2020年對於整個汽車業都是值得回味的一年，其中有很多挑戰，也有很多成就。在BAO師傅看來，其中最重要的成就之一，就是AR-HUD（增強現實擡頭顯示）開始走向了普及之路。其背後的意義，並不僅僅是在汽車之上增加了一塊螢幕，而是增加了一個人機互動的視窗，它可以更安全，更高效，並且註定會取代傳統的儀表。
AR-HUD的"躥紅"
AR-HUD的"躥紅"還要從今年奔馳全新一代S級上市說起。雖然這輛車的設計頗具爭議，但其搭載的AR-HUD成為了絕對的亮點，並且為整個行業指明了方向。區別於傳統的W-HUD，這套擡頭顯示系統，除了更大的顯示區間，更遠的視距，更豐富的色彩，更高的分辨率，它最主要的是實作了AR，即增強現實技術。
增強現實技術的加持，帶來的好處顯而易見，可以將導航、道路、ADAS資訊更加直觀、安全的透過投射到風擋玻璃上的虛像，呈現給駕駛員；它已經不再是儀表資訊的替代者，有著屬於自己專門的功能內容。
當然，從另一個層面講，隨著自動駕駛輔助系統和車聯網的普及，儀表上需要呈現的資訊總量成爆炸式增長，傳統儀表從機械表針升級到了液晶螢幕，就是為了解決資訊呈現的問題。但這樣的升級，卻無法避免因低頭看螢幕而降低駕駛安全性的弊端。
擡頭顯示的出現就是為了解決這一矛盾，而AR-HUD的出現無疑給人機互動提供了新的思路。它將網路攝影機、雷達收集到的車外環境資訊，融合進了現實，進一步增加了顯示二字對於車輛的意義，成為了車輛與外界互動的新視窗，也為HUD系統賦予了無可替代的功能性，使HUD系統終於能夠走向普及。
但從技術的角度分析，要做到AR傍身，HUD技術需要進行較大振幅的調整。說到這裏，我們可以先了解一下普通HUD的原理。通常而言，HUD系統由三重反射機構組成。如下圖般，均是透過影像生成單元產生亮度以及影像，而後這些光會投在第一平面（或非球面）做第一次反射，之後在第二個非球面鏡上進行放大（第二次反射），之後光從雜光阱裏透過來，在擋風玻璃上做第三次反射，反射到駕駛員眼中，於是我們就看到了相關資訊顯示。
當然我們這裏面所講的方案是目前奔馳所用的W-HUD方案，即透過風擋玻璃進行反射。早前有很多車輛，會在儀表台上升起一塊專門的反射玻璃，進行反射，這樣的方案被稱作C-HUD（Combiner Head-Up Display），雖然成本較低，但是由於VID（人員到虛像的距離）較短，通常小於2.5m，在使用過程中，眼睛在駕駛時，焦點需要在HUD玻璃和風擋玻璃間切換，仍然存在安全隱患，所以在這裏並不做具體的講解。
典型的C-HUD方案
這裏會以成本相對更高的W-HUD (windshield-HUD) 為例，顧名思義，這個W就是指的風擋玻璃，HUD的虛像會直接投射到前風擋玻璃上。但是由於風擋玻璃都有一定的厚度和弧度，普通玻璃在成像時會在前方形成不重疊的兩個影像，該現象即重影現象，會導致影像模糊，資訊難以辨識等問題。HUD玻璃與普通玻璃的不同之處在於其中間夾有一層楔形PVB膜。可以將兩個影像重疊在一起，使駕駛員看到一個清晰完整的資訊。而這也是W-HUD成本較高的原因之一。
當然，如果是一個AR-HUD，它將面臨更高的成本。這就要從幾個維度來解釋。首先從HUD的幾個基本指標講起。
VID(Virtual Image Distance，虛像距離)和FOV（Field of Vision視場角）是非常重要的兩個參數。
VID即人眼到虛像的距離。FOV是以駕駛員眼睛為中心，到虛像的水平以及垂直邊緣所呈的角度，例如9度*3度，10度*3度等。
資料來源：德州儀器
這是一張很有名的圖，紅色的為傳統HUD，無法滿足AR導航需要；
淺藍色為標準AR-HUD，需要20公尺的投影距離（VID）才能做到跨車道顯示；
深藍色為理想的AR-HUD，FOV（Field of Vision，視場角）的水平角度到20度以上，在10公尺以上的投影距離既可以跨車道顯示。
為了滿足AR-HUD的需要，VID要達到10公尺以上，FOV的水平角要10度以上。良好的VID和FOV參數，其意義在於：
1、可以覆蓋更大的車道範圍（受水平角度影響）、更遠的距離（受垂直角度影響），以保證駕駛者的安全和體驗。例如，如果能在路面上覆蓋地更遠，在高速場景下，可以更早地提醒轉彎、匝道等資訊，不會錯過路口。
2、虛像距離變長，可以減少眼睛疲勞。
3、VID大於6公尺之後，真實的世界和影像可以融合得比較好，比較貼合。
4、VID增大可以在視覺上消除重影，不再依賴楔形角的設計。根據德州儀器仿真測算，在VID增加至13m之後，人眼感受不到重影，擋風玻璃不需要楔形膜，這相當於減少了成本。
圖片來源：德州儀器
要讓這些指標能夠盡可能滿足AR-HUD，智慧的零部件企業提供了不同成本條件下的解決方案。目前在市場上能夠量產的主要有TFT、DLP、雷射三種方案，前兩者目前已有量產的產品。
TFT-LCD 投影：
基於TFT顯視器HUD，成像技術原理是液晶屏顯示後透過反射改變光源角度最終在擋風玻璃上成像。TFT（Thin Film Transistor薄膜晶體管）為 LCD 液晶顯示技術中的一種，液晶顯視器上的每一液晶像素點都是由整合在其後的薄膜晶體管來驅動，能夠做到高速度、高亮度、高對比度地顯示器幕資訊。由於技術成熟、成本低廉，當前各大HUD供應商普遍采用TFT方案。
TFT-HUD 的優勢包括：①方便套用於 3D 和 AR 裝置；②基於顯視器投影，是大眾熟知的技術，相關法規已經到位；③生命周期長；④色度可靠，透過顯視器標定進行控制。
TFT-HUD 的難點包括：①視場有限，受源顯視器限制；②最大亮度限制，提高亮度輸出可能會引起色度準確度和預期分布變化。
DLP投影：
DLP（Digital Light Processing數位光處理）是一種以數位微鏡裝置作為成像器件，透過調節反射光實作投射影像的投影技術，其亮度高、分辨率高、對比度好，但其設計難度與生產成本均高於TFT。DLP 數位光處理技術是美國德州儀器的專利技術，透過整合了數十萬個超微型鏡片的 DMD（Digital Micromirror Device數位微鏡芯片），可以將強光源經過數位系統計算反射後投影出來。
DMD微鏡陣列範例
DLP-HUD 的優勢包括：①方便套用於 3D 和 AR 裝置；②體積小巧，效能高；③大視場；④影像明亮度、顏色飽和度、對比度等表現較佳。
DLP-HUD 的難點包括：影像對位，如解析度、銳度、重影、失真等問題。
雷射投影：
雷射掃描投影技術使用具有較高功率的紅、綠、藍（三基色）單色雷射器為光源，雷射在機器內經過相應的光學元件和處理芯片的整合與掃描後投射在顯示器上，該方案色域空間大、色飽和度高、分辨率清晰，但其對溫度較為敏感，易受環境亮度影響，成本居高不下，且不能達到車規要求的 85攝氏度的工作要求。
雷射 HUD 的優勢包括：①小元件；②低能耗；③高亮度（非常明亮）；④大視場，可以在擋風玻璃的較大面積上成像（視場占據擋風玻璃的較大面積）。
雷射 HUD 的難點包括：①限於 2D 固定投影；②分辨率低導致的"模糊"影像，從反光鏡分束器所折射單光束的影響造成類似於重影的影響；③斑點，當雷射束發生漫反射時，將會出現隨機粒狀圖案。
目前，基於成本與技術成熟度所限。TFT和DLP方案，正在被越來越多的企業使用。特別是在預算相對寬裕的情況下，在 AR-HUD 體系的設計過程中，企業更傾向於選擇使用具有溫升控制優勢的 DLP 技術。由 於 AR-HUD 虛擬影像距離較 W-HUD 增加，光學器件會變大，從而導致太陽輻照度水平可能會更高，進而導致受到很強太陽輻照的機會更大，溫度上升的可能性顯著升高，TFT 面板的吸收性很高，窄視角情況下，TFT尚能承受陽光倒灌導致的溫度上升，寬視角下就無法承受。TFT的溫度上限是105度，而DLP系統使用Diffuser，溫度上限是150度。
TFT對陽光中可見光譜的吸收高達95%，這就導致其溫度上升速度遠高於DLP，由於陽光負載導致的薄膜晶體管（TFT）面板的溫升比基於DLP技術的系統中所用的透射式微透鏡陣列散射屏快6倍，從而使TFT面板更易受到太陽輻照度的損害。在85°C的環境溫度下，由於其低光譜吸收和高工作溫度的特性，HUD系統中采用DLP技術的Kuraray散射屏可以承受高達82kW/m2的太陽輻照度。這種熱效能使DLP技術能夠支持AR HUD中的長虛像距離。因DLP技術具有較強的溫升控制優勢，更適合用於AR-HUD。
如果我們回到奔馳的這套AR-HUD系統來看，它就是采用了DLP技術，其中的DMD（數位微鏡）芯片使用了德州儀器最新的DLP5531（2018年下半年量產），有130萬像素，FOV為10X5°，VID距離為33英尺即10公尺。
不過奔馳的這套DLP方案，也並非十全十美，較大的體積就是其中的弊端之一。奔馳的這套方案，體積已達到驚人的27升，這對於很多體型嬌小的中小型車，簡直是噩夢般的存在，即使重新設計儀表台和台內的風道，也無法容納這樣的龐然大物。所以將整套機構進一步小型化是未來的絕對趨勢。
就目前而言，光導波技術（Waveguide）或許是一個好的解決方案，它將去掉傳統HUD內部的機械光學機構，省略掉三重反射中的前兩重，直接將光源資訊投射到風擋玻璃之上。其占用體積可以是傳統機械方案的1/10。但是由於光源將采用雷射，且其間的光訊號傳導，將使用非常精密復雜的薄膜結構，目前的良品率仍然較低，成本較高，距離實際量產仍需時日。
走在規模化的大路上
奔馳S上的AR-HUD僅僅是激起產業熱情的一顆石子，隨後的精彩紛至沓來。目前已在歐洲躍升為新能源銷量第一的ID.系列，便開始搭載了AR-HUD系統，盡管這套方案的價格更加親民，但其意義更加宏大。目前ID.4即將進入中國市場，25萬左右的價格區間，無疑比起奔馳S會收獲更多的消費者。同時今年大眾集團分別在中國市場上投放的第八代高爾夫以及新CC等新進車型上，都開始搭載W-HUD系統（是大陸的產品），HUD進入最廣大消費群體的時代已經來臨。
而在大眾的帶動下，其競爭對手們也已然紛紛跟進，甚至價格區間更低但突破品牌格局意願更強的中國品牌，也開始嘗試搭載AR-HUD產品，這樣的市場前景或許值得從業者們的樂觀情緒。
根據大陸提供的資料顯示，在2030年的時候，現實增強擡頭顯視器整個市場量規模基本上接近於整個擡頭顯視器市場規模的一半以上，並且它的增長趨勢是呈幾何倍數的關系。而隨著自動駕駛的發展，AR-HUD的發展將會繼續向好。所以這一產業正走在朝陽之路上，並不必擔心。
跨領域合作與融合或是最大挑戰
不過，相對於體積、工藝與成本的挑戰，BAO師傅個人認為AR-HUD走向真正的廣泛套用，缺乏的是生態級的跨領域合作。AR-HUD與普通HUD的差別在哪裏？可能有兩點最為重要，一個是可視距離、角度更大，可呈現的資訊會更多。第二點就是有強互動性。傳感器的加入，讓車輛可以和你在同樣的視覺範疇內交流，並且可以在同一個畫面中，與你分享它的資訊和觀點，關鍵是在並不影響駕駛安全的前提下，這就有著非常多的想象空間。
比如車輛開到了一個陌生的城市，駕駛員希望對眼前雄偉的建築有所了解，便可以直接語音詢問汽車："我左前方的大樓叫什麽名字？"車輛就會將這棟樓的名字透過AR-HUD顯示出來；如果是在賽道上，我正在進行圈速的練習，車輛又能把最佳的入彎出彎路線和速度透過風擋玻璃直接在路中標出；如果我的前方有一輛大貨車，擋住了紅綠燈，這時我的車輛會把紅綠燈資訊在風擋上直接顯示出來，避免誤闖紅燈……等等等等。
而這些還僅僅是基於駕駛層面的套用。此前碟中諜4電影中，湯姆·科魯茲駕駛的寶馬Vision Dynamic給人們留下了深刻印象，但原因並不僅是車輛炫酷的外形，而是其超級好用的，整合了AR-HUD功能的全螢幕可顯示風擋玻璃，並且透過手勢、語音等前沿操作方式，把車輛操作得如同移動電腦一般。這或許就是AR-HUD的未來！
AR-HUD，在BAO師傅看來，其意義更像是觸摸電容屏之於手機，它成為了一個更直觀、更適合汽車場景的人機互動方式。新的互動方式意味著，新的生態、新的時代。而新的生態、新的時代，需要的是更多不同領域、更多不同企業、更多不同人才的通力協作，才能夠使其更加精彩。
其背後一定是傳感器數據融合、人工智慧演算法匹配、專屬套用適配等軟體能力與硬體能力共同協作的結果。
同時，這一發展勢必將不僅僅局限在汽車自身的固有領域，將會有更多的軟體、硬體公司，非汽車類的娛樂、服務等圈外企業加入進來，才有可能使整個生態更完整，也更具活力。所以，目前對於企業而言，BAO師傅私以為，應該從兩個方面同時著手，一方面改進硬體，加速普及，一方面，籌備與之配套的生態環境（可整合進整車的生態建設工作中），方可在變革真正到來的一天，做好充足的準備。
