HUD汽車抬頭顯示技術的由來與工作原理

HUD汽車抬頭顯示技術的由來與工作原理

李倩 發表於 2018-03-29 16:01:20

我們都知道，在開車過程中，我們需要不時低頭查看儀錶盤上的時速、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公裡/時來計算，注意力離開路面3秒鐘，就相當於閉著眼睛行駛了54米。在現實生活中，由於駕駛員注意力分散而引發的交通事故數不勝數。

然而，開車總不能不看儀錶盤信息啊，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。

HUD汽車抬頭顯示技術的由來

HUD的全稱是Head Up Display，即平視顯示器，最早應用於軍用飛機上，旨在降低飛行員需要低頭查看儀表的頻率。起初，HUD通過光學原理，將駕駛相關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，關注到飛行的各項指標並接收地面傳輸的信息，提升駕駛的安全性和便捷性。

自上世紀80年代，HUD開始從飛機嫁接於汽車，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實的無限遐想，HUD可謂是「屬於汽車的智能眼鏡」。應用於汽車的HUD要求所產生的投影畫面呈現在道路上，而非聚焦於車內或者擋風玻璃上，通過這樣的設計，免除了人眼的焦距調整。

設計初期，應用HUD的驅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移到儀錶盤或者中控上，因此，HUD所投影的信息主要是汽車的行駛狀況指標，比如儀錶盤上所顯示的車速、油量等信息；進一步，設計人員希望通過HUD實現智能駕駛的目標，賦予其更多的功能，包括導航、簡訊、電話、郵件等，甚至加入簡單的互動，讓汽車成為類似智慧型手機的移動終端。

HUD汽車抬頭顯示技術的工作原理

HUD的原理類似於幻燈片投影。由投影儀發出光信息，經過「反射鏡」反射到「投影鏡」上，再由「投影鏡」反射到「擋風玻璃」，人眼看到的是位於眼前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圖像在擋風玻璃上位置是可調的，而這其中的關鍵便是「投影鏡」，通過改變「投影鏡」的角度，就可以調節HUD圖像的位置。

擋風玻璃是彎曲的，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——於是「投影鏡」和「反射鏡」被設計成彎曲的。

HUD利用光學反射原理，可以在擋風玻璃上顯示超速預警、車況監控、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整產生的延遲與不適。高度與人眼的平視視線處於相似的高度，因此成像在擋風玻璃的中下方，虛擬圖像與路面融合度較好，通常可投射至汽車引擎蓋前方1-2米處。

另外，如今的HUD平視顯示技術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航指引和路面信息提示，還能語音收發微信、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。

導航信息。

這個是很實用的信息，尤其是在市內車多、路雜導航時效果顯著。

紅色故障標記

紅色故障燈出現，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，在使用車上高科技並進行調節的時候，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節。

HUD汽車抬頭顯示技術的優點

1、HUD信息顯示位置比傳統的組合儀表位置高。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，眼睛從道路轉移到組合儀表再轉移到道路，由於道路亮度高而組合儀表（車內）的亮度低，眼睛就會經歷由亮到暗再到亮的過程，眼睛瞳孔會進行調整；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，眼睛就不需要這麼折騰了。

以上兩個方面綜合起來，駕駛員使用HUD，可以減少視線轉移的時間、視線轉移帶來的眼睛瞳孔變化、眼睛聚集點的變化，最終結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汽車抬頭顯示技術的實現方案

當前的HUD實現方案主要三種：

1、直接將前擋風玻璃作為顯示屏

該種實現方案多屬於前裝方案。代表產品是捷豹路虎公司在2014年7月開發出的汽車虛擬風擋HUD概念技術，可以直接在風擋上顯示車內參數以及行車路線。就像在玩現實版的GT賽車或Forza一樣，該系統甚至能夠顯示紀錄你在之前相同跑道開過的幽靈車影。並能藉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

該種實現方案屬於後裝方案。2014年推出的Nandy便是該種方案下的明星產品。

3、利用前擋風玻璃反射實現

該種方案也屬於後裝方案，產品主要通過手機APP實現，利用手機屏幕在前擋風玻璃上的倒影實現HUD功能。代表的產品有：百度地圖、圖吧地圖、高德地圖、Navier HUD、aSmart HUD 3D、Awesome HUD等。

通過前擋風玻璃反射實現的產品主要有四個劣勢：

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，更容易受到環境中光線的影響，不能在較強的外光條件下實現顯示效果；

信息量小：由於手機和汽車是獨立的，沒有實現有效的互聯，只能將手機自身具備的功能信息進行顯示和投影，並不能兌現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產品在成像的真實感和立體感上相比都相差甚遠；

適應性差：手機長時間置於儀錶盤上進行投影，不利於散熱，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，利用手機軟體實現的HUD模式的實用效果差，更多的只是一種好奇者的嘗試，並不能真正滿足當前對於HUD功能的定位。

HUD汽車抬頭顯示技術關鍵點

1、成像距離和顯示亮度是關鍵

評價HUD成像效果的最關鍵指標是成像距離。HUD的本質是為了提高人們的駕駛安全係數，進而才是提高駕駛的智能性，提供全新的駕駛體驗，因此HUD的成像一定要置於道路上，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，由於汽車所處環境的複雜多變，對於顯示亮度的要求就很高，既要清晰又要不刺眼。

3、成像技術的升級

最基礎的HUD產品是通過LED燈進行成像，其成本較低但靈活性及顯示效果較差，後續微型雷射投影技術逐漸應用於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HUD的功能目標而言，雷射投影技術是大趨勢。

微型雷射投影技術自出現至今已經經歷了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、可調節的多解析度模式、響應時間極短等LCD顯示器難以超越的優點。這種成像方式對於周圍光照和溫度變化的適應性較差，不適合在汽車上使用。

DLP，DLP技術是指數字光處理技術，也就是說這種技術要先把影像信號經過數字處理，然後再把光投影出來。其核心是一個微鏡陣列此類狀態由運行期間微鏡下方內存單元所存放的數據所決定。微鏡表面由具有非常高反射率的鋁金屬製成，當有一束外部光照射到微鏡上時，微鏡的兩個偏轉狀態會將光反射偏轉到不同角度上。但是這種技術在晃動條件下會導致RGB的光重疊效果變差，會產生較嚴重的色變。其次，DLP投影技術中DMD晶片容易受控制器的影響，產生壞點。而且，長期的使用會導致DLP中色輪的玻璃薄片結構產生間隙，導致色輪鬆動。各種問題的出現證明了DLP技術並不是長期的選擇。

LCOS，LCOS是矽基液晶，是一種基於反射模式，尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣採用CMOS技術在矽晶片上加工製作而成，像素的尺寸大小從7微米到20微米，百萬級的像素解析度來說，這個裝置的大小也才有1英寸。LCOS的呈現的數據容量比DLP技術所呈現的數據容量要大很多。LCOS技術的應用對於HUD的改善會有積極的促進作用，會更加有科技感。

HUD汽車抬頭顯示的關鍵部件

投影單元

投影單元內部集成了投影儀、反射鏡、投影鏡、調節電機及控制單元，HUD控制單元從車上數據總線獲取車速、導航等信息，並在投影儀輸出圖像。

擋風玻璃

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

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

從這裡也可以看到，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，成本限制沒那麼緊張，就會用HUD擋風玻璃。

HUD汽車抬頭顯示的技術趨勢

3D HUD是未來

在2014年9月，豐田位於加州的設計團隊研製了出了3D的HUD顯示，可以實現裸眼觀看3D影響，這一進展使得HUD顯示的信息更加豐富、直觀。相較於大眾化的平面顯示，3D效果能夠在保證HUD實現駕駛安全性這一初衷的基礎上，將實時信息與顯示進行更好地匹配、結合，從而實現增強現實的功能。比如，豐田3D HUD還可以顯示附近可用的停車場，並且估計抵達所用的時間。目前，這套系統已經研發了2年時間，主要數據來源於三個傳感器，雷達負責採集車速、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，現在市場上很多HUD設備都需要連接OBD接口，從OBD接口中可以獲得汽車油耗、胎壓、轉速等基本信息，這也是HUD設備所必需的基本信息。目前市場上所推出的OBD盒子，作為車聯網的基礎設備，它可以收集車輛數據並通過與雲端的交互進行數據分析，甚至有些產品可以實現導航、遠程診斷等功能。

但是HUD對於顯示信息內容的要求就意味著其也要通過OBD接口獲取信息並進行處理，其核心也是OBD晶片，所有的數據解析方式和OBD盒子也基本相同。隨著對HUD設備功能多樣化、智能化的要求，在顯示端的後臺完成數據的分析處理、定位導航、聯網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。相較於OBD盒子，HUD在數據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盒子的廠商也已經開始了HUD產品的設計、研發。

HUD汽車抬頭顯示產品的目前面臨的主要問題

儘管HUD的產品實用性高，未來的前景廣闊，但該行業仍舊處於萌芽階段，要實現從一個新奇的設備向被大眾廣泛接受的產品的跨越，仍需要在以下4個方面進行完善：

硬體成本高

一臺完整的 HUD 設備，需要有足夠強的背光亮度，可調焦的光學透鏡組，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 的軟體，硬體都沒有形成相應的標準，處在一個混沌階段。像車速這個數據，有的廠商通過車內 OBD 接口獲取，有的廠商又是通過手機 GPS 來獲取。

對功能的開發也僅僅停留在讀取儀錶盤信息加導航信息範疇。沒能 All In One 的解決用戶在汽車上的整個需求。

行業處於萌芽階段，沒有明確的規則

相比於國際標準化的OBD，HUD並不是一個汽車標準化的一個東西，也就是對於集成設計廠商來說做HUD比做OBD門檻高。而HUD的開發只要你買到專門做OBD廠家的模塊嵌入到HUD做2次開發就可以了。HUD有很多結構上的門檻，還有光學上的虛擬圖像處理。它沒有行業標準。至今沒有廠商的圖像處理技術足以作為行業的標準

市場成熟度低

目前國內民用車市場，大部分都沒有配置 HUD 或者只是選配。第三方的 HUD 設備也相對少。很多人對 HUD 的了解僅限於聽說過。與很多智能硬體設備當下面對的問題相同，產品的不完善，影響了它的市場表現。市場的不成熟，沒有利益驅動，廠商又沒有改進產品的動力。

HUD汽車抬頭顯示技術的未來

1、  汽車智能網聯化的發展趨勢下，HUD智能硬體迎來良機。

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

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

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

5、  雖然目前帶液晶屏幕的儀錶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取代儀錶板，成為第一款沒有傳統儀錶板的汽車。

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