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        車載HUD(抬頭顯示)技術及產業發展現狀
        發布時間:2022-10-21    來源:網絡搜集   閱讀次數:6192 分享到:
        HUD(Heads Up Display)抬頭顯示儀是通過將車速、油耗、發動機轉速等重要的行車信息實時顯示在前擋風玻璃上,避免因駕駛員低頭、轉移視線等帶來一系列安全隱患的一套顯示系統。

        主流的HUD技術主要分為C-HUD、W-HUD和AR-HUD三種類型。C-HUD的投影形式是通過一塊半透明樹脂進行成像,投影范圍較小,內容較少且比較簡單,存在鏡片和玻璃色差,目前已經逐步退出市場。W-HUD是通過光學投影的原理,將行車信息投影在擋風玻璃上,投影范圍較大,內容較多,圖像更加清晰。AR-HUD增強了汽車投影與現實路況的互動性,融合實景和車載功能,將虛擬導航信息疊加到實際行駛道路上,直接高效地獲取道路信息,投影質量高,研發難度較大。

        發展歷程
        HUD最早是用于軍用戰斗機上的顯示系統,戰斗機飛行員不必低頭就能在風窗上看到所需的重要信息,保證了飛行的安全性。1988年,通用汽車首次在其發布的新車上使用了HUD抬頭顯示器,這款叫做“Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car”也成為了世界上首款使用HUD的汽車。盡管最初的汽車HUD顯示信息有限且顏色單一,但這種技術還是令當時的人們驚嘆不已。然而,受光學技術發展和自身成本的限制,HUD技術在之后的20多年時間里一直發展緩慢;直到近年來,AR技術的發展和W-HUD顯示效果、成本的改善才讓HUD技術重新引起大眾的關注,HUD在技術的推動下迎來了快速發展期。

        汽車的智能化和網聯化成為了未來汽車行業發展的趨勢,汽車的許多零部件都在朝著智能化方向發展。國家也在積極推動汽車智能化技術發展,2020年以來,工信部等部門發布了多項推動汽車智能化發展的政策,在2021年底發布的《關于促進道路交通自動駕駛技術發展和應用的指導意見》中,融合感知、車路信息交互、智能路側系統等技術作為未來智能交通發展的重點被提及。車載HUD作為汽車智能化的一個重要方式,將在未來乘上我國汽車智能化發展的東風,助力智能交通體系的建設。

        隨著汽車智能化的發展,HUD逐漸成為高級輔助駕駛系統(ADAS)和無人駕駛領域的熱門應用。HUD在汽車上使用越來越普遍。車載HUD的應用減少了因低頭查看信息而導致交通事故的可能,縮短了駕駛盲區時間,可以有效提升行車的安全性,并且提高汽車駕駛的科技體驗感。

        HUD作為中控屏、儀表盤之外的第三塊視覺顯示屏,近年來整體發展態勢良好,根據中國汽車工業信息網的數據,2021年中國HUD功能裝備率達到約6.8%,高于手勢控制、后排多媒體和后排液晶屏等座艙功能裝備率。

        中國主流合資、自主品牌均已開始裝配HUD。其中蔚來HUD裝配率最高,達到了52%,其次是寶馬,HUD裝配率接近40%,其他品牌裝配率均在20%以下。自主品牌中,吉利、長城HUD裝配率接近,均在10%以下。

        HUD市場需求規模逐年上漲。根據數據統計,在全球市場,2019年全球乘用車前裝HUD市場空間約為84.60億元,預計2025年上升至447.36億元,年復合增長率為31.99%。在中國市場,2019年中國乘用車前裝HUD市場規模約為5.44億元,預計2025年上升至196.83億元,年復合增長率約為81.86%。

        HUD市場中,C-HUD由于成像效果較差、顯示內容少等原因已經基本退出市場,AR-HUD由于成本較高,技術還不成熟等原因尚未量產落地,W-HUD在技術方面比較成熟、顯示效果較好、價格適中,已經成為我國HUD市場的主流產品。根據高工智能汽車研究院的數據,2021年前三季度,我國HUD市場中,W-HUD方案占比超過90%。

        HUD的主要設計原理是離軸三反射鏡光學系統,即圖形顯示器(PGU)產生圖像——小反射鏡折轉光路——大反射鏡反射放大——風擋玻璃反射進入人眼成像。隨著市場需求追求更長VID(即虛像距離,指圖像到眼睛的距離)和更大FOV(即視場角度,指人眼可觀察到到部分的邊緣與人眼瞳孔中心連線的夾角),第二級大反射鏡需要做的很大,導致加工難度成倍增加。

        HUD反射鏡公司采用塑料注塑成形方法生產,注塑工藝生產加工環節收縮率高、尺寸穩定性差,對企業設備、技術及工藝要求極高,而大鏡片在制造過程中對容差的要求更加嚴格。

        HUD主要由影像源(包括芯片)、光學鏡面(包括LED光源)等組成,其中影像源占據HUD總成本的50%,影像源作為最核心板塊技術大多都被國際企業掌握,顯示技術方面國內也僅在LCD技術相對成熟,其他顯示技術仍處于發展期,技術尚未完全成熟,導致國內整體HUD企業議價能力較弱,國際上有德州儀器與愛普生具備自主生產的能力,國內相關企業正在迎頭趕上,如華為、光峰、華陽等企業均在成像方案有所突破。

        HUD所用投影光源技術發展情況

        隨著HUD投影技術解析度提高,更多的路況和導航信息也可以被HUD投影,因此,增強現實AR的概念也被套用在了HUD上,“AR-HUD”也應運而生。

        今年6月,被理想汽車CEO李想稱為“500萬以下最好的車”的理想L9正式發布。比起“傳統的”新能源汽車,搭載了五塊屏幕的理想L9被戲謔為“一車全是屏幕”。理想L9五塊屏幕的其中的一塊,便是來自FUTURUS未來黑科技公司提供的AR-HUD套件。該公司提供的AR-HUD,其PGU采用的仍是較為傳統的TFT技術。

        關于TFT技術,舜宇光學子公司舜宇車載光學總經理裘文偉曾經在公開場合表示,雖然此前90%以上的HUD采用的是TFT的技術,但因TFT成像原理仍然是背光成像,覆蓋的液晶會擋住一部分光源,所以亮度不夠。此外TFT對工作溫度要求較高,且HUD靠近發動機,極端高溫環境下較難提高流明水平,而AR-HUD對亮度和解析度都有相當高的要求。

        目前,HUD市場主要看好兩種反射成像技術路線,分別為德州儀器(TI)主導的DLP路線,以及華為華陽瞄準的LCoS路線。

        投影領域最大的兩個競爭路線是DLP路線和LCoS路線。LCoS技術其實在一九九幾年就已經出現了,開始主要應用在背投電視上,但在最主要的投影的運用上一度落于DLP的下風,只是在一些高端領域還保有一些份額,所以這幾年聲量不大。DLP路線在亮度上有優勢,在同等能耗下LCoS的亮度略低,這種亮度差距在投影和背投電視上的會很明顯地影響消費者的選擇,但是在解析度,特別是1080P以上,LCoS有優勢。

        與LCoS百家爭鳴的狀態不同,DLP路線自誕生以來,仍被美國德州儀器公司完全獨占。DLP光閥是TI(德州儀器)全自主研發的。但在給客戶供貨的時候,德州儀器都只允許對方購買他們的‘黑盒子’。這個黑盒子是不能拆解的,不能自定義光機,當前沒什么人研發DLP,德州儀器是一家獨大的狀態?!昂诤凶印边@個提法,似乎也成為了行業人士對德州儀器DLP組件的昵稱。

        隨著智能化電子時代的到來,全球芯片需求大增,加上疫情影響物流,芯片短缺大潮撲面而來。另一方面,已經壟斷高性能投影儀光閥市場的德州儀器DLP光閥不斷被應用于更多的場景之中,“斷供潮”導致下游應用端企業時不時出現缺貨困境。業內人士看來,主動放棄沿用多年的DLP技術投影儀,改投LCoS懷抱,本質上還是由于DLP的全球性缺貨所導致的。

           車載HUD在能耗指標上的敏感并不高,LCoS的反射投影模式允許其可以無太多顧忌的提升流明。所以相比家用商用投影儀設備,車載HUD在于LCoS技術應用上似乎更為合理。
        雖然DLP斷供導致投影光閥出現缺口,2021年大部分的投影光閥缺口都被更傳統的LED路線所填補。在這中間,LCoS路線并未在DLP斷供大潮下打出翻身仗,主要還是因為LCoS產業鏈的玩家本身便不多。

        2020年,慧新辰稱其自主研發的中國首顆LCoS芯片即將進入量產。此后,飽受DLP光閥供應煩擾的極米科技創始人鐘波公開表示,一直在關注慧新辰的LCoS芯片,公司也正在對其LCoS芯片進行測試。

        慧新辰與中國首個LCoS公司長江力偉頗有姻緣,后者2011年開辟首個LCOS生產線,但因市場需求不濟于2017年申請破產。2018年,慧新辰以低至300萬元的價格將長江力偉生產線納入麾下,成為了LCoS第一股。據報道,此后晨鑫科技披露慧新辰與極米科技簽訂協議,雙方約定光機產品研發樣品驗收合格后一年內,極米科技向深圳慧新辰采購數量不低于100萬/年的LCoS芯片。然而至今極米科技的產品仍然以DLP路線為主,公開資料也無法查實兩者合作的后續結果。此后,晨鑫科技經營情況急轉直下,因游戲業務拖累,晨鑫科技近年持續大額虧損,芯片業務雖然盈利,但收入規模和利潤能力尚不足以支撐公司發展。今年4月,由于再次出現大幅虧損,晨鑫科技被正式確定退市。

        對于華陽集團和華為來說,車載HUD確實給了LCoS的未來一個新的可能。然而在光明前景中仍有陰影,LCoS產業鏈玩家稀缺,市場認知不足的問題,仍然是其發展的障礙。LCOS的蛋糕還沒做大,市場沒有充分被挖掘之前,仍然希望更多的玩家能夠進入這條領域。

        AR-HUD成未來趨勢

        AR技術的發展讓車載HUD提升到了一個新的境界。結合車身的傳感器,AR引擎可以對車輛周邊的環境進行實時的建模和渲染,在更大的屏幕范圍中為駕駛員提供必要的路面信息,如車道轉換、高速出口,甚至還可以和車內的娛樂系統結合,進一步拓展到社交、購物等功能。

        行車整體安全性的提升也是AR HUD最重要的使命之一。當人們在看導航時,如果路上發生了突發的情況,人的大腦需要2秒鐘來反應。在使用了AR HUD后實際上就沒有了這個時間差,因為所有的信息都是呈現在同一塊屏幕上的。

        AR對于光學的要求非常高。盡管不像AR眼鏡那樣需要將復雜的光學結構集成到小型的一體機中,但同樣需要軟件+硬件結合的AR HUD,在光路設計、建模算法、設備體積、信息篩選等方面也并不容易。

        HUD與座艙的深度融合是未來的發展趨勢,是座艙電子解決方案和ADAS整體解決方案的重要組成部分。與W-HUD以及C-HUD相比,AR-HUD在顯示信息內容、人機交互性和可視化等方面均有較大的優勢,隨著AR技術的發展和AR-HUD成本的下降,AR-HUD將會成為未來HUD行業的主流產品。
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