智能座舱系列：HUD – 市场剖析、技术解读与人机交互-专家交流纪要

嘉宾：某抬头显示器公司 研发总监嘉宾：各位领导早上好，今天给大家带来的报告是现实增强抬头显示器的市场纵览，在这份报告里面，然后我们会从抬头显示器产品的角度，它的分类、技术的难点，当下市场的纵览，以及抬头显示器主要玩家的一些玩法，做一个详细的介绍，希望各位领导会对这个行业有些了解。首先我们看一下抬头显示器产品的使命。抬头显示器是在挡风玻璃上面生成一个虚像，作为路面叠加，只有在驾驶员的角度可以看见它。驾驶员不需要低头就可以看到所有的重要信息，例如速度报警信号或者一些导航的指示。所以抬头显示器诞生的初期，是让驾驶员的注意力集中在路面上，这是它的产品的使命。我们来看一下当下市场上面不同的抬头显示器的解决方案。当下市场分成挡风玻璃抬头显示器，称之为 W-HUD。现实增强抬头显示器称之为 AR-HUD。集成型的抬头显示器称之为 C-HUD。它们在技术参数上各有不同。挡风玻璃抬头显示器是直接将抬头显示器的虚像投影在挡风玻璃上面，它的最大的 虚像尺寸会做到 10°×4° ，投影距离一般是在 4.5 米的范围内，可以让驾驶员不需要低头就看见前方的虚像。它的图像生成单元，也就是产生高亮度光源的生成单元，一般是用TFT 或者是DMD 技术， 它的角分辨率为了让驾驶员达到一个最直观的感受。一般会做到 80px/°。亮度需要在正午太阳光直射的情况下可以看见虚像，一般会定义在 15000cd/m2 的范围内。而现实增强抬头显示器在某种理论上说是 W-HUD 的一种延伸。我们可以看到它是将虚像做的更大，虚像尺寸一般会做到 15°×5° 这个更大的范围之内，投影距离也会做得更远，最大的投影距离甚至做到了15 米。对于它的图像生成单元，取决于投影技术的不同，一般在小于 10 米的时候会用TFT 技术，在大于 10 米的时候会更多地用DMD 技术去解决。后面我会对 PGU 的图像生成单元做一个详细介绍。现实增强型抬头显示器的角分辨率也是 80px/°，它的虚像最大亮度最大做到 15000cd/m2，还是跟W-HUD 一样，因为它实际上是 W-HUD的一种延续的产品。但是集成型的抬头显示器，实际上在挡风玻璃的后面还有一块独立的玻璃，我们把所有抬头显示器的虚像投影在这块玻璃上面，这样子就可以不依赖于挡风玻璃进行投影。它跨平台性比较强，但是因为它后装的痕迹比较多，所以集成型抬头显示器在当下的市场呈现一个逐渐萎缩的趋势，这并不是当下一些大厂去关注、往市场上面去推的产品。它的虚像尺寸最大也只能做到5°×1.4° ， 因为是一块独立的玻璃，投影距离会做到2 米或者 3 米，因为它是一个经济适用型的产品。图像生成单元只用 TFT 的技术，角分辨率会比 W-HUD 稍微小一点，会做到 70 个 px/°。这样可以更好地控制1成本。亮度的话，因为它不是直接投在挡风玻璃上面的，亮度只需要做到 12000cd/m2 就可以了，这是当下市场的三大分类。为了统一对应这些名词，我们对抬头显示器内部的一些专用术语做详细的介绍。首先抬头显示器的光学原理是什么呢？在抬头显示器的最内部有一个Picture Generation Unit，就是图像生成单元。这个图像生成单元会产生 100000cd/m2 的亮度的图像，然后光从 PGU 出来以后，会在第一面的平面镜上做第一次反射。反射结束以后，它会在非球面镜上做第二次反射。非球面镜有两个作用，一是放大作用，把从 PGU 出来的图像做了第一次放大。二是非球面镜需要去耦合挡风玻璃的弧度，让产生的图片是一个正正方方的图像。光在非球面镜上面做第二次反射以后，它会穿过抬头显示器的上盖板，在挡风玻璃上面做第三次反射。挡风玻璃是有弧度的，这是我刚才所介绍的，光在挡风玻璃反射过了以后会进入人眼，让人感觉虚像是在前方 2 米、5 米甚至 10 米远的地方，这就是抬头显示器的光路原理。 对应的第一个专业名词叫做光路，光路就是光走过的路程，刚才我介绍的从 PGU 到平面镜、到非球面镜，再到挡风玻璃，这就是抬头显示器的一个完整的光路。第二个我们称之为下视角，下视角是个什么概念？我们可以看到虚像到人眼是有下视角度的，也就是说虚像到人眼跟水平轴之间的距离，称之为下视角。为什么需要下视角？我们不希望抬头显示器的虚像下视角是零，直接垂直在人眼的前面，这样子会更多地遮挡前方的路面，会阻碍驾驶员去看前方的来车，所以需要有下视角的概念。更多地让虚像可以贴合路面，下视角是评判抬头显示器贴地程度的好与坏的指标。一般轿车跟 SUV 的下视角是有明显区别的，轿车的下视角一般是做在 1.5°到 3.5° 之间，SUV 是 3.5°到 5°之间，因为车的底盘高度不一样。视野盒是一个什么概念？我们知道驾驶员是有高、中、矮三种不同的分布的，如果遇到身高较高的驾驶员，抬头显示器就需要把非球面镜通过电机去转动角度 去适应驾驶员的身高。对于矮身高的驾驶员也是一样的，对于高中矮三种不同身高的驾驶员，所综合能 看到抬头显示器虚像的观察范围，称之为视野盒。最后我们看一下图像生成器，抬头显示器最重要的核心就是图像生成器，它会发出 100000cd/m2的一个高亮度的图像光源。怎么去呈现这么高亮度的图像是抬头显示器设计的难点之一。最后我们看一下投影距离这个概念，投影距离其实并不是驾驶员人眼到虚像的直线距离，而是驾驶员人眼到虚像在水平轴上的距离。下一张图更多地说什么是虚像尺寸 FOV，虚像就是我们的视场，视场就是虚像大小。举个例子，我们经常说虚像大小 FOV 是 9°×3°的，9°×3°是一个什么概念？9°就是它的在X 轴方向上面，这个图像的左边缘到驾驶员的人眼，到图像右边缘，这个弧度的角度为 9°。3°是指图像的上边缘到驾驶员人眼，再到图像的下边缘，这上下的距离是3°。所以它是一个角度的概念。抬头显示器是一个投影装置， 一般是 以角度为单位，并不是以多少英寸或者多少毫米大小去衡量抬头显示器虚像尺寸大小的。因为投影距离越远，尺寸就越大。这是一个视场的概念。在这一页介绍抬头显示器的主要零件。抬头显示器分成上盖板区域，上盖板区域它是由 PC 材质的玻璃面板加上一些塑料支撑面组成的。上盖板最主要的作用是防止太阳光的直射和反射。因为太阳光是可逆的，虚像会从上盖板透明面板上面穿过去，太阳光也会从抬头显示器的上盖板进行反射，直接进 入人眼，所以上盖板要做好防反射的处理。避免更多的太阳光在抬头显示器的上盖板直接进入人眼，这会让驾驶员产生一个炫光的效应。所以上盖板的设计实际上更多的是光学的设计，怎么防止炫光，怎么防止太阳光的杂光更多地进入驾驶员人眼。要做很多次光学模拟，包括杂散光分析，以及设计炫光阱的高度和杂光阱的高度，规避太阳光的直射和反射。甚至玻璃面板也要进行防反射处理，避免太阳光直接在玻璃面板上面进入人眼。中间区域称之为光学零件区，它由非球面镜、平面镜、轴承组合等去决定这些光学元器件。光学元器件又称之为成像光学元器件，它定义了最终的成像的质量。包含的定义参数是光学的最终成像质量参数，其中虚像尺寸其实是非球面镜所能放大的倍数决定。眼盒尺寸更多地是通过轴承去转动非球面镜的一个有限的角度决定的，下视角范围是平面镜跟非球面镜所成的夹角决定的。投影距离是怎么定义的，非球面镜实际上是个放大镜，左边如果是物体，多远的物距就决定了多远的相距，要实现 10 米以上的投影距离，在放大倍数是一定的情况下，我们从 PGU 到非球面镜的距离就决定了物距，简单地说，非球面镜、平面镜跟 PGU 的摆放位置就决定了抬头显示器可投影的投影距离。当非球面镜的放大倍数一定的情况下，从 PGU 到非球面镜的距离决定了投影距离。非球面镜在放大倍数一定的情况下，需要成多大的虚像就决定了非球面镜有多大。如果 FOV 是 10°×4° ，投影距离是 7.5 米，通过简单的一个空间模型，就可以计算出来抬头显示器它所需要的一个体系。 再往下是是图像生成器，图像生成器又称之为照明光学，它是会通过 LED 发出高亮的光源， 照射在 TFT 上面，然后让整个 PGU 产生高亮度的图像，所以它决定了色域。因为对比度和分辨率是TFT 决定的，它的亮度是TFT 下面的背光源决定的。均匀度是由 PCB 上面的LED 的布置密度决定的。所以图像生成器定义了这么多的相关参数，这也是抬头显示器的一些主要零件的组成部分。下面一个部分我们可以看到汽车跟驾驶员交互方面，系统层级上抬头显示器有什么挑战？首先从 光学层面上来说，视野盒大小跟眼椭圆的定义，其实一般 OEM 在设计初期的时候，会提供给我们一个汽车眼椭圆的大小，什么叫眼椭圆？就是驾驶员人眼随着驾驶员身高高中矮不同的人眼的分布，然 后我们会根据眼椭圆的大小去设计好视野盒的覆盖范围。我们尽量想覆盖 99%人群中的眼椭圆的范围。这样可以让 99%身高分布的驾驶员都可以让看见抬头显示器的虚像。所以怎么根据 OEM 的眼椭圆的输入去设计视野盒的完整分布，是光学层级的第一大挑战。第二个挑战是挡风玻璃的设计与优化，这 里面包含的是模块化弧度跟重影，怎么去理解？每辆车的挡风玻璃的弧度都不一样，在设计抬头显示 器的时候，我们要更多地去优化设计，包括抬头显示器投影的挡风玻璃，我们希望它的整个弧面的曲 率变化率是有限的，在驾驶员在人眼左右变动的时候，看到的不是一个动态变化的图像，所以我们要 在最早期的时候跟OEM，特别是OEM 做挡风玻璃的部门，去做一个深度的交互，定义好挡风玻璃的曲率变化率，定义好挡风玻璃在抬头显示器区域的弧度，这是我们让抬头显示器虚像质量提高的最好 的方式。我们也知道，因为挡风玻璃是有厚度的，抬头显示器会产生重影的现象。我们在设计抬头显 示器的时候，就需要在挡风玻璃中间去做楔形角，然后通过楔形角定义好角弧度，去规避重影的现象，不让在挡风玻璃的内外表面反射的光平行进入驾驶员眼睛。所以我们在设计的最初期，还要跟挡风玻璃的供应商去做深度的交互，去设计 PVB 楔形角弧度去规避重影的现象，这是光学层级的第二大挑战。第三大挑战是太阳光的影响。太阳光是无处不在的，它在抬头显示器的上盖板上面会产生反射， 直接进入人眼而产生炫光效应，这对驾驶员驾驶是非常危险的。太阳光会沿着光路进入到抬头显示器内部产生阳光倒灌，对抬头显示器产生热应变的现象。怎么在光学设计里面，更多地利用抬头显示器的结构特点 去规避太阳光的反射，去降低太阳光热应变以及阳光倒灌的现象，这是光学设计的第三大挑战。在结构方面、机械方面，抬头显示器的技术挑战会在什么地方？首先是根据光路设计执行体积的优化。其实抬头显示器就是一个放大镜的原理，多远的物距决定了多远的相距。非球面镜放大率一定的情况下，需要多大的一个虚像，非球面镜需要多大就可以简单地计算出抬头显示器的体积大概的范围，怎么去合理地布置内部光路的结构，让抬头显示器的体积达到最优化的状态。这是我们结构设计里面一个比较大的课题，我们经常会在不同的案例里面看到，这个抬头显示器需要 17L，那个抬头显示器需要14L，这更多来自于结构工程师摆放的优化程度，包括整车内的位置的优化。抬头显示器本身是一个比较大的元器件，不希望更多的跟整车内的中央横梁、转向柱、CCB 等有干涉的现象。怎么在光路合理的情况下去优化抬头显示器在整车内的布置，尽量避免干涉，是结构设计里面的第二大挑战。第三大挑战装配点，安装与拆卸方案的设计，我们不希望抬头显示器在 OEM 和 4S 店里面安装或者拆卸的时候，需要把整个 IP 台都扒下来，怎么去设计好安装跟拆卸的方案，让 OEM 或者 4S 店去安装或者是组装抬头显示器也是一个最优的方案。这对于抬头显示器供应商来说，也是一个比较大的设计课题。最终是震动稳定性设计，抬头显示器是安装在发动机舱后面的，发动机总是在转动，发动机转动，隔热防火棉会传播能量过来。如果抬头显示器非球面镜的放大倍数是 10 倍的话，每一毫米的震动就会带来虚像一个厘米的上下震动，这是我们不能接受的。怎么通过抬头显示器的安装以及自身的共振，去规避发动机舱包括路面所带来的一些可能的震动效应。这也是抬头显示器在结构设计里面带来的第四大挑战。在零配件层级上面，如果把抬头显