HUD：擋風(fēng)玻璃上的透明儀表盤

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，全球每年約有130萬人死于交通事故，其中94%是由人為失誤造成的。在城市道路上，以65公里的時(shí)速行駛時(shí)，駕駛員低頭看儀表盤1-3秒，相當(dāng)于盲開18-54米。觸目驚心的數(shù)據(jù)背后，是傳統(tǒng)的汽車信息顯示方式與安全駕駛之間存在著天然的矛盾。

如果關(guān)鍵的駕駛信息能夠"懸浮"在前方道路上，讓駕駛員不必移開視線就能看到車速、導(dǎo)航指示，甚至是前方障礙物警告，會怎樣？這就是抬頭顯示器（Head-Up Display，簡稱HUD）。

這項(xiàng)技術(shù)的故事要從1960年的軍用航空說起。當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員面臨著一個生死攸關(guān)的問題：在高速飛行和激烈戰(zhàn)斗中，哪怕低頭看儀表一秒鐘，都可能錯失戰(zhàn)機(jī)或陷入危險(xiǎn)。于是，工程師們將關(guān)鍵信息投射到飛行員正前方的透明屏幕上，這就是HUD的前身。1988年，通用汽車收購休斯航天公司后，首次將這項(xiàng)軍用技術(shù)引入民用汽車，推出了第一款配備HUD的量產(chǎn)車型--Oldsmobile Cutlass Supreme Indy 500 Pace Car，一款專為紀(jì)念印第安納波利斯500英里大賽而打造的特別版轎車。但它的HUD系統(tǒng)還相當(dāng)原始，只能在擋風(fēng)玻璃上顯示簡單的數(shù)字車速，顯示區(qū)域也僅有巴掌大小。

然而，早期的汽車HUD遠(yuǎn)沒有今天這般先進(jìn)。它們面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，例如顯示亮度不足、在強(qiáng)光下幾乎看不清；顯示內(nèi)容單一，通常只有車速，且由于成本過于高昂，使其長期局限于豪華車型，這種局面一直持續(xù)到21世紀(jì)初。幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破徹底改變了HUD的命運(yùn)：

首先是顯示技術(shù)的革命。隨著手機(jī)和平板電腦的普及，LCD和LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，不僅亮度大幅提升，成本也急劇下降。一塊車規(guī)級LCD顯示屏的價(jià)格從上千美元降到了幾百美元。

而更關(guān)鍵的是汽車電子架構(gòu)的進(jìn)化。在1990年代，汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)就像是各自為政的信息孤島。速度傳感器歸儀表盤管，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)歸發(fā)動機(jī)控制單元管。如果HUD想要顯示車速，就需要從速度傳感器單獨(dú)拉一根線；想顯示轉(zhuǎn)速，又得接入轉(zhuǎn)速表信號；想顯示導(dǎo)航信息，還得想辦法和導(dǎo)航系統(tǒng)對話。而21世紀(jì)初，一項(xiàng)技術(shù)改變了這一切——CAN總線（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）。這項(xiàng)技術(shù)最初是為了解決汽車線束過于復(fù)雜的問題，卻意外地為HUD的普及鋪平了道路。CAN總線就像是給整棟樓裝了一套內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。所有設(shè)備都連接到這個網(wǎng)絡(luò)上，任何信息都可以通過統(tǒng)一的語言在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。這意味著HUD系統(tǒng)只需要接入CAN總線這一根網(wǎng)線，就能獲取整車的幾乎所有信息。而且這些數(shù)據(jù)都是標(biāo)準(zhǔn)化的，CAN總線上的數(shù)據(jù)有統(tǒng)一的格式，一家HUD供應(yīng)商開發(fā)的產(chǎn)品，可以相對容易地適配不同品牌、不同型號的汽車。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，汽車的電子架構(gòu)也在不斷進(jìn)化。從最初的CAN總線，到后來的FlexRay（更高速）、MOST（多媒體專用）、以太網(wǎng)（超高速），汽車內(nèi)部的信息高速公路越修越寬。到了2010年代，一輛普通家用車內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)可以達(dá)到100Mbps以上，足以支持高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸。

正是在這樣的背景下，HUD技術(shù)迎來了快速發(fā)展期，并逐漸形成了三個清晰的發(fā)展階段：

第一代：C-HUD（組合式HUD）

這代HUD的核心是一塊傾斜安裝在儀表臺上的半透明樹脂板，本質(zhì)上就是一面半反半透的鏡子。其工作原理相當(dāng)簡單：儀表臺內(nèi)的小型投影儀向上投射圖像，經(jīng)過這塊傾斜的透明板反射后進(jìn)入駕駛員的眼睛。就像在玻璃窗上既能看到自己的倒影，又能看到窗外的風(fēng)景一樣。

但這種設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像，又由于缺少復(fù)雜的透鏡組來調(diào)節(jié)光路，虛擬圖像只能形成在玻璃板后方約2米的位置。駕駛員的眼睛仍然需要在遠(yuǎn)處的道路和近處的顯示信息之間不斷調(diào)節(jié)焦距，而且這塊突出在儀表臺上的玻璃板，一旦發(fā)生碰撞，它很可能會脫落并造成二次傷害。

汽車工程師們開始思考：既然汽車本身就有一塊巨大的擋風(fēng)玻璃，為什么不直接利用它呢？

第二代：W-HUD（風(fēng)擋式HUD）

這個看似簡單的想法，實(shí)施起來卻充滿挑戰(zhàn)。擋風(fēng)玻璃雖然是現(xiàn)成的，但它可不是為顯示圖像而設(shè)計(jì)的，它是弧形的、傾斜的，而且每款車的曲率都不相同。如何在這樣一個不規(guī)則屏幕上投射出清晰、不變形的圖像？

答案是自由曲面反射鏡技術(shù)。通過一種特殊形狀的鏡子，能夠預(yù)先矯正圖像的變形。眼鏡能矯正視力，而這面特殊的鏡子能夠補(bǔ)償擋風(fēng)玻璃造成的光學(xué)畸變。

位于儀表臺深處的投影單元（PGU）發(fā)出圖像，經(jīng)過第一面平面鏡改變光路方向，再通過自由曲面鏡放大并矯正圖像，最后投射到擋風(fēng)玻璃上。擋風(fēng)玻璃的內(nèi)表面就像一面微弱的反射鏡，將部分光線反射進(jìn)駕駛員的眼睛，而大部分光線則透過玻璃，不影響對外界的觀察。

這種設(shè)計(jì)使得虛擬圖像的距離延伸到了4-5米，雖然還不能完全與路面融合，但已經(jīng)大大減少了眼睛的調(diào)焦負(fù)擔(dān)。其次，顯示區(qū)域擴(kuò)大了3-4倍，不再局限于顯示簡單的數(shù)字，而是能夠呈現(xiàn)圖形化的導(dǎo)航箭頭、來電顯示。

第三代：AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)HUD）

在介紹AR-HUD之前，你或許已經(jīng)看到了一個熟悉的概念：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR。不同于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）創(chuàng)造一個完全虛擬的世界，AR是在真實(shí)世界的基礎(chǔ)上疊加一層數(shù)字信息。例如一些手機(jī)上的各種AR應(yīng)用，用手機(jī)拍照時(shí)可以添加的虛擬貼紙、能看到家具擺放效果的裝修軟件。虛擬的元素看起來就像真的存在于現(xiàn)實(shí)世界中。

AR技術(shù)的核心在于兩個字：融合。它需要精確地識別現(xiàn)實(shí)環(huán)境，計(jì)算出虛擬物體應(yīng)該出現(xiàn)的位置、大小和角度，然后將其無縫地嵌入到真實(shí)場景中。如果能把這種技術(shù)應(yīng)用在駕駛上，讓導(dǎo)航信息不再是抽象的箭頭和數(shù)字，而是直接畫在真實(shí)的道路上呢？

但從想法到現(xiàn)實(shí)，挑戰(zhàn)重重。手機(jī)AR只需要處理一塊幾英寸的屏幕，而汽車AR-HUD要在整個駕駛視野中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。手機(jī)可以隨時(shí)調(diào)整角度和距離，而駕駛員的視角是相對固定的。如何讓虛擬信息在高速行駛、顛簸路況下依然穩(wěn)定地貼在道路上？如何確保在強(qiáng)烈陽光下圖像依然清晰可見？這些都是AR-HUD必須解決的難題。

工程師們讓光線在系統(tǒng)內(nèi)部多次反射，像折紙一樣把長長的光路折疊起來。一個典型的AR-HUD，其內(nèi)部光路總長度可能超過1.5米，但通過多次反射，整個系統(tǒng)可以裝進(jìn)一個鞋盒大小的空間。

但光路折疊只解決了體積問題，更大的挑戰(zhàn)是成像距離。傳統(tǒng)HUD的虛像只能投射到5米左右，而AR-HUD需要達(dá)到20米甚至更遠(yuǎn),不僅要照得更遠(yuǎn)，光斑還不能散開，圖像必須保持清晰。

為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，AR-HUD采用了自由曲面反射鏡。每一個點(diǎn)的曲率都不相同，能夠同時(shí)完成三項(xiàng)任務(wù)：放大圖像、矯正畸變、調(diào)整焦距。AR-HUD的放大倍數(shù)高達(dá)30倍，這也意味著進(jìn)入系統(tǒng)的陽光也會被放大30倍，工程師們在光學(xué)表面鍍上特殊的薄膜，它只反射顯示所需的特定波長，而讓大部分陽光直接透過。同時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度智能調(diào)節(jié)顯示亮度，確保無論是正午的烈日還是夜晚的暗光，圖像都清晰可見。

光學(xué)系統(tǒng)只是硬件基礎(chǔ)，讓AR-HUD活起來的是背后的智能算法。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取車輛位置、識別道路環(huán)境、計(jì)算虛擬圖像的準(zhǔn)確位置。前視攝像頭、毫米波雷達(dá)、GPS定位、高精地圖……所有傳感器的數(shù)據(jù)在此匯聚，經(jīng)過每秒上億次的運(yùn)算，才能讓虛擬的導(dǎo)航線穩(wěn)穩(wěn)地貼在真實(shí)道路上。

站在技術(shù)發(fā)展的十字路口，HUD的未來充滿無限可能。光波導(dǎo)技術(shù)有望將整個系統(tǒng)壓縮到一本書的厚度，讓每一輛車都能輕松配備；全息投影可能實(shí)現(xiàn)真正的3D立體顯示，虛擬信息將不再局限于一個平面；而隨著自動駕駛技術(shù)的成熟，HUD或許會成為人與智能汽車溝通的主要界面，在擋風(fēng)玻璃上展現(xiàn)一個全新的信息世界。

參考文獻(xiàn)

[1] Mike Firth. Introduction to automotive augmented reality head-up displays using TI DLP? technology[R]. Texas Instruments, 2019.

[2] Chen Zhou, Wen Qiao, Jianyu Hua, Linsen Chen. Automotive Augmented Reality Head-Up Displays[J]. Micromachines, 2024, 15(4): 442.

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

出品丨中國科協(xié)科普部

監(jiān)制丨中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生

審核丨孫明軒 上海工程技術(shù)大學(xué) 教授

來源: 科普中國創(chuàng)作培育計(jì)劃

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供