仪表盘印在挡风玻璃上?这项技术是黑科技还是智商税?

原创 电动车公社 2024-12-27 23:55

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今年7月份,全球人气最高的虚拟偶像初音未来,时隔6年又来到了北京开演唱会。
这可把公社一位编辑小哥激动坏了,作为追了14年老粉,他上次连票根都没抢到。这次果断“一雪前耻”,凭手速抢到了最前排的VIP票:
第二天一早,只听他办公室里连声叫好:“NB,就像会动的手办一样!”

初音未来当年之所以能爆火,除了“歌好”、“人美”以外,一项黑科技功不可没——全息投影

在17年前,初音未来只是输入歌词就可以唱歌的软件音源。后来一位插画师画出了她的形象,并借助全息投影技术“从虚拟走进现实”,由此虚拟偶像这个概念开始兴起。
而所谓全息投影技术,说白了就是把光投影在一张透明的幕布上,呈现出裸眼3D的效果。
虽然听上去挺高大上的,但怎能奈何得了以“包罗万象”著称的汽车行业?
类似的原理已经在车上有所应用了,就是HUD
按照惯例还是先来做一下名词拆解, HUD是Head Up Display的缩写,翻译过来叫做抬头显示。

顾名思义,就是把仪表盘上的信息,通过光学投影的方式投射在车前挡风玻璃上,从而让驾驶员更多的直视前方,大幅减少低头看仪表盘的频率。

我问过身边的一些朋友,他们对于HUD的态度两极分化特别严重。
一拨人用了HUD之后直呼NB,表示再也离不开了。
另一拨人则觉得一点也不好用,表示HUD就是纯纯智商税。
造成这样的结果,或许与他们用了不同的HUD有关,正好借此机会跟大家聊聊HUD技术都有哪些不同。
实际上,HUD并不算什么新事物。
早在上个世纪60年代,美国海军就在A-5超音速轰炸机上率先应用了,被称为“平视显示系统”
说白了,就是在飞机前挡风玻璃上加装了一块透明的显示屏,可以将飞行参数、导航等等信息投射在屏幕上,飞行员可以在不低头的情况下,既能看到外界参照物,又能兼顾仪表参数,以此提高飞行的安全性。
到了80年代,HUD就已经大批量的开始在民航客机上应用了,显示信息也越来越丰富,包括空速、高度、航向、垂直速度、迎角、导航、设备运行状态和警告显示等等:
后来到了90年代,通用、丰田、宝马、奔驰、奥迪等车企开始将HUD装车,也从最开始的单色显示,过渡到了后来的彩色显示。
由于看起来特别有科幻的感觉,一时间HUD也像当年的空气悬架一样,成为了高端车的必备配置之一。
起初,在车上应用的HUD和飞机上应用的古早版本一样,都是外接一块透明屏幕,这种方案也被称为“C-HUD”,即组合型HUD。
实际上,C-HUD原理上并不复杂,甚至找一块透明玻璃板,用手机或平板做投影源,都可以DIY出来。

某宝上面搜索“HUD”词条,就会出现茫茫多的后装方案,便宜的几十块钱,贵点的几百块钱,总体上价格都不算特别贵。

成本低廉自然是C-HUD的优势,但劣势是显示效果并不是很理想。
尽管可以让驾驶员目视前方,但却需要眼睛焦点在C-HUD屏和前方路况之间来回切换,用久了之后非但不能减轻驾驶疲劳,反而会让眼睛更累。
厂商们开始思考,直接把车的前挡风玻璃作为投影幕布不就行了?
于是,第二代HUD产品“W-HUD”就应运而生了。
其中“W”指的就是Windshield,也就是挡风玻璃。
从技术难度上来说,W-HUD要比C-HUD难很多,这导致早期的W-HUD实际上并不太好用。
一方面,是投影介质从平面变成了曲面。
挡风玻璃是由内外两层玻璃粘合而成的,由于内外玻璃的曲率不同,会导致内外反射光的反射角度不同,让虚像焦点不重叠,而人眼看过去的效果就是会出现重影
这也是为什么,很多国内外品牌早期做W-HUD推广时,有不少用户都反馈称画面很糊,特别费眼睛。

另一方面,直接投影到挡风玻璃上之后,生成的虚像会偏小,同时受外部环境影响也会更大,比如遇到路面反射强光时,HUD的显示就会被强光盖过去。
在种种因素下,一些人选装了不太好用的W-HUD的人,后来就选择了上车就把HUD关掉,从此把HUD拉入了黑名单。
直到最近几年,W-HUD开始逐步优化上面这些问题。
首先,前面说的重影、对不上焦的问题,除了投影源本身以外,玻璃也有很大的影响。
需要将挡风玻璃夹层的 PVB 膜做成楔形,并通过调整楔形膜的角度和玻璃的厚度,才能才能达到消除重影的效果。


至于遇到强光就消失的问题,就只能靠提高投影源功率、增加亮度来实现了。
简单总结起来,W-HUD的功能性,其实跟传统的仪表盘重叠度很高,W-HUD能显示的东西,仪表盘也都能显示。
这时一些脑洞比较大的工程师就开始思考,有没有什么功能是HUD能实现,但仪表盘不能实现的呢?
答案就是,像许多科幻电影里那样,把投影与现实场景相融合。
于是,公认的第三代HUD产品,AR-HUD就应运而生了。


其中“AR”是Augmented Reality的缩写,也就是增强现实
它可以实现将导航信息与实际路面信息叠加,就像开放世界RPG游戏中人物路线指引的“浮空箭头”指示一样。
同时,AR-HUD还可以结合智能驾驶系统和主动安全预警系统,对车识别到的物体,或是智驾系统即将进行的动作,进行直观的投影展示。
比如前方车距划线,智驾变道的方向指引等等:


不少小伙伴体验过有AR-HUD加持的智驾之后,会觉得“黑箱”感没之前那么强了,能很直观的Get车到底在想什么,安全感大幅增加。
除此之外,还有一些车企在宣传其AR-HUD的超大尺寸时,称可以用前挡风玻璃来看电影:


最先应用AR-HUD这项技术的,依然是最喜欢不计成本“整花活”的奔驰,首次搭载在了2020年上市的第十代奔驰S级上。
随后,红旗E-HS9、奥迪Q4 e-tron、飞凡R7、问界M9等车型,都先后跟进搭载了AR-HUD技术。


虽然市面上可选的AR-HUD车型越来越多了,但实现的原理和应用效果亦有差异。
从技术的角度上来讲,AR-HUD要比上一代W-HUD要难得多。
W-HUD的投影焦点,都是打在一个固定平面上不变的,而AR-HUD想要实现投影与现实场景的结合,就需要不断主动变换投影焦点
至于投影焦点如何变化,就要跟车本身的智驾系统、主动安全系统做紧密联动。
如果做得再细致一点,还会利用DMS驾驶员疲劳监测系统扫描人眼,实现AR-HUD的“跟眼”精确调焦。
毫无疑问,这需要有强大的软件控制作为支撑。


硬件方面,AR-HUD同样有着不小的技术壁垒,其中图像生成单元PGU是核心零部件,成本大概能占到整套系统的30-50%。
目前,市面上AR-HUD的PGU主要有四种技术方案。
第一种TFT的原理与大部分W-HUD上的基本相同,就是利用薄膜晶体管(TFT)作为开关元件来控制每个像素点的透光性,实现图像显示。
从表面上看,投影源其实就是一块高亮度液晶屏。
由于其技术门槛较低,成本可控,目前市场上推广度较高,但缺点是投影距离和变焦能力有限,与真实场景的融合度较差。
第二种DLP数字光处理式,也是最早一代在奔驰S级上应用的技术。
通过控制几百万个微型镜片转动对芯片光源进行反射,再通过吸收器吸收不需要的光,实现图像投影的。
其优势是分辨率高,画面很实,抗强光能力很强。
目前采用DLP技术的HUD厂商,主要有台湾怡利电子、日本精机、华阳多媒体等等。
DLP技术长期被德州仪器垄断,这使得HUD厂商如果选择使用该技术,就不可避免的需要支付大量专利授权费,这就侧面造成了DLP技术成本较高的问题。


为了规避德州仪器的DLP技术专利,不少HUD厂商开始另辟蹊径研究LCoS路线
LCoS技术,就是LCD液晶屏+CMOS集成电路构成的产物,其将原本液晶屏中的玻璃基板,替换成硅晶圆半导体上,可以大幅提升亮度和分别率,相当于液晶显示器的“强化版”。
华为是最先在AR-HUD上使用LCoS技术的供应商,搭载在了问界M7/M9上,随后水晶光电等厂商也在LCoS技术上有了突破。
最后一种AR-HUD方案MEMS,利用的是激光二极管发射激光成像。
尽管分辨率和成像效果上限要高于前面3种方案,但激光二极管本身对温度较为敏感,85℃下性能会大幅衰退,难以满足车规级要求。
根据数据,目前车载前装HUD的搭载率在14%左右,而4年前这一比例还不足4%。
同时可以看到,HUD正在加速向10-20万元中低端车型下探,其中新能源车的标配比例明显高于燃油车。
尽管目前HUD类型中,C-HUD基本已经被市场淘汰,而W-HUD是市场主流。但从去年到今年,AR-HUD在HUD中的市占率已经从8%提升到了27%。
这恰恰说明,未来AR-HUD的潜力很大。
AR-HUD原本是高端车才有的配置,现在正在逐步走向平民化,这与国产HUD产业的逐渐成熟是分不开的。
早期HUD市场基本上被电装、大陆集团、日本精机等外资企业占据,而最近几年水晶光电、怡利电子、华阳新媒体在技术上实现突破,已经占据了市场的主导权。
此举,也不出意外的把HUD的价格打了下来,原本一套AR-HUD都在2000-3000元以上,现在已经有厂商开出仅650元的低价了。
可以说,未来HUD还有相当大的技术进步空间和市场潜力。



写在最后‍‍‍‍



进入2020年以后,汽车产品正在发生着翻天覆地的变化,速度之快让人应接不暇。
动力形式上的改变仅仅是起点,而衍生出的智能化才是让汽车革新的方向。
一系列连锁反应下,让我们的现实生活,越来越接近看似遥不可及的科幻电影中的场景。
而身处时代浪潮中的我们,正是历史进程的见证者。




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