近日，上海国际车展顺利落下帷幕。本届展会上，超过150台新车轮番登台亮相，让参会者大饱眼福。此外，里面出现的一系列新技术、新趋势引起了广泛关注。
以HUD为例，它抬头即显的特性能更好保障驾驶安全，随着智能座舱的更新迭代，HUD凭借优秀的“人与车、人与环境”交互特性，有望发展成为智能汽车的核心部件。本次车展上，华为、锐思华创、睿维视等一众厂家展示了其最新的HUD产品以及技术，成为活动的一大看点。
近日，陀螺君有幸与睿维视CEO邓远博博士展开对话，邓远博凭借其深厚的专业背景以及多年从业经验，为我们深入浅出讲解了HUD的发展情况以及详细技术。
应用现状：中端车用W-HUD，高端车用AR-HUD
睿维视是一家国内领先的HUD解决方案供应商，企业成立于2021年，总部位于南京，并在英国剑桥设有研发中心，在深圳设有办公室，河北设有生产基地。至今，睿维视已获得红杉、线性等投资机构数千万元融资。
从团队成员来看，睿维视是一家技术基因浓厚的HUD企业，如邓远博本人毕业于浙江大学光电专业，硕士、博士及博士后阶段在剑桥大学先进光电中心进行全息、AR、3D显示方向的研究。CTO董道明博士曾任职于Apple及知名全息显示公司VividQ，而首席科学家初大平教授则在光电显示领域具有非常高的学术地位。
邓远博向VR陀螺表示，他求学生涯的早期，做的是VR/AR相关的研究项目，此前主要研究数字全息CGH技术，也参与过新型AR眼镜的设计。博士后阶段，也就是2017年，他把研究方向转为了AR-HUD。
对于这一转变，邓远博表示，当初研究AR眼镜时市场处于一个相当早期的阶段，哪怕从现阶段来看也同样如此。究其原因，是因为AR眼镜还受限于体积、算力、光学、生态等多方面的问题。“相比之下，汽车近几年开始朝着智能化以及消费属性发展，而智能座舱也开始受到更多关注。在这其中，HUD产品形态相对固定，并且市场稳步上升，我们觉得会有一定机会。”
HUD市场正迎来高速发展期，目前很多调研机构都给出了同样的看法。据共研网数据，2022年全球车载HUD系统市场销量从2017年的397.7万件增长到991.3万件，预计2023年有望达到1270.6万件。而根据东方证券测算，2025年中国HUD市场规模近200亿元，5年复合增长率超过40%。
图源：共研网
早在十多年前，宝马、奥迪等部分高端车型已经开始使用W-HUD，但是当时产品体验并不如人意，HUD投影画面小，只能显示简单内容，并且在价格上，可能要花费上万元选装，性价比一般。
从2021年开始，市场开始由W-HUD加速向AR-HUD转变。在技术原理上，AR-HUD与W-HUD均采用了基于自由曲面的离轴三反设计，不过，AR-HUD的FOV、VID等显示指标要大得多。此外，它可结合AR相关技术，进一步提供辅助驾驶、巡航、行人预警等更加智能化的信息服务。
图源：睿维视
邓远博指出，AR-HUD加速迭代期的出现，跟以下几方面因素有关。一方面，伴随着造车新势力的涌入，乘用车市场竞争日趋激烈，这有利于加速HUD产品的迭代。此外，自动驾驶技术由L2向L3迈进，车机的算力、传感器性能变得更为强悍，这为AR-HUD提供了良好的底层支持。
最后在价格方面，此前HUD市场多由海外的大陆集团、电装等供应商把控，而随着国内厂商的入局，它的价格进一步下探。“目前W-HUD和AR-HUD价格差距并不会很大，现在W-HUD价格基本在1K以内，而AR-HUD则根据具体的配置价格在1-3K左右。”
“以前国产车企多偏向于在其中高端车型上配备HUD，但如今的趋势是车企会在中端车型选用W-HUD，而在高端车型上选用AR-HUD。不仅如此，我们已经能够看到在20万以内的部分车型上也已经装配了AR-HUD。”
对睿维视而言，据邓远博透露，目前睿维视已经启动了4个量产项目。在本次上海国际车展上，东风汽车展示了与睿维视合力打造的裸眼3D超大画幅全屏显示，受到了颇多关注与好评。
东风汽车智能座舱展示，图源：东风汽车
大FOV、VID需要以体积为代价，光波导短期仍难以落地
从结构来看，车载HUD产品主要包含了光机（PGU）、放大光路以及挡风玻璃三部分，其中光机负责生成像源，放大光路用于放大图像，并消除畸变，而挡风玻璃则用于反射画面并解决重影等问题。
图源：网络
光机部分，邓远博表示它可以分为三代：第一代是TFT，该方案具有成本优势且技术成熟；第二代包含LCoS、DLP、LBS等，它们互有优劣（见下图）；第三代则是针对全息所做的功能性光机。
图源：开源证券研究所
TFT方案是目前的主流，但它在量产的过程中需要解决阳光倒灌问题。目前HUD产品大多采用凹面镜放大成像原理，在成像的同时外界的阳光会沿着HUD的光路反向汇聚到光机部分，导致内部温度过高，甚至造成烧毁组件的风险。
“由于发光面跟阳光倒灌承接面在同一个地方，TFT面临的阳光倒灌问题会相对比较严峻。而DLP与LCoS等方案则是先把画面投射在扩散膜中，再进行二次放大，扩散膜可以承接阳光传导过来的能量，使其无法到达光机，它们的阳光倒灌问题相对比较容易解决。”邓远博指出，目前解决TFT阳光倒灌问题的思路主要有以下几种，一是在防尘盖处进行偏光处理，此外还可以在自由曲面镜镀冷光膜，从而过滤阳光的红外光部分；除此之外在光机以及传动结构上的设计也可减弱阳光倒灌的影响。
放大光路部分，自由曲面镜是目前主要解决方案，但随着我们对于HUD大FOV、VID等指标的追求，体积问题开始日益凸显。邓远博指出，FOV、VID与HUD模组体积近似成正比关系，如W-HUD的VID在2米左右，FOV 6°x2°，它的模组体积约为3-4L；而AR-HUD的VID达到7.5米，FOV 10°x3°，它的体积随之飙升至10L以上。
HUD中反射式的自由曲面，图源：睿维视
“由于汽车车身空间有限，很多汽车为了上HUD需要调整车身架构以给HUD做避让，如调整风道、空调管道、支架等。一般而言，在电车上安装HUD会更容易，因为电车相较油车整体结构相对简单，预留的空间也更多。”
为了降低设备体积，目前不少HUD厂商瞄准了光波导等方案。通过将自由曲面镜替换为光波导，可让模组体积缩小至原来的五分之一至十分之一。不过这套方案仍不成熟。“想要达到理想的显示效果，HUD的光波导镜片需要做到较大的尺寸，比如300mmX150mm大小，它的光效、色散、工艺、成本，以及与光波导配套的PGU等很多问题还亟待解决。它离应用落地依旧时间较长，可能未来3-5年内暂时无法上车。”
而挡风玻璃部分，由于是不规则的自由曲面，正常投射的影像经过挡风玻璃反射后会形成画面畸变，这时候就需要自由曲面镜匹配汽车挡风玻璃面型以消除静态畸变、动态畸变、双眼视差等问题。
此外，由于HUD光机发出的光线在挡风玻璃的第一、第二表面上会发生两次反射，而这两次的反射光线不会完全重合，两者以错开的形式到达人眼，最终会导致重影效果。对于重影问题，常见方法是从挡风玻璃入手，通过改造内部PVB膜的形状和厚度，将其改装为楔形PVB膜，最终使得入射光线经过两个表面形成的虚像重合，从而减轻重影对驾驶体验的影响。
值得一提的是，目前睿维视开发了PV平行矢量无重影技术，该技术方案是从自由曲面镜切入，通过调制光机的光路走向，从而无需楔形膜，在普通风挡上即可实现无重影，这在行业中属于首创。
重影生成示意图，图源：睿维视
动态变焦数字全息或为终极方案，HUD组件标准化亟待提高
邓远博在对话中提到，目前多数AR-HUD只能显示单一焦平面内容。在画面需要与现实场景融合的情况下，只能通过“近大远小”等心理暗示来呈现伪3D效果，画面无法实现准确标定，并且无可避免会出现视觉辐辏调节冲突等问题，导致驾驶员的疲惫感。
为了提升观看体验，市面开始出现了双焦面方案，即HUD会投射出两个不同深度的焦平面，近焦面可用于显示车速、行驶距离等信息，而远焦面则可以补充车辆识别、导航指引等，这样在使用场景上更为饱满。目前市面上对于双焦面的解决思路包含单光机双光路、双光机双光路等。据悉，睿维视基于单光机单光路的多焦面产品ML(Multi-Layer) 3D AR-HUD产品也将很快推出，可定制化支持7个以及更多的焦面。
HUD显示方案演进，图源：睿维视
不过，无论是双焦面还是多焦面，虚像融合全纵深现实场景的问题依旧无法得到根本性解决，未来，具备动态变焦能力的3D AR-HUD可视为完美的解决方案。睿维视团队正在着手相关技术与产品的开发，其解决方案是数字全息技术(CGH)+LCoS相位调变技术，但邓远博指出，这套方案想要得到真正落地并不容易。
几种技术方案对比，图源：睿维视
“目前已经有demo，但距离量产还需要解决一系列问题。比如全息投影在光源上需要使用激光作为相干光，但是现在还没有合适的能过车规的激光。不仅如此，全息成像对于算法以及算力要求很高，并且还要匹配电路、相位调制器等一系列问题。”邓远博指出，该方案其实也适用于AR眼镜，但是由于AR眼镜属于近眼显示设备，体积限制会更为严重，它在AR眼镜上面会面临不同的挑战。
在生态方面，邓远博认为，HUD的发展分为四个阶段。早期的W-HUD，只能显示速度、限速等简单信息，而如今的AR-HUD可以进一步实现导航等，它们主要用于辅助驾驶的增强。未来，当汽车从L3发展到L4的时候，HUD更多会起到一个汇报功能，即把汽车行驶路线、道路预警、潜在风险等信息等提前显示出来，赋予驾驶员一种安全感。当自动驾驶真正实现时，AR-HUD可以进一步作为智能座舱的交互中枢，提供观影、餐厅评分等基于地理位置信息的AR体验。
图源：睿维视
对话的最后，邓远博还提到了目前HUD的标准化问题，这是制约它大规模发展的重要一环。“目前HUD仍偏定制化产品，其组件的标准化率可能低于30%。”如果拆开来看，目前除光机、马达等少数部件外，其他都需要专门定制，如自由曲面镜需要考虑到挡风玻璃、体积等因素对不同车型进行单独适配，而随着光路的调整，HUD的结构底壳、遮光罩、上盖、PVB膜等都需要进行相对应的调整或开模。
“任何一个东西想要得到大规模运用，标准化是一定要解决的问题。定制化器件会受到很多因素的制约，比如沟通成本、时间成本等。”邓远博指出，团队希望在未来进一步把HUD产品的标准化率提升至80%以上。
结语
“在行业中，一个很普遍的模式是在国外HUD产品的基础之上做相应的国产替代，以打造更具性价比的版本。虽然这样也能创造价值，但最终的结果是产品创新力不足，同质化严重，最终陷入价格内卷。睿维视希望能从光学、算法等领域坚持底层创新，为行业带来不一样的产品和价值。”邓远博表示。
目前AR-HUD正在处于技术的“攻坚战”当中，光波导、多焦面、全息......AR-HUD将在发展中进一步革新汽车的第三空间，并重新定义我们未来的生活方式。
