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车载HUD的发展现状及趋势分析

汽车上引入HUD(Heads Up Display)抬头显示器,主要目的是为了保证司机安全稳定的驾驶,使驾驶员不用低头就可以看到相关信息,将更多的精力放到观察路面情况上,同时也可以减少驾驶员观察远处道路情况与近距离查看导航、车辆信息视线频繁转换引发的视觉疲劳。目前,C-HUD(Combiner HUD)、W-HUD(Windshield HUD)的技术发展上已较为成熟,装车成本也能被部分主机厂所接受。随着AR技术的出现,使得HUD的使用范围更加丰富,能更加有效的提高驾驶安全性。未来AR-HUD(Augmented Reality HUD)应用将成为驾舱中的重要技术方向,成为整车企业关注的热点。

1. HUD的发展现状分析
1.1 HUD不断迭代更新
HUD由C-HUD、W-HUD向AR-HUD发展
HUD主要分为C-HUD(Combiner HUD)、W-HUD(Windshield HUD)、AR-HUD(Augmented Reality HUD)三种类型,C-HUD通过放置于仪表上方的一块透明树脂玻璃进行成像,一般会根据成像条件对树脂玻璃进行特殊处理,通常做成楔形来避免玻璃两面的反射重影,当前一般以后装为主。W-HUD是通过光学投影原理,将光投射在前挡风玻璃上,在驾驶员的视线前方形成一个虚像,可显示行车中信息,驾驶员的视线无需离开道路就可以看到,解决了行车中移视其他交互界面带来的安全隐患。AR-HUD利用了增强现实技术,将虚像信息和现实路况实时信息进行叠加,让驾驶员更直接获取信息。例如,AR-HUD在导航中的应用可将虚像的导航指示信息直接叠加到现实道路上。AR技术的出现,使得HUD的使用范围更加丰富,能更加有效的提高驾驶安全性。未来AR-HUD与ADAS的结合,实现及时预告路况和行人信息,将成为驾舱中的重要技术方向。

1.2 HUD投影技术突破提升
基于TFT显示器投影是车载HUD主流的投影方式
基于TFT显示器的HUD成像技术比较成熟,其原理是液晶屏显示后通过反射改变光源角度最终在挡风玻璃上成像。TFT HUD的优势包括:①方便应用于3D和AR设备;②基于显示器投影,是大众熟知的技术,相关法规已经到位;③生命周期长;④色度可靠,通过显示器标定进行控制。TFT HUD的难点包括:①视场有限,受源显示器限制;②最大亮度限制,提高亮度输出可能会引起色度准确度和预期分布变化。

DLP HUD相比TFT HUD性能更佳,但成本较高
DLP(Digital Light Processing)数字光处理技术是美国德州仪器的专利技术,通过集成了数十万个超微型镜片的DMD(数字微镜芯片)可以将强光源经过数字反射后投影出来。DLP HUD的优势包括:①方便应用于3D和AR设备;②体积小巧,性能高;③大视场;④图像明亮度、颜色饱和度、对比度等表现较佳。TFT HUD的难点包括:图像对位,如清晰度、锐度、重影、失真等问题。
激光HUD受激光器温控影响未大规模应用
激光 HUD是用激光为投影光源平视显示系统,但目前激光二极管对温度较敏感,不能达到车规要求的85摄氏度的工作要求。激光HUD的优势包括:①小组件;②低能耗;③高亮度(非常明亮);④大视场,可以在挡风玻璃应用中使用(视场占据挡风玻璃的较大面积)。激光HUD的难点包括:①限于2D固定投影;②分辨率低导致的“模糊”图像,从反光镜分束器所折射单光束的影响造成类似于重影的影响;③斑点,当激光束发生漫反射时,将会出现随机粒状图案。
DLP相比TFT技术,温升控制具有一定优势
随着VID (Virtual Image Distance,虚拟图像距离)的增加,太阳辐照度造成温度上升的可能性显著升高。AR-HUD需要更远的VID和更大的光学器件,从而导致太阳辐照度水平可能会更高,进而导致受到很强太阳辐照的机会更大。TFT面板的吸收性很高,因此透射性更容易因太阳辐照度而受到损害。图4中垂直线表示的是DLP AR HUD原型在7m、12m和15mVID配置下的预测太阳辐照度。图中数据表明,在类似太阳辐照度下,TFT和DLP在12m VID时的温升分别为190℃和34℃,TFT的温度上升速度是DLP MLA的6倍。
在设计下一代AR-HUD系统时,必须在整个设计过程中谨慎考虑环境条件。与传统HUD设计相比,AR-HUD具有更高的放大倍数和更大的日光收集区域,因此日光会带来相当大的挑战。在AR-HUD设计中,必须注意了解潜在的日光聚焦,并做出设计选择或采用缓解技术来将太阳辐照度控制在可接受的水平。可接受的太阳辐照度高度依赖于HUD图像源处的材料。对于投影型HUD,例如基于DLP技术的HUD,散射屏会首当其冲地受到这种太阳辐照的影响,因此必须能够承受预期的太阳能负载量。

1.3 HUD市场空间广阔
当前,HUD供应商国外供应商主要有:Nippon Seiki、大陆、电装、伟世通、WayRay、博世、NAVDA、EXPLORIDE;国内供应商主要有:未来黑科技、乐驾科技、途行者、疆程、水晶光电、点石创新、衍视科技、京龙睿信、华阳多媒体。目前日本精机、电装、大陆集团、伟世通、乐驾科技、疆程、衍视科技等HUD供应商均已开展AR-HUD的布局,预计AR-HUD成本约在2000-3000元,相比W-HUD成本约1000-2000元、C-HUD成本约500元,AR-HUD的成本更高。
HUD款型装备率不足3%,日系车型应用较多
当前HUD的装备率仍处于较低水平,HUD车型装备率为8.81%;款型装备率HUD款型装备率为2.82%。从系别来看,日系、美系及德系HUD的款型装备率较高;从车型级别来看,中型、中大型车型液晶仪表装备率较高。

2. HUD的发展趋势分析
2.1 HUD的功能愈发智能丰富
未来AR-HUD将与ADAS、眼球追踪、高精度地图等技术加深融合
HUD的发展仍面临诸多技术难点。第一,VID,即图像焦点到眼睛的距离。目前的W-HUD最多只能将VID做到3米,这一参数极大的限制着HUD的显示效果。第二,温升控制。HUD一般布置在仪表的前方,完全暴露在太阳光下,因此HUD虽然在驾驶舱内使用,但也经受着高温环境的考验,加之高亮度投影本身就需要大光源的支持,灯泡的合理散热也是需要考虑的因素。
AR-HUD的技术趋势主要体现在以下方面:其一,功能融合。通过ADAS摄像头,可以得到关键人、车、车道线、垂直位置,水平距离,天气情况,环境情况。得到数据后,将数据进行处理显示。眼球追踪系统,得到人眼的位置,进行图像位置变换。根据高精度导航,加入惯性导航算法及延时补偿算法,最终将导航信息与地面相结合。其二,新技术带来的性能提升。AR- HUD的主要发展趋势是采用全息元件、光波导和荧光膜等新技术来减小HUD的体积并增大视场角。

2.2 波导HUD装车优势明显
基于波导技术的AR-HUD其空间容量具有较大装车优势
传统的挡风玻璃HUD(W-HUD)的设备体积为3L至4L,但是基于镜面技术的AR-HUD的容量将达到30L左右,几乎是前者的10倍。基于波导技术的AR-HUD可以较好的解决AR-HUD装车空间的问题。其使用三个叠加在一起的平面波导来创建RGB全彩显示,体积可缩小至10L。相比传统凹面镜技术则需要约30L左右的空间容量具有较大优势,其可实现视场角为15°×5°,投影距离为10米,显示投射面积2.60米×0.87米。
基于有源全息波导技术的AR-HUD未来有望实现量产应用
有源全息波导技术,使用一种基于液晶的薄膜聚合物,在电流作用下波导内的全息镜状光学元件能够改变状态。当微显示器通过透镜的一端流动时,光学元件将使光波旋转并引导它穿过一个表面,然后再由第二组光学元件将光波反射回眼睛。如图9,光线从源显示屏上射出,分别走红色和蓝绿色波导。最后经过多层电流转换全息光学元件,再射出到眼睛里。

2.3 单一处理器是HUD的技术趋向
具备强大计算能力的单一处理器支持一芯多屏,带动HUD创新应用
在智能驾舱多屏应用的趋势下,未来将由单一处理器提供计算能力,实现“中控液晶仪表+HUD+其他功能”的融合体验。单处理器相比多处理器,极大降低了屏幕数量对系统复杂程度的影响,硬件和软件必须按最高标准按设计,解决了多处理器各模块相互独立的问题,高性能的单一处理器将成为车载HUD的重要技术方案。

注:本文首发于《汽车纵横》杂志2019年11月刊

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