《電子技術(shù)應(yīng)用》
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談?wù)勂囂ь^顯示應(yīng)用火熱的AR-HUD

2022-07-18
來源: Vehicle
關(guān)鍵詞: AR-HUD 抬頭顯示 智能座艙

  AR-HUD作為智能座艙,顯示交互《智能座艙系列文六- 它的3種交互方式之顯式交互(語音以及顯示)》的一個重要零部件是繼顯示屏幕之后智能汽車的又一重要技術(shù)以及供應(yīng)鏈戰(zhàn)場。

  根據(jù)IHS markit 的預(yù)測,從2022年開始全球抬頭顯示的滲透率將快速攀升,到2027年會達(dá)到每六臺車中就有一臺有抬頭顯示,年出貨量達(dá)到1700萬臺;其中中國市場需求占比將近1/3 ,每年將近600萬臺,增強(qiáng)現(xiàn)實AR-HUD占比會達(dá)到7%將近50萬臺。

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  根據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計,隨著新勢力以及智能座艙的更加重視,抬頭顯示的滲透率和出貨量這個數(shù)據(jù)可能會比IHS markit 預(yù)測更高,特別是AR-HUD,再如之前文章《智能座艙系列文六- 它的3種交互方式之顯式交互(語音以及顯示)》分享中提到的智能座艙技術(shù)的重要性。

  所以本文通過對HUD中技術(shù)相對高階的AR-HUD的相關(guān)技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)信息做一些分享,希望能給關(guān)注行業(yè)以及行業(yè)內(nèi)人士一些信息和啟發(fā)。

  什么是AR-HUD

  AR HUD(Augmented Reality- Head Up Display)就是增強(qiáng)現(xiàn)實的抬頭顯示功能是繼C-HUD(Combiner HUD 組合型)或W-HUD(Windshield HUD 擋風(fēng)玻璃HUD)之后當(dāng)前最熱門HUD技術(shù)。AR-HUD與傳統(tǒng)的C-HUD或W-HUD最核心的區(qū)別在于:能不能做到車道級的導(dǎo)航以及能否在實際車輛上疊加ADAS的感知信息。

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  C-HUD顯示屏為放置于儀表上方的一塊透明樹脂玻璃,結(jié)構(gòu)簡單,成本相對較低。C-HUD是獨(dú)立鏡面可以作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計,一般會根據(jù)成像條件對鏡面進(jìn)行特殊處理,設(shè)計成本及難度較低,目前前裝市場很少應(yīng)用。

  傳統(tǒng)W-HUD其實可以理解為一個投影儀,將圖像反射,投影到了擋風(fēng)玻璃上,實際上相當(dāng)于把原本顯示在儀表盤上的信息,投射到擋風(fēng)玻璃上。其實這也是HUD設(shè)計的初衷:駕駛員不需要低頭即可獲得車輛行駛的相關(guān)信息。但是W-HUD的圖像尺寸有限(通常投影距離3m,顯示尺寸15-20寸),能顯示的信息較少,且圖像不會與道路融合,駕駛員仍然需要將視線從路面上移開,重新對焦才能獲得信息,這實際上違背了HUD的設(shè)計初衷。

  HUD的終極目標(biāo),就是讓駕駛員在不用將視線從前方道路移開的的前提下,讓駕駛員知道行車相關(guān)的數(shù)據(jù)(導(dǎo)航,車速,前車距離,車道等)。而AR-HUD是讓車輛信息,導(dǎo)航與視線內(nèi)的景象融合,省去了視線焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)換過程,所以AR-HUD顯然是抬頭顯示的終極路徑。

  AR-HUD主要難點(diǎn)

  1) 最主要的難點(diǎn)還是在于算法的融合。AR-HUD需要對道路實況進(jìn)行解析建模,再把HUD需要顯示的信息精準(zhǔn)的投影到前方對應(yīng)的位置,確保人眼,HUD顯示面真實道路在一條視線上,才能達(dá)到最佳的AR-HUD顯示效果。這需要精確的算法和強(qiáng)大的運(yùn)算能力。這個算法,既需要考慮車外環(huán)境信息與相對位置,還要實時考慮駕駛員眼睛的位置。

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  2) ADAS, 高精度地圖等相關(guān)配套技術(shù)還不夠成熟。目前市面上的AR-HUD只能顯示導(dǎo)航路線,車速這類信息。想要達(dá)到一般AR-HUD的宣傳視頻中的那些效果,還需要BSD(盲區(qū)檢測),DMS(駕駛員檢測),LDWS(車道偏離預(yù)警),前碰撞預(yù)警等相關(guān)ADAS配套產(chǎn)品。

  3) 陽光倒灌問題。HUD大部分采用凹透鏡放大投影的光學(xué)原理,這個光路反過來,就類似于凸透鏡,將陽光光線匯聚到PGU,導(dǎo)致溫度過高而燒毀PGU。AR-HUD比W-HUD投影距離更長,虛像放大倍數(shù)更大,因此陽光倒灌問題更嚴(yán)重。

  4) 目前的HUD均采用兩次反射的光路結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下,為了實現(xiàn)更大的FOV,更遠(yuǎn)的VID, 需要更大的非球面反射鏡,導(dǎo)致AR-HUD的整體體積非常大,通常都會達(dá)到15L左右。這種體積導(dǎo)致AR-HUD在中小型車型上難以布置。

  AR-HUD的4種主流技術(shù)路線

  根據(jù)影像源的硬件與原理的不同,目前主流的成像方式分為4種:TFT, DLP, L COS 以及基于MEMS技術(shù)的LBS方案。目前實現(xiàn)量產(chǎn)的有TFT,DLP和L COS,其中MEMS技術(shù)的LBS 還處于產(chǎn)業(yè)前期階段。

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  TFT:TFT-LCD是目前技術(shù)最成熟的投影技術(shù),其原理是LED發(fā)出的光透過液晶單元后將屏幕上的信息投射出去。這個方案的是目前大部分AR-HUD供應(yīng)商提供的方案,優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)相對成熟,成本較低。這一方案的硬件成本,目前國外供應(yīng)商能做到2500-3000左右,本土供應(yīng)商能做到2000左右。隨著技術(shù)的成熟和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,成本應(yīng)該可以進(jìn)一步做到2000以內(nèi)。

  缺點(diǎn)也很明顯,比如陽光倒灌問題難以解決,另外產(chǎn)品亮度不夠,在白天顯示效果較差。

  目前采用TFT方案的有:大眾的ID系列,由LG電子供應(yīng)。長城Wey摩卡,由maxell供應(yīng)。紅旗E-HS9,由水晶光電供應(yīng)。

  DLP:DLP即Digital Light Processing的縮寫,采用的是TI的專利產(chǎn)品-DMD芯片(DigitalMicromirror Device,中文意思為數(shù)字微型反射鏡元件)。DMD由數(shù)百萬個高反射的鋁制獨(dú)立微型鏡片組成,每個鏡片可以通過數(shù)量龐大的超小型數(shù)字光開關(guān)控制角度。這些開關(guān)可以接受電子訊號代表的資料字節(jié),然后產(chǎn)生光學(xué)字節(jié)輸出。

  DLP的優(yōu)點(diǎn)在于,相較于TFT,DLP更容易獲得高亮度,因此在白天陽光強(qiáng)烈時顯示效果也不錯。由于DLP本身材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢,能更好的應(yīng)對太陽光倒灌問題。DLP不使用偏振光,因此即使戴著太陽鏡也能看到顯示內(nèi)容。DLP的缺點(diǎn)在于,成本相對較高,需要用到德州儀器的專利,且產(chǎn)品體積比TFT要大得多。

  以奔馳S為例(由日本精機(jī)供應(yīng)),其體積達(dá)到27L,硬件成本在5000以上(僅供參考,具體數(shù)據(jù)目前無法考證,有知情者歡迎指正)。

  LCOS:LCoS(Liquid Crystal on Silicon),翻譯過來叫液晶附硅,也叫硅基液晶,是一種基于反射模式,尺寸比較小的矩陣液晶顯示裝置。這種矩陣采用CMOS技術(shù)在硅芯片上加工制作而成。它屬于新型的反射式micro LCD投影技術(shù)。

  LCOS的優(yōu)點(diǎn)在于:分辨率高,DLP能做到1920×1080的真實分辨率,而LCoS則能夠做4k甚至8k的真實分辨率。體積小,0.69英寸的LCoS已經(jīng)可以對標(biāo)3.1英寸的TFT。

  芯片供應(yīng)商相較于DLP更多,交期可能性更高。缺點(diǎn)是需要用到激光光源,目前可選的供應(yīng)商較少,成本會比較高。

  5月19日發(fā)布的上汽飛凡R7,搭載了來自華為的AR-HUD,采用的就是LCOS方案。(據(jù)說成本在5000左右,集成AR creator)

  LBS-MEMS激光投影:LBS即Laser Beam Scanning縮寫,是 “MEMS微激光投影”方案。這種方案是將RGB三基色激光模組與微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)結(jié)合的投影顯示技術(shù)方案。從驅(qū)動的角度來說,MEMS微激光投影屬于掃描式投影顯示,應(yīng)用微機(jī)電二維微型掃描振鏡及RGB三基色激光,以激光掃描的方式成像,其輸出分辨率取決于MEMS微鏡的掃描頻率。

  MEMS的優(yōu)點(diǎn)是:光學(xué)引擎大幅度簡化,體積可以優(yōu)化。產(chǎn)品對比度高,可以輕松達(dá)到7000:1,遠(yuǎn)超DLP。高亮度,色域廣(>150%),功耗更低(<4-6W),發(fā)熱量很小。MEMS激光顯示純黑像素時是可以關(guān)掉的,因此更易提高對比度,且沒有紗窗效應(yīng)。缺點(diǎn)是成本較高。需要用到激光二極管,激光二極管目前能實現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)的供應(yīng)商很少。

  目前還沒有量產(chǎn)車型裝配MEMS方案的AR-HUD。網(wǎng)傳先鋒電子曾推出過一款基于MEMS的AR-HUD,售價高達(dá)4000美元。




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