汽车抬头显示 AR HUD 应用潜力浮现


要点

·       汽车行业对于抬头显示器 (HUD)的导入正呈现迅速增长,但仍主要限于一些高端车型。Omdia 预计在 2022 年,HUD 的出货量可以达到 600 万片,年同比 (YoY) 增长达 7%。


·       用作显示來源和通过光学引擎(light engine)进行画面投射的小尺寸 TFT 液晶面板目前仍是最为重要的显示面板技术,排名其后的则是数字后视镜设备(DMD,或称之为数字光学处理)和激光波束扫描(LBS, laser beam scanning)等技术。

·      虽然汽车 HUD 应用正受到越来越多的关注,但其在微显示面板(micro display)、光学引擎优化和外形等方面仍未达到技术全面成熟。此外,HUD还需要有明确的定位策略,以与仪表盘显示面板 (ICD)、中控屏显示面板 (CSD) ;另外,还要等待一些成長刺激因素形成以提高使用。尤其是基于汽车机器视觉(machine vision)的增强现实(AR, augmented reality),一旦成熟后,应该可以让HUD 成為有价值和实用的功能。

汽车 HUD 应用

在用于汽车领域之前,HUD 已在军用航空器(例如战斗机)领域得到了广泛的采用,原因是具有人体工学方面的优势,能够缩短飞行员在处理周边环境信息所需时间。有了HUD,飞行员能够在看向驾驶舱之外、以察觉周边状况的同时,无需转头或转移视线就可处理、消化 HUD 上显示的各种信息。这种利用HUD投射情境或功能需要的訊息、叠加到现实的方式,其实正是一种提供給飞行员的增强现实做法。汽车 HUD 也具备同样的优势:将情境相关方的信息投射到挡风玻璃上。

根据投射目的地的不同,有两种类型的汽车 HUD:W-HUD(windshield,信息投射到挡风玻璃上)和 C-HUD(combiner,信息投射到专用的投射板上)。其中,W-HUD 在技术开发上较具挑战性,這是由于挡风玻璃容易受到外界干扰,例如环境光、灰尘和光学扭曲(由于风挡玻璃並非平面)等的关系。画面需在投射后予以相应校正,因此在技术上的挑战更大一些。C-HUD 则利用一块专用的投射板来投射;投射板的外形通常是位于 ICD 上方的一小块透明显示板,好处是光学效果比较容易优化,缺点则是较小,而且也沒有W-HUD在观看上來得更自然。更为主流的 W-HUD 具有更大的视野(FOV)角度,想对能够与驾驶员的前方现实视野相重合,也能显示更多的信息。


与供应链和显示面板产能均更为成熟的 CSD 相比,汽车 HUD 的安装量要低得多(约 600 万片每年)。具备触摸功能的 TFT 液晶面板是 CSD 的主要技术选项,其中部分原因是这种面板厚度小、容易設計安裝。HUD 則是一种复杂的光学系统,涉及到微显示面板(带或不带光源)、光引擎(微显示面板和光学元件)、光路径設計(light path,光在光源与目标位置之间的传播路径)和投射(光束目标位置)考虑等多个方面。

目前可用的微显示面板技术主要有 TFT 液晶面板(用于投射而不是直接观看)和 DMD 以及 LBS。用作显示光源和通过光学引擎进行画面投射的小尺寸 TFT 液晶面板,目前仍是最为重要的显示面板技术;包括 1.8 英寸 480x240 和 3.1 英寸 800x480 (WVGA) 的 LTPS TFT 液晶面板。不过,其投射亮度必须予以增强,二者会增加功耗,也因此需要配备散热器。由于其采用了投射原理,无法直接观看(基于液晶面板的 CSD 可直接观看),因此这种 HUD 系统体积较大(超过 10 到 15 升),需要隐藏安装在仪表盘之中。对于采用内燃机的汽车来说,容纳其较大的外形是一项不小的挑战。

目前可用的微显示面板技术主要有 TFT 液晶面板(用于直接观看之外距离更远的投射)和 DMD 以及 LBS。用作显示光源和通过光学引擎进行画面投射的小尺寸 TFT 液晶面板目前仍是最为重要的显示面板技术,包括 1.8 英寸 480x240 和 3.1 英寸 800x480 (WVGA) 的 LTPS TFT 液晶面板。不过,其投射亮度必须予以增强,但这样会增加功耗,而且也需要配备散热設計。由于其采用了投射原理,无法直接观看(基于液晶面板的 CSD 可直接观看),因此这种 HUD 系统体积较大(超过 10 到 15 升),需要隐藏安装在仪表板之下。对于采用内燃引擎的汽车来说,前方是引擎位置,因此容纳其较大的外形是一项不小的挑战。

无论是 HUD 还是 CSD 均能够带来有助于改善驾驶安全的有用信息。CSD 大部分均具备触摸功能,且位于汽车驾驶舱的中间位置。但 HUD 需要使用实体按钮或旋钮(通常位于方向盘上),或语音操作。对于驾驶员来说,在驾驶过程中去触摸操作 C-HUD 或 W-HUD 并不现实。另外,CSD 的图形用户界面(GUI)也更为美观花哨,与手机的界面较为类似。相对地,HUD 厂商都推崇更为简洁明瞭的呈现方式;这既是出于安全考虑,也有助于驾驶员快速处理信息,才不致分心造成危险。

为 AR HUD 做好准备

CSD 和 HUD 两者不属于互相竞争的显示技术,原因在于两者均具有其独特的功能和使用目的。但 HUD 在提供更加情境敏感(context-sensitive)的信息方面,能够远优于 ICD。CSD 凭借其极为出色的显示性能和图形用户界面,适合用于对先进驾驶员辅助系统(ADAS)、车载通讯(例如导航、娱乐)以及车内功能控制(例如空调、座椅调节、照明)等的实现。这些均可以整合至单一显示面板之中呈现给用户观看或直接操作。但是由于其安装位置,CSD需要驾驶员在驾驶期间转移视线去查看,因而可能会造成驾驶员分神。因此,採用ICD(机械转盘式或是显示面板)的话,将能够对 CSD不方便之处形成互補,为驾驶员提供必要的驾驶情境化信息。不过,ICD(机械转盘式)仅能够显示有限的信息(例如车速、发动机转速、燃油状态)。特斯拉 在Model 3 甚至直接彻底取消掉了 ICD的设计。

受限于 HUD 显示器投射性能(即视野角度窄、图像分辨率低),HUD 无法在显示更多信息、或是更复杂图像方面与 CSD 形成竞争。另一方面,情境敏感信息始终需要实时提供,並且在驾驶期间一直不断变化,因此无论是在 ICD 中予以显示,还是集成到 CSD 之中(例如特斯拉 Model 3),均依然十分有用。如同 ICD, HUD 的位置就在驾驶人對外的视线上,因此更适合直接观看且不会造成分神。但是如果要說服车厂采用 HUD 而不是ICD,那么HUD就必须有胜过 ICD的地方,或是 ICD 无法提供、但HUD可以胜任之处。AR HUD应该会是未來差异化的方向。尽管 AR HUD 应用给出了令人信服的理由以采用 HUD 而非 ICD,但其仍然处于开发或是等待完善的阶段。

不管是基於面板的 ICD或是投射显示的HUD,都只是被动接收并显示来自计算主机的图像数据。这样来看的话,似乎 HUD 也仅仅是 ICD 的另一备选。不過,AR 让 W-HUD 通过投射到风挡玻璃上的方式,會让HUD变得比 ICD 更加先进和有用。AR HUD 技术涉及到利用 AR技术来将运算结果渲染到「现实」之上。在汽车这一使用场景之中,能够对风挡玻璃前方的物体,以感测器、机器视觉演算法进行识别,并且进一步利用情境敏感信息对这些物体进行标示,以辅助驾驶安全或是對驾驶情況的掌握。与之形成对比的是,非 AR 的 HUD 技术则无法识别物体,仅可被动呈现信息。

新兴的一些汽车用传感器,例如基于雷达或是深度感测(ToF)技术的CIS成像传感器(CMOS image sensor)模块能够发挥作用,在环境感知、机器视觉(即处理接收自传感器的模拟数据)和主机计算(即基于机器视觉的数据解读和处理)間相互配合,讓这些传感器对于 AR HUD 的实现有着关键作用。这些电子元组件使得对驾驶员和前方物体或状况的识别得以实现。识别物体之后,主机计算技术便可进一步生成情境与环境敏感的信息或图像,以供显示在风挡玻璃上。车辆驾驶期间,各种状况都在一直不断变化,因此机器视觉和计算系统均必须实时地为驾驶员提供信息更新。

与 C-HUD 不同,W-HUD 受到的环境干扰更多。阳光或灰尘对于风挡玻璃造成的更强的干扰,对于维持微显示面板(或其光源)的显示亮度以及降低功耗来说,是一项不小的挑战。如果 AR在對物体的标示上過于复杂,以致让驾驶员误判,那么反而失去其原本使用目的。因此,AR HUD 显示面板之中所采用的图形符号或标识设计均必须既简洁明瞭,又明显可区分。此外,基于机器视觉的 AR HUD 系统均要求具备 10°的水平 FOV (或三条车道)以及 7.5–10 米的虚拟图像距离(VID, virtual image distance),这是因为需要提升深度感知能力,以便能够辨认不同距离处的物体。

迄今为止,汽车 OEM 厂商均已在其高端车型之中引入了非 AR 的 HUD,作为 ICD 的备选。引入基于机器视觉的 AR HUD 能够实现对汽车前方物体的识别,从而改善汽车行驶安全。在安全方面以外,AR HUD 也可利用车载部件本身或智能手机与车辆的车联万物 (V2X) 通讯功能互相搭配,提供有关道路基础设施方面的信息更新,从而带来驾驶便利,或各种基于位置的服务,例如兴趣点 (POI) 等。



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