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谈谈汽车抬头显示应用火热的AR-HUD

2022-07-18
来源: Vehicle

  AR-HUD作为智能座舱,显示交互《智能座舱系列文六- 它的3种交互方式之显式交互(语音以及显示)》的一个重要零部件是继显示屏幕之后智能汽车的又一重要技术以及供应链战场。

  根据IHS markit 的预测,从2022年开始全球抬头显示的渗透率将快速攀升,到2027年会达到每六台车中就有一台有抬头显示,年出货量达到1700万台;其中中国市场需求占比将近1/3 ,每年将近600万台,增强现实AR-HUD占比会达到7%将近50万台。

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  根据业内人士估计,随着新势力以及智能座舱的更加重视,抬头显示的渗透率和出货量这个数据可能会比IHS markit 预测更高,特别是AR-HUD,再如之前文章《智能座舱系列文六- 它的3种交互方式之显式交互(语音以及显示)》分享中提到的智能座舱技术的重要性。

  所以本文通过对HUD中技术相对高阶的AR-HUD的相关技术以及产业信息做一些分享,希望能给关注行业以及行业内人士一些信息和启发。

  什么是AR-HUD

  AR HUD(Augmented Reality- Head Up Display)就是增强现实的抬头显示功能是继C-HUD(Combiner HUD 组合型)或W-HUD(Windshield HUD 挡风玻璃HUD)之后当前最热门HUD技术。AR-HUD与传统的C-HUD或W-HUD最核心的区别在于:能不能做到车道级的导航以及能否在实际车辆上叠加ADAS的感知信息。

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  C-HUD显示屏为放置于仪表上方的一块透明树脂玻璃,结构简单,成本相对较低。C-HUD是独立镜面可以作为独立系统进行光学设计,一般会根据成像条件对镜面进行特殊处理,设计成本及难度较低,目前前装市场很少应用。

  传统W-HUD其实可以理解为一个投影仪,将图像反射,投影到了挡风玻璃上,实际上相当于把原本显示在仪表盘上的信息,投射到挡风玻璃上。其实这也是HUD设计的初衷:驾驶员不需要低头即可获得车辆行驶的相关信息。但是W-HUD的图像尺寸有限(通常投影距离3m,显示尺寸15-20寸),能显示的信息较少,且图像不会与道路融合,驾驶员仍然需要将视线从路面上移开,重新对焦才能获得信息,这实际上违背了HUD的设计初衷。

  HUD的终极目标,就是让驾驶员在不用将视线从前方道路移开的的前提下,让驾驶员知道行车相关的数据(导航,车速,前车距离,车道等)。而AR-HUD是让车辆信息,导航与视线内的景象融合,省去了视线焦点的转换过程,所以AR-HUD显然是抬头显示的终极路径。

  AR-HUD主要难点

  1) 最主要的难点还是在于算法的融合。AR-HUD需要对道路实况进行解析建模,再把HUD需要显示的信息精准的投影到前方对应的位置,确保人眼,HUD显示面真实道路在一条视线上,才能达到最佳的AR-HUD显示效果。这需要精确的算法和强大的运算能力。这个算法,既需要考虑车外环境信息与相对位置,还要实时考虑驾驶员眼睛的位置。

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  2) ADAS, 高精度地图等相关配套技术还不够成熟。目前市面上的AR-HUD只能显示导航路线,车速这类信息。想要达到一般AR-HUD的宣传视频中的那些效果,还需要BSD(盲区检测),DMS(驾驶员检测),LDWS(车道偏离预警),前碰撞预警等相关ADAS配套产品。

  3) 阳光倒灌问题。HUD大部分采用凹透镜放大投影的光学原理,这个光路反过来,就类似于凸透镜,将阳光光线汇聚到PGU,导致温度过高而烧毁PGU。AR-HUD比W-HUD投影距离更长,虚像放大倍数更大,因此阳光倒灌问题更严重。

  4) 目前的HUD均采用两次反射的光路结构。在这种结构下,为了实现更大的FOV,更远的VID, 需要更大的非球面反射镜,导致AR-HUD的整体体积非常大,通常都会达到15L左右。这种体积导致AR-HUD在中小型车型上难以布置。

  AR-HUD的4种主流技术路线

  根据影像源的硬件与原理的不同,目前主流的成像方式分为4种:TFT, DLP, L COS 以及基于MEMS技术的LBS方案。目前实现量产的有TFT,DLP和L COS,其中MEMS技术的LBS 还处于产业前期阶段。

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  TFT:TFT-LCD是目前技术最成熟的投影技术,其原理是LED发出的光透过液晶单元后将屏幕上的信息投射出去。这个方案的是目前大部分AR-HUD供应商提供的方案,优点是技术相对成熟,成本较低。这一方案的硬件成本,目前国外供应商能做到2500-3000左右,本土供应商能做到2000左右。随着技术的成熟和相关产业链的发展,成本应该可以进一步做到2000以内。

  缺点也很明显,比如阳光倒灌问题难以解决,另外产品亮度不够,在白天显示效果较差。

  目前采用TFT方案的有:大众的ID系列,由LG电子供应。长城Wey摩卡,由maxell供应。红旗E-HS9,由水晶光电供应。

  DLP:DLP即Digital Light Processing的缩写,采用的是TI的专利产品-DMD芯片(DigitalMicromirror Device,中文意思为数字微型反射镜元件)。DMD由数百万个高反射的铝制独立微型镜片组成,每个镜片可以通过数量庞大的超小型数字光开关控制角度。这些开关可以接受电子讯号代表的资料字节,然后产生光学字节输出。

  DLP的优点在于,相较于TFT,DLP更容易获得高亮度,因此在白天阳光强烈时显示效果也不错。由于DLP本身材质以及结构方面的优势,能更好的应对太阳光倒灌问题。DLP不使用偏振光,因此即使戴着太阳镜也能看到显示内容。DLP的缺点在于,成本相对较高,需要用到德州仪器的专利,且产品体积比TFT要大得多。

  以奔驰S为例(由日本精机供应),其体积达到27L,硬件成本在5000以上(仅供参考,具体数据目前无法考证,有知情者欢迎指正)。

  LCOS:LCoS(Liquid Crystal on Silicon),翻译过来叫液晶附硅,也叫硅基液晶,是一种基于反射模式,尺寸比较小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。它属于新型的反射式micro LCD投影技术。

  LCOS的优点在于:分辨率高,DLP能做到1920×1080的真实分辨率,而LCoS则能够做4k甚至8k的真实分辨率。体积小,0.69英寸的LCoS已经可以对标3.1英寸的TFT。

  芯片供应商相较于DLP更多,交期可能性更高。缺点是需要用到激光光源,目前可选的供应商较少,成本会比较高。

  5月19日发布的上汽飞凡R7,搭载了来自华为的AR-HUD,采用的就是LCOS方案。(据说成本在5000左右,集成AR creator)

  LBS-MEMS激光投影:LBS即Laser Beam Scanning缩写,是 “MEMS微激光投影”方案。这种方案是将RGB三基色激光模组与微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)结合的投影显示技术方案。从驱动的角度来说,MEMS微激光投影属于扫描式投影显示,应用微机电二维微型扫描振镜及RGB三基色激光,以激光扫描的方式成像,其输出分辨率取决于MEMS微镜的扫描频率。

  MEMS的优点是:光学引擎大幅度简化,体积可以优化。产品对比度高,可以轻松达到7000:1,远超DLP。高亮度,色域广(>150%),功耗更低(<4-6W),发热量很小。MEMS激光显示纯黑像素时是可以关掉的,因此更易提高对比度,且没有纱窗效应。缺点是成本较高。需要用到激光二极管,激光二极管目前能实现车规级量产的供应商很少。

  目前还没有量产车型装配MEMS方案的AR-HUD。网传先锋电子曾推出过一款基于MEMS的AR-HUD,售价高达4000美元。




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