文/VR陀螺 萬里
近日,上海國際車展順利落下帷幕。本屆展會上,超過150臺新車輪番登臺亮相,讓參會者大飽眼福。此外,里面出現(xiàn)的一系列新技術(shù)、新趨勢引起了廣泛關(guān)注。
以HUD為例,它抬頭即顯的特性能更好保障駕駛安全,隨著智能座艙的更新迭代,HUD憑借優(yōu)秀的“人與車、人與環(huán)境”交互特性,有望發(fā)展成為智能汽車的核心部件。本次車展上,華為、銳思華創(chuàng)、睿維視等一眾廠家展示了其最新的HUD產(chǎn)品以及技術(shù),成為活動的一大看點(diǎn)。
近日,陀螺君有幸與睿維視CEO鄧遠(yuǎn)博博士展開對話,鄧遠(yuǎn)博憑借其深厚的專業(yè)背景以及多年從業(yè)經(jīng)驗,為我們深入淺出講解了HUD的發(fā)展情況以及詳細(xì)技術(shù)。
應(yīng)用現(xiàn)狀:中端車用W-HUD,高端車用AR-HUD
睿維視是一家國內(nèi)領(lǐng)先的HUD解決方案供應(yīng)商,企業(yè)成立于2021年,總部位于南京,并在英國劍橋設(shè)有研發(fā)中心,在深圳設(shè)有辦公室,河北設(shè)有生產(chǎn)基地。至今,睿維視已獲得紅杉、線性等投資機(jī)構(gòu)數(shù)千萬元融資。
從團(tuán)隊成員來看,睿維視是一家技術(shù)基因濃厚的HUD企業(yè),如鄧遠(yuǎn)博本人畢業(yè)于浙江大學(xué)光電專業(yè),碩士、博士及博士后階段在劍橋大學(xué)先進(jìn)光電中心進(jìn)行全息、AR、3D顯示方向的研究。CTO董道明博士曾任職于Apple及知名全息顯示公司VividQ,而首席科學(xué)家初大平教授則在光電顯示領(lǐng)域具有非常高的學(xué)術(shù)地位。
鄧遠(yuǎn)博向VR陀螺表示,他求學(xué)生涯的早期,做的是VR/AR相關(guān)的研究項目,此前主要研究數(shù)字全息CGH技術(shù),也參與過新型AR眼鏡的設(shè)計。博士后階段,也就是2017年,他把研究方向轉(zhuǎn)為了AR-HUD。
對于這一轉(zhuǎn)變,鄧遠(yuǎn)博表示,當(dāng)初研究AR眼鏡時市場處于一個相當(dāng)早期的階段,哪怕從現(xiàn)階段來看也同樣如此。究其原因,是因為AR眼鏡還受限于體積、算力、光學(xué)、生態(tài)等多方面的問題。“相比之下,汽車近幾年開始朝著智能化以及消費(fèi)屬性發(fā)展,而智能座艙也開始受到更多關(guān)注。在這其中,HUD產(chǎn)品形態(tài)相對固定,并且市場穩(wěn)步上升,我們覺得會有一定機(jī)會。”
HUD市場正迎來高速發(fā)展期,目前很多調(diào)研機(jī)構(gòu)都給出了同樣的看法。據(jù)共研網(wǎng)數(shù)據(jù),2022年全球車載HUD系統(tǒng)市場銷量從2017年的397.7萬件增長到991.3萬件,預(yù)計2023年有望達(dá)到1270.6萬件。而根據(jù)東方證券測算,2025年中國HUD市場規(guī)模近200億元,5年復(fù)合增長率超過40%。
圖源:共研網(wǎng)
早在十多年前,寶馬、奧迪等部分高端車型已經(jīng)開始使用W-HUD,但是當(dāng)時產(chǎn)品體驗并不如人意,HUD投影畫面小,只能顯示簡單內(nèi)容,并且在價格上,可能要花費(fèi)上萬元選裝,性價比一般。
從2021年開始,市場開始由W-HUD加速向AR-HUD轉(zhuǎn)變。在技術(shù)原理上,AR-HUD與W-HUD均采用了基于自由曲面的離軸三反設(shè)計,不過,AR-HUD的FOV、VID等顯示指標(biāo)要大得多。此外,它可結(jié)合AR相關(guān)技術(shù),進(jìn)一步提供輔助駕駛、巡航、行人預(yù)警等更加智能化的信息服務(wù)。
圖源:睿維視
鄧遠(yuǎn)博指出,AR-HUD加速迭代期的出現(xiàn),跟以下幾方面因素有關(guān)。一方面,伴隨著造車新勢力的涌入,乘用車市場競爭日趨激烈,這有利于加速HUD產(chǎn)品的迭代。此外,自動駕駛技術(shù)由L2向L3邁進(jìn),車機(jī)的算力、傳感器性能變得更為強(qiáng)悍,這為AR-HUD提供了良好的底層支持。
最后在價格方面,此前HUD市場多由海外的大陸集團(tuán)、電裝等供應(yīng)商把控,而隨著國內(nèi)廠商的入局,它的價格進(jìn)一步下探。“目前W-HUD和AR-HUD價格差距并不會很大,現(xiàn)在W-HUD價格基本在1K以內(nèi),而AR-HUD則根據(jù)具體的配置價格在1-3K左右。”
“以前國產(chǎn)車企多偏向于在其中高端車型上配備HUD,但如今的趨勢是車企會在中端車型選用W-HUD,而在高端車型上選用AR-HUD。不僅如此,我們已經(jīng)能夠看到在20萬以內(nèi)的部分車型上也已經(jīng)裝配了AR-HUD。”
對睿維視而言,據(jù)鄧遠(yuǎn)博透露,目前睿維視已經(jīng)啟動了4個量產(chǎn)項目。在本次上海國際車展上,東風(fēng)汽車展示了與睿維視合力打造的裸眼3D超大畫幅全屏顯示,受到了頗多關(guān)注與好評。
東風(fēng)汽車智能座艙展示,圖源:東風(fēng)汽車
大FOV、VID需要以體積為代價,光波導(dǎo)短期仍難以落地
從結(jié)構(gòu)來看,車載HUD產(chǎn)品主要包含了光機(jī)(PGU)、放大光路以及擋風(fēng)玻璃三部分,其中光機(jī)負(fù)責(zé)生成像源,放大光路用于放大圖像,并消除畸變,而擋風(fēng)玻璃則用于反射畫面并解決重影等問題。
圖源:網(wǎng)絡(luò)
光機(jī)部分,鄧遠(yuǎn)博表示它可以分為三代:第一代是TFT,該方案具有成本優(yōu)勢且技術(shù)成熟;第二代包含LCoS、DLP、LBS等,它們互有優(yōu)劣(見下圖);第三代則是針對全息所做的功能性光機(jī)。
圖源:開源證券研究所
TFT方案是目前的主流,但它在量產(chǎn)的過程中需要解決陽光倒灌問題。目前HUD產(chǎn)品大多采用凹面鏡放大成像原理,在成像的同時外界的陽光會沿著HUD的光路反向匯聚到光機(jī)部分,導(dǎo)致內(nèi)部溫度過高,甚至造成燒毀組件的風(fēng)險。
“由于發(fā)光面跟陽光倒灌承接面在同一個地方,TFT面臨的陽光倒灌問題會相對比較嚴(yán)峻。而DLP與LCoS等方案則是先把畫面投射在擴(kuò)散膜中,再進(jìn)行二次放大,擴(kuò)散膜可以承接陽光傳導(dǎo)過來的能量,使其無法到達(dá)光機(jī),它們的陽光倒灌問題相對比較容易解決。”鄧遠(yuǎn)博指出,目前解決TFT陽光倒灌問題的思路主要有以下幾種,一是在防塵蓋處進(jìn)行偏光處理,此外還可以在自由曲面鏡鍍冷光膜,從而過濾陽光的紅外光部分;除此之外在光機(jī)以及傳動結(jié)構(gòu)上的設(shè)計也可減弱陽光倒灌的影響。
放大光路部分,自由曲面鏡是目前主要解決方案,但隨著我們對于HUD大FOV、VID等指標(biāo)的追求,體積問題開始日益凸顯。鄧遠(yuǎn)博指出,F(xiàn)OV、VID與HUD模組體積近似成正比關(guān)系,如W-HUD的VID在2米左右,F(xiàn)OV 6°x2°,它的模組體積約為3-4L;而AR-HUD的VID達(dá)到7.5米,F(xiàn)OV 10°x3°,它的體積隨之飆升至10L以上。
HUD中反射式的自由曲面,圖源:睿維視
“由于汽車車身空間有限,很多汽車為了上HUD需要調(diào)整車身架構(gòu)以給HUD做避讓,如調(diào)整風(fēng)道、空調(diào)管道、支架等。一般而言,在電車上安裝HUD會更容易,因為電車相較油車整體結(jié)構(gòu)相對簡單,預(yù)留的空間也更多。”
為了降低設(shè)備體積,目前不少HUD廠商瞄準(zhǔn)了光波導(dǎo)等方案。通過將自由曲面鏡替換為光波導(dǎo),可讓模組體積縮小至原來的五分之一至十分之一。不過這套方案仍不成熟。“想要達(dá)到理想的顯示效果,HUD的光波導(dǎo)鏡片需要做到較大的尺寸,比如300mmX150mm大小,它的光效、色散、工藝、成本,以及與光波導(dǎo)配套的PGU等很多問題還亟待解決。它離應(yīng)用落地依舊時間較長,可能未來3-5年內(nèi)暫時無法上車。”
而擋風(fēng)玻璃部分,由于是不規(guī)則的自由曲面,正常投射的影像經(jīng)過擋風(fēng)玻璃反射后會形成畫面畸變,這時候就需要自由曲面鏡匹配汽車擋風(fēng)玻璃面型以消除靜態(tài)畸變、動態(tài)畸變、雙眼視差等問題。
此外,由于HUD光機(jī)發(fā)出的光線在擋風(fēng)玻璃的第一、第二表面上會發(fā)生兩次反射,而這兩次的反射光線不會完全重合,兩者以錯開的形式到達(dá)人眼,最終會導(dǎo)致重影效果。對于重影問題,常見方法是從擋風(fēng)玻璃入手,通過改造內(nèi)部PVB膜的形狀和厚度,將其改裝為楔形PVB膜,最終使得入射光線經(jīng)過兩個表面形成的虛像重合,從而減輕重影對駕駛體驗的影響。
值得一提的是,目前睿維視開發(fā)了PV平行矢量無重影技術(shù),該技術(shù)方案是從自由曲面鏡切入,通過調(diào)制光機(jī)的光路走向,從而無需楔形膜,在普通風(fēng)擋上即可實現(xiàn)無重影,這在行業(yè)中屬于首創(chuàng)。
重影生成示意圖,圖源:睿維視
動態(tài)變焦數(shù)字全息或為終極方案,HUD組件標(biāo)準(zhǔn)化亟待提高
鄧遠(yuǎn)博在對話中提到,目前多數(shù)AR-HUD只能顯示單一焦平面內(nèi)容。在畫面需要與現(xiàn)實場景融合的情況下,只能通過“近大遠(yuǎn)小”等心理暗示來呈現(xiàn)偽3D效果,畫面無法實現(xiàn)準(zhǔn)確標(biāo)定,并且無可避免會出現(xiàn)視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突等問題,導(dǎo)致駕駛員的疲憊感。
為了提升觀看體驗,市面開始出現(xiàn)了雙焦面方案,即HUD會投射出兩個不同深度的焦平面,近焦面可用于顯示車速、行駛距離等信息,而遠(yuǎn)焦面則可以補(bǔ)充車輛識別、導(dǎo)航指引等,這樣在使用場景上更為飽滿。目前市面上對于雙焦面的解決思路包含單光機(jī)雙光路、雙光機(jī)雙光路等。據(jù)悉,睿維視基于單光機(jī)單光路的多焦面產(chǎn)品ML(Multi-Layer) 3D AR-HUD產(chǎn)品也將很快推出,可定制化支持7個以及更多的焦面。
HUD顯示方案演進(jìn),圖源:睿維視
不過,無論是雙焦面還是多焦面,虛像融合全縱深現(xiàn)實場景的問題依舊無法得到根本性解決,未來,具備動態(tài)變焦能力的3D AR-HUD可視為完美的解決方案。睿維視團(tuán)隊正在著手相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā),其解決方案是數(shù)字全息技術(shù)(CGH)+LCoS相位調(diào)變技術(shù),但鄧遠(yuǎn)博指出,這套方案想要得到真正落地并不容易。
幾種技術(shù)方案對比,圖源:睿維視
“目前已經(jīng)有demo,但距離量產(chǎn)還需要解決一系列問題。比如全息投影在光源上需要使用激光作為相干光,但是現(xiàn)在還沒有合適的能過車規(guī)的激光。不僅如此,全息成像對于算法以及算力要求很高,并且還要匹配電路、相位調(diào)制器等一系列問題。”鄧遠(yuǎn)博指出,該方案其實也適用于AR眼鏡,但是由于AR眼鏡屬于近眼顯示設(shè)備,體積限制會更為嚴(yán)重,它在AR眼鏡上面會面臨不同的挑戰(zhàn)。
在生態(tài)方面,鄧遠(yuǎn)博認(rèn)為,HUD的發(fā)展分為四個階段。早期的W-HUD,只能顯示速度、限速等簡單信息,而如今的AR-HUD可以進(jìn)一步實現(xiàn)導(dǎo)航等,它們主要用于輔助駕駛的增強(qiáng)。未來,當(dāng)汽車從L3發(fā)展到L4的時候,HUD更多會起到一個匯報功能,即把汽車行駛路線、道路預(yù)警、潛在風(fēng)險等信息等提前顯示出來,賦予駕駛員一種安全感。當(dāng)自動駕駛真正實現(xiàn)時,AR-HUD可以進(jìn)一步作為智能座艙的交互中樞,提供觀影、餐廳評分等基于地理位置信息的AR體驗。
圖源:睿維視
對話的最后,鄧遠(yuǎn)博還提到了目前HUD的標(biāo)準(zhǔn)化問題,這是制約它大規(guī)模發(fā)展的重要一環(huán)。“目前HUD仍偏定制化產(chǎn)品,其組件的標(biāo)準(zhǔn)化率可能低于30%。”如果拆開來看,目前除光機(jī)、馬達(dá)等少數(shù)部件外,其他都需要專門定制,如自由曲面鏡需要考慮到擋風(fēng)玻璃、體積等因素對不同車型進(jìn)行單獨(dú)適配,而隨著光路的調(diào)整,HUD的結(jié)構(gòu)底殼、遮光罩、上蓋、PVB膜等都需要進(jìn)行相對應(yīng)的調(diào)整或開模。
“任何一個東西想要得到大規(guī)模運(yùn)用,標(biāo)準(zhǔn)化是一定要解決的問題。定制化器件會受到很多因素的制約,比如溝通成本、時間成本等。”鄧遠(yuǎn)博指出,團(tuán)隊希望在未來進(jìn)一步把HUD產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化率提升至80%以上。
結(jié)語
“在行業(yè)中,一個很普遍的模式是在國外HUD產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上做相應(yīng)的國產(chǎn)替代,以打造更具性價比的版本。雖然這樣也能創(chuàng)造價值,但最終的結(jié)果是產(chǎn)品創(chuàng)新力不足,同質(zhì)化嚴(yán)重,最終陷入價格內(nèi)卷。睿維視希望能從光學(xué)、算法等領(lǐng)域堅持底層創(chuàng)新,為行業(yè)帶來不一樣的產(chǎn)品和價值。”鄧遠(yuǎn)博表示。
目前AR-HUD正在處于技術(shù)的“攻堅戰(zhàn)”當(dāng)中,光波導(dǎo)、多焦面、全息......AR-HUD將在發(fā)展中進(jìn)一步革新汽車的第三空間,并重新定義我們未來的生活方式。
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