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01
什么是HUD技術
HUD（head up display抬頭顯示器）是將重要信息顯示在擋風玻璃上的一種顯示系統，基本原理是：投影儀發出的光信息，經過一系列的折射、反射等投影到擋風玻璃上，人眼就能看到投射在上面的信息，感覺信息就像懸浮在前方一樣。
02
怎樣實現HUD
HUD的原理簡單而言，我們可以把它理解為一個幻燈片投影的過程。由一個模組提供光源（可以理解為一個投影儀），光源發出圖像，通過反射鏡反射到投影鏡上，再由投影鏡反射到擋風玻璃上，從而在擋風玻璃的前方產生一個虛像，在駕駛員的位置上，人眼能夠觀察到這個虛像。
03
什么是AR-HUD
AR，全稱Augmented Reality，又稱為“增強現實”，也就是我們平時所說的“所見即所得”。
AR-HUD(Augmented Reality Head Up Display)，即增強現實與抬頭顯示的結合，是一種將渲染元素投影在真實世界的技術，也是目前用戶理解成本最低的展示方式。
它利用了AR的成像技術，在我們看到的真實世界中覆蓋上數字圖像，使得HUD投射出來的信息與真實的駕駛環境融為一體。
04
AR-HUD的優點
AR-HUD通過其特殊的光學成像原理，結合某些光源，能夠很大程度地提高成像亮度，使得駕駛員在高亮的環境光下，同樣能夠看清圖像；
AR-HUD的成像距離能夠達到5-7.5米，使得虛像能夠與20米以外的物體或路面實景發生疊加，形成增強現實的效果，讓駕駛員可以觀察現實環境的同時獲取到提示信息，不再有視覺盲區的存在；
AR-HUD的成像尺寸可以達到30寸以上，顯示的信息更加豐富、多彩；
AR-HUD本體埋于IP面之下，成像也不需要借助外置的玻璃，通過擋風玻璃就能夠形成一個虛像，因而不存在安全隱患；
由于成像利用的是擋風玻璃，所以可通過使用楔形玻璃來解決重影的問題；
05
AR-HUD的缺陷
首先是成本，AR-HUD作為一種新型的HUD，其技術方案更加復雜，研發、生產成本自然也會比傳統的HUD更高；
其次是尺寸， 傳統HUD的光機尺寸一般在7升左右，而AR-HUD的光機尺寸會達到11升以上；
然后是熱量，由于AR-HUD的亮度更高，隨之而來的代價則是溫度的升高。
06
AR-HUD的技術難點
我們就從光源、光學效果、標定、算法等幾方面來展開介紹一下AR-HUD的技術難點。
1）光源
目前，行業內用于AR-HUD的三條基本技術路線，分別是基于TFT、DLP或者LCOS激光技術，還有一種是全息投影技術，后兩種技術被認為是未來的趨勢。
前面我們也提到了，AR-HUD的一大優缺點就是亮度與溫度，而光源的選擇會直接影響到這兩方面的效果，所以我們先一起來看一下適用于HUD的幾類光源。
1、TFT
Thin Film Transistor，即薄膜晶體管。TFT光源是各類筆記本電腦和臺式機上的主流顯示設備，也是傳統HUD的主流配置。在HUD中使用的一般都是小型TFT，尺寸在1.8寸以下。TFT自身不發光，需要背光源進行照明，亮度一般在8000 cd/m2以內，顏色飽和度達80%的NTSC色域，在亮度達到8000 cd/m2的情況下，其功耗超過10W。然而，TFT有一個致命的缺點，它的光源利用率非常低，在4%~8%之間，對反射角度和距離都有比較高的要求，所以在高亮的日照情況下，TFT光源顯得有些力不從心，圖像會無法看清。
2、DLP
Digital Light Processing，目前有兩種成像方式：一種是 TI（美國德州儀器）技術，采用 mems 芯片，通過由數百萬微型震鏡組成的震鏡陣列以不同角度開合反射成像，成本相對較低；另一種是美國公司 microvisin 激光 DLP 投影技術，通過一枚震鏡高速振動打光成像，光源利用率更高，但成本昂貴。DLP的亮度能夠達到15000 cd/m2，顏色飽和度達到125%的NTSC色域，而且，在亮度達到15000 cd/m2的情況下，功耗能夠控制在10W以下。所以無論從亮度、色彩飽和度還是功耗來看，DLP都比TFT有著比較大的優勢。
3、激光投影技術
該技術的工作原理與舊式CRT顯示類似，激光入射至MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電結構）上，由MEMS掃描式的激光在屏幕上的單點顯示從左到右，從上到下，“之”形線路掃描形成顯示。該技術目前主要運用于室外大型投影和演出上，由于并不是全平面投影，激光投影技術具有色域廣、亮度高、聚焦效果好的特點。不同于TFT與DLP，由于激光投影是數字聚焦投影，并不需要HUD配備復雜的光學系統。但激光投影的成本較高，同時也存在安全隱患，而且，激光二極管對溫度較為敏感，無法達到車規要求的85℃的工作要求。雖然，目前已有一些廠商研制出了一套TEC（ThermoelectricCooler，半導體致冷器）來用于激光器的控溫，但其帶來的體積增大、可靠性等問題還有待進一步解決。
2）光學效果
通常，我們會從以下幾個方面對AR-HUD的光學效果作出評價。
1、 成像距離與成像大小
就我們的直觀感受而言，成像能夠覆蓋的距離越遠，成像尺寸越大，AR-HUD的效果就會越好。然而有得必有失，要達到那樣的效果，在成像過程中使用到的“投影鏡”的尺寸就會相應增大，隨之而來的光機尺寸也會隨之變大。而對于一款需要布置在IP面以下的前裝設備而言，空間直接決定了其量產的可行性。所以，如何優化光學設計來縮小體積，就成了AR-HUD產品的一個至關重要的因素。
2、 亮度
對一款視覺設備而言，適應不同環境光的能力是其基本要求。利用上面提到的幾種光源，雖然能夠獲得高亮度的圖像，但是在陰天、隧道、夜晚等情況下該怎么辦？如果始終保持高亮度顯示，不但會引起溫度過高的問題，還會導致刺眼等情況的發生，從而給駕駛帶來安全隱患。為此，一款合格的AR-HUD產品，結合光感實現亮度自動調節的功能也是必不可少的。
3、 FOV
Field of View，又名“視場角”，在光學儀器中，FOV就是以光學儀器的鏡頭為頂點，以被測目標的物像可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角。
設想一下，一個人在屋子內透過幾扇窗戶觀察屋外，看到屋外場景的大小是不一樣的，這是為什么？不是因為屋外的場景變化，而是因為窗戶的大小不同，導致了他看到的場景尺寸的變化。而FOV就決定了我們在觀察AR-HUD圖像時的“窗戶”大小。傳統HUD的FOV一般在5度以內，而AR-HUD對FOV的要求至少需要達到10度以上，在保證成像距離、大小的同時，要擴大FOV，這對功耗控制與光學設計帶來了更高的技術要求。
4、 重影
擋風玻璃由于其本身厚度原因，相當于存在2個反射面，光線在經過它兩個面的反射后會形成2個虛像，也就是我們平時所說的重影。重影的存在，會極大地影響AR-HUD的成像質量，那么如何才能消除重影呢？
方法之一就是使用楔形玻璃。普通的擋風玻璃是由兩層玻璃之間夾著一層PVB膜組成的。整塊PVB膜的厚度原本是一致的，而楔形玻璃就是根據擋風玻璃的弧度變化重新設計了PVB膜的厚度，使得光線在經過兩個反射面的反射后能夠匯聚成一條光路，這樣一來重影也就消失了。
5、 眼盒
所謂“眼盒”，可以理解為一塊眼睛可移動的區域，如果眼睛位于這塊區域內則能夠看清整個圖像，反之出了這塊區域，則無法看全整個圖像。由此便帶來一個問題，每個人的身高不同，在開車過程中頭部位置也會發生變化，那如何才能夠保證所有人在整個開車過程中都能夠看清整個投影屏幕呢？
這就需要AR-HUD系統有一個眼部追蹤 + 圖像位置實時自動調節的功能了，而這也正是AR-HUD的設計難點之一。
6、 光斑
眾所周知，在通常情況下光線的傳播是雙向的，換言之HUD能夠把內部光源發出的光傳播出去，那外界的陽光也自然能夠輕易的進入HUD內部，這么一來，一部分外部光線經過HUD內部反射器件的反射之后，就可能進入駕駛員的眼睛，從而產生所謂的“光斑”。光斑可能導致駕駛員無法看清前方的局部路況的情況，哪怕只是短時間的，也會給駕駛帶來安全隱患。所以，如何消除光斑也是AR-HUD不得不解決的一個問題。
除此之外，因為擋風玻璃并不是一塊平面玻璃，而是一塊曲面鏡，它不同位置的曲面變形程度都是不一樣的，這么一來，一個正常的圖像經過這塊曲面玻璃的反射，最終形成的虛像也會發生不規則的變形，我們稱之為“畸變”，這有點類似于我們小時候看到的哈哈鏡。那如何才能把這種變形給矯正回來？手段有很多，比如通過特殊的鏡片制作工藝打磨投影鏡，但這種方法雖然能改善畸變的程度，但效果有限，而且對鏡片的制作工藝要求很高。除此之外還有一種方式，就是對擋風玻璃的畸變做標定，通過軟件的手段來解決這個問題，這種方式相對成本較低，對生產工藝也沒有太大的要求，但對算法的要求則會比較高，算法的好壞會直接影響到畸變矯正的效果。
3）算法
在上面的介紹中，我們也提到了算法，其實在整個AR-HUD產品中，算法是其關鍵的組成部分之一，算法的好壞不單單會影響到畸變矯正的程度，還直接決定了最終AR效果。
我們舉個例子來說，幾乎所有的HUD產品都搭載了行車導航的提示功能，那AR-HUD與傳統HUD的導航功能有什么區別呢？
傳統HUD一般提示的是離下一個轉彎路口的距離、轉彎類型、以及路名等等，對一個對路線完全不熟悉的人來說，還是很容易走錯，尤其是在高架或高速上行駛的時候，一旦錯過一個出口，那就可能意味著要多開幾公里甚至是幾個小時的冤枉路。而AR-HUD除了會提供這些信息之外，還會在駕駛員看到的路面上繪制圖像，告訴駕駛員當前車輛應該行駛的路線、方向等等，當接近每一個路口時也能夠明確地告訴駕駛員應該如何行駛，這一改變不單單是視覺效果上的改善，還很好的解決了前面所說的駕駛問題。
而這個功能正是結合了導航信號、實時定位信號、實時路況信號、實時車速、方向等多方面的信息，經過一定的算法加以融合才達到的效果。在這個過程中，需要考慮到AR的顯示策略、實時性、信號丟失、誤差等等多方面的問題，而算法的價值就體現在對這些綜合問題的解決程度上。
隨著智能駕駛技術的不斷革新，越來越多的外部傳感器的加入，AR-HUD的功能與效果會得到進一步的提升。我們相信，在不遠的將來，就能看到一款真正的量產AR-HUD產品的問世，而隨著整個汽車市場智能化、網聯化的不斷深入，這款產品會煥發出越來越璀璨的光芒。
來源：CSDN@進擊的橫打
原文鏈接：
https://blog.csdn.net/Last_Impression/article/details/139544650
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