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还把HUD当鸡肋?关于它的技术竞争日益激烈

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早些年,HUD(抬头显示)被视为一种可有可无的豪华配置。但随着智能化发展,如今这项功能开始变得普通,功能方面也更加实用。如今,各车企都在开发智能座舱,HUD技术也将成为不可或缺的发展重点。

HUD最初在1980年代就开始试装在汽车上,近期规模化量产以2003年宝马搭载开始。从2003年的C-HUD量产,到目前已经有三大类或三代HUD投放市场(C-HUD,W-HUD, AR-HUD)。C-HUD自带屏幕,结构简单,成本相对较低;W-HUD是将重要的行驶相关资讯投射在挡风玻璃上,由于涉及到反射镜调节,所以成本较高。而AR-HUD则是最新一代的技术, 2021年新一代奔驰S级参数图片)、大众ID系列,广汽GS8,长城摩卡等也都开始搭载各个级别的AR -HUD(如下图所示),宝马及奥迪等车型也在陆续量产。




据智车行家报道,2020年汽车之家上在售的205类车系中有780 款车型标配或选配了HUD。其中80%的车型价格在25万以上,10-15万、15-20万、20-25万车型的占比分别为3%、7%、8%。近年来HUD搭载及增长的趋势如下图所示,开启爆发式增长的拐点已经到来,预计2025年HUD的渗透率将超过50%(观研天下:2020年约3.7%,2025年40.4%/52.1%),豪华车/高端车的前装配置率或将接近100%。



目前,所有量产的AR-HUD的水平及垂直FOV(视场角,即镜头所能覆盖的范围)都比较小。以水平FOV为例,都小于15°如下图所示,为此涵盖路面宽度及车道数都有限制,特别是对于同时显示车道中及路边的信息受到严重限制。而垂直FOV就更小了,一般都小于5°,显示超过20米以上的路面信息受到极大限制。如上表所示,随着HUD技术的快速发展,2022-2023年量产的新一代智能化车型的3D-MR-HUD的水平及垂直视场角FOV都将>20°,整个视角涵盖范围可达150°x120°,为整个前挡风玻璃面积,MR – 混合现实。


来源 TI AR-HUD资讯

以WayRay科技公司所展示的最新全息AR显示技术为例,由下图可以看出,整个前挡风玻璃面积都是HUD信息/资讯,从上到下,从左到右。更进一步地,通过多平面虚像,还可以显示不同的信息,包括路边写字楼、咖啡店、银行、药房、加油站、24小时便利店等。



同理,新一代的智能化车型,宝马Vision Next 100所展示的AR-HUD也是前挡风玻璃全平面HUD 信息/资讯,如下图所示,信息/资讯显示可从上到下,可从左到右。



就AR-HUD投影光机尺寸而言,由于非线性、非曲面光学的进步,全息波导技术的进步,投影光机尺寸/体积已经可以从>20升下降到<2升甚至<1升的水平,如以下图大陆集团所示案例为例(左面图为传统AR-HUD光机体积 – 长方体,右面为全息波导AR-HUD光机体积 – 扁平iPad大小)。



据2021-11-19的最新报道,苹果预计2025年量产其全智能车 – iCAR(为此,市值也一夜飙升了4600亿元人民币),其中一个颠覆性的智能交互亮点/卖点是智能车窗/智能前挡风玻璃,如其如下专利图/概念图所示 – 前挡风玻璃绝大多数面积可显示HUD信息/资讯。预计,2025年苹果量产其全智能车时,前挡风玻璃所有面积都将可以显示HUD信息/资讯。


苹果专利 - 前挡风玻璃HUD图(来源:Patently Apple)


苹果前挡风玻璃HUD概念图(来源:Patently Apple)

苹果不仅在前挡风玻璃专利中标注出所使用的面积,同时也标注出可以显示HUD信息/资讯的内容,如将要路过街区写字楼的信息,以及披萨店、咖啡店、沙龙等。同时使用了MR的概念,MR – Mixed Reality(混合现实),意为不但是增强(AR),同时有多种形式虚拟信息/资讯,如全息3D信息,裸眼3D信息等。


苹果专利 - 前挡风玻璃HUD图(来源:Patently Apple)


苹果专利 - 前挡风玻璃HUD图(来源:Patently Apple)

苹果就侧面车窗智能玻璃也申请了专利,其车窗整块玻璃也具备为智能显示功能,或为变色显示屏等如下。


苹果专利 – 侧面车窗智能玻璃图(来源:Patently Apple)

最近紫暘光电也推出了全视角、全景深、全彩色、虚实像、高亮度的智能3D-MR-HUD系统。首先,其技术核心及颠覆性创新在透明玻璃智能显示上。该透明玻璃本身就是一个显示器,既透明又能显示全彩电视信息如下图实车展示所示(在车窗玻璃上显示了局部)。乘客可以将车窗玻璃当作电视屏幕来使用,观看多媒体资讯或电影,或用于普通透明玻璃一样,观赏车外风景。紫暘光电透明玻璃智能显示技术同时又不同于目前市场上的透明电视机技术。目前量产的透明电视机几乎都是采用OLED技术(如LG、三星等)。透明OLED电视的每一个像素都是由电极控制的,制造成本、工作环境要求高,难以达到车规级要求(如寿命、老化、烧屏、温度、电磁效应等)。

目前OLED电视的PPI都<100(像素尺寸>254微米);iPhone 12 Pro显示屏为460PPI(像素尺寸为55.2微米)。而紫暘光电透明玻璃智能显示屏的像素颗粒/尺寸为纳米级,分辨率高千百倍。结合投影光机的分辨率,根据面积大小,最终分辨率可大于100 PPI达到LCOS最高分辨率(LCOS最高分辨率为6000PPI,像素尺寸约为4.2微米)。OLED透明屏幕/电视的最大透光率不到40%,而紫暘光电透明玻璃智能显示屏可超过80%甚至可达90%。


紫暘光电透明玻璃智能显示屏实车展示


紫暘光电透明玻璃智能显示屏实车展示


紫暘光电透明玻璃智能显示屏实车展示

当然,最近由美国斯坦福大学、韩国三星和韩国汉阳大学联合开发出的OLED的分辨率/像素密度已经提高到了10000 PPI,并发表在2020年10月23日Science 上,如下图所示。目前,最大潜在的应用为高精度投影与显示。对于大尺寸的OLED电视/显示的应用,制造工艺还需要进一步地完善。


2020年三星和斯坦福大学开发出了高密度的的OLED: 10000 PPI

当将紫暘光电的透明玻璃智能显示屏用作前挡风玻璃,则可以实现全视角、全景深、全彩色、虚实像、高亮度的智能3D-MR-HUD,如下图所示。当前挡风玻璃信息显示采用3D透视画的原理(或裸眼3D技术)完全映射挡风玻璃外的实景时,则可以形成全视角、全景深、全彩色、高亮度的智能3D-MR-HUD效果。当前挡风玻璃透明时,也同样可以应用全息3D虚拟投影技术,或将上述技术叠加形成混合现实/MR显示。



由于透明+3D透视画映射,其效果等同于不同距离的虚像,且不会引起视觉疲劳。同时,由于紫暘光电透明玻璃智能显示屏是主动发光 – 由光照射受激自发光,为次信息/资讯的亮度足够,不会由于阳光背景而产生对比度不够问题,也可以有效地避免阳光倒灌带来的影响。本身光机耗电少,体积也小(甚至可以<1升)。由于紫暘光电透明玻璃智能显示屏本身就可以当作彩色显示屏/电视,驾驶员/乘客在停车休息时可以观看全挡风玻璃彩色电视,如下图奥迪前挡风玻璃专利:自发光屏幕元件(self-luminous screen element),或与相关方开视频会议,家庭娱乐活动等。当然,也可以将前挡风玻璃智能显示屏与侧面车窗透明玻璃智能显示屏组成180°或270°的大屏幕看电影或打游戏。


奥迪前挡风玻璃全屏显示屏专利


奥迪Grand Sphere前挡风玻璃显示屏全屏显示/电影示意图

就3D全息图(计算全息- CGH/Computer Generated Holography或DOE )或裸眼3D图像而言,紫暘光电透明玻璃智能显示屏(受激自发光)可以根据数字信息(CGH 3D或裸眼3D)直接通过LCOS或DLP光机投影系统直接投射到前挡风玻璃或车窗玻璃上受激发光显示,以呈现实时计算的3D信息图。更进一步地,由于受激自发光,传统的中控台大屏将会被新一代隐藏式的受激自发光面体所替代,而受激自发光面型可以做成各种各样,透明与不透明皆可,如下图所示。


奥迪环抱智能座舱/显示专利图


2021年广州车展奥迪Grand Sphere环抱智能座舱中控台投影示意图


2021年广州车展奥迪Grand Sphere环抱智能座舱中控台投影示意图

目前,汽车行业/市场有很多技术配置呈发展趋势。但就顾客极致体验及感知性,以及日常实用及性价比而言,首当其冲的是智能交互/智慧座舱,而3D-MR-HUD则是其中的颗闪耀明星,名列前茅。3D-MR-HUD由于可以采用3D立体视觉/透视画或裸眼3D技术,可以让视觉距离感知与实际距离相同,符合实际路面场景的远近焦距的观测习惯。3D-MR-HUD的搭载将成为未来5年的主要趋势之一。


这里不妨做个大胆预测,3D-MR-HUD由于其全视角、全景深、全彩色、虚实像、高亮度、高智能的特征将快速进入规模化量产就绪的研发阶段。率先搭载3D-MR-HUD将对于企业/车型全球首创首发,占据先发优势,巩固品牌,引领消费无疑是个巨大的帮助。

  • 至2025年,乘用车W-HUD,AR-HUD及 3D-MR-HUD搭载率将超过50%。
  • 至2025年,豪华车/高端车的搭载率将接近100%,成为标配。
  • 至2023年,3D-MR-HUD将开始规模化量产。
  • 至2025年,豪华车/高端车3D-MR-HUD搭载需求率将超过50%。
  • 至2025年,透明玻璃显示技术将以无电极相连,受激自发光薄膜涂层技术为主。
  • 至2025年,基于LCOS的光机投影系统的HUD占比将达或超过30%。

目前,豪华车、造车新势力、新造车势力之间已经展开了3D-MR-HUD首创首发搭载的竞争(180°、270°、360°视角范围)。作为第三“移动”空间,消费者对新一代智能车的关注点已经开始从驾驶/操控向车内空间构型、装饰、智能化交互转移,智能交互的创新/水平将成为下一代新智能车的主要特征之一。

注:文中部分图片及数据来自网络/Website。下期将就“自动驾驶 - 全天候、全时段、全视觉环境感知系统的必然发展趋势” 进行详细讨论。

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