hud抬頭顯示什么原理 HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

我們都知道，在開(kāi)車(chē)過(guò)程中，我們需要不時(shí)低頭查看儀表盤(pán)上的時(shí)速、油耗等信息，而這一小小的動(dòng)作，平均所需時(shí)間約為1-3秒。以城市道路的平均車(chē)速65公里/時(shí)來(lái)計算，注意力離開(kāi)路面3秒鐘，就相當于閉著(zhù)眼睛行駛了54米。在現實(shí)生活中，由于駕駛員注意力分散而引發(fā)的交通事故數不勝數。

然而，開(kāi)車(chē)總不能不看儀表盤(pán)信息啊，是的，不能不看，但是，我們可以不低頭看！本期我們介紹的就是HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)的由來(lái)

HUD的全稱(chēng)是Head Up Display，即平視顯示器，最早應用于軍用飛機上，旨在降低飛行員需要低頭查看儀表的頻率。起初，HUD通過(guò)光學(xué)原理，將駕駛相關(guān)的信息投射在飛行員的頭盔上，使得飛行員能在保證正常駕駛的同時(shí)，關(guān)注到飛行的各項指標并接收地面傳輸的信息，提升駕駛的安全性和便捷性。

自上世紀80年代，HUD開(kāi)始從飛機嫁接于汽車(chē)，但HUD真正受到世人矚目還是在虛擬顯示概念被廣泛了解的今天。谷歌眼鏡激起了對增強現實(shí)的無(wú)限遐想，HUD可謂是“屬于汽車(chē)的智能眼鏡”。應用于汽車(chē)的HUD要求所產(chǎn)生的投影畫(huà)面呈現在道路上，而非聚焦于車(chē)內或者擋風(fēng)玻璃上，通過(guò)這樣的設計，免除了人眼的焦距調整。

設計初期，應用HUD的驅動(dòng)力是駕駛的安全性，使得駕駛員在駕駛過(guò)程中無(wú)需將視線(xiàn)轉移到儀表盤(pán)或者中控上，因此，HUD所投影的信息主要是汽車(chē)的行駛狀況指標，比如儀表盤(pán)上所顯示的車(chē)速、油量等信息；進(jìn)一步，設計人員希望通過(guò)HUD實(shí)現智能駕駛的目標，賦予其更多的功能，包括導航、短信、電話(huà)、郵件等，甚至加入簡(jiǎn)單的互動(dòng)，讓汽車(chē)成為類(lèi)似智能手機的移動(dòng)終端。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)的工作原理

HUD的原理類(lèi)似于幻燈片投影。由投影儀發(fā)出光信息，經(jīng)過(guò)“反射鏡”反射到“投影鏡”上，再由“投影鏡”反射到“擋風(fēng)玻璃”，人眼看到的是位于眼前2-2.5米處的虛像，給人的感覺(jué)就是信息懸浮在前方路上。

HUD圖像在擋風(fēng)玻璃上位置是可調的，而這其中的關(guān)鍵便是“投影鏡”，通過(guò)改變“投影鏡”的角度，就可以調節HUD圖像的位置。

擋風(fēng)玻璃是彎曲的，圖像若是直接投射在彎曲的玻璃面上，會(huì )造成圖像變形。這就需要一個(gè)糾正措施——于是“投影鏡”和“反射鏡”被設計成彎曲的。

HUD利用光學(xué)反射原理，可以在擋風(fēng)玻璃上顯示超速預警、車(chē)況監控、油耗、時(shí)速、防止追尾等信息，能夠讓駕駛員的注意力集中在前方路面，實(shí)現主動(dòng)的行車(chē)安全。

它將行車(chē)信息投射到和駕駛員平行視線(xiàn)的前方，避免了因觀(guān)察儀表而分散對前方道路的注意力，同時(shí)降低眼睛焦距需要不斷調整產(chǎn)生的延遲與不適。高度與人眼的平視視線(xiàn)處于相似的高度，因此成像在擋風(fēng)玻璃的中下方，虛擬圖像與路面融合度較好，通?？赏渡渲疗?chē)引擎蓋前方1-2米處。

另外，如今的HUD平視顯示技術(shù)不僅僅只提供車(chē)輛的基本行車(chē)信息，它可以具備高精度的導航指引和路面信息提示，還能語(yǔ)音收發(fā)微信、打電話(huà)、點(diǎn)歌等。

大家試想一下，有多少交通事故是因為司機低頭看了一眼手機而造成的，而HUD恰好能解放你的手機，安全性大大提高。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)能夠顯示的信息

當前車(chē)速。

它是HUD最基本的信息，在限速攝像頭無(wú)處不在的城市道路上，掐著(zhù)最高限速開(kāi)車(chē)時(shí)或者攝像頭前減速時(shí)，這個(gè)信息就顯得尤為重要了。

導航信息。

這個(gè)是很實(shí)用的信息，尤其是在市內車(chē)多、路雜導航時(shí)效果顯著(zhù)。

紅色故障標記

紅色故障燈出現，意味著(zhù)車(chē)子開(kāi)起來(lái)會(huì )有很大的安全隱患。

駕駛輔助信息

如限速顯示、主動(dòng)車(chē)道保持信息、巡航信息等，在使用車(chē)上高科技并進(jìn)行調節的時(shí)候，這些信息可以顯示在HUD上，使得駕駛員不必低頭看儀表進(jìn)行調節。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1、HUD信息顯示位置比傳統的組合儀表位置高。也就是說(shuō)，駕駛員想查看車(chē)輛信息時(shí)，通過(guò)HUD只需低下頭5-10°；而看組合儀表的話(huà)，則需低20-25°。

2、駕駛員從組合儀表上查看駕駛信息時(shí)，眼睛從道路轉移到組合儀表再轉移到道路，由于道路亮度高而組合儀表（車(chē)內）的亮度低，眼睛就會(huì )經(jīng)歷由亮到暗再到亮的過(guò)程，眼睛瞳孔會(huì )進(jìn)行調整；同時(shí)眼睛的聚集點(diǎn)會(huì )由遠到近再到遠。而駕駛員從HUD上看信息時(shí)，眼睛就不需要這么折騰了。

以上兩個(gè)方面綜合起來(lái)，駕駛員使用HUD，可以減少視線(xiàn)轉移的時(shí)間、視線(xiàn)轉移帶來(lái)的眼睛瞳孔變化、眼睛聚集點(diǎn)的變化，最終結果就是駕駛員的視線(xiàn)和注意力更少的偏離道路，提升行車(chē)安全性。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)的實(shí)現方案

當前的HUD實(shí)現方案主要三種：

1、直接將前擋風(fēng)玻璃作為顯示屏

該種實(shí)現方案多屬于前裝方案。代表產(chǎn)品是捷豹路虎公司在2014年7月開(kāi)發(fā)出的汽車(chē)虛擬風(fēng)擋HUD概念技術(shù)，可以直接在風(fēng)擋上顯示車(chē)內參數以及行車(chē)路線(xiàn)。就像在玩現實(shí)版的GT賽車(chē)或Forza一樣，該系統甚至能夠顯示紀錄你在之前相同跑道開(kāi)過(guò)的幽靈車(chē)影。并能借助手勢操控汽車(chē)的各種功能。

2、通過(guò)一塊附加的顯示屏實(shí)現

該種實(shí)現方案屬于后裝方案。2014年推出的Nandy便是該種方案下的明星產(chǎn)品。

3、利用前擋風(fēng)玻璃反射實(shí)現

該種方案也屬于后裝方案，產(chǎn)品主要通過(guò)手機APP實(shí)現，利用手機屏幕在前擋風(fēng)玻璃上的倒影實(shí)現HUD功能。代表的產(chǎn)品有：百度地圖、圖吧地圖、高德地圖、Navier HUD、aSmart HUD 3D、Awesome HUD等。

通過(guò)前擋風(fēng)玻璃反射實(shí)現的產(chǎn)品主要有四個(gè)劣勢：

清晰度差：通過(guò)手機屏幕投影的像都是利用物理的反光原理，更容易受到環(huán)境中光線(xiàn)的影響，不能在較強的外光條件下實(shí)現顯示效果；

信息量?。河捎谑謾C和汽車(chē)是獨立的，沒(méi)有實(shí)現有效的互聯(lián)，只能將手機自身具備的功能信息進(jìn)行顯示和投影，并不能兌現HUD最初的安全駕駛目標；

立體感差：手機屏幕的投影相比與HUD產(chǎn)品在成像的真實(shí)感和立體感上相比都相差甚遠；

適應性差：手機長(cháng)時(shí)間置于儀表盤(pán)上進(jìn)行投影，不利于散熱，會(huì )對手機造成損害，同時(shí)利用手機投影的能耗較大，會(huì )縮短手機的帶電時(shí)間。

因此，利用手機軟件實(shí)現的HUD模式的實(shí)用效果差，更多的只是一種好奇者的嘗試，并不能真正滿(mǎn)足當前對于HUD功能的定位。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1、成像距離和顯示亮度是關(guān)鍵

評價(jià)HUD成像效果的最關(guān)鍵指標是成像距離。HUD的本質(zhì)是為了提高人們的駕駛安全系數，進(jìn)而才是提高駕駛的智能性，提供全新的駕駛體驗，因此HUD的成像一定要置于道路上，從而使人們在不用進(jìn)行頻繁的焦距變換條件下，閱讀所顯示的信息。

2、其次是視角問(wèn)題

視角受到顯示亮度局限，由于汽車(chē)所處環(huán)境的復雜多變，對于顯示亮度的要求就很高，既要清晰又要不刺眼。

3、成像技術(shù)的升級

最基礎的HUD產(chǎn)品是通過(guò)LED燈進(jìn)行成像，其成本較低但靈活性及顯示效果較差，后續微型激光投影技術(shù)逐漸應用于HUD成像，在成像距離和顯示亮度這兩個(gè)指標上有明顯的改善。單純從更好的實(shí)現HUD的功能目標而言，激光投影技術(shù)是大趨勢。

微型激光投影技術(shù)自出現至今已經(jīng)經(jīng)歷了3代：

CRT，陰極射線(xiàn)管，CRT純平顯示器具有可視角度大、無(wú)壞點(diǎn)、色彩還原度高、色度均勻、可調節的多分辨率模式、響應時(shí)間極短等LCD顯示器難以超越的優(yōu)點(diǎn)。這種成像方式對于周?chē)庹蘸蜏囟茸兓倪m應性較差，不適合在汽車(chē)上使用。

DLP，DLP技術(shù)是指數字光處理技術(shù)，也就是說(shuō)這種技術(shù)要先把影像信號經(jīng)過(guò)數字處理，然后再把光投影出來(lái)。其核心是一個(gè)微鏡陣列此類(lèi)狀態(tài)由運行期間微鏡下方內存單元所存放的數據所決定。微鏡表面由具有非常高反射率的鋁金屬制成，當有一束外部光照射到微鏡上時(shí)，微鏡的兩個(gè)偏轉狀態(tài)會(huì )將光反射偏轉到不同角度上。但是這種技術(shù)在晃動(dòng)條件下會(huì )導致RGB的光重疊效果變差，會(huì )產(chǎn)生較嚴重的色變。其次，DLP投影技術(shù)中DMD芯片容易受控制器的影響，產(chǎn)生壞點(diǎn)。而且，長(cháng)期的使用會(huì )導致DLP中色輪的玻璃薄片結構產(chǎn)生間隙，導致色輪松動(dòng)。各種問(wèn)題的出現證明了DLP技術(shù)并不是長(cháng)期的選擇。

LCOS，LCOS是硅基液晶，是一種基于反射模式，尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)在硅芯片上加工制作而成，像素的尺寸大小從7微米到20微米，百萬(wàn)級的像素分辨率來(lái)說(shuō)，這個(gè)裝置的大小也才有1英寸。LCOS的呈現的數據容量比DLP技術(shù)所呈現的數據容量要大很多。LCOS技術(shù)的應用對于HUD的改善會(huì )有積極的促進(jìn)作用，會(huì )更加有科技感。

HUD汽車(chē)抬頭顯示的關(guān)鍵部件

投影單元

投影單元內部集成了投影儀、反射鏡、投影鏡、調節電機及控制單元，HUD控制單元從車(chē)上數據總線(xiàn)獲取車(chē)速、導航等信息，并在投影儀輸出圖像。

擋風(fēng)玻璃

大家可能會(huì )想，這擋風(fēng)玻璃有啥特殊的？的確，下面左圖是普通擋風(fēng)玻璃夾層結構示意，如果把HUD圖像投射到普通擋風(fēng)玻璃上，很容易形成圖像重影，投射效果差。

而HUD擋風(fēng)玻璃夾層內部的PVB膜呈楔形，即玻璃呈上厚下薄的狀態(tài)，這樣就不會(huì )形成圖像重影。

從這里也可以看到，為了降低玻璃成本，在大多A、B級車(chē)上搭配的HUD系統的，會(huì )另外配備一塊反射玻璃，而在大多豪華品牌上，成本限制沒(méi)那么緊張，就會(huì )用HUD擋風(fēng)玻璃。

HUD汽車(chē)抬頭顯示的技術(shù)趨勢

3D HUD是未來(lái)

在2014年9月，豐田位于加州的設計團隊研制了出了3D的HUD顯示，可以實(shí)現裸眼觀(guān)看3D影響，這一進(jìn)展使得HUD顯示的信息更加豐富、直觀(guān)。相較于大眾化的平面顯示，3D效果能夠在保證HUD實(shí)現駕駛安全性這一初衷的基礎上，將實(shí)時(shí)信息與顯示進(jìn)行更好地匹配、結合，從而實(shí)現增強現實(shí)的功能。比如，豐田3D HUD還可以顯示附近可用的停車(chē)場(chǎng)，并且估計抵達所用的時(shí)間。目前，這套系統已經(jīng)研發(fā)了2年時(shí)間，主要數據來(lái)源于三個(gè)傳感器，雷達負責采集車(chē)速、位置信息，攝像頭捕捉路面信息，LiDAR傳感器確定路面物體或十字路口。

利用OBD信息，全面整合OBD盒子

OBD（On-Board Diagnostic）全稱(chēng)是車(chē)載診斷系統，現在市場(chǎng)上很多HUD設備都需要連接OBD接口，從OBD接口中可以獲得汽車(chē)油耗、胎壓、轉速等基本信息，這也是HUD設備所必需的基本信息。目前市場(chǎng)上所推出的OBD盒子，作為車(chē)聯(lián)網(wǎng)的基礎設備，它可以收集車(chē)輛數據并通過(guò)與云端的交互進(jìn)行數據分析，甚至有些產(chǎn)品可以實(shí)現導航、遠程診斷等功能。

但是HUD對于顯示信息內容的要求就意味著(zhù)其也要通過(guò)OBD接口獲取信息并進(jìn)行處理，其核心也是OBD芯片，所有的數據解析方式和OBD盒子也基本相同。隨著(zhù)對HUD設備功能多樣化、智能化的要求，在顯示端的后臺完成數據的分析處理、定位導航、聯(lián)網(wǎng)診斷等功能就成為必然。這也就表明，HUD將全面整OBD盒子的功能。相較于OBD盒子，HUD在數據的顯示方式上更加直觀(guān)，更富科技感和吸引力，因此市場(chǎng)更開(kāi)闊。在這樣的市場(chǎng)趨勢逐步明朗的條件下，諸多OBD盒子的廠(chǎng)商也已經(jīng)開(kāi)始了HUD產(chǎn)品的設計、研發(fā)。

HUD汽車(chē)抬頭顯示產(chǎn)品的目前面臨的主要問(wèn)題

盡管HUD的產(chǎn)品實(shí)用性高，未來(lái)的前景廣闊，但該行業(yè)仍舊處于萌芽階段，要實(shí)現從一個(gè)新奇的設備向被大眾廣泛接受的產(chǎn)品的跨越，仍需要在以下4個(gè)方面進(jìn)行完善：

硬件成本高

一臺完整的?HUD?設備，需要有足夠強的背光亮度，可調焦的光學(xué)透鏡組，耐高溫的配件等，這些都需要較高的成本。比如?BMW?選配?HUD?要加7000多人民幣，Navdy?正式售價(jià)要3000人民幣（499美元）。

交互體驗差

車(chē)載?HUD?的軟件，硬件都沒(méi)有形成相應的標準，處在一個(gè)混沌階段。像車(chē)速這個(gè)數據，有的廠(chǎng)商通過(guò)車(chē)內?OBD?接口獲取，有的廠(chǎng)商又是通過(guò)手機?GPS?來(lái)獲取。
對功能的開(kāi)發(fā)也僅僅停留在讀取儀表盤(pán)信息加導航信息范疇。沒(méi)能?All?In?One?的解決用戶(hù)在汽車(chē)上的整個(gè)需求。

行業(yè)處于萌芽階段，沒(méi)有明確的規則

相比于國際標準化的OBD，HUD并不是一個(gè)汽車(chē)標準化的一個(gè)東西，也就是對于集成設計廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)做HUD比做OBD門(mén)檻高。而HUD的開(kāi)發(fā)只要你買(mǎi)到專(zhuān)門(mén)做OBD廠(chǎng)家的模塊嵌入到HUD做2次開(kāi)發(fā)就可以了。HUD有很多結構上的門(mén)檻，還有光學(xué)上的虛擬圖像處理。它沒(méi)有行業(yè)標準。至今沒(méi)有廠(chǎng)商的圖像處理技術(shù)足以作為行業(yè)的標準

市場(chǎng)成熟度低

目前國內民用車(chē)市場(chǎng)，大部分都沒(méi)有配置?HUD?或者只是選配。第三方的?HUD?設備也相對少。很多人對?HUD?的了解僅限于聽(tīng)說(shuō)過(guò)。與很多智能硬件設備當下面對的問(wèn)題相同，產(chǎn)品的不完善，影響了它的市場(chǎng)表現。市場(chǎng)的不成熟，沒(méi)有利益驅動(dòng)，廠(chǎng)商又沒(méi)有改進(jìn)產(chǎn)品的動(dòng)力。

HUD汽車(chē)抬頭顯示技術(shù)的未來(lái)

1、??汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢下，HUD智能硬件迎來(lái)良機。

2、? HUD讓信息的顯示變得更加智能，能夠在恰當的時(shí)間和位置為駕駛者提供所需的信息，是最理想的方式。

3、??新的技術(shù)進(jìn)步（包括更廣的視角(FOV)、增強現實(shí)技術(shù)、更高的對比度和更高的分辨率）將會(huì )使HUD的使用體驗有更大幅度的提升。

4、??未來(lái)HUD技術(shù)將加深與輔助駕駛系統的融合，成為自動(dòng)駕駛中重要技術(shù)組成部分。

5、??雖然目前帶液晶屏幕的儀表盤(pán)可能更受車(chē)廠(chǎng)的歡迎，但未來(lái)可能被HUD取代。Tesla即將推出的?model3可能就以HUD取代儀表板，成為第一款沒(méi)有傳統儀表板的汽車(chē)。

編輯：黃飛

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