AR HUD爆发前夕，还面临哪些技术难点？

文/VR陀螺万里

AR这一概念最早由波音公司研究员Tom Caudell于1990年提出。经过这些年发展，AR在很多领域都已得到了相应的应用，比如《Snapchat》引入AR滤镜，为我们的社交娱乐增加了一种新的可能性；亚马逊加入AR购物功能，增强了我们的购物体验。

此外，AR在汽车领域也展示出了极大的发展潜力，比如我们今天提到的AR-HUD，它的出现，让汽车驾驶体验上升到了一个新的台阶。

图源：WayRay

从C-HUD到AR-HUD

抬头显示的迭代之路

HUD，英文名为Head Up Display，百度百科的解释为抬头显示，也有人称之平视显示系统。

最初HUD用于军事领域，它可以把飞机飞行时的一些参数比如高度、速度、导航信息等重要信息投射到飞行员正前方的面板上，这样就避免了飞行员频繁低头查看仪表盘信息，从而提高了专注度。后来，这项技术被引入到了汽车当中，1988年通用汽车推出了首款搭载HUD的量产车型。

如果以技术迭代来看，目前HUD又可以分为C-HUD（Combiner HUD）、W-HUD（Windshield HUD）以及最新的AR-HUD这三种。

C-HUD推出时间较早，它采用了屏幕设计，显示屏通常为透明树脂玻璃。该产品成本以及技术难度较低，不过它的投影范围小，VID（虚拟图像距离）通常小于2.5米，未来会被逐步淘汰。

C-HUD产品，图源：网络

W-HUD则没有采用屏幕设计，它利用反射原理将导航数据投影到挡风玻璃上。与前面的C-HUD产品相比，具有显示范围更大，VID更远等特点。根据海通国际的研究报告指出，目前W-HUD的FOV能做到10°X4°，VID约为4-5米，为当前主流的HUD产品。

而AR-HUD，可以简单把它理解为增强现实版本的W-HUD，它的一些参数要优于普通的W-HUD产品。

德州仪器数据指出，HUD产品如果想要实现增强现实功能，需要达到VID>7米，并且FOV>10°。当VID大于7m，人类视觉对深度的感知能力会降低，在这个距离的投影图像会使驾驶者产生图像与现实世界融合的错觉。

图源：德州仪器

在功能方面，理想的AR-HUD产品能实现跟车提醒、行人预警、车道偏离指引、变道指引等一系列功能。更重要的是，它的投影内容能实现虚拟影像与现实世界内容的深度融合。

此外，从一些HUD厂商的概念视频来看，未来AR-HUD与3D地图等数据相结合，可以把商场、餐厅广告等LBS AR信息投射到画面中，俨然一副AR眼镜。

图源：Raythink

AR HUD爆发前夕

面临哪些技术难点

有人把2021年称为汽车AR-HUD元年，这一年众多国内外主机厂开始推出搭载AR-HUD的车型，比如长城摩卡、吉利星越L等。不过，AR-HUD跟当前AR眼镜一样，仍然处于发展早期阶段，技术并不成熟。

VR陀螺了解到，当前AR-HUD面临着以下几方面技术难点：

一、画面调整

AR眼镜用户都知道，当我们佩戴眼镜时，视线需要放到某一个合适的范围，这样才能看清楚显示画面（该参数为EyeBox）。同样，AR-HUD也有这一问题。由于驾驶员的身高各不相同，导致每个人的行车视角都不一致。如何调整AR-HUD投射的画面，使之避免出现画面发虚、错位等问题，比较考验HUD厂商的能力。

AR-HUD光路，图源：网络

据了解，华为AR-HUD的解决方法是利用IMU（惯性传感器）以及DMS（驾驶员监控系统）来监控行车状态，然后实时对显示画面进行调节，以达到画面稳定的目的。

松下在CES 2022上发布的AR HUD 2.0版本，里面新增了眼动追踪系统，美国松下汽车系统公司首席技术官Andrew Poliak说道：

"松下AR-HUD 2.0延续了将集群和HUD等显示域向上集成到中央信息娱乐计算模块的趋势。通过将我们专有的眼动追踪技术整合到AR-HUD中，我们可以了解驾驶员的正在注视的位置，然后将AR图像与现实世界更准确地匹配和聚焦，从而提高驾驶员视野中图像的保真度。"

二、虚实融合

FUTURUS创始人徐俊峰指出：“AR-HUD最难的就是通过3D光场显示技术呈现虚拟世界，以及虚实实时融合技术。”

想要实现画面虚实融合，首先就需要实现画面虚像的连续变焦，由于车辆处于实时运动状态，虚像与现实的融合效果也需要实时做出调整，这需要引入多种传感器进行协同工作，并且对于算法也有着很高的要求。

图源：Futurus

目前为了实现更好的显示效果，有些厂商推出了双焦面HUD产品。所谓双焦面，指的是把投影画面投射到两个不同的焦面当中，其中近距离焦面显示车速、行驶里程等信息，而远距离焦面用于显示导航指引、切线指引等信息。

此前大众ID系列纯电动车采用的就是双焦面AR-HUD方案，而近日，国内华阳多媒体宣布其AR HUD产品双焦面技术已经实现突破，采用的是单PGU设计方案。

值得一提的是，目前很多已量产的AR-HUD产品实际上仍无法很好实现虚实融合效果，前面所说的双焦面也只是一个过渡方案，所以也有人把这部分产品称之为“假AR-HUD”。

如果想要实现“真3D”效果，目前主流的技术路线有两种：一是全息光波导技术，这一技术的代表企业有DigiLens，二是激光投影技术，代表企业有松下以及WayRay。

去年WayRay就展示了一款概念车型Holograktor，该车型配备了全息显示技术Deep Reality Display，可以实现3D AR的动画效果。

图源：WayRay

据悉，激光投影技术的主要原理为：当包含高透光聚合物薄膜的玻璃受到激光装置照射时，能生成明显的3D图像。WayRay表示，它能做到比现有的HUD具有更大的视野，并且在零到无穷远之间的不同视觉深度下，信息可以显示得更亮。这意味着它在阳光直射的状态下，依然能很好地工作。

三、成本问题

据了解，宝马5系选装AR-HUD价格为11600元，奥迪A6L价格更是高达18700元。AR-HUD成本较高，成为了限制它推广的重要原因之一，目前市面上搭载AR-HUD的量产车型有奔驰S级、奥迪A6L、红旗E-HS9、大众ID4等，以豪华车型居多。

AR-HUD产品售价较高，究其原因，与制造工艺难度大、定制化程度高等因素有关。

国内汽车计算平台提供商布谷鸟科技指出：从光学的角度来看，挡风玻璃是自由曲面，而为了形成不失真的图像，就要求HUD中的凹透镜发出非常精确的图像。因此，在制造大镜片的过程中对容差的要求非常严格，大陆集团HUD非球面反射镜采用塑料注塑成形方法生产，整个表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下，需要使用十万级或万级无尘室车间。

此外，国内HUD生产厂商Futurus表示，汽车生产研发期间，每一次车型的微小调整、挡风玻璃角度的变化，都需要相应地调整HUD光路设计方案，特别是核心部件光学曲面镜。如果车身传感器布局出现变化，HUD的数据接入也需要相应调整。这也注定了AR-HUD很难实施批量化、模块化打造。

四、体积问题

前面提到要实现虚实结合的效果需要保证HUD产品提供比较大的FOV以及VID。但随着显示尺寸变大，成像设备的尺寸也会随之增大。比如装配在奔驰S级车上的AR-HUD，体积就达到了27L，而相较之下，W-HUD等传统产品的体积只有4-6L。