文／VR陀螺 万里
AR这一概念最早由波音公司研究员Tom Caudell于1990年提出。经过这些年发展，AR在很多领域都已得到了相应的应用，比如《Snapchat》引入AR滤镜，为我们的社交娱乐增加了一种新的可能性；亚马逊加入AR购物功能，增强了我们的购物体验。 此外，AR在汽车领域也展示出了极大的发展潜力，比如我们今天提到的AR－HUD，它的出现，让汽车驾驶体验上升到了一个新的台阶。
图源：WayRay
从C－HUD到AR－HUD 抬头显示的迭代之路
HUD，英文名为Head Up Display，百度百科的解释为抬头显示，也有人称之平视显示系统。 最初HUD用于军事领域，它可以把飞机飞行时的一些参数比如高度、速度、导航信息等重要信息投射到飞行员正前方的面板上，这样就避免了飞行员频繁低头查看仪表盘信息，从而提高了专注度。后来，这项技术被引入到了汽车当中，1988年通用汽车推出了首款搭载HUD的量产车型。 如果以技术迭代来看，目前HUD又可以分为C－HUD（Combiner HUD）、W－HUD（Windshield HUD）以及最新的AR－HUD这三种。 C－HUD推出时间较早，它采用了屏幕设计，显示屏通常为透明树脂玻璃。该产品成本以及技术难度较低，不过它的投影范围小，VID（虚拟图像距离）通常小于2．5米，未来会被逐步淘汰。
C－HUD产品，图源：网络
W－HUD则没有采用屏幕设计，它利用反射原理将导航数据投影到挡风玻璃上。与前面的C－HUD产品相比，具有显示范围更大，VID更远等特点。根据海通国际的研究报告指出，目前W－HUD的FOV能做到10°X4°，VID约为4－5米，为当前主流的HUD产品。 而AR－HUD，可以简单把它理解为增强现实版本的W－HUD，它的一些参数要优于普通的W－HUD产品。 德州仪器数据指出，HUD产品如果想要实现增强现实功能，需要达到VID＞7米，并且FOV＞10°。当VID大于7m，人类视觉对深度的感知能力会降低，在这个距离的投影图像会使驾驶者产生图像与现实世界融合的错觉。
图源：德州仪器
在功能方面，理想的AR－HUD产品能实现跟车提醒、行人预警、车道偏离指引、变道指引等一系列功能。更重要的是，它的投影内容能实现虚拟影像与现实世界内容的深度融合。 此外，从一些HUD厂商的概念视频来看，未来AR－HUD与3D地图等数据相结合，可以把商场、餐厅广告等LBS AR信息投射到画面中，俨然一副AR眼镜。
图源：Raythink
AR HUD爆发前夕 面临哪些技术难点 有人把2021年称为汽车AR－HUD元年，这一年众多国内外主机厂开始推出搭载AR－HUD的车型，比如长城摩卡、吉利星越L等。不过，AR－HUD跟当前AR眼镜一样，仍然处于发展早期阶段，技术并不成熟。 VR陀螺了解到，当前AR－HUD面临着以下几方面技术难点： 一、画面调整 AR眼镜用户都知道，当我们佩戴眼镜时，视线需要放到某一个合适的范围，这样才能看清楚显示画面（该参数为EyeBox）。同样，AR－HUD也有这一问题。由于驾驶员的身高各不相同，导致每个人的行车视角都不一致。如何调整AR－HUD投射的画面，使之避免出现画面发虚、错位等问题，比较考验HUD厂商的能力。
AR－HUD光路，图源：网络
据了解，华为AR－HUD的解决方法是利用IMU（惯性传感器）以及DMS（驾驶员监控系统）来监控行车状态，然后实时对显示画面进行调节，以达到画面稳定的目的。
松下在CES 2022上发布的AR HUD 2．0版本，里面新增了眼动追踪系统，美国松下汽车系统公司首席技术官Andrew Poliak说道： ＂松下AR－HUD 2．0延续了将集群和HUD等显示域向上集成到中央信息娱乐计算模块的趋势。
通过将我们专有的眼动追踪技术整合到AR－HUD中，我们可以了解驾驶员的正在注视的位置，然后将AR图像与现实世界更准确地匹配和聚焦，从而提高驾驶员视野中图像的保真度。＂ 二、虚实融合 FUTURUS创始人徐俊峰指出：“AR－HUD最难的就是通过3D光场显示技术呈现虚拟世界，以及虚实实时融合技术。” 想要实现画面虚实融合，首先就需要实现画面虚像的连续变焦，由于车辆处于实时运动状态，虚像与现实的融合效果也需要实时做出调整，这需要引入多种传感器进行协同工作，并且对于算法也有着很高的要求。
图源：Futurus
目前为了实现更好的显示效果，有些厂商推出了双焦面HUD产品。所谓双焦面，指的是把投影画面投射到两个不同的焦面当中，其中近距离焦面显示车速、行驶里程等信息，而远距离焦面用于显示导航指引、切线指引等信息。
此前大众ID系列纯电动车采用的就是双焦面AR－HUD方案，而近日，国内华阳多媒体宣布其AR HUD产品双焦面技术已经实现突破，采用的是单PGU设计方案。 值得一提的是，目前很多已量产的AR－HUD产品实际上仍无法很好实现虚实融合效果，前面所说的双焦面也只是一个过渡方案，所以也有人把这部分产品称之为“假AR－HUD”。
如果想要实现“真3D”效果，目前主流的技术路线有两种：一是全息光波导技术，这一技术的代表企业有DigiLens，二是激光投影技术，代表企业有松下以及WayRay。 去年WayRay就展示了一款概念车型Holograktor，该车型配备了全息显示技术Deep Reality Display，可以实现3D AR的动画效果。
图源：WayRay
据悉，激光投影技术的主要原理为：当包含高透光聚合物薄膜的玻璃受到激光装置照射时，能生成明显的3D图像。WayRay表示，它能做到比现有的HUD具有更大的视野，并且在零到无穷远之间的不同视觉深度下，信息可以显示得更亮。
这意味着它在阳光直射的状态下，依然能很好地工作。 三、成本问题 据了解，宝马5系选装AR－HUD价格为11600元，奥迪A6L价格更是高达18700元。AR－HUD成本较高，成为了限制它推广的重要原因之一，目前市面上搭载AR－HUD的量产车型有奔驰S级、奥迪A6L、红旗E－HS9、大众ID4等，以豪华车型居多。
AR－HUD产品售价较高，究其原因，与制造工艺难度大、定制化程度高等因素有关。 国内汽车计算平台提供商布谷鸟科技指出：从光学的角度来看，挡风玻璃是自由曲面，而为了形成不失真的图像，就要求HUD中的凹透镜发出非常精确的图像
。因此，在制造大镜片的过程中对容差的要求非常严格，集团HUD非球面反射镜采用塑料注塑成形方法生产，整个表面的容差在 5 微米 （0．005 mm） 以下，需要使用十万级或万级无尘室车间。 此外，国内HUD生产厂商Futurus表示，汽车生产研发期间，每一次车型的微小调整、挡风玻璃角度的变化，都需要相应地调整HUD光路设计方案，特别是核心部件光学曲面镜。
如果车身传感器布局出现变化，HUD的数据接入也需要相应调整。这也注定了AR－HUD很难实施批量化、模块化打造。 四、体积问题 前面提到要实现虚实结合的效果需要保证HUD产品提供比较大的FOV以及VID。但随着显示尺寸变大，成像设备的尺寸也会随之增大。比如装配在奔驰S级车上的AR－HUD，体积就达到了27L，而相较之下，W－HUD等传统产品的体积只有4－6L。
华为在IAA MOBILITY 2021展出的AR－HUD产品，图源：网络
为了缩小AR－HUD体积，目前主流的方法是优化光路设计，如缩小PGU与反射镜距离，又或者引入新的波导技术等。
有意思的是，也有厂商设想过在汽车中引入AR眼镜以完善导航体验。三星曾经在美国专利商标局发布了一个关于增强现实眼镜的专利申请：驾驶员佩戴AR眼镜，通过内置的导航应用程序，可实现变道提醒、目的地导航等功能。此外，该专利中内部车载摄像机可以识别用于控制用户界面或向系统发送命令的用户空中手势。
华为在去年也公开了一件智能穿戴设备相关专利，专利公开号为CN113686350A，专利中提到可以利用AR眼镜设备补充显示时间、车速以及油耗等信息。
图源：华为
结语
AR－HUD目前体验仍不算完美，还有前面所提到的众多问题需要解决，但是它的技术以及市场潜力不言而喻。 根据高工智能汽车研究院发布的数据，2019年国内新车HUD搭载量为28．51万台，2020年则增长近1倍至58．01万台；
预计到2022年HUD前装搭载率将超过10％，2025年国内前装渗透率将达到25％，市场空间近100亿元。 目前，HUD赛道吸引了国外伟世通、日本精机、日本电装、德国以及国内的华阳集团、江苏泽景、Futurus、瑞思华创等厂商入局。 不过值得注意的是，目前也有观点指出，AR－HUD只是未来实现完全自动驾驶的一个过渡技术，毕竟实现自动驾驶后，AR－HUD抬头显示的便利，对于用户而言，也就显得无足轻重了。不知道你们持有什么样的一个观点呢？
