文/VR陀螺 萬里
AR這一概念最早由波音公司研究員Tom Caudell于1990年提出。經(jīng)過這些年發(fā)展,AR在很多領(lǐng)域都已得到了相應的應用,比如《Snapchat》引入AR濾鏡,為我們的社交娛樂增加了一種新的可能性;亞馬遜加入AR購物功能,增強了我們的購物體驗。
此外,AR在汽車領(lǐng)域也展示出了極大的發(fā)展?jié)摿Γ热缥覀兘裉焯岬降腁R-HUD,它的出現(xiàn),讓汽車駕駛體驗上升到了一個新的臺階。
圖源:WayRay
從C-HUD到AR-HUD,抬頭顯示的迭代之路
HUD,英文名為Head Up Display,百度百科的解釋為抬頭顯示,也有人稱之平視顯示系統(tǒng)。
最初HUD用于軍事領(lǐng)域,它可以把飛機飛行時的一些參數(shù)比如高度、速度、導航信息等重要信息投射到飛行員正前方的面板上,這樣就避免了飛行員頻繁低頭查看儀表盤信息,從而提高了專注度。后來,這項技術(shù)被引入到了汽車當中,1988年通用汽車推出了首款搭載HUD的量產(chǎn)車型。
如果以技術(shù)迭代來看,目前HUD又可以分為C-HUD(Combiner HUD)、W-HUD(Windshield HUD)以及最新的AR-HUD這三種。
C-HUD推出時間較早,它采用了屏幕設(shè)計,顯示屏通常為透明樹脂玻璃。該產(chǎn)品成本以及技術(shù)難度較低,不過它的投影范圍小,VID(虛擬圖像距離)通常小于2.5米,未來會被逐步淘汰。
C-HUD產(chǎn)品,圖源:網(wǎng)絡
W-HUD則沒有采用屏幕設(shè)計,它利用反射原理將導航數(shù)據(jù)投影到擋風玻璃上。與前面的C-HUD產(chǎn)品相比,具有顯示范圍更大,VID更遠等特點。根據(jù)海通國際的研究報告指出,目前W-HUD的FOV能做到10°X4°,VID約為4-5米,為當前主流的HUD產(chǎn)品。
而AR-HUD,可以簡單把它理解為增強現(xiàn)實版本的W-HUD,它的一些參數(shù)要優(yōu)于普通的W-HUD產(chǎn)品。
德州儀器數(shù)據(jù)指出,HUD產(chǎn)品如果想要實現(xiàn)增強現(xiàn)實功能,需要達到VID>7米,并且FOV>10°。當VID大于7m,人類視覺對深度的感知能力會降低,在這個距離的投影圖像會使駕駛者產(chǎn)生圖像與現(xiàn)實世界融合的錯覺。
圖源:德州儀器
在功能方面,理想的AR-HUD產(chǎn)品能實現(xiàn)跟車提醒、行人預警、車道偏離指引、變道指引等一系列功能。更重要的是,它的投影內(nèi)容能實現(xiàn)虛擬影像與現(xiàn)實世界內(nèi)容的深度融合。
此外,從一些HUD廠商的概念視頻來看,未來AR-HUD與3D地圖等數(shù)據(jù)相結(jié)合,可以把商場、餐廳廣告等LBS AR信息投射到畫面中,儼然一副AR眼鏡。
圖源:Raythink
AR HUD爆發(fā)前夕,面臨哪些技術(shù)難點
有人把2021年稱為汽車AR-HUD元年,這一年眾多國內(nèi)外主機廠開始推出搭載AR-HUD的車型,比如長城摩卡、吉利星越L等。不過,AR-HUD跟當前AR眼鏡一樣,仍然處于發(fā)展早期階段,技術(shù)并不成熟。
VR陀螺了解到,當前AR-HUD面臨著以下幾方面技術(shù)難點:
一、畫面調(diào)整
AR眼鏡用戶都知道,當我們佩戴眼鏡時,視線需要放到某一個合適的范圍,這樣才能看清楚顯示畫面(該參數(shù)為EyeBox)。同樣,AR-HUD也有這一問題。由于駕駛員的身高各不相同,導致每個人的行車視角都不一致。如何調(diào)整AR-HUD投射的畫面,使之避免出現(xiàn)畫面發(fā)虛、錯位等問題,比較考驗HUD廠商的能力。
AR-HUD光路,圖源:網(wǎng)絡
據(jù)了解,華為AR-HUD的解決方法是利用IMU(慣性傳感器)以及DMS(駕駛員監(jiān)控系統(tǒng))來監(jiān)控行車狀態(tài),然后實時對顯示畫面進行調(diào)節(jié),以達到畫面穩(wěn)定的目的。
松下在CES 2022上發(fā)布的AR HUD 2.0版本,里面新增了眼動追蹤系統(tǒng),美國松下汽車系統(tǒng)公司首席技術(shù)官Andrew Poliak說道:
"松下AR-HUD 2.0延續(xù)了將集群和HUD等顯示域向上集成到中央信息娛樂計算模塊的趨勢。通過將我們專有的眼動追蹤技術(shù)整合到AR-HUD中,我們可以了解駕駛員的正在注視的位置,然后將AR圖像與現(xiàn)實世界更準確地匹配和聚焦,從而提高駕駛員視野中圖像的保真度。"
二、虛實融合
FUTURUS創(chuàng)始人徐俊峰指出:“AR-HUD最難的就是通過3D光場顯示技術(shù)呈現(xiàn)虛擬世界,以及虛實實時融合技術(shù)。”
想要實現(xiàn)畫面虛實融合,首先就需要實現(xiàn)畫面虛像的連續(xù)變焦,由于車輛處于實時運動狀態(tài),虛像與現(xiàn)實的融合效果也需要實時做出調(diào)整,這需要引入多種傳感器進行協(xié)同工作,并且對于算法也有著很高的要求。
圖源:Futurus
目前為了實現(xiàn)更好的顯示效果,有些廠商推出了雙焦面HUD產(chǎn)品。所謂雙焦面,指的是把投影畫面投射到兩個不同的焦面當中,其中近距離焦面顯示車速、行駛里程等信息,而遠距離焦面用于顯示導航指引、切線指引等信息。
此前大眾ID系列純電動車采用的就是雙焦面AR-HUD方案,而近日,國內(nèi)華陽多媒體宣布其AR HUD產(chǎn)品雙焦面技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)突破,采用的是單PGU設(shè)計方案。
值得一提的是,目前很多已量產(chǎn)的AR-HUD產(chǎn)品實際上仍無法很好實現(xiàn)虛實融合效果,前面所說的雙焦面也只是一個過渡方案,所以也有人把這部分產(chǎn)品稱之為“假AR-HUD”。
如果想要實現(xiàn)“真3D”效果,目前主流的技術(shù)路線有兩種:一是全息光波導技術(shù),這一技術(shù)的代表企業(yè)有DigiLens,二是激光投影技術(shù),代表企業(yè)有松下以及WayRay。
去年WayRay就展示了一款概念車型Holograktor,該車型配備了全息顯示技術(shù)Deep Reality Display,可以實現(xiàn)3D AR的動畫效果。
圖源:WayRay
據(jù)悉,激光投影技術(shù)的主要原理為:當包含高透光聚合物薄膜的玻璃受到激光裝置照射時,能生成明顯的3D圖像。WayRay表示,它能做到比現(xiàn)有的HUD具有更大的視野,并且在零到無窮遠之間的不同視覺深度下,信息可以顯示得更亮。這意味著它在陽光直射的狀態(tài)下,依然能很好地工作。
三、成本問題
據(jù)了解,寶馬5系選裝AR-HUD價格為11600元,奧迪A6L價格更是高達18700元。AR-HUD成本較高,成為了限制它推廣的重要原因之一,目前市面上搭載AR-HUD的量產(chǎn)車型有奔馳S級、奧迪A6L、紅旗E-HS9、大眾ID4等,以豪華車型居多。
AR-HUD產(chǎn)品售價較高,究其原因,與制造工藝難度大、定制化程度高等因素有關(guān)。
國內(nèi)汽車計算平臺提供商布谷鳥科技指出:從光學的角度來看,擋風玻璃是自由曲面,而為了形成不失真的圖像,就要求HUD中的凹透鏡發(fā)出非常精確的圖像。因此,在制造大鏡片的過程中對容差的要求非常嚴格,大陸集團HUD非球面反射鏡采用塑料注塑成形方法生產(chǎn),整個表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下,需要使用十萬級或萬級無塵室車間。
此外,國內(nèi)HUD生產(chǎn)廠商Futurus表示,汽車生產(chǎn)研發(fā)期間,每一次車型的微小調(diào)整、擋風玻璃角度的變化,都需要相應地調(diào)整HUD光路設(shè)計方案,特別是核心部件光學曲面鏡。如果車身傳感器布局出現(xiàn)變化,HUD的數(shù)據(jù)接入也需要相應調(diào)整。這也注定了AR-HUD很難實施批量化、模塊化打造。
四、體積問題
前面提到要實現(xiàn)虛實結(jié)合的效果需要保證HUD產(chǎn)品提供比較大的FOV以及VID。但隨著顯示尺寸變大,成像設(shè)備的尺寸也會隨之增大。比如裝配在奔馳S級車上的AR-HUD,體積就達到了27L,而相較之下,W-HUD等傳統(tǒng)產(chǎn)品的體積只有4-6L。
華為在IAA MOBILITY 2021展出的AR-HUD產(chǎn)品,圖源:網(wǎng)絡
為了縮小AR-HUD體積,目前主流的方法是優(yōu)化光路設(shè)計,如縮小PGU與反射鏡距離,又或者引入新的波導技術(shù)等。
有意思的是,也有廠商設(shè)想過在汽車中引入AR眼鏡以完善導航體驗。三星曾經(jīng)在美國專利商標局發(fā)布了一個關(guān)于增強現(xiàn)實眼鏡的專利申請:駕駛員佩戴AR眼鏡,通過內(nèi)置的導航應用程序,可實現(xiàn)變道提醒、目的地導航等功能。此外,該專利中內(nèi)部車載攝像機可以識別用于控制用戶界面或向系統(tǒng)發(fā)送命令的用戶空中手勢。
華為在去年也公開了一件智能穿戴設(shè)備相關(guān)專利,專利公開號為CN113686350A,專利中提到可以利用AR眼鏡設(shè)備補充顯示時間、車速以及油耗等信息。
圖源:華為
結(jié)語
AR-HUD目前體驗仍不算完美,還有前面所提到的眾多問題需要解決,但是它的技術(shù)以及市場潛力不言而喻。
根據(jù)高工智能汽車研究院發(fā)布的數(shù)據(jù),2019年國內(nèi)新車HUD搭載量為28.51萬臺,2020年則增長近1倍至58.01萬臺;預計到2022年HUD前裝搭載率將超過10%,2025年國內(nèi)前裝滲透率將達到25%,市場空間近100億元。
目前,HUD賽道吸引了國外偉世通、日本精機、日本電裝、德國大陸以及國內(nèi)的華陽集團、江蘇澤景、Futurus、瑞思華創(chuàng)等廠商入局。
不過值得注意的是,目前也有觀點指出,AR-HUD只是未來實現(xiàn)完全自動駕駛的一個過渡技術(shù),畢竟實現(xiàn)自動駕駛后,AR-HUD抬頭顯示的便利,對于用戶而言,也就顯得無足輕重了。不知道你們持有什么樣的一個觀點呢?
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