實技術(shù)、更高的對比度和更高的分辨率）將會使HUD的使用體驗有更大幅度的提升。

4、未來HUD技術(shù)將加深與輔助駕駛系統(tǒng)的融合，成為自動駕駛中重要技術(shù)組成部分。

5、雖然目前帶液晶屏幕的儀表盤可能更受車廠的歡迎，但未來可能被HUD取代。Tesla即將推出的model3可能就以HUD取代儀表板，成為第一款沒有傳統(tǒng)儀表板的汽車。