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车载HUD(抬头显示)技术发展加速市场爆发在即
发布时间:2023-05-11    来源:VR陀螺   阅读次数:7532 分享到:
不仅元宇宙,智能汽车也已经驶入了发展的快车道。自动驾驶技术正在由L2向L3迈进,各大汽车厂商开始着手为用户打造更为舒适、体感更为多样化的“第三生活空间”。在这个过程中,伴随着AR-HUD应用的加强,汽车行业开始迎来了新一轮的驾驶革命。

HUD为Head-up Display(抬头显示设备)的简称,它起到信息辅助的作用,最早于1988年引入汽车领域。随着技术的发展,车载HUD也由最初的C-HUD、W-HUD,再进一步往最前沿的AR-HUD迈进。

市场对车载HUD普遍划分为C-HUD、W-HUD跟AR-HUD几大类,C-HUD逐渐被淘汰、W-HUD是目前的主流,并逐渐向AR-HUD过渡。徐俊峰结合自家产品矩阵以及技术发展脉络,将HUD产品分为了五个代次,分别是智能W-HUD、光场AR-HUD、空间光场AR-HUD、全车窗HUD以及光场MR-HUD。

智能W-HUD可以显示车速、挡位、续航里程、指示灯等车辆驾驶信息,还能显示ADAS智驾信息及导航地图等,将重要的车机中控屏信息直接显示在驾驶员正前方,能提供非常实用的驾驶体验,理想汽车L8和L9所搭载的HUD产品是智能W-HUD的典型代表。

从2020年起,市场开始加速W-HUD向AR-HUD的迭代。目前各家企业对于AR-HUD的定义各不相同,如在参数上,比较常见的观点是AR-HUD的FoV需要达到10°×3°,VID需要达到7.5米以上。AR-HUD不仅需要关注光学参数,更重要的是实现虚拟与真实的精准融合。

目前市场最具代表性的产品为奔驰2021款迈巴赫、2022款顶配电车所搭配的HUD。从概念视频上来看,奔驰这套HUD方案只能显示单一焦平面的内容,不过,它可通过算法来模拟画面贴合实景的效果。这套方案在体验方面依旧不算完美,但徐俊峰表示它已经可以视作目前AR-HUD量产产品的天花板。

随着技术进一步发展,未来围绕HUD还会出现全车窗HUD、光场MR-HUD等极具科技感的产品。所谓全车窗HUD,指的是未来汽车前车窗将化身为一个巨幅屏幕,主驾驶区域可以显示导航等信息,而副驾驶可以观看视频等内容。而光场MR-HUD则更进一步,它将形成一个完善的人、车、路、网生态,开辟下一代增强现实互联网的全新入口,当然,目前仍处于概念阶段。

结构上,HUD可以划分为三个板块:图像生成单元(PGU)、放大光路以及挡风玻璃。大概原理是PGU生成画面虚像,然后借由放大光路来改变画面的路径、焦距、大小等,最后通过挡风玻璃将画面反射至人眼。

其中,PGU又可以分为TFT、LCoS、DLP和LBS等方案,这些方案之间各有优缺点,行业普遍认为,TFT清晰度高,体积小,比较薄,但耐热性低,DLP分辨率高、体积大但耐热性好。如果对放大光路的解决方案进行细分,里面又可分为自由曲面镜、光波导、HOE薄膜等。不过目前光波导跟HOE薄膜在阳光下会出现炫光(Glare)问题,能实现纯净透明无炫光效果的只有自由曲面镜。

主流的单平面HUD产品,在设计时需要综合考虑功耗、亮度、重影、视差等一系列因素。亮度方面,行业对车载HUD的要求需要达到入眼亮度10000尼特以上,有些国家或者车企会更进一步,要求亮度达到18000尼特以上。目前高亮度可以通过TFT+背光、选用DLP/LCoS等方式实现。

而重影问题,则是由于投影光线经过前挡风玻璃时同时在其内外两个表面发生折射效应所导致的,它极大影响了画面的观感,目前重影问题可通过为挡风玻璃增加PVB膜等手段解决。

当W-HUD向AR-HUD迈进,它不再只是一个单纯的显示组件,它还应当具有更多“AR”的特性,而AR的定义里面包含了三要素:环境感知、虚实融合与实时交互。为了实现这些特性,需要从光学设计、软硬件、HMI交互等不同维度同时发力。

从光学设计方面来看,目前多数AR-HUD采用了离轴三反射式结构,它的体积会随着FoV、VID的提升而进一步增大。目前W-HUD的体积仅有数升,而AR-HUD的体积多在10升以上,曾搭载在奔驰S级上的HUD,其体积甚至达到了20升以上。如何降低HUD体积成为了各大厂商关注的一大问题。

AR-HUD画面尺寸远大于传统HUD,导致AR-HUD的光学设计难度呈几何级数提升。W-HUD的画面放大倍数一般不会超过6倍,但是AR-HUD需要追求大VID,它的放大倍数可达10倍以上,这时候双眼视差、画面畸变问题会进一步凸显出来。这背后对于自由曲面镜曲率、装配公差、挡风玻璃精度都有着更高的要求。

不仅如此,目前AR-HUD产品多为单焦面,从光学层面上来看就注定它无法实现车辆在行驶过程中HUD画面与地球坐标相对固定,这也就无法实现“AR”所需要的虚实融合效果。为此,需要进一步升级PGU像源,以实现多焦面甚至连续变焦显示。

除光学设计外,AR-HUD同样面临着数据采集、环境感知、画面渲染输出等AR眼镜常见的技术难题。

环境感知部分,AR-HUD需要与汽车的ADAS数据进行打通,基于汽车的毫米波雷达、激光雷达、GPS、摄像头、差分高精度定位IMU等传感器进行实时感知车身运动姿态和外部环境物体姿态。

AR-HUD的硬件底子其实要优于AR眼镜。AR眼镜在设计时需要同时兼顾体积、重量、续航、亮度、算力等问题,但是对于HUD而言,它并不需要担心功耗问题,并且汽车算力强大、传感器数量众多,这为其空间定位算法奠定了良好的基础。

不过由于汽车在高速行驶过程中,也会影响SLAM算法的鲁棒性,如果想要实现虚拟影像与真实世界在空间坐标系上的定位坐标转换与对齐,相较于低速甚至静止状态要难得多。

不仅如此,从汽车传感器采集数据、数据传输给HUD、再到图像渲染输出,这个过程产生的时延可能高达数百毫秒,比AR眼镜要大得多。而徐俊峰指出,“根据FUTURUS目前的测算数据,这个延时的时间差需要控制在30ms以内。”目前可通过空间运动姿态捕捉及延时补偿算法降低时延问题,不过该算法对运算速率要求极高,并且需要对汽车运动轨迹进行相应预判。

在交互设计上,徐俊峰则认为HUD厂商应该保持克制。如一些厂商为了炫技、盲目追求科幻效果为HUD引入了大量的信息提示以及动画交互,但过多的信息对于司机而言其实是一种负荷与干扰。“AR-HUD应当以‘极致体验’为目标,并秉持‘Less is More’和‘Display as needed’的原则,只向用户提供最需要、且最重要的信息。”

渗透率仅10%,AR-HUD市场处于爆发前夕
从发展节点来看,早在20世纪90年代,通用、丰田等车企就已经有车载HUD产品的应用落地,近几年是HUD的快速发展期,国内的长城、哈弗等品牌于2020年开始逐步引入。如今推出HUD车型的厂商包含奔驰、宝马、丰田、哈弗、理想等。理想在这其中最为激进,理想L7、L8、L9实现了全系标配HUD。

受到政策以及资本对于智能汽车市场的追捧,车载HUD在乘用车市场的渗透率呈逐年上升趋势,2020年约4%,2021年达到了5%,2022年已经占到了10%左右。

目前很多科技巨头都已经瞄准汽车领域,比如百度的集度、阿波罗、阿里的斑马智行、腾讯的梧桐车联、小米、华为、滴滴等,但是有能力做好AR-HUD的并不多。汽车行业是一个比较传统的行业,而HUD是一个复杂的产品,需要很高投入,但它的回报又很慢,所以大家对它的关注都还不太够。

普通W-HUD大概在1000元区间,2D AR-HUD产品可能卖到2000-3000元区间,销往欧美等市场售价会相应提高。总的来看,它在汽车上面的成本占比并没有发动机、电池那么高。

剩下的少部分这些有动力、有计划进行HUD产品开发的车企/巨头当中,可能包含理想、比亚迪以及苹果等。对于理想而言,HUD在其发展中占据了重要位置,这是它会持续关注的一环;而比亚迪具有较强的研发实力,可能会从中分一杯羹。

此外,苹果也是一大看点。苹果下场打造AR眼镜和汽车的消息由来已久,并且不时有相应的HUD和AR专利传出。徐俊峰指出,苹果在AR芯片、算法、操作系统等均有布局,伴随苹果汽车产品推出,市场可能会迎来一轮革新。

整个HUD市场还在欣欣向荣发展中,出货量天花板远没有来临。根据观研报告网数据,2021年中国HUD市场规模达到29.6亿元,预计到2025年市场规模将达到317.4亿元。

搭载车载HUD技术已经成为汽车行业的一个重要趋势,通过HUD技术,驾驶员可以获得更多的驾驶信息,同时保持对道路的关注和集中,从而提高行车安全和舒适性。随着AR技术的发展以及应用,相信HUD将能带给我们更好的乘车体验。
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