要點(diǎn)
汽車行業(yè)對(duì)于抬頭顯示器 (HUD）的導(dǎo)入正呈現(xiàn)迅速增長，但仍主要限于一些高端車型。Omdia 預(yù)計(jì)在 2022 年，HUD 的出貨量可以達(dá)到 600 萬片，年同比 (YoY) 增長達(dá) 7%。
用作顯示來源和通過光學(xué)引擎（light engine）進(jìn)行畫面投射的小尺寸 TFT 液晶面板目前仍是最為重要的顯示面板技術(shù)，排名其后的則是數(shù)字后視鏡設(shè)備（DMD，或稱之為數(shù)字光學(xué)處理）和激光波束掃描（LBS, laser beam scanning）等技術(shù)。
雖然汽車 HUD 應(yīng)用正受到越來越多的關(guān)注，但其在微顯示面板（micro display）、光學(xué)引擎優(yōu)化和外形等方面仍未達(dá)到技術(shù)全面成熟。此外，HUD還需要有明確的定位策略，以與儀表盤顯示面板 (ICD)、中控屏顯示面板 (CSD) ；另外，還要等待一些成長刺激因素形成以提高使用。尤其是基于汽車機(jī)器視覺（machine vision）的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR, augmented reality），一旦成熟后，應(yīng)該可以讓HUD 成為有價(jià)值和實(shí)用的功能。
汽車 HUD 應(yīng)用
在用于汽車領(lǐng)域之前，HUD 已在軍用航空器（例如戰(zhàn)斗機(jī)）領(lǐng)域得到了廣泛的采用，原因是具有人體工學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，能夠縮短飛行員在處理周邊環(huán)境信息所需時(shí)間。有了HUD，飛行員能夠在看向駕駛艙之外、以察覺周邊狀況的同時(shí)，無需轉(zhuǎn)頭或轉(zhuǎn)移視線就可處理、消化 HUD 上顯示的各種信息。這種利用HUD投射情境或功能需要的訊息、疊加到現(xiàn)實(shí)的方式，其實(shí)正是一種提供給飛行員的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)做法。汽車 HUD 也具備同樣的優(yōu)勢(shì)：將情境相關(guān)方的信息投射到擋風(fēng)玻璃上。
根據(jù)投射目的地的不同，有兩種類型的汽車 HUD：W-HUD（windshield，信息投射到擋風(fēng)玻璃上）和 C-HUD（combiner，信息投射到專用的投射板上）。其中，W-HUD 在技術(shù)開發(fā)上較具挑戰(zhàn)性，這是由于擋風(fēng)玻璃容易受到外界干擾，例如環(huán)境光、灰塵和光學(xué)扭曲（由于風(fēng)擋玻璃並非平面）等的關(guān)系。畫面需在投射后予以相應(yīng)校正，因此在技術(shù)上的挑戰(zhàn)更大一些。C-HUD 則利用一塊專用的投射板來投射；投射板的外形通常是位于 ICD 上方的一小塊透明顯示板，好處是光學(xué)效果比較容易優(yōu)化，缺點(diǎn)則是較小，而且也沒有W-HUD在觀看上來得更自然。更為主流的 W-HUD 具有更大的視野（FOV）角度，想對(duì)能夠與駕駛員的前方現(xiàn)實(shí)視野相重合，也能顯示更多的信息。
與供應(yīng)鏈和顯示面板產(chǎn)能均更為成熟的 CSD 相比，汽車 HUD 的安裝量要低得多（約 600 萬片每年）。具備觸摸功能的 TFT 液晶面板是 CSD 的主要技術(shù)選項(xiàng)，其中部分原因是這種面板厚度小、容易設(shè)計(jì)安裝。HUD 則是一種復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，涉及到微顯示面板（帶或不帶光源）、光引擎（微顯示面板和光學(xué)元件）、光路徑設(shè)計(jì)（light path，光在光源與目標(biāo)位置之間的傳播路徑）和投射（光束目標(biāo)位置）考慮等多個(gè)方面。
目前可用的微顯示面板技術(shù)主要有 TFT 液晶面板（用于投射而不是直接觀看）和 DMD 以及 LBS。用作顯示光源和通過光學(xué)引擎進(jìn)行畫面投射的小尺寸 TFT 液晶面板，目前仍是最為重要的顯示面板技術(shù)；包括 1.8 英寸 480x240 和 3.1 英寸 800x480 (WVGA) 的 LTPS TFT 液晶面板。不過，其投射亮度必須予以增強(qiáng)，二者會(huì)增加功耗，也因此需要配備散熱器。由于其采用了投射原理，無法直接觀看（基于液晶面板的 CSD 可直接觀看），因此這種 HUD 系統(tǒng)體積較大（超過 10 到 15 升），需要隱藏安裝在儀表盤之中。對(duì)于采用內(nèi)燃機(jī)的汽車來說，容納其較大的外形是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。
目前可用的微顯示面板技術(shù)主要有 TFT 液晶面板（用于直接觀看之外距離更遠(yuǎn)的投射）和 DMD 以及 LBS。用作顯示光源和通過光學(xué)引擎進(jìn)行畫面投射的小尺寸 TFT 液晶面板目前仍是最為重要的顯示面板技術(shù)，包括 1.8 英寸 480x240 和 3.1 英寸 800x480 (WVGA) 的 LTPS TFT 液晶面板。不過，其投射亮度必須予以增強(qiáng)，但這樣會(huì)增加功耗，而且也需要配備散熱設(shè)計(jì)。由于其采用了投射原理，無法直接觀看（基于液晶面板的 CSD 可直接觀看），因此這種 HUD 系統(tǒng)體積較大（超過 10 到 15 升），需要隱藏安裝在儀表板之下。對(duì)于采用內(nèi)燃引擎的汽車來說，前方是引擎位置，因此容納其較大的外形是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。
無論是 HUD 還是 CSD 均能夠帶來有助于改善駕駛安全的有用信息。CSD 大部分均具備觸摸功能，且位于汽車駕駛艙的中間位置。但 HUD 需要使用實(shí)體按鈕或旋鈕（通常位于方向盤上），或語音操作。對(duì)于駕駛員來說，在駕駛過程中去觸摸操作 C-HUD 或 W-HUD 并不現(xiàn)實(shí)。另外，CSD 的圖形用戶界面（GUI）也更為美觀花哨，與手機(jī)的界面較為類似。相對(duì)地，HUD 廠商都推崇更為簡潔明瞭的呈現(xiàn)方式；這既是出于安全考慮，也有助于駕駛員快速處理信息，才不致分心造成危險(xiǎn)。
為 AR HUD 做好準(zhǔn)備
CSD 和 HUD 兩者不屬于互相競爭的顯示技術(shù)，原因在于兩者均具有其獨(dú)特的功能和使用目的。但 HUD 在提供更加情境敏感（context-sensitive）的信息方面，能夠遠(yuǎn)優(yōu)于 ICD。CSD 憑借其極為出色的顯示性能和圖形用戶界面，適合用于對(duì)先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、車載通訊（例如導(dǎo)航、娛樂）以及車內(nèi)功能控制（例如空調(diào)、座椅調(diào)節(jié)、照明）等的實(shí)現(xiàn)。這些均可以整合至單一顯示面板之中呈現(xiàn)給用戶觀看或直接操作。但是由于其安裝位置，CSD需要駕駛員在駕駛期間轉(zhuǎn)移視線去查看，因而可能會(huì)造成駕駛員分神。因此，採用ICD（機(jī)械轉(zhuǎn)盤式或是顯示面板）的話，將能夠?qū)?CSD不方便之處形成互補(bǔ)，為駕駛員提供必要的駕駛情境化信息。不過，ICD（機(jī)械轉(zhuǎn)盤式）僅能夠顯示有限的信息（例如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油狀態(tài)）。特斯拉 在Model 3 甚至直接徹底取消掉了 ICD的設(shè)計(jì)。
受限于 HUD 顯示器投射性能（即視野角度窄、圖像分辨率低），HUD 無法在顯示更多信息、或是更復(fù)雜圖像方面與 CSD 形成競爭。另一方面，情境敏感信息始終需要實(shí)時(shí)提供，並且在駕駛期間一直不斷變化，因此無論是在 ICD 中予以顯示，還是集成到 CSD 之中（例如特斯拉 Model 3），均依然十分有用。如同 ICD， HUD 的位置就在駕駛?cè)藢?duì)外的視線上，因此更適合直接觀看且不會(huì)造成分神。但是如果要說服車廠采用 HUD 而不是ICD，那么HUD就必須有勝過 ICD的地方，或是 ICD 無法提供、但HUD可以勝任之處。AR HUD應(yīng)該會(huì)是未來差異化的方向。盡管 AR HUD 應(yīng)用給出了令人信服的理由以采用 HUD 而非 ICD，但其仍然處于開發(fā)或是等待完善的階段。
不管是基於面板的 ICD或是投射顯示的HUD，都只是被動(dòng)接收并顯示來自計(jì)算主機(jī)的圖像數(shù)據(jù)。這樣來看的話，似乎 HUD 也僅僅是 ICD 的另一備選。不過，AR 讓 W-HUD 通過投射到風(fēng)擋玻璃上的方式，會(huì)讓HUD變得比 ICD 更加先進(jìn)和有用。AR HUD 技術(shù)涉及到利用 AR技術(shù)來將運(yùn)算結(jié)果渲染到「現(xiàn)實(shí)」之上。在汽車這一使用場景之中，能夠?qū)︼L(fēng)擋玻璃前方的物體，以感測器、機(jī)器視覺演算法進(jìn)行識(shí)別，并且進(jìn)一步利用情境敏感信息對(duì)這些物體進(jìn)行標(biāo)示，以輔助駕駛安全或是對(duì)駕駛情況的掌握。與之形成對(duì)比的是，非 AR 的 HUD 技術(shù)則無法識(shí)別物體，僅可被動(dòng)呈現(xiàn)信息。
新興的一些汽車用傳感器，例如基于雷達(dá)或是深度感測（ToF）技術(shù)的CIS成像傳感器（CMOS image sensor）模塊能夠發(fā)揮作用，在環(huán)境感知、機(jī)器視覺（即處理接收自傳感器的模擬數(shù)據(jù)）和主機(jī)計(jì)算（即基于機(jī)器視覺的數(shù)據(jù)解讀和處理）間相互配合，讓這些傳感器對(duì)于 AR HUD 的實(shí)現(xiàn)有著關(guān)鍵作用。這些電子元組件使得對(duì)駕駛員和前方物體或狀況的識(shí)別得以實(shí)現(xiàn)。識(shí)別物體之后，主機(jī)計(jì)算技術(shù)便可進(jìn)一步生成情境與環(huán)境敏感的信息或圖像，以供顯示在風(fēng)擋玻璃上。車輛駕駛期間，各種狀況都在一直不斷變化，因此機(jī)器視覺和計(jì)算系統(tǒng)均必須實(shí)時(shí)地為駕駛員提供信息更新。
與 C-HUD 不同，W-HUD 受到的環(huán)境干擾更多。陽光或灰塵對(duì)于風(fēng)擋玻璃造成的更強(qiáng)的干擾，對(duì)于維持微顯示面板（或其光源）的顯示亮度以及降低功耗來說，是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。如果 AR在對(duì)物體的標(biāo)示上過于復(fù)雜，以致讓駕駛員誤判，那么反而失去其原本使用目的。因此，AR HUD 顯示面板之中所采用的圖形符號(hào)或標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)均必須既簡潔明瞭，又明顯可區(qū)分。此外，基于機(jī)器視覺的 AR HUD 系統(tǒng)均要求具備 10°的水平 FOV （或三條車道）以及 7.5–10 米的虛擬圖像距離（VID, virtual image distance），這是因?yàn)樾枰嵘疃雀兄芰Γ员隳軌虮嬲J(rèn)不同距離處的物體。
迄今為止，汽車 OEM 廠商均已在其高端車型之中引入了非 AR 的 HUD，作為 ICD 的備選。引入基于機(jī)器視覺的 AR HUD 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車前方物體的識(shí)別，從而改善汽車行駛安全。在安全方面以外，AR HUD 也可利用車載部件本身或智能手機(jī)與車輛的車聯(lián)萬物 (V2X) 通訊功能互相搭配，提供有關(guān)道路基礎(chǔ)設(shè)施方面的信息更新，從而帶來駕駛便利，或各種基于位置的服務(wù)，例如興趣點(diǎn) (POI) 等。
