汽车的智能眼镜——HUD抬头显示技术

　　文章转自传感器技术，作者：毛富利

　　我们都知道，在开车过程中，我们需要不时低头查看仪表盘上的时速、油耗等信息，而这一小小的动作，平均所需时间约为1-3秒。以城市道路的平均车速65公里/时来计算，注意力离开路面3秒钟，就相当于闭着眼睛行驶了54米。在现实生活中，由于驾驶员注意力分散而引发的交通事故数不胜数。

　　然而，开车总不能不看仪表盘信息啊，是的，不能不看，但是，我们可以不低头看！本期我们介绍的就是HUD汽车抬头显示技术。

HUD汽车抬头显示技术的由来

　　HUD的全称是Head Up Display，即平视显示器，最早应用于军用飞机上，旨在降低飞行员需要低头查看仪表的频率。起初，HUD通过光学原理，将驾驶相关的信息投射在飞行员的头盔上，使得飞行员能在保证正常驾驶的同时，关注到飞行的各项指标并接收地面传输的信息，提升驾驶的安全性和便捷性。

　　自上世纪80年代，HUD开始从飞机嫁接于汽车，但HUD真正受到世人瞩目还是在虚拟显示概念被广泛了解的今天。谷歌眼镜激起了对增强现实的无限遐想，HUD可谓是“属于汽车的智能眼镜”。应用于汽车的HUD要求所产生的投影画面呈现在道路上，而非聚焦于车内或者挡风玻璃上，通过这样的设计，免除了人眼的焦距调整。

　　设计初期，应用HUD的驱动力是驾驶的安全性，使得驾驶员在驾驶过程中无需将视线转移到仪表盘或者中控上，因此，HUD所投影的信息主要是汽车的行驶状况指标，比如仪表盘上所显示的车速、油量等信息；进一步，设计人员希望通过HUD实现智能驾驶的目标，赋予其更多的功能，包括导航、短信、电话、邮件等，甚至加入简单的互动，让汽车成为类似智能手机的移动终端。

HUD汽车抬头显示技术的工作原理

　　HUD的原理类似于幻灯片投影。由投影仪发出光信息，经过“反射镜”反射到“投影镜”上，再由“投影镜”反射到“挡风玻璃”，人眼看到的是位于眼前2-2.5米处的虚像，给人的感觉就是信息悬浮在前方路上。

　　HUD图像在挡风玻璃上位置是可调的，而这其中的关键便是“投影镜”，通过改变“投影镜”的角度，就可以调节HUD图像的位置。

　　挡风玻璃是弯曲的，图像若是直接投射在弯曲的玻璃面上，会造成图像变形。这就需要一个纠正措施——于是“投影镜”和“反射镜”被设计成弯曲的。

　　HUD利用光学反射原理，可以在挡风玻璃上显示超速预警、车况监控、油耗、时速、防止追尾等信息，能够让驾驶员的注意力集中在前方路面，实现主动的行车安全。

　　它将行车信息投射到和驾驶员平行视线的前方，避免了因观察仪表而分散对前方道路的注意力，同时降低眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适。高度与人眼的平视视线处于相似的高度，因此成像在挡风玻璃的中下方，虚拟图像与路面融合度较好，通常可投射至汽车引擎盖前方1-2米处。

　　另外，如今的HUD平视显示技术不仅仅只提供车辆的基本行车信息，它可以具备高精度的导航指引和路面信息提示，还能语音收发微信、打电话、点歌等。

　　大家试想一下，有多少交通事故是因为司机低头看了一眼手机而造成的，而HUD恰好能解放你的手机，安全性大大提高。

HUD汽车抬头显示技术能够显示的信息

　　当前车速。

　　它是HUD最基本的信息，在限速摄像头无处不在的城市道路上，掐着最高限速开车时或者摄像头前减速时，这个信息就显得尤为重要了。

　　这个是很实用的信息，尤其是在市内车多、路杂导航时效果显著。

　　红色故障标记

　　红色故障灯出现，意味着车子开起来会有很大的安全隐患。

　　驾驶辅助信息

　　如限速显示、主动车道保持信息、巡航信息等，在使用车上高科技屏进行调节的时候，这些信息可以显示在HUD上，使得驾驶员不必低头看仪表进行调节。

HUD汽车抬头显示技术的优点

　　1、HUD信息显示位置比传统的组合仪表位置高。也就是说，驾驶员想查看车辆信息时，通过HUD只需低下头5-10°；而看组合仪表的话，则需低20-25°。

　　2、驾驶员从组合仪表上查看驾驶信息时，眼睛从道路转移到组合仪表再转移到道路，由于道路亮度高而组合仪表（车内）的亮度低，眼睛就会经历由亮到暗再到亮的过程，眼睛瞳孔会进行调整；同时眼睛的聚集点会由远到近再到远。而驾驶员从HUD上看信息时，眼睛就不需要这么折腾了。

　　以上两个方面综合起来，驾驶员使用HUD，可以减少视线转移的时间、视线转移带来的眼睛瞳孔变化、眼睛聚集点的变化，最终结果就是驾驶员的视线和注意力更少地偏离道路，提升行车安全性。

HUD汽车抬头显示技术的实现方案

　　当前的HUD实现方案主要三种：

　　1、直接将前挡风玻璃作为显示屏

　　该种实现方案多属于前装方案。代表产品是捷豹路虎公司在2014年7月开发出的汽车虚拟风挡HUD概念技术，可以直接在风挡上显示车内参数以及行车路线。就像在玩现实版的GT赛车或Forza一样，该系统甚至能够显示纪录你在之前相同跑道开过的幽灵车影。并能借助手势操控汽车的各种功能。

　　2、通过一块附加的显示屏实现

　　该种实现方案属于后装方案。2014年推出的Nandy便是该种方案下的明星产品。

　　3、利用前挡风玻璃反射实现

　　该种方案也属于后装方案，产品主要通过手机APP实现，利用手机屏幕在前挡风玻璃上的倒影实现HUD功能。代表的产品有：百度地图、图吧地图、高德地图、Navier HUD、aSmart HUD 3D、Awesome HUD等。

　　通过前挡风玻璃反射实现的产品主要有四个劣势：

　　清晰度差：通过手机屏幕投影的像都是利用物理的反光原理，更容易受到环境中光线的影响，不能在较强的外光条件下实现显示效果；

　　信息量小：由于手机和汽车是独立的，没有实现有效的互联，只能将手机自身具备的功能信息进行显示和投影，并不能兑现HUD最初的安全驾驶目标；

　　立体感差：手机屏幕的投影相比与HUD产品在成像的真实感和立体感上相比都相差甚远；

　　适应性差：手机长时间置于仪表盘上进行投影，不利于散热，会对手机造成损害，同时利用手机投影的能耗较大，会缩短手机的待电时间。

　　因此，利用手机软件实现的HUD模式的实用效果差，更多的只是一种好奇者的尝试，并不能真正满足当前对于HUD功能的定位。

HUD汽车抬头显示技术关键点

　　1、成像距离和显示亮度是关键

　　评价HUD成像效果的最关键指标是成像距离。HUD的本质是为了提高人们的驾驶安全系数，进而才是提高驾驶的智能性，提供全新的驾驶体验，因此HUD的成像一定要置于道路上，从而使人们在不用进行频繁的焦距变换条件下，阅读所显示的信息。

　　2、其次是视角问题

　　视角受到显示亮度局限，由于汽车所处环境的复杂多变，对于显示亮度的要求就很高，既要清晰又要不刺眼。

　　3、成像技术的升级

　　最基础的HUD产品是通过LED灯进行成像，其成本较低但灵活性及显示效果较差，后续微型激光投影技术逐渐应用于HUD成像，在成像距离和显示亮度这两个指标上有明显的改善。单纯从更好的实现HUD的功能目标而言，激光投影技术是大趋势。

　　微型激光投影技术自出现至今已经经历了3代：

　　CRT，阴极射线管，CRT纯平显示器具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等LCD显示器难以超越的优点。这种成像方式对于周围光照和温度变化的适应性较差，不适合在汽车上使用。

　　DLP，DLP技术是指数字光处理技术，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。其核心是一个微镜阵列此类状态由运行期间微镜下方内存单元所存放的数据所决定。微镜表面由具有非常高反射率的铝金属制成，当有一束外部光照射到微镜上时，微镜的两个偏转状态会将光反射偏转到不同角度上。但是这种技术在晃动条件下会导致RGB的光重叠效果变差，会产生较严重的色变。其次，DLP投影技术中DMD芯片容易受控制器的影响，产生坏点。而且，长期的使用会导致DLP中色轮的玻璃薄片结构产生间隙，导致色轮松动。各种问题的出现证明了DLP技术并不是长期的选择。

　　LCOS，LCOS是硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成，像素的尺寸大小从7微米到20微米，百万级的像素分辨率来说，这个装置的大小也才有1英寸。LCOS的呈现的数据容量比DLP技术所呈现的数据容量要大很多。LCOS技术的应用对于HUD的改善会有积极的促进作用，会更加有科技感。

HUD汽车抬头显示的关键部件

　　投影单元

　　投影单元内部集成了投影仪、反射镜、投影镜、调节电机及控制单元，HUD控制单元从车上数据总线获取车速、导航等信息，并在投影仪输出图像。

　　挡风玻璃

　　大家可能会想，这挡风玻璃有啥特殊的？的确，下面左图是普通挡风玻璃夹层结构示意，如果把HUD图像投射到普通挡风玻璃上，很容易形成图像重影，投射效果差。

　　而HUD挡风玻璃夹层内部的PVB膜呈楔形，即玻璃呈上厚下薄的状态，这样就不会形成图像重影。

　　从这里也可以看到，为了降低玻璃成本，在大多A、B级车上搭配的HUD系统的，会另外配备一块反射玻璃，而在大多豪华品牌上，成本限制没那么紧张，就会用HUD挡风玻璃。

HUD汽车抬头显示的技术趋势

　　3D HUD是未来

　　在2014年9月，丰田位于加州的设计团队研制了出了3D的HUD显示，可以实现裸眼观看3D影像，这一进展使得HUD显示的信息更加丰富、直观。相较于大众化的平面显示，3D效果能够在保证HUD实现驾驶安全性这一初衷的基础上，将实时信息与显示进行更好地匹配、结合，从而实现增强现实的功能。比如，丰田3D HUD还可以显示附近可用的停车场，并且估计抵达所用的时间。目前，这套系统已经研发了2年时间，主要数据来源于三个传感器，雷达负责采集车速、位置信息，摄像头捕捉路面信息，LiDAR传感器确定路面物体或十字路口。

　　利用OBD信息，全面整合OBD盒子

　　OBD（On-Board Diagnostic）全称是车载诊断系统，现在市场上很多HUD设备都需要连接OBD接口，从OBD接口中可以获得汽车油耗、胎压、转速等基本信息，这也是HUD设备所必需的基本信息。目前市场上所推出的OBD盒子，作为车联网的基础设备，它可以收集车辆数据并通过与云端的交互进行数据分析，甚至有些产品可以实现导航、远程诊断等功能。

　　但是HUD对于显示信息内容的要求就意味着其也要通过OBD接口获取信息并进行处理，其核心也是OBD芯片，所有的数据解析方式和OBD盒子也基本相同。随着对HUD设备功能多样化、智能化的要求，在显示端的后台完成数据的分析处理、定位导航、联网诊断等功能就成为必然。这也就表明，HUD将全面整OBD盒子的功能。相较于OBD盒子，HUD在数据的显示方式上更加直观，更富科技感和吸引力，因此市场更开阔。在这样的市场趋势逐步明朗的条件下，诸多OBD盒子的厂商也已经开始了HUD产品的设计、研发。

HUD汽车抬头显示产品的目前面临的主要问题

　　尽管HUD的产品实用性高，未来的前景广阔，但该行业仍旧处于萌芽阶段，要实现从一个新奇的设备向被大众广泛接受的产品的跨越，仍需要在以下4个方面进行完善：

　　硬件成本高

　　一台完整的 HUD 设备，需要有足够强的背光亮度，可调焦的光学透镜组，耐高温的配件等，这些都需要较高的成本。比如 BMW 选配 HUD 要加7000多人民币，Navdy 正式售价要3000人民币（499美元）。

　　交互体验差

　　车载 HUD 的软件，硬件都没有形成相应的标准，处在一个混沌阶段。像车速这个数据，有的厂商通过车内 OBD 接口获取，有的厂商又是通过手机 GPS 来获取。
对功能的开发也仅仅停留在读取仪表盘信息加导航信息范畴。没能 All In One 的解决用户在汽车上的整个需求。

　　行业处于萌芽阶段，没有明确的规则

　　相比于国际标准化的OBD，HUD并不是一个汽车标准化的一个东西，也就是对于集成设计厂商来说做HUD比做OBD门槛高。而HUD的开发只要你买到专门做OBD厂家的模块嵌入到HUD做2次开发就可以了。HUD有很多结构上的门槛，还有光学上的虚拟图像处理。它没有行业标准。至今没有厂商的图像处理技术足以作为行业的标准

　　市场成熟度低

　　目前国内民用车市场，大部分都没有配置 HUD 或者只是选配。第三方的 HUD 设备也相对少。很多人对 HUD 的了解仅限于听说过。与很多智能硬件设备当下面对的问题相同，产品的不完善，影响了它的市场表现。市场的不成熟，没有利益驱动，厂商又没有改进产品的动力。

HUD汽车抬头显示技术的未来

　　1、汽车智能网联化的发展趋势下，HUD智能硬件迎来良机。

　　2、 HUD让信息的显示变得更加智能，能够在恰当的时间和位置为驾驶者提供所需的信息，是最理想的方式。

　　3、新的技术进步（包括更广的视角(FOV)、增强现实技术、更高的对比度和更高的分辨率）将会使HUD的使用体验有更大幅度的提升。

　　4、未来HUD技术将加深与辅助驾驶系统的融合，成为自动驾驶中重要技术组成部分。

　　5、虽然目前带液晶屏幕的仪表盘可能更受车厂的欢迎，但未来可能被HUD取代。Tesla即将推出的 model3可能就以HUD取代仪表板，成为第一款没有传统仪表板的汽车。

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