文/VR陀螺 萬里
AR這一概念最早由波音公司研究員Tom Caudell于1990年提出。經過這些年發展，AR在很多領域都已得到了相應的應用，比如《Snapchat》引入AR濾鏡，為我們的社交娛樂增加了一種新的可能性；亞馬遜加入AR購物功能，增強了我們的購物體驗。
此外，AR在汽車領域也展示出了極大的發展潛力，比如我們今天提到的AR-HUD，它的出現，讓汽車駕駛體驗上升到了一個新的臺階。
圖源：WayRay
從C-HUD到AR-HUD，抬頭顯示的迭代之路
HUD，英文名為Head Up Display，百度百科的解釋為抬頭顯示，也有人稱之平視顯示系統。
最初HUD用于軍事領域，它可以把飛機飛行時的一些參數比如高度、速度、導航信息等重要信息投射到飛行員正前方的面板上，這樣就避免了飛行員頻繁低頭查看儀表盤信息，從而提高了專注度。后來，這項技術被引入到了汽車當中，1988年通用汽車推出了首款搭載HUD的量產車型。
如果以技術迭代來看，目前HUD又可以分為C-HUD（Combiner HUD）、W-HUD（Windshield HUD）以及最新的AR-HUD這三種。
C-HUD推出時間較早，它采用了屏幕設計，顯示屏通常為透明樹脂玻璃。該產品成本以及技術難度較低，不過它的投影范圍小，VID（虛擬圖像距離）通常小于2.5米，未來會被逐步淘汰。
C-HUD產品，圖源：網絡
W-HUD則沒有采用屏幕設計，它利用反射原理將導航數據投影到擋風玻璃上。與前面的C-HUD產品相比，具有顯示范圍更大，VID更遠等特點。根據海通國際的研究報告指出，目前W-HUD的FOV能做到10°X4°，VID約為4-5米，為當前主流的HUD產品。
而AR-HUD，可以簡單把它理解為增強現實版本的W-HUD，它的一些參數要優于普通的W-HUD產品。
德州儀器數據指出，HUD產品如果想要實現增強現實功能，需要達到VID>7米，并且FOV>10°。當VID大于7m，人類視覺對深度的感知能力會降低，在這個距離的投影圖像會使駕駛者產生圖像與現實世界融合的錯覺。
圖源：德州儀器
在功能方面，理想的AR-HUD產品能實現跟車提醒、行人預警、車道偏離指引、變道指引等一系列功能。更重要的是，它的投影內容能實現虛擬影像與現實世界內容的深度融合。
此外，從一些HUD廠商的概念視頻來看，未來AR-HUD與3D地圖等數據相結合，可以把商場、餐廳廣告等LBS AR信息投射到畫面中，儼然一副AR眼鏡。
圖源：Raythink
AR HUD爆發前夕，面臨哪些技術難點
有人把2021年稱為汽車AR-HUD元年，這一年眾多國內外主機廠開始推出搭載AR-HUD的車型，比如長城摩卡、吉利星越L等。不過，AR-HUD跟當前AR眼鏡一樣，仍然處于發展早期階段，技術并不成熟。
VR陀螺了解到，當前AR-HUD面臨著以下幾方面技術難點：
一、畫面調整
AR眼鏡用戶都知道，當我們佩戴眼鏡時，視線需要放到某一個合適的范圍，這樣才能看清楚顯示畫面（該參數為EyeBox）。同樣，AR-HUD也有這一問題。由于駕駛員的身高各不相同，導致每個人的行車視角都不一致。如何調整AR-HUD投射的畫面，使之避免出現畫面發虛、錯位等問題，比較考驗HUD廠商的能力。
AR-HUD光路，圖源：網絡
據了解，華為AR-HUD的解決方法是利用IMU（慣性傳感器）以及DMS（駕駛員監控系統）來監控行車狀態，然后實時對顯示畫面進行調節，以達到畫面穩定的目的。
松下在CES 2022上發布的AR HUD 2.0版本，里面新增了眼動追蹤系統，美國松下汽車系統公司首席技術官Andrew Poliak說道：
"松下AR-HUD 2.0延續了將集群和HUD等顯示域向上集成到中央信息娛樂計算模塊的趨勢。通過將我們專有的眼動追蹤技術整合到AR-HUD中，我們可以了解駕駛員的正在注視的位置，然后將AR圖像與現實世界更準確地匹配和聚焦，從而提高駕駛員視野中圖像的保真度。"
二、虛實融合
FUTURUS創始人徐俊峰指出：“AR-HUD最難的就是通過3D光場顯示技術呈現虛擬世界，以及虛實實時融合技術。”
想要實現畫面虛實融合，首先就需要實現畫面虛像的連續變焦，由于車輛處于實時運動狀態，虛像與現實的融合效果也需要實時做出調整，這需要引入多種傳感器進行協同工作，并且對于算法也有著很高的要求。
圖源：Futurus
目前為了實現更好的顯示效果，有些廠商推出了雙焦面HUD產品。所謂雙焦面，指的是把投影畫面投射到兩個不同的焦面當中，其中近距離焦面顯示車速、行駛里程等信息，而遠距離焦面用于顯示導航指引、切線指引等信息。
此前大眾ID系列純電動車采用的就是雙焦面AR-HUD方案，而近日，國內華陽多媒體宣布其AR HUD產品雙焦面技術已經實現突破，采用的是單PGU設計方案。
值得一提的是，目前很多已量產的AR-HUD產品實際上仍無法很好實現虛實融合效果，前面所說的雙焦面也只是一個過渡方案，所以也有人把這部分產品稱之為“假AR-HUD”。
如果想要實現“真3D”效果，目前主流的技術路線有兩種：一是全息光波導技術，這一技術的代表企業有DigiLens，二是激光投影技術，代表企業有松下以及WayRay。
去年WayRay就展示了一款概念車型Holograktor，該車型配備了全息顯示技術Deep Reality Display，可以實現3D AR的動畫效果。
圖源：WayRay
據悉，激光投影技術的主要原理為：當包含高透光聚合物薄膜的玻璃受到激光裝置照射時，能生成明顯的3D圖像。WayRay表示，它能做到比現有的HUD具有更大的視野，并且在零到無窮遠之間的不同視覺深度下，信息可以顯示得更亮。這意味著它在陽光直射的狀態下，依然能很好地工作。
三、成本問題
據了解，寶馬5系選裝AR-HUD價格為11600元，奧迪A6L價格更是高達18700元。AR-HUD成本較高，成為了限制它推廣的重要原因之一，目前市面上搭載AR-HUD的量產車型有奔馳S級、奧迪A6L、紅旗E-HS9、大眾ID4等，以豪華車型居多。
AR-HUD產品售價較高，究其原因，與制造工藝難度大、定制化程度高等因素有關。
國內汽車計算平臺提供商布谷鳥科技指出：從光學的角度來看，擋風玻璃是自由曲面，而為了形成不失真的圖像，就要求HUD中的凹透鏡發出非常精確的圖像。因此，在制造大鏡片的過程中對容差的要求非常嚴格，大陸集團HUD非球面反射鏡采用塑料注塑成形方法生產，整個表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下，需要使用十萬級或萬級無塵室車間。
此外，國內HUD生產廠商Futurus表示，汽車生產研發期間，每一次車型的微小調整、擋風玻璃角度的變化，都需要相應地調整HUD光路設計方案，特別是核心部件光學曲面鏡。如果車身傳感器布局出現變化，HUD的數據接入也需要相應調整。這也注定了AR-HUD很難實施批量化、模塊化打造。
四、體積問題
前面提到要實現虛實結合的效果需要保證HUD產品提供比較大的FOV以及VID。但隨著顯示尺寸變大，成像設備的尺寸也會隨之增大。比如裝配在奔馳S級車上的AR-HUD，體積就達到了27L，而相較之下，W-HUD等傳統產品的體積只有4-6L。
華為在IAA MOBILITY 2021展出的AR-HUD產品，圖源：網絡
為了縮小AR-HUD體積，目前主流的方法是優化光路設計，如縮小PGU與反射鏡距離，又或者引入新的波導技術等。
有意思的是，也有廠商設想過在汽車中引入AR眼鏡以完善導航體驗。三星曾經在美國專利商標局發布了一個關于增強現實眼鏡的專利申請：駕駛員佩戴AR眼鏡，通過內置的導航應用程序，可實現變道提醒、目的地導航等功能。此外，該專利中內部車載攝像機可以識別用于控制用戶界面或向系統發送命令的用戶空中手勢。
華為在去年也公開了一件智能穿戴設備相關專利，專利公開號為CN113686350A，專利中提到可以利用AR眼鏡設備補充顯示時間、車速以及油耗等信息。
圖源：華為
結語
AR-HUD目前體驗仍不算完美，還有前面所提到的眾多問題需要解決，但是它的技術以及市場潛力不言而喻。
根據高工智能汽車研究院發布的數據，2019年國內新車HUD搭載量為28.51萬臺，2020年則增長近1倍至58.01萬臺；預計到2022年HUD前裝搭載率將超過10%，2025年國內前裝滲透率將達到25%，市場空間近100億元。
目前，HUD賽道吸引了國外偉世通、日本精機、日本電裝、德國大陸以及國內的華陽集團、江蘇澤景、Futurus、瑞思華創等廠商入局。
不過值得注意的是，目前也有觀點指出，AR-HUD只是未來實現完全自動駕駛的一個過渡技術，畢竟實現自動駕駛后，AR-HUD抬頭顯示的便利，對于用戶而言，也就顯得無足輕重了。不知道你們持有什么樣的一個觀點呢？
