作为一名驾驶员，开车时必须要经常观察仪表盘，掌握车辆速度，油耗，油量，现在随着城市的扩大，车辆的增多，到了十字路口还要观察红绿灯状态，渠化车道位置，导航提示，还要关注行人，非机动车，一双眼睛上看下看的是越来越忙。

然而，开车总不能不看仪表盘信息啊，看一次就算1秒到两秒，那也是相当于闭着眼睛开出了几十米，这因为注意力分散而引发的交通事故数不胜数。但是，我们可以不低头看！所以”HUD汽车抬头显示技术“就应运而生了。

HUD的全称是Head Up Display，即平视显示器，最早应用于军用飞机上，旨在降低飞行员需要低头查看仪表的频率。起初，HUD通过光学原理，将驾驶相关的信息投射在飞行员的头盔上，使得飞行员能在保证正常驾驶的同时，关注到飞行的各项指标并接收地面传输的信息，提升驾驶的安全性和便捷性。

自上世纪80年代，HUD开始从飞机嫁接于汽车，但HUD被我们驾驶人熟知还是在本世纪10年代，豪华车辆的高级配置，虽然普通车辆还无福享受，但淘宝上的电商不失时机的推出了廉价版HUD，一种放在中控台靠前挡玻璃反射的小盒子。这种和真正意义上的HUD其实差距很大，但多数人是从这里知道并了解了HUD。谷歌眼镜出现后，虚拟显示概念被广泛了解，激起了对增强现实的无限遐想。应用于汽车的HUD要求所产生的投影画面呈现在道路上，而非聚焦于车内或者挡风玻璃上，通过这样的设计，免除了人眼的焦距调整。HUD可谓是“属于汽车的智能眼镜”。

设计初期，应用HUD的驱动力是驾驶的安全性，使得驾驶员在驾驶过程中无需将视线转移到仪表盘或者中控上，因此，HUD所投影的信息主要是汽车的行驶状况指标，比如仪表盘上所显示的车速、油量等信息；进一步，设计人员希望通过HUD实现智能驾驶的目标，赋予其更多的功能，包括导航、短信、电话等，甚至加入简单的互动，让汽车成为类似智能手机的移动终端。

HUD的结构原理类似于幻灯片投影。由投影仪发出光信息，经过“反射镜”反射到“投影镜”上，再由“投影镜”反射到“反射屏幕（挡风玻璃）”，人眼看到的是位于眼前1-2米处的虚像，给人的感觉就是信息悬浮在前方路上。

HUD图像在挡风玻璃上位置是可调的，而这其中的关键便是“投影镜”，通过改变“投影镜”的角度，就可以调节HUD图像的位置。

挡风玻璃是弯曲的，图像若是直接投射在弯曲的玻璃面上，会造成图像变形。这就需要一个纠正措施——于是“投影镜”和“反射镜”被设计成弯曲的。

HUD利用光学反射原理，可以在挡风玻璃上显示超速预警、车况监控、油耗、时速、防止追尾等信息，能够让驾驶员的注意力集中在前方路面，实现主动的行车安全。

HUD信息显示位置比传统的组合仪表位置高。也就是说，驾驶员想查看车辆信息时，通过HUD只需低下头5-10°；而看组合仪表的话，则需低20-25°。这样就避免了因观察仪表而分散对前方道路的注意力。同时驾驶员从组合仪表上查看驾驶信息时，眼睛从道路转移到组合仪表再转移到道路，由于道路亮度高而组合仪表（车内）的亮度低，眼睛就会经历由亮到暗再到亮的过程，眼睛瞳孔会进行调整；同时眼睛的聚集点会由远到近再到远。而驾驶员从HUD上看信息时，眼睛就不需要这么折腾了。

驾驶员使用HUD，可以减少视线转移的时间、视线转移带来的眼睛瞳孔变化、眼睛聚集点的变化，最终结果就是驾驶员的视线和注意力更少地偏离道路，提升行车安全性。

HUD主要是由投影单元和显示介质2个部分构成，其中投影单元内部集成了投影仪、反射镜、投影镜、调节电机及控制单元等，HUD从车上数据总线获取车速、导航等信息，在投影仪输出图像，利用光学发射原理，将输出图像显示在显示介质上，显示介质可以是单独安装的透明树脂玻璃，也可以是前挡风玻璃。

当前主要使用的HUD类型有C-HUD，W-HUD以及AR-HUD三种类型。C-HUD和W-HUD既有后装市场上的产品，就是买回来插在OBD-II接口上或独立供电使用的，也有前装市场上也就是整车厂家及专业公司设计安装于出厂车辆的所谓原厂方案类型。

一、C-HUD（Combiner HUD 组合型）就是自带屏幕的类型：

C-HUD显示屏为放置于仪表上方的一块透明树脂玻璃，结构简单，成本相对较低。C-HUD是独立镜面可以作为独立系统进行光学设计，一般会根据成像条件对镜面进行特殊处理，设计成本及难度较低。现在多数是后装市场上的产品，前装C-HUD这种类型的抬头显示除了成本控制的一般品牌，高端品牌的应用正在慢慢被市场淘汰。


后装市场的产品：这是成本最低的实现抬头显示。

GL8所配的前装产品，因为存在屏幕的伸缩或折叠，防尘帘，挡板等运动机构，所以成本比后装产品高不少：

二、W-HUD（Windshield HUD 挡风玻璃）就是投影到挡风玻璃上以其作为投影介质来反射成像的类型：

W-HUD是利用光学反射的原理，将重要的行驶信息投射在挡风玻璃上显示，支持更大的成像区域以及更远的成像距离，显示的效果也是更加具体化，也有助于车主的安全行驶。但是随之而带来的就是成本相对来说会更高，因为挡风玻璃一般为曲面玻璃，所以W-HUD一定是要根据挡风玻璃的尺寸和曲率去搭配高精度非球面反射镜。因为复杂的光路设计，使得体积都比较大，所以前装W-HUD都是在购置车辆的时候进行选装配置的。

市场上利用LED显示的HUD，只是利用了W-HUD的原理，实际并没有什么景深，和真正的前装W-HUD还是相差很大的，不是一个级别的产品。

直接使用LED发光反射的后装产品：有重影无景深，只是能用。

目前应用的W-HUD前装产品：特点就是一个大大的透光板块。

三、AR-HUD（AR和抬头显示的融合）它还是与W-HUD一样，通过挡风玻璃作为投影介质来反射成像的新类型：

AR-HUD即AR和抬头显示的融合，AR技术，全称Augmented Reality，翻译一下就是增强现实。是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

随着科技的不断发展，AR-HUD使用了增强投影面，通过数字微镜原件生成图像元素，同时成像幕上的图像通过反射镜最终射向挡风玻璃，使得增强过后的显示信息可以直接投射在用户视野角度的道路上，将显示信息可以和交通状况进行融合。AR-HUD相对于W-HUD而言成像区域更大、投影距离更远、成像也更加地生动直观。

AR-HUD分为近投影和远投影2个成像点，近投影主要显示诸如车辆速度、油量等车辆的基本信息，远投影拥有更大的视场角，成像距离更远，可以有更大的显示尺寸，将导航和ADAS信息与前方道路融合，直接将转向指示、障碍物警告、车道偏离、前车预警、盲区监测等内容显示出来。但是由于AR-HUD将信息直接显示在真实道路上，实现这一特性需要通过前视摄像头对前方的路况进行解析建模，得到对象的位置、距离、大小，再把HUD需要显示的信息精准地投影到对应的位置，这就需要强大的运算能力，才能给车主提供更好的驾驶体验。

AR-HUD也是智能座舱比较好的整体解决方案。未来等技术慢慢成熟，它可能展示更多的内容，将所呈现的信息，图像和交通情况进行融合并有效的提醒驾驶者，从而有效防范交通事故的发生。

四、HUD抬头显示技术关键点

1、成像距离和显示亮度是关键

评价HUD成像效果的最关键指标是成像距离。HUD的本质是为了提高人们的驾驶安全系数，进而才是提高驾驶的智能性，提供全新的驾驶体验，因此HUD的成像一定要置于道路上，从而使人眼在不用进行频繁的焦距变换条件下，阅读所显示的信息。

2、其次是视角问题

视角受到显示亮度局限，由于汽车所处环境的复杂多变，对于显示亮度的要求就很高，既要清晰又要不刺眼。

HUD成像投影技术的升级

在HUD的解决方案中，成像、投影和软件是较为关键的环节，其中尤以成像部分更为重要。最基础的后装HUD产品是通过LED发光模块进行成像，其成本较低但灵活性及显示效果较差。前装HUD产品的成像部分包含图像生成单元（PGU）、芯片和发光光源，PGU的发展与迭代也是未来重要的技术看点，结合现有资料，其中TFT-LCD、DLP两种路线的成熟度较高，MEMS（机电振镜）和LCOS（硅基液晶）的应用暂时较少。发光光源还是以LED发光为主，后续微型激光投影技术逐渐应用于HUD成像，在成像距离和显示亮度这两个指标上有明显的改善。单纯从更好的实现HUD的功能目标而言，激光投影技术是大趋势。

DLP投影原理

DLP投影的关键芯片DMD的结构示意：

没有HUD的实机，但可以从类似的投影机结构了解一下。

单片LCD投影原理

类似的投影机结构

单片LCD面板

单片LCoS投影原理

类似的投影机结构

4、对于挡风玻璃的适应性改造：

大家可能会想，这挡风玻璃有啥特殊的？的确，下面左图是普通挡风玻璃夹层结构示意，如果把HUD图像投射到普通挡风玻璃上，很容易形成图像重影，投射效果差。

而HUD挡风玻璃夹层内部的PVB膜呈楔形，即玻璃呈上厚下薄的状态，这样就不会形成图像重影。

从这里也可以看到，为了降低玻璃成本，在大多A、B级车上搭配的HUD系统的，会另外配备一块反射玻璃，而在大多豪华品牌上，成本限制没那么紧张，就会用HUD挡风玻璃。

PVB膜的作用是夹胶防爆裂，选择折射率与玻璃相近的PVB材质可以使透视物体避免变形。

楔形挡风玻璃可以消除投射的重影，但不同车辆根据HUD光路都需要重新设计楔形夹角，所以成本高通用性差。

奥迪 Q4电动汽车的HUD方案构成：

奥迪Q4 e-tron可选配的AR平视显示屏通过挡风玻璃可投射出状态显示和增强现实(AR)显示两部分信息。AR部分显示的内容为辅助系统提供的一些信息、导航系统的转向箭头、起点、目的地等信息会直观地叠加在现实世界的相应位置，并进行动态显示。

AR平视显示屏的核心技术是位于仪表盘前方的图像生成单元 (PGU) ，通过一块极其明亮的液晶显示器将PGU发出的光束投射到两块水平镜上，特殊光学元件区分近场区和远场区的显示内容。水平镜再将光束投射到一块可由电流调整的大型凹面镜上，凹面镜再将光束投射到挡风玻璃上，挡风玻璃则将光束投射到所谓的eyebox区域（近眼显示光学模组与眼球之间的一块锥形区域），最后到达车主眼内。显示内容离车主约10米，或视具体情况出现在更远位置。不过不管多远，驾驶员均可像在现实世界一样，清晰地看到这些标志。

负责预测和生成图像的软件—AR Creator是组成模块化信息娱乐平台 (MIB 3)多个独立模块其中一个处理单元，可以每秒60帧的速率生成显示图像，并转换为适合光学系统投影的几何结构；同时，通过从车前摄像头、雷达传感器、GPS导航获得的原始数据，计算出图像相对于现实环境的位置。

在计算的同时，AR Creator还考虑到在传感器识别物体与输出图像内容中间总有几分之一秒的延迟。在这短暂的时间内，车辆可能大大偏离原位置，如汽车制动，或路上有坑洼。所以要进行多次计算，确保eyebox区域内容的显示位置不会错位。

摄像头内置的软件也会进行一部分计算。此外，AR Creator会使用最新数据，通过计算预测汽车接下来的前进轨迹，并通过基于摄像头、雷达、ESC传感器等收集的数据，进行进一步计算，预估汽车的垂直移动轨迹。计算结果会输入“抖动补偿”中，几毫秒之后，即可输出抖动补偿图像，防止显示内容出现任何干扰性抖动。

目前在HUD应用方面，国内消费者关心的是有或没有，而随着其渗透率提高、配装车型下探，他们的关注点很快将进化到更注重细节的优劣之分。未来，决定HUD渗透率的关键影响因素之一是小型化。用不同的技术来缩小HUD的体积，这样就能够让更多的车辆适配，或者是让同款车型拥有更大的FOV显示面积。此外，影响未来HUD市场的还有外部因素。比如，作为行业前沿的AR-HUD，需与路况深度融合，这离不开激光雷达和高精度地图等相关技术的成熟与配合。用户体验有两个维度，首先是在关键时刻显示关键信息，从而彰显HUD产品的真正价值，冗余信息要事先进行判定，避免干扰驾驶者，这是一个优化的过程；其次是差异化，帮助车企建立符合其品牌定位的视觉体验。

可以从两个维度看待HUD市场的蓬勃发展。作为技术需求的ADAS（先进驾驶辅助系统）不断成熟，按照美国SAE的分级标准，在L0级自动驾驶时，驾驶员完全控制车辆，辅助驾驶是以灯光、声音等起到报警、提示作用。随着技术的进一步发展，当车道保持辅助（LKA）、自适应巡航控制（ACC）等系统大量装车，简单的声音、灯光以及仪表盘上的提示已不足够。驾驶员的视线频繁在仪表盘与路况之间切换，会带来极大的安全风险；而且，由于道路和交通环境的变化，ADAS（先进驾驶辅助系统）功能在车辆行驶过程中会不断启动、退出，如果驾驶员不能以比较直接的方式获取信息，将极大地影响使用体验。

目前，由于还受制于整车布置等因素，不同车型会采用不同的HUD解决方案。对于小型车，比较常见W-HUD方案；如果车型空间稍大，更倾向使用AR-HUD方案。也有厂家认为应该对HUD的分类方法进行更新，基于当下的技术进展，按照指示信息显示特性分类，即分为2D、3D、AR三种不同的方案。在2D解决方案中，UI以平面符号显示，驾驶者需要一个阅读与学习的过程；在3D解决方案中，UI相对带有更好的指引性；而AR方案则进一步为驾驶者提供指引，同时也与道路实景进行了深度融合。

HUD能把相关信息准确投射在驾驶员视线范围内，解决了ADAS（先进驾驶辅助系统）技术应用中人机交互部分的痛点。随着智能座舱飞速发展，很多仪表盘信息数字化、虚拟化、风格化，辨识度越高，越容易吸引消费者。HUD解决方案提供了这种风格化，由于驾驶体验更优，消费者逐渐青睐。

未来HUD市场可能呈现W-HUD与AR-HUD方案平分秋色的状态。

HUD未来发展会如何？AR-HUD是否会普及并商用化？

汽车未来会向着自动驾驶发展，但在发展的过程中，尤其是在L2、L3及L4阶段，驾驶员或安全员的角色是必不可少的，AR-HUD将助力驾驶，有了AR-HUD的加持，会提供更加安全的驾驶提示，提供更加完善的驾乘体验，因此AR-HUD将会有一个蓬勃发展的未来阶段。

但如果自动驾驶真到了普及的那一天，到了L5阶段，就无需驾驶员的介入，届时AR-HUD就会像一个鸡肋，成为一个没有使用场景的功能。


<完>
23.4.25