#头条文章养成计划#
随着科技的进步，汽车工业也在飞速前进，越来越丰富的进阶配置层出不穷，其中最具代表性的配置之一就是HUD抬头显示系统了。在科技产品横飞的今天，可以像科幻电影里那样隔空就能读取信息的场景已进入了现实。那么HUD抬头显示系统真的有那么神奇吗？关于它，大家又了解多少呢？
一、何为HUD？
HUD是英文Head-Up Display的缩写，即抬头显示系统。此技术的核心就是利用图像生成单元将信息投射在驾驶者视野前方的光学成像系统上，从而使驾驶者可以不用低头看仪表盘就可以读取到车辆相关信息。
其实这项技术一开始并没有应用在汽车上，而是战斗机上。为了帮助飞机驾驶员减轻认知负荷，提高感知能力并强化作战效率，早年间一些战斗机就搭载此项技术。随着时间推移，这项军用技术出现在了汽车上。
1988年，通用旗下的奥兹莫比尔Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car首次搭载了HUD抬头显示系统。后来，这项技术也慢慢地被民用化和普及，直到今天，市面上越来越多的车型都开始搭载HUD抬头显示系统。
二、车载HUD成像原理和分类
HUD抬头显示系统的成像原理和投影仪相似，通过图像生成单元PGU生成画面并投射到光学成像系统上。图像生成单元负责生成HUD输出图像，而光学成像系统则用于显示图像。其中，图像生成单元PGU（Picture Generation Unit）是HUD最核心的部件，其技术路线主要有TFT-LCD、DLP、LCOS和MEMS-LBS，目前TFT-LCD和DLP技术是市场主流。而光学成像系统则根据不同的HUD抬头显示系统的种类来划分。目前汽车市场上有三种HUD抬头显示系统，它们的原理大致相同，而在图像生成单元的能力、载体的类型以及可实现的功能上有所区别。
1.C-HUD（Combiner Head-Up Display）组合式抬头显示器
这类HUD抬头显示系统的光学成像系统为一片树脂玻璃，其作用是接收和反射来自图像生成单元PGU的画面。该套系统通常有着较小的体积，一般会装备在体型较小的车型上。此类HUD抬头显示系统展示的信息较少，一般仅可以显示车辆时速、部分多媒体功能等简单信息。目前，虽然C-HUD还有在售车型在搭载，但由于其结构和功能相对不够完善，基本上已经处于被淘汰边缘。
2.W-HUD（Windshield Head-Up Display）风挡式抬头显示器
顾名思义，其光学成像系统为车辆的前挡风玻璃。此类HUD抬头显示系统的展示范围更广，显示和支持的功能也更多。可显示如道路交通标识识别、车辆时速等信息，相比C-HUD信息更加丰富。目前W-HUD是市场主流的抬头显示系统品类，大部分在售车型都在使用。
3.AR-HUD（Augmented Reality Head-Up Display）增强现实抬头显示功能
同W-HUD一样，它的光学成像系统也是车辆前挡风玻璃。而区别在于，AR-HUD有着更远的成像距离以及更大的成像画幅，此外，还具备增强现实的显示功能，如目前常见的AR实景导航功能，其可将导航路径显示和驾驶员前方的实景路面相融合，实现科幻电影里的炫酷功能。不过，这项功能对车辆的感知能力要求较高，需要车辆具备较高的辅助驾驶软/硬件配置，目前市面上只有小部分车型才配备此类HUD抬头显示系统，如飞凡R7、奔驰EQS SUV以及即将上市的深蓝S7等。
三、车载HUD的优劣与哪些因素有关?
虽然HUD抬头显示系统已经被广泛普及，但产品能力还是参差不齐的。那么HUD抬头显示系统的优劣与哪些因素有关呢？
1.光学成像系统
上文提到了目前新车中所搭载的HUD系统有两种光学成像系统，一种是C-HUD的树脂玻璃，另一种则是车辆前挡风玻璃。其中，前者受结构设计影响，立起来后的树脂玻璃会对驾驶员前方视野造成一定的干扰，同时画面大小也会被树脂面板的尺寸所局限，视觉体验也会打折扣。后者的光学成像系统为车辆前挡风玻璃，相比之下，驾驶员的前方视野、所看到的画面效果和使用体验等，都会表现更佳。
由于前挡风玻璃为双层设计，之间有一层薄厚均匀的PVB膜，此结构会使投射出的影像呈现出“重影”情况。为了避免“重影”的发生，目前有两种方法来解决。第一种就是把前挡风玻璃内的PVB膜的横截面设计成楔形，使前挡风玻璃呈现出薄厚不均匀的状态来消除“重影”现象。第二种则是在前挡风玻璃内侧涂覆纳米膜，从而起到消除“重影”的作用。所以，拥有W-HUD以及AR-HUD功能的车型，其前挡风玻璃也会和拥有C-HUD功能的车型不同。另外，在前挡风玻璃的成本方面，前两者也会高于后者。
2.视场角FOV（Field of View）
视场角FOV是人眼透过光学成像系统可观察到视野的两侧边缘与人眼瞳孔中心连线的夹角。通常视场角用X°×X°表示，乘号前的角度为水平视场角HFOV，乘号后的为垂直视场角VFOV。投射的图像尺寸大小除了受上文提及的光学成像系统影响以外，还会受HUD设备所能达到的视场角FOV所影响。
对于W-HUD来说，一般只考虑其水平视场角HFOV。目前市面上主流车型的W-HUD水平视场角一般在5°-7.5°左右。而对于AR-HUD来说，水平/垂直视场角都是非常重要的，10°×3°的视场角只是AR-HUD的门槛。
3.虚像距离VID（Virtual Image Distance）
虚像距离VID指的是投影虚像到人眼瞳孔之间的距离。虚像距离VID和上文提到的视场角FOV需相互适配，才能更好地发挥HUD抬头显示系统的功能。视场角FOV越大，虚像距离VID越远，理论上其展现的投射画面就会越大，往里填充的内容也可以更丰富。
当然，虚像距离VID并不是越远越好，太远的话，人眼并不能很清楚地观察投影画面。目前市面上主流W-HUD的虚像距离VID通常设置为2m-3m，而AR-HUD的虚像距离VID则需要被设定为7.5m-10m，有的更远，需设定为10m-15m。
4.图像生成单元PGU（Picture Generation Unita）
图像生成单元PGU决定了HUD抬头显示系统的分辨率、亮度还有颜色饱和度等参数，技术路线主要有TFT-LCD、DLP、MEMS-LBS和LCOS。目前TFT-LCD大量运用于W-HUD，而DLP则是AR-HUD领域使用最成熟的技术。
（1）薄膜晶体管液晶显示屏技术TFT-LCD
TFT-LCD技术的工作原理是LCD被背光光源照亮后，通过集成在LCD面板每个像素点背后的薄膜晶体管驱动液晶分子旋转改变光源偏振状态，从而呈现不同的明暗灰度，再通过RGB滤色片呈现彩色图像。TFT-LCD优势在于高响应速度、高亮度、高对比度、技术成熟以及成本较低。劣势主要在于热管理难度大，需要有更多热管理方面的光学设计。
（2）数字光处理技术DLP
DLP技术是以数字微镜装置作为主要光学控制元件调节反射光，并在匀光片上实现投射成像的技术。通过集成数十万个超微型镜片的DMD (数字微镜芯片)，可将强光源经过数字系统计算反射后投影出来。DLP技术的优势包括热效应不严重，及图像明亮度、颜色饱和度等表现较突出。劣势主要在于图像对位、清晰度、锐度、重影、失真以及成本相对较高等问题。
（3）激光扫描技术MEMS-LBS
MEMS技术是使用具有较高功率的红、绿、蓝 (三基色) 单色激光器为光源，激光经相应的光学元件和处理芯片的整合与扫描后投射在显示屏上。MEMS方案的优势为低能耗、大视场、高亮度和高对比度。其劣势在于激光二极管因不耐高温而无法满足车载高温工作环境要求、价格昂贵成本较高。
（4）硅基液晶投影技术LCOS
LCOS技术是一种基于反射模式的小尺寸矩阵液晶显示装置，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。其工作原理和LCD类似，其通过硅基液晶体使光的偏振发生旋转。具有高分辨率、高视觉清晰度、低能耗、小尺寸等优点。缺点是只会反射偏振光。
5、运算能力
对于AR-HUD来说，系统运算能力是相当重要的一点，这关系到AR-HUD显示的信息与实景叠加后视觉效果的好坏以及显示画面的准确程度。它不仅要时刻对导航信息和感知信息进行适配，还需要将导航路径显示和驾驶者眼前的道路进行完美融合。这也是目前AR-HUD并未被大量普及的主要原因之一。
四、车载HUD真的可以取代仪表盘?
目前已经有一些车企的新车型开始尝试用HUD抬头显示系统来取代仪表盘，比如理想L9、深蓝S7等，HUD能否取代仪表盘其实也是网上讨论比较多的话题，但我认为现阶段这其实是一个“伪命题”。为什么有了HUD一定就要取消仪表盘？两者共存其实也并不矛盾，近些年来，大部分汽车厂家都是这样来做的。HUD有其突出的优势，但同样也存在一定的弊端，至少在无人驾驶真正到来之前，两者大概率还会共存一段时间。
1.优势
（1）增强驾驶安全性
据数据显示，采用HUD后，驾驶员想查看车辆信息时通过HUD只需低下头5-10°；而看组合仪表的话，则需低20-25°。假设车辆时速60km/h，低头一秒钟就相当于驾车盲驶16米。而有了HUD抬头显示系统之后，此方面的隐患将会有所降低。
（2）提升人机交互体验
有了HUD尤其是AR-HUD之后，人机交互方面的体验有所提高，AR实景导航系统以及显示在投影视场内的信息非常丰富，一定程度上提升了驾驶者的用车便利性和人机交互体验。
2、劣势
（1）受环境影响较大（阳光倒灌）
对于HUD来说，阳光倒灌是致命伤，由于结构的特殊性，在晴天时，驾驶者视场和设备有可能会被阳光照射，一方面会影响画面投射质量，另一方面则有可能对设备产生一定的损伤。
（2）会产生眩晕感
眩晕感是由于驾驶者双眼观察虚像不一致所导致的，在一定程度上会引起驾驶者的不适，所以经常会听到有人特意会在驾驶时关闭HUD抬头显示系统。
（3）稳定性和可靠性不如仪表盘
为了保证稳定性，目前大部分汽车的液晶仪表盘和中控屏幕通常采用两套独立系统，仪表盘普遍会采用Linux系统以尽可能地减少和避免仪表出现卡顿和死机现象。相比之下，HUD抬头显示系统的各组件比液晶仪表盘更精密和复杂，在工作时，各组成部分会受到各种电磁干扰，主控芯片和通信接口电路容易受到静电、浪涌影响，破坏其正常工作状态。因此，在安全性和可靠性方面，现阶段HUD抬头显示系统还无法媲美传统的仪表盘。
（4）显示信息不够全面
目前市面上大部分车型搭载的HUD显示信息都没有那么丰富，哪怕目前最顶尖的AR-HUD也并不能完全显示出如仪表盘那般完整的行车信息，目前能显示出的更多是车辆辅助驾驶以及安全系统方面的内容。相比之下，当下主流的液晶仪表盘所展示的行车信息更为全面，实用性更强。
总结：
在科技迅速发展的今天，HUD抬头显示系统已开始在汽车上广泛应用，相比现阶段主流的液晶仪表盘，其在一定程度上确实能给予驾驶者更安全和更具互动性的驾驶体验。但同样存在着一些问题，如显示效果容易受外界因素影响，内部元件更为精密，结构更复杂，可靠性以及稳定性有待提升等。就目前而言，HUD抬头显示系统还暂时不能完全取代仪表盘，虽然已经有一些车企正在进行尝试用AR-HUD来代替仪表盘，但抛开技术层面不提，大多数用户能否完全接受，同样是个问题。但不可否认的是，HUD抬头显示系统是汽车技术的进步，或许在未来无人驾驶时代真正到来之时，我们熟悉的仪表盘也终将成为历史。
联系客服
