车载AR-HUD的现状与发展趋势

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随着AR-HUD不断取得技术突破,以及其成本的下降,AR-HUD在智能座舱中的应用也越来越多。如何理解车载AR-HUD的现状与发展趋势?这篇文章里,作者从多维度切入阐述,或许可以帮你更了解车载领域。

一、车载HUD的概况与市场分析

近几年车载HUD逐渐走入寻常百姓的生活,HUD通过与行车电脑、导航仪及倒车雷达等设备配合,实时将车速、转向灯及导航等关键信息投影到透明介质上,使驾驶员在行车途中无需低头查看仪表盘就可实时掌握行车状态,提升驾驶的安全性;随着智能座舱和HUD的智能化升级,车载HUD已从简单的查看行车信息到具备驾驶辅助功能,多维度提升驾驶沉浸感。

1. HUD相关厂家

从车载HUD的产业链来看,HUD产业链布局完善,上游为各零部件企业,其中PGU、芯片、光学零件、挡风玻璃等为核心部件,其中PGU作为关键结构,成像芯片为核心部件,除DLP投影技术的成像芯片由德州仪器垄断外,其他技术路线的成像芯片国内均有布局,可实现国产化替代;中游为各大HUD生产集成厂商,国内代表厂商为华阳多媒体、水晶光电、泽景电子等,下游为国内外各大主机厂。

2. HUD市场发展趋势

跟智能座舱一样,一开始是飞机上出现的,后来才发展到乘用车。从HUD的发展历程上来看,HUD已经历四个阶段发展,从2020年开始过渡到快速发展期,2021年以来,HUD以选配或高配的方式迅速进入大众视野,2022年开始理想率先实行HUD标配,随后其他车企也陆续布局,到2023年及以后标配HUD已覆盖各价格区间,整体HUD标配价格已下探至20万元以内。

从车载HUD的市场来看,2023年1-9月国内标配HUD的车辆累计达142.9万辆,相比2022年整年增长0.4万辆,从2020年到2023年9月份,HUD搭载量呈持续上升的趋势,其中W-HUD占比89.8%,仍为当前主流配置。AR-HUD搭载量同比去年增长123%,且截至2023年9月,共有25家车企搭载AR-HUD,有19家为自主品牌,其中10家均为2023年新增,合资品牌仅有5家。

从车载HUD搭载派系来看,2023年1-9月,自主品牌车企HUD标配量为87.2万辆,占比61%,较2022年整年增长12%;TOP10车企中有6家均为自主品牌,腾势以及理想销量同比增长最快,HUD搭载量随之上升。

(以上数据来源于盖世汽车研究院)

二、车载AR-HUD技术路线

AR-HUD根据光机投影技术选择的不同,可划分以下三类:TFT-LCD、DLP、LCOS。简单概括如下:TFT-LCD技术比较成熟,具有成本优势,但是清晰度差,耐温性差;DLP为目前主流技术,成像效果好,但专利被德州仪器掌握;LCOS目前华为主导,国内自主开发,性能上和DLP不相上下。

图片来源AutoLab,侵删

通过简单的示意图能看到,其实最影响视觉体验的是影像源。

TFT技术早期用的比较多,现在在市面上比较常见的成像技术大多数是DLP技术。LCOS是比较新的技术,华为最新为飞凡R7提供的AR-HUD就使用到了LCOS技术,画面显示和耐温程度等等会有优势。LCOS技术成熟度比较高,目测它也会成为以后发展的主流趋势。

三、车载AR-HUD与仪表盘

随着AR-HUD不断取得技术的突破和成本的下降,在智能座舱中的应用将越来越多。与仪表盘所承载的功能和信息也开始出现重叠,“仪表是否会被取代”或者“仪表会不会消失”将成为业界重点讨论话题。

与仪表相比,AR-HUD无疑是有一些非常明显的优点,高科技感、实用性、某种条件下优越的显示位置以及相应的信息获取效率,都是仪表不可比拟的。在驾驶过程中,驾驶员不用低头甚至不用将视线从前方路面移开,就可以看到驾驶相关的重要信息,比如导航车道信息、车道保持、前车距离、车辆行驶信息等。乃至周围出现的车辆和行人预警,都可以直接叠加在车外实景路况上,这些都是AR-HUD的天然优势。

但是,仪表并非一无是处。

首先,仪表能承载和展示的信息量比HUD要大得多,一些解释类信息和无须立即做出反应的行为引导,更适合通过仪表显示:其次,至少在当下和短期内,仪表性能的稳定性、数据的时效性优于HUD;最后,仪表不只用来显示驾驶相关信息,也是车企传递自身品牌特色的一个窗口,各种动画、场景切换效果在 HUD 上难以实现。

受制于各种客观条件,AR-HUD短时间内难以普及,其定位更多是对仪表和中控上部分信息的同步和增强。如果彻底取消仪表,把仪表上承载的功能信息分摊到 HUD和中控上,不少人会担忧,如果电子元器件不稳定,比如突然出现显示故障、死机了或者卡住了,那要怎么办?在 HUD和仪表兼具的情况下,HUD上的信息在仪表和中控上亦有显示,所以即便HUD失效,用户还有替代方案,驾驶不会受到影响。

而从中长期来看,仪表的不可替代性正在被打破。特斯拉Model3/Y就没有配置仪表盘,而是把以往在仪表上显示的信息挪到了中控大屏上,理想L9也取消了仪表盘,但座舱内仍有五块屏幕:HUD、方向盘屏幕,以及中控、副驾、二排屏三块 15.7英寸的 OLED 屏幕。当仪表的功能和所能呈现的信息,被转移或分摊到其他屏幕或媒介上,那块屏幕也就可以被“取消”了。

四、车载AR-HUD的现状

业界普遍认为,HUD未来在智能座舱的应用会越来越多,显示的质感会不断改善,而AR-HUD是车载HUD的必由之路。据《2022中国智能汽车发展趋势洞察报告》的预测,AR-HUD在HUD市场的份额将在2030年增至43%左右。

虽然大家普遍看好AR-HUD的未来,但要真正实现AR效果,为智能座舱锦上添花,还面临很多难题。

1. 显示信息有限制

AR-HUD在车辆行驶过程中,展示哪些信息、如何展示,展示的信息密度等都需要根据用户场景需求谨慎取舍。AR-HUD的设计要点是将影响驾驶员驾驶决策的信息置于最高级别,以提高用户认知效率,减轻认知负担。

如果AR-HUD上信息量过大,可能引发认知捕捉问题,也就是驾驶员由于多种视觉刺激而分心,降低对外部环境中重要物体(如行人、前方车辆)的注意力。因此,在AR-HUD上的信息需要被精简,信息架构应该简洁明了,有明确的信息优先级,不显示与当前驾驶任务无关或无用的信息。

基于用户心智模型,AR-HUD上信息的需求有三大类:

  1. 实时了解车辆状况;
  2. 实时掌握导航信息以做出驾驶决策;
  3. 及时获知驾驶环中的潜在危险。

目前搭载了 AR-HUD的多款量产车,基本上都会显示如下信息:车速、限速、行驶方向、车道保持以及自适应巡航等ADAS相关信息。与仪表上的信息相比,HUD或AR-HUD上的信息量大为减少。

上图为AR-HUD通常显示的信息

根据希克定律(Hick’sLaw),界面上用户面临的选择数量越多,反应时间会越长。在开车时,驾驶员需要同时留意多个视觉元素,当中包括道路前方的车辆和行人信息,留给HUD的信息展示空间并不多。用户信息处理的临界值还有待研究验证可以肯定的是,不能把仪表上的信息照搬到AR-HUD上,而是要有所取舍,把仪表中控上与当前驾驶关联性最高的信息提取出来。

2. 显示效果待提升

  1. AR-HUD的显示效果还有很大的提升空间。具体而言包括:
  2. AR-HUD呈现的数字化虚像与实景道路环境的融合或自然贴合问题;
  3. 画面位置如何根据驾驶员的视线和头部姿态进行实时调节;
  4. AR-HUD展示能否根据天气、光线等外部环境进行动态调整。
  5. 目前AR-HUD很难不出现延时,因为车速很快,但系统数据传输和成像有延迟,导致标记对象(如周围的车、路口转向箭头等)遗漏或偏差,不利于行车安全。

目前,大部分量产车型的AR-HUD采用的其实是2D平面显示技术,投影出的虚像固定在驾驶员前方特定距离,再通过实时渲染的3D动画给人一种实时与航的立体感。但驾驶员身高体态不同,行车过程中车辆颠簸抖动,视线也会在定范围内不断转移,看到的AR-HUD投影可能平移浮动、脱离路面环境,容易产生眩晕感,甚至对信息产生误解。

AR-HUD很容易受车外环境影响,光线强度、天气状况、前方的物体遮挡等可能令显示效果不佳。为了应对这些情况,从设计角度而言,AR-HUD上的元素普遍采用红、黄、蓝、绿这些高饱和、高对比度的颜色或半透明色块,并且颜色语义与仪表等传统保持一致,例如红色表示高度紧急、黄色具有警示性、绿色表示正常运行或安全状况。

建议不要使用超过四种颜色进行语义编码,以免造成视觉干扰或认知负荷。不同品牌的AR-HUD 还通过尺寸大小、色彩亮度的变化、空间透视以及位置方向上的排布表现视觉元素之间的关系,塑造区分界面元素的视觉重量,以及构建视觉层次。

3. 成本和体积等客观因素制约

AR-HUD的发展还受制于成本和体积问题。无论是HUD还是ARHD,其光学结构特殊性决定了难以大批量标准化生产,而需要为一款车定制,因此成本较高。

至于体积,AR-HUD设备的整体尺寸大过W-HUD和C-HUD当前量产或预研的AR-HUD产品最大可达I7L,大部分在12L左右,要占用前方仪表板(IP)不少空间,而且会干涉到前舱流水槽、IP风道和CCB(Cross CaBeam,仪表板横梁)的结构和布置,所以业界建议在平台架构开发阶段就为ARHUD留出空间。下一代AR-HUD的研发重点之一,便是通过技术和结构创新进一步缩小体积及降低成本。

五、理想L9搭载的HUD案例

理想L9 给我们带来最大的变化很显然是取消了仪表屏幕,转而用 HUD 和安全驾驶交互屏代替。理论上,HUD 是可以做到这一点,但从实际的产品来看,尽管这块 HUD 已经尽量提高了亮度,超过了不少竞品,而且显示大小和精细度也更好,但它在实际情况下,仍不是 100%可用的。

第一是因为它在极限情况下还是不够亮,在阳光充足的白天,如果前边有白车,那么 HUD 的亮度没办法让显示的内容足够突出,如果在夜间对面有开远光灯,HUD 也是看不清的。

第二则是画面叠加导致的可读性下降。当路面有复杂纹理,或者前方的景物并非纯色的时候,我们都没办法精确的识别 HUD 显示的内容。

这就是为什么 L9 的 HUD 说是要代替仪表,但并没有把传统仪表屏幕能显示的信息都搬上去,因为 HUD 注定不适合显示小字符或者是细线条。

BMW M 2021大家可以回忆一下,为什么没有一家汽车企业敢把 HUD 投射区域安排在视野正前方?

Mercedes-Benz S-CLass 2015为什么传统 HUD 的信息都非常简洁,只有大号加粗字体和大面积的纯色色块,其实都是为了 HUD 的可读性,也为了不影响驾驶。

那么既然 HUD 只能尽量靠下,而仪表屏一直在尽可能靠上,那么实际上它们的视线还真没差多少。

这时候我们来梳理一下整件事的逻辑:

  1. 首先,理想认为仪表屏需要低头看会不安全→所以它想要用 HUD 解决这个问题;
  2. 接着,理想觉得传统 HUD +仪表屏的设计不够酷→所以它定制了更亮更大更精细的 HUD;
  3. 然后,理想发现 HUD 没办法显示复杂信息,不能完全代替仪表盘→所以它弱化了 HUD 的功能,并且用其他的屏幕显示仪表屏剩余的信息。

最后我们会发现,一头一尾连起来了:理想花大价钱定制的 HUD 提供的功能并没有比普通 HUD 多,大家还是只能用它来看时速挡位和要不要转弯,需要看详细地图和导航的时候,还是得看中控屏。

一切似乎变了,但又好像没有变,L9 的 HUD 可能是替代了仪表屏,但又仿佛没有替代过一样。我认为在真正能够跟踪识别显示的 AR-HUD 出现之前,HUD 想要代替仪表屏,还是难。

本案例来源于知乎网友(Navis Li))分享。

六、总结:AR-HUD未来可期

随着光学、AR、图像识别、系统算力等技术进步,HUD进入AR-HUD时代。2020年,奔驰宣布在S级量产车上搭载AR-HUD,其后,红旗E-HS9、大众ID,4、奥迪 Q4 e-tron、长城 WEY 摩卡、北京汽车“魔方”、AITO 问界 M5等多款配备了 AR-HUD的量产车型先后亮相。

与C-HUD和W-HUD相比,AR-HUD不仅成像区域更大、投射距离更远,而且与真实道路环境融合更为紧密,在一定程度上改善了显示效果。AR-HUD可以显示路上路况、行人、交通信号等实时信息,以及结合ADAS的感知功能,提供车道偏离、跟车距离、碰撞预警等。

AR-HUD 结合了HUD和增强现实显示技术,以自然的距离将信息叠加在路面实景之上,等于在前方路面上加标注。并且,AR-HUD可以与ADAS等系统深度整合,基于实时路况提供车道偏离预警、前车距离警告等,提高驾驶员的态势感知能力,也带来更沉浸的驾驶体验。

本文由 @ALICS 原创发布于人人都是产品经理。未经许可,禁止转载

题图来自Unsplash,基于CC0协议

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