hud抬頭顯示什么原理 HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

我們都知道，在開(kāi)車過(guò)程中，我們需要不時(shí)低頭查看儀表盤上的時(shí)速、油耗等信息，而這一小小的動(dòng)作，平均所需時(shí)間約為1-3秒。以城市道路的平均車速65公里/時(shí)來(lái)計(jì)算，注意力離開(kāi)路面3秒鐘，就相當(dāng)于閉著眼睛行駛了54米。在現(xiàn)實(shí)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(kāi)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(lái)

HUD的全稱是Head Up Display，即平視顯示器，最早應(yīng)用于軍用飛機(jī)上，旨在降低飛行員需要低頭查看儀表的頻率。起初，HUD通過(guò)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(shí)，關(guān)注到飛行的各項(xiàng)指標(biāo)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(jì)80年代，HUD開(kāi)始從飛機(jī)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(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的無(wú)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(guò)這樣的設(shè)計(jì)，免除了人眼的焦距調(diào)整。

設(shè)計(jì)初期，應(yīng)用HUD的驅(qū)動(dòng)力是駕駛的安全性，使得駕駛員在駕駛過(guò)程中無(wú)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(biāo)，比如儀表盤上所顯示的車速、油量等信息；進(jìn)一步，設(shè)計(jì)人員希望通過(guò)HUD實(shí)現(xiàn)智能駕駛的目標(biāo)，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(jiǎn)單的互動(dòng)，讓汽車成為類似智能手機(jī)的移動(dòng)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(guò)“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(jué)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(guò)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(huì)造成圖像變形。這就需要一個(gè)糾正措施——于是“投影鏡”和“反射鏡”被設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(duì)前方道路的注意力，同時(shí)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(yǔ)音收發(fā)微信、打電話、點(diǎn)歌等。

大家試想一下，有多少交通事故是因?yàn)樗緳C(jī)低頭看了一眼手機(jī)而造成的，而HUD恰好能解放你的手機(jī)，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(dāng)前車速。

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

導(dǎo)航信息。

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

紅色故障標(biāo)記

紅色故障燈出現(xiàn)，意味著車子開(kāi)起來(lái)會(huì)有很大的安全隱患。

駕駛輔助信息

如限速顯示、主動(dòng)車道保持信息、巡航信息等，在使用車上高科技并進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1、HUD信息顯示位置比傳統(tǒng)的組合儀表位置高。也就是說(shuō)，駕駛員想查看車輛信息時(shí)，通過(guò)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(shí)，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(huì)經(jīng)歷由亮到暗再到亮的過(guò)程，眼睛瞳孔會(huì)進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)眼睛的聚集點(diǎn)會(huì)由遠(yuǎn)到近再到遠(yuǎn)。而駕駛員從HUD上看信息時(shí)，眼睛就不需要這么折騰了。

以上兩個(gè)方面綜合起來(lái)，駕駛員使用HUD，可以減少視線轉(zhuǎn)移的時(shí)間、視線轉(zhuǎn)移帶來(lái)的眼睛瞳孔變化、眼睛聚集點(diǎn)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(shí)現(xiàn)方案

當(dāng)前的HUD實(shí)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(shí)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(kāi)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(shí)版的GT賽車或Forza一樣，該系統(tǒng)甚至能夠顯示紀(jì)錄你在之前相同跑道開(kāi)過(guò)的幽靈車影。并能借助手勢(shì)操控汽車的各種功能。

2、通過(guò)一塊附加的顯示屏實(shí)現(xiàn)

該種實(shí)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(shí)現(xiàn)

該種方案也屬于后裝方案，產(chǎn)品主要通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)，利用手機(jī)屏幕在前擋風(fēng)玻璃上的倒影實(shí)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(guò)前擋風(fēng)玻璃反射實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品主要有四個(gè)劣勢(shì)：

清晰度差：通過(guò)手機(jī)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(qiáng)的外光條件下實(shí)現(xiàn)顯示效果；

信息量?。河捎谑謾C(jī)和汽車是獨(dú)立的，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有效的互聯(lián)，只能將手機(jī)自身具備的功能信息進(jìn)行顯示和投影，并不能兌現(xiàn)HUD最初的安全駕駛目標(biāo)；

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

適應(yīng)性差：手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間置于儀表盤上進(jìn)行投影，不利于散熱，會(huì)對(duì)手機(jī)造成損害，同時(shí)利用手機(jī)投影的能耗較大，會(huì)縮短手機(jī)的帶電時(shí)間。

因此，利用手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的HUD模式的實(shí)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(dāng)前對(duì)于HUD功能的定位。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1、成像距離和顯示亮度是關(guān)鍵

評(píng)價(jià)HUD成像效果的最關(guān)鍵指標(biāo)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(jìn)而才是提高駕駛的智能性，提供全新的駕駛體驗(yàn)，因此HUD的成像一定要置于道路上，從而使人們?cè)诓挥眠M(jìn)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(wèn)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(duì)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(jí)

最基礎(chǔ)的HUD產(chǎn)品是通過(guò)LED燈進(jìn)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(gè)指標(biāo)上有明顯的改善。單純從更好的實(shí)現(xiàn)HUD的功能目標(biāo)而言，激光投影技術(shù)是大趨勢(shì)。

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(wú)壞點(diǎn)、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(shí)間極短等LCD顯示器難以超越的優(yōu)點(diǎn)。這種成像方式對(duì)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(shuō)這種技術(shù)要先把影像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再把光投影出來(lái)。其核心是一個(gè)微鏡陣列此類狀態(tài)由運(yùn)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(dāng)有一束外部光照射到微鏡上時(shí)，微鏡的兩個(gè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)會(huì)將光反射偏轉(zhuǎn)到不同角度上。但是這種技術(shù)在晃動(dòng)條件下會(huì)導(dǎo)致RGB的光重疊效果變差，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)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(diǎn)。而且，長(zhǎng)期的使用會(huì)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(dòng)。各種問(wèn)題的出現(xiàn)證明了DLP技術(shù)并不是長(zhǎng)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(wàn)級(jí)的像素分辨率來(lái)說(shuō)，這個(gè)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(duì)于HUD的改善會(huì)有積極的促進(jìn)作用，會(huì)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(jī)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(huì)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(huì)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(jí)車上搭配的HUD系統(tǒng)的，會(huì)另外配備一塊反射玻璃，而在大多豪華品牌上，成本限制沒(méi)那么緊張，就會(huì)用HUD擋風(fēng)玻璃。

HUD汽車抬頭顯示的技術(shù)趨勢(shì)

3D HUD是未來(lái)

在2014年9月，豐田位于加州的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研制了出了3D的HUD顯示，可以實(shí)現(xiàn)裸眼觀看3D影響，這一進(jìn)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(shí)現(xiàn)駕駛安全性這一初衷的基礎(chǔ)上，將實(shí)時(shí)信息與顯示進(jìn)行更好地匹配、結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。比如，豐田3D HUD還可以顯示附近可用的停車場(chǎng)，并且估計(jì)抵達(dá)所用的時(shí)間。目前，這套系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)了2年時(shí)間，主要數(shù)據(jù)來(lái)源于三個(gè)傳感器，雷達(dá)負(fù)責(zé)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)與云端的交互進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，甚至有些產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程診斷等功能。

但是HUD對(duì)于顯示信息內(nèi)容的要求就意味著其也要通過(guò)OBD接口獲取信息并進(jìn)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(duì)HUD設(shè)備功能多樣化、智能化的要求，在顯示端的后臺(tái)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(chǎng)更開(kāi)闊。在這樣的市場(chǎng)趨勢(shì)逐步明朗的條件下，諸多OBD盒子的廠商也已經(jīng)開(kāi)始了HUD產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)。

HUD汽車抬頭顯示產(chǎn)品的目前面臨的主要問(wèn)題

盡管HUD的產(chǎn)品實(shí)用性高，未來(lái)的前景廣闊，但該行業(yè)仍舊處于萌芽階段，要實(shí)現(xiàn)從一個(gè)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(gè)方面進(jìn)行完善：

硬件成本高

一臺(tái)完整的?HUD?設(shè)備，需要有足夠強(qiáng)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(jià)要3000人民幣（499美元）。

交互體驗(yàn)差

車載?HUD?的軟件，硬件都沒(méi)有形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，處在一個(gè)混沌階段。像車速這個(gè)數(shù)據(jù)，有的廠商通過(guò)車內(nèi)?OBD?接口獲取，有的廠商又是通過(guò)手機(jī)?GPS?來(lái)獲取。
對(duì)功能的開(kāi)發(fā)也僅僅停留在讀取儀表盤信息加導(dǎo)航信息范疇。沒(méi)能?All?In?One?的解決用戶在汽車上的整個(gè)需求。

行業(yè)處于萌芽階段，沒(méi)有明確的規(guī)則

相比于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的OBD，HUD并不是一個(gè)汽車標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)東西，也就是對(duì)于集成設(shè)計(jì)廠商來(lái)說(shuō)做HUD比做OBD門檻高。而HUD的開(kāi)發(fā)只要你買到專門做OBD廠家的模塊嵌入到HUD做2次開(kāi)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(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。至今沒(méi)有廠商的圖像處理技術(shù)足以作為行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)

市場(chǎng)成熟度低

目前國(guó)內(nèi)民用車市場(chǎng)，大部分都沒(méi)有配置?HUD?或者只是選配。第三方的?HUD?設(shè)備也相對(duì)少。很多人對(duì)?HUD?的了解僅限于聽(tīng)說(shuō)過(guò)。與很多智能硬件設(shè)備當(dāng)下面對(duì)的問(wèn)題相同，產(chǎn)品的不完善，影響了它的市場(chǎng)表現(xiàn)。市場(chǎng)的不成熟，沒(méi)有利益驅(qū)動(dòng)，廠商又沒(méi)有改進(jìn)產(chǎn)品的動(dòng)力。

HUD汽車抬頭顯示技術(shù)的未來(lái)

1、??汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)下，HUD智能硬件迎來(lái)良機(jī)。

2、? HUD讓信息的顯示變得更加智能，能夠在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)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(jìn)步（包括更廣的視角(FOV)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、更高的對(duì)比度和更高的分辨率）將會(huì)使HUD的使用體驗(yàn)有更大幅度的提升。

4、??未來(lái)HUD技術(shù)將加深與輔助駕駛系統(tǒng)的融合，成為自動(dòng)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(lái)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(méi)有傳統(tǒng)儀表板的汽車。

編輯：黃飛

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