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一文了解AR HUD技术的原理及系统架构

KA_IX

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发表于 2022-11-30 15:47:31

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随着AR HUD技术以及体验感的升级，大众ID.3/ID.4与奥迪Q4都采用了AR-HUD，AR-HUD成为汽车电子的热门话题，几乎所有的新车都规划使用AR-HUD。HUD技术起源AR HUD即AR技术与抬头显示的结合体。AR技术，全称Augmented Reality，翻译一下就是增强现实。是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。HUD技术最早于1990年提出。二战前用在枪械瞄具和战斗机瞄具上。二战之后，HUD技术开始逐步应用到战斗机上，到了现代，战斗机上的HUD逐渐被头盔式显示器（HMDS）取代。

车载HUD起源于战斗机上的HUDHUD，就是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的风挡玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。AR HUD是在HUD光学投影系统中融入AR技术，在我们看到的真实世界中覆盖上数字图像，使得HUD投射出来的信息与真实的驾驶环境融为一体。

HUD工作原理AR HUD是一个精密的光电系统，它需要整合ADAS系统所采集到的行车信息，搭配高精度地图，再以优质的HMI设计，将信息投射在前风挡之上。

对比项	传统W HUD	ARHUD
VID	2.5m左右	7.5m以上
FOV	约6°×2°	>10°×3°
画面尺寸	10英寸左右	>50英寸
体积	可以做到3升左右	10升左右甚至更大

从应用上讲，在HUD技术发展的前期阶段，因为显示效果差、成本高，一直没有得到广泛应用，甚至被认为是鸡肋。AR HUD是展现智能汽车智能化程度的重要配置之一。随着HUD技术的发展，直到2020年，奔驰S级发布AR-HUD（增强现实型抬头显示系统）能以图像将虚拟信息与道路实景结合，目前已在奔驰、奥迪、大众、长城等相关车型上实现量产，市场反响强烈，HUD再次得到广泛关注。

奔驰S AR-HUDAR（增强现实）技术令导航信息与实际路面信息叠加，导航信息的显示更为直接且易于理解。且AR-HUD结合ADAS功能，可以实时进行道路危险警示和预告路况，提升驾驶安全性。国产品牌长城做跟随的步子较快，我们看一下摩卡上的显示效果：

长城WEY 摩卡AR HUDHUD显示内容HUD的初衷是帮助驾驶员减轻认知负荷，提升对当前情势的感知能力。通常可在HUD上显示的信息包括：车辆信息和外界信息。

1. 车辆信息车辆信息指能够反映当前车辆状态的信息，HUD一般通过车载总线获取，具体包括以下四类：
1) 核心信息指在传统仪表上显示的部分重要信息，如车速、转速、里程、油量等。2) 提示信息指在车辆行驶过程中需要显示部分提示信息，如挡位、转向灯、远光灯、雾灯、车内温度、瞬时油耗等。3) 报警信息包括请求驾驶员接管、安全带提醒、燃油/电量不足、发动机状态、车门状态、驻车状态、机油剩余量、胎压、安全气囊状态、玻璃清洗液存量等。4) 附加信息指部分车型上的特色功能信息，如四驱模式、转向模式、驾驶模式、天窗及天窗开启状态、座椅状态、底盘状态等。2. 外界信息HUD除了可获取车辆自身的状态信息外，还可通过与外界的交互获取更多外界信息，具体包括：1) 出行包含有定位、地图、导航、行人/障碍物检测、车道保持辅助等信息。2) 安全主要显示来自智能驾驶系统感知到的实时交通情况，以辅助驾驶员安全驾驶，包括：超速预警、前车碰撞预警、车距信息提示、交通信号灯提示、道路安全预警、远程故障诊断信息等。3) 生活主要指通过车联网获得的交通违章信息、保养信息、停车场车位信息、代驾预定等。4) 智能办公如微信、邮件、电话、语音/视频会议、文档处理等。5) 娱乐如音乐和电台的播放控制、音量控制、影音媒体播放及控制等。HUD的意义1. 提升驾驶安全性正常驾驶时，人眼需要在道路和仪表之间来回切换，容易导致视觉疲劳和注意力分散。一项美国的研究表明，假设车辆行驶速度是120km/h，如果驾驶者的视线偏离路面2秒以上，车辆会行驶超过65m的距离。HUD技术的最大意义就是可以让驾驶者不用将视线从路面上挪开就能获取大量的信息：驾驶员查看HUD上的信息，需要低头5°~10°，而查看组合仪表需要低头20°~25°。

2. 提升人机交互体验除了提升驾驶安全性外，HUD技术还可进一步提升人机交互体验。一方面，HUD可让车况、智能驾驶等信息的显示更为高效；另一方面，HUD还可大幅增强导航的显示效果，使二维导航迈向实景导航。

现代艾尼氪AR HUD，来源康宁视频HUD的分类汽车HUD主要有三种类型：组合型抬头显示系统C-HUD（Combiner-HUD）、风挡型抬头显示W-HUD（Windshield-HUD）和增强现实型抬头显示系统AR-HUD（Augmented Reality HUD）。1. C-HUDC-HUD更多应用在后装市场，其会在汽车仪表上方、仪表板顶部加装一个半透明树脂板，再将该树脂板作为投影介质反射出虚像。该树脂板通常会根据成像条件进行特殊处理，例如做成楔形来避免反射重影，提升显示效果。

C-HUD2. W-HUDW-HUD用于前装，目前有多条技术路线：基于曲面反射镜放大成像、基于全息光学元件（HOE）放大成像和基于全息光波导（Waveguide）放大成像。

W-HUDW-HUD的劣势在于，挡风玻璃通常为曲面反射镜，W-HUD必须根据挡风玻璃的尺寸和曲率去适配高精度曲面反射镜，导致成本相对较高。
3. AR-HUDAR-HUD和W-HUD一样使用前挡风玻璃作为成像介质来反射成像，但AR-HUD成像区域更大、投射距离更远、成像也更为生动。AR-HUD需要通过智能驾驶的传感器（摄像头、雷达等）对前方的路况进行解析建模，以得到对象的位置、距离、大小等要素，再把HUD显示的信息精准地投影到对应的位置。AR-HUD可将投射信息与交通环境进行高度融合，例如行驶过程中的车道线贴合、前方障碍物/危险物贴合、车道偏离预警与车道线贴合等。

AR-HUDAR-HUD整体显示效果出众，是智能驾驶和智能座舱解决方案的重要组成部分。虽然AR-HUD各方面性能都是最佳，但是体积最大，在整车上布置较为困难。同时目前AR-HUD技术还不够成熟，显示效果仍需提升。AR-HUD的系统架构AR-HUD目前仍普遍作为一个独立模块存在，其主要从智能驾驶域和智能座舱域获取环境感知信息及地图导航信息。具体包括：

地图导航信息：路线指引曲线方程、前方路面与车辆相对倾角、目的地信息及相对车辆坐标、导航箭头形式信息及激动点信息、导航剩余距离信息、导航剩余时间信息等。
环境感知信息：车道线类型、车道线曲线方程及颜色、前车位置及车速、设定车速、行人及障碍物信息、信号灯状态信息、限速信息等。

AR-HUD系统架构
AR-HUD在接收这些信息后，需要进行数据融合/处理，最后再进行3D渲染。AR-HUD该具备哪些性能？具体下来，什么样的AR HUD才是一台可以给驾驶员提供智能化驾乘体验的优秀产品呢？下面，就来聊聊AR HUD的部分关键性能。

1、虚像距离VID＞7.5mVID(Virtual Image Distance)虚拟图像距离，可以理解为图像焦点到眼睛的距离。就我们的直观感受而言，成像能够覆盖的距离越远，成像尺寸越大，AR-HUD的效果就会越好。

一般情况下，HUD的显示图像和道路并不是在一个平面，此时人眼需要在道路和显示图像之间也需要来回切换，调整焦点，会有一定的安全隐患。因此，行业内普遍认可的AR HUD起码需要具备传统7.5m的VID，部分厂商的VID会做到10m甚至13m。2、视场角FOV＞10°Field of View，又名“视场角”， FOV是以眼睛为顶点，以眼睛看到虚像的最大范围的两条边缘构成的夹角。

视场角示意图FOV反应了我们看到的AR-HUD图像大小，AR-HUD的水平FOV至少需要达到10°以上。在保证成像距离、大小的同时，要扩大FOV，以实现覆盖多车道显示，这对功耗控制与光学设计有着很高的技术要求。3、亮度＞12000cd/m2投影显示的效果由投影光线的亮度和环境光亮度决定。白天汽车前方的环境光往往非常强，特别是在阳光直射的时候。为了保证AR HUD的显示效果，就必须保证本身的亮度。目前业界的要求HUD最大亮度在12000cd/m2以上。在具体的行驶过程中，HUD的亮度还需要随着环境光的变化而变化，以保证最佳显示效果。以上这3点可以说是有具体数字指标的业界普遍标准，除此之外，还有着一些成像品质方面的管控。4、消除重影挡风玻璃由于其本身厚度原因，相当于存在2个反射面，光线在经过它两个面的反射后会形成2个虚像，也就是我们平时所说的重影。重影的存在，会极大地影响AR-HUD的成像质量

玻璃反射的重影问题常见的解决方案之一，是将前风挡玻璃做成楔形，让玻璃的两个反射面形成一定的角度。这种方式一般是使用PVB楔形膜，会极大的提升前风挡成本

楔形PVB玻璃，可以有效降低重影的影响，来源积水化学第二种办法就是通过镀膜来实现，比如说福耀玻璃便有研发这一技术。除以上办法之外，通过优化光路或算法也能在一定程度上减轻重影。5、畸变矫正HUD的图像畸变有两种：其一是由于风挡本身是一个不规则曲面，光线经过反射进入到人眼中很容易变形，就像哈哈镜成像那样。第二种畸变则是HUD光学结构中的反射镜不可能100%的标准，在AR HUD较传统WHUD数倍的放大倍数之下，轻微的畸变都不可忽视。

图片截取自EPSON演讲PPT改善方案的话包括算法芯片将图像矫正，改善光学路径等，还有一种则是有厂商采用的裸眼3D技术。6、良好的散热AR HUD在工作时的热量来源也是两个方面：第一个是由于AR HUD需要具备高亮度，光源发热量大；第二个则是难点——阳光倒灌问题，由于光路的可逆性，自然界中的光线会沿着投影光路而集中到PGU中。过高的热量会对PGU的光电元件造成严重损伤。因此散热是一个重要的问题。

目前量产的HUD都具备较大的散热结构7、消除光斑光线传播的双向性会导致外界的阳光进入HUD内部，这么一来，部分外部光线经过HUD内部反射器件的反射之后，就可能进入驾驶员的眼睛，从而产生所谓的“光斑”。光斑可能导致驾驶员无法看清前方的局部路况的情况，哪怕只是短时间的，也会给驾驶带来安全隐患。所以，如何消除光斑也是AR-HUD不得不解决的一个问题。除了以上对HUD品质方面的管控外，AR效果方面也要做到更好：
8、前方道路融合将信息直接显示在真实道路上是AR HUD的重要特点，实现这一特性需要通过ADAS前视摄像头对前方的道路情况进行解析建模，得到对象的位置、距离、大小；再把HUD需要显示的信息精准的投影到对应的位置，让人眼、HUD显示面、真实道路在一条视线上，才能达到足够沉浸的AR体验。

根据前视图像建模后将信息叠加到实际道路上9、眼盒&驾驶员视线追踪人眼、HUD、道路三点一线还有一个极其不稳定的因素，就是眼睛的位置。驾驶员的高矮、坐姿、头部位置等等都会影响眼睛的位置和视线的方向。所谓“眼盒”，就是眼睛可移动的区域，如果眼睛位于这块区域内则能够看清整个图像，反之出了这块区域，则无法看全整个图像。一个好的AR HUD，会有一个合适的眼盒大小与位置。通过眼动追踪+图像位置实时自动调节，便可以保证良好的AR显示效果。接下来，我们看看华为的AR-HUD：华为在慕尼黑国际汽车及智慧出行博览会上展示了其最新研发的AR-HUD，其关键参数如下：FOV视场角为13°x 5°，视场角为7.5m，显示画面70寸。华为AR-HUD的另一大优势是占用体积仅需10L。华为基于在ICT光领域二十多年的深厚积累，创新地将光技术黑科技应用于智能汽车领域，重磅打造以AR-HUD为代表的智能车载光解决方案。华为AR-HUD凭借小体积、大画幅、超高清的关键能力，提供仪表信息显示、AR导航、安全辅助驾驶、夜视/雨雾增强提示和影音娱乐等丰富应用场景。