注：本文討論的HUD均為W-HUD（擋風玻璃型抬頭顯示器），不含C-HUD（集成型抬頭顯示器）。
在傳統HUD（抬頭顯示器）尚未大規模普及的2020年，AR HUD（增強現實型抬頭顯示）已經呼之欲出，似乎風頭還要更勁。
以往，功能簡陋的HUD想成為汽車的「第三屏」都是被嫌棄的，而AR HUD則是另外一個維度的東西，它將極有可能成為智能電動車的「第一屏」，甚至更多。
在9月的北京車展上，全新賓士S亮相，科技成了最大的看點。隨車配備的全球首個AR HUD系統，極大提升了整車的科技感。
幾乎與此同時，大眾MEB平臺車型ID.3在歐洲市場攻城掠地，10月份問鼎歐洲電動車銷量冠軍，ID.4在中美兩地發布，引起廣泛關注。這兩款車也都配備了AR HUD功能。
據業內人士稱，接下來一兩年，還會有更多的自主、合資品牌的一些非豪華車型，將配備AR HUD。
在更遠的2023年、2025年，通用、現代、大陸等廠商，還將量產下個世代的AR HUD。
這些產品基于全息光波導等衍射光學技術開發，可以突破現有幾何光學AR HUD只有10米左右投影距離的掣肘，從車內投射一個無限遠的虛像，徹底地將現實與虛擬世界結合，為智能汽車開啟「萬花筒」，將智能汽車帶入激動人心的全新時代。
一
在固有的印象中，HUD作為科技亮點，是車企在競爭中的錦上添花，市場基盤主要在高端車型，主要在高端車型中以選裝的形式出現，價格不算便宜，需求也并不火爆。
如蔚來選裝HUD的價格為6,500元，寶馬5系選裝HUD的價格為11,600元，奧迪A6L則高達18,700元。
在傳統燃油車時代，座艙內的數字內容并不豐富，儀表和中控足以滿足資訊展示和交互需求。主機廠和零部件公司開發HUD的訴求，主要出于安全的考量。
以儀表盤和中控屏為主的資訊顯示，大多位于駕駛員的視線下方，需要駕駛員向下移動視線焦點方能觀察。
如果在高速上以120公里/小時的速度，低頭查看2秒儀表，等于盲駕了66米，這顯然對駕駛安全不利。
大陸集團整理的數據顯示，在美國大約80%的交通事故碰撞源于駕駛中的分心。
而W-HUD（Windshield HUD，擋風玻璃型抬頭顯示器）可以生成一個顯示在擋風玻璃前的虛像，只有駕駛者可以看到，這些虛像呈現的是行車過程中的車輛狀態資訊，主要是速度、導航資訊等。
這樣，駕駛員便不用低頭即可讀取重要的行車數據。
但僅以安全為出發點，希望將HUD開發成車內的「第三屏」，并不現實。
從成本和收益來看，車企付出的是：
1、1000左右的硬件成本；
2、幾升的儀表板內布置空間，而在儀表板內擁擠的空間里堆放著儀表、空調管道、剎車踏板、方向盤管柱等部件，可謂“寸土寸金”，需要做定制化開發；
3、原本帶有弧度的前擋風玻璃直接反射虛像，會有重影，造成駕駛員眩暈，需要做特殊定制，做楔形角的處理，這里也是成本；
注：HUD擋風玻璃與普通擋風玻璃的差異，主要是夾層內部的PVB膜呈楔形
4、軟體、測試、驗證等成本。
而用戶的收益是什么呢？
是在車前幾米遠的位置投射出一個虛像，這個虛像上顯示著時速數據和導航資訊，這個導航資訊一般只有左轉、右轉、直行等，甚至不如行動電話顯示全面。
顯然，這樣的體驗既干不掉儀表，也干不掉行動電話。
狹窄的應用場景，使得HUD產品在用戶體驗改善上不明顯，導致需求起不來，也不能進一步推動供給端擴大規模，進而降低價格，產業的發展陷入了「雞生蛋、蛋生雞」的怪圈。
從現有的產業格局上來看，Tier 1占據著HUD市場的主要份額，傳統HUD已經是非常成熟的產品，成本競爭非常激烈。Tier 1希望可以提高復用，進行模塊化設計，提供一個普適方案，來降低成本，提高競爭力。
而W-HUD是復雜的光學定制產品，做好一款好用的HUD需要大量針對性開發，需要根據每輛車的擋風玻璃的厚度和曲率做定制化開發和驗證，另外不同的車型儀表板內部結構不同，針對單一車型開發的方案，難以同時適配多種車型，導致了規模效應差，成本難以有效下降。
據高工智能汽車研究院監測數據顯示，2020年上半年，大陸市場在售新車（自主及合資品牌）HUD的前裝（標配）搭載上險量25.4萬臺，搭載率為3.38%，其中，標配搭載W-HUD的新車上險量為21.6萬臺。
傳統HUD的發展不盡如人意，最大的問題在于缺少場景和數據，隨著智能電動車的發展，這種情況正在發生改變。
在以往的燃油車上，受限于儀表臺的體積布置以及發動機震動、熱量等問題，HUD開發難度較大，但這些在電動車上都不是問題。
例如在空間布置方面，大眾ID系列車型通過將空調鼓風機從儀表臺挪到了發動機艙中，可以容納當前技術體系下尺寸更大的AR HUD。
在應用層面，自動駕駛和數字座艙技術，使得汽車不再僅僅是駕駛工具，而是移動智能空間，是下一代內容的載體。
車內內容和資訊開始爆發增長，傳統的儀表、中控已經不能滿足車內資訊顯示的需求。另外，內容增多也會導致駕駛員駕駛時的分心，新的交互方式變得更有必要。
傳統HUD只是相當于給汽車增加了一塊“屏幕”，承擔了一部分儀表的職能，但AR HUD將突破限制，更精準地指導現實中的決策，并且將現實世界與虛擬世界不斷融合，與其他傳感器之間的融合、交互，帶來更多的想象空間。
圖片來源：德州儀器
在導航方面，AR HUD可以與高精度地圖、攝像頭、雷達等融合，拿到自動駕駛相關信號，生成導航資訊、道路資訊、警示資訊等投影到擋風玻璃上，與實際道路進行“虛實結合”，以更直觀的方式提醒駕駛員。
在更遠的未來，車內AR技術還可以和電商、游戲、物聯網、社交、教育等結合，開發出豐富的應用場景。
AR HUD，是AR技術在汽車上落地的最佳場景，它建造了一個更直觀、更適合汽車場景的人機交互方式。
新的交互方式意味著，新的生態、新的時代。
1979年，喬布斯拜訪施樂公司，他意識到了圖形界面的巨大價值，并「竊取」了這個技術，PC進入千家萬戶的夢想不再是一句空話。
2007年，當喬布斯拿出了配備3.5英寸可觸摸電容屏的初代iPhone時，移動互聯網的大幕也隨之拉開。
AR HUD將是智能電動車關鍵的下一代交互方案。
二
縱使征途是星辰大海，也需要先發展一塊根據地。
車機以及車聯網在當前還不能干掉行動電話支架，最主要的原因則是車載導航產品的體驗，相對于行動電話導航并沒有明顯的差異化，甚至還有倒退，在這一點上，特斯拉的用戶非常有發言權。
AR導航則能提供遠勝于行動電話導航的體驗，是AR HUD當前最重要的落地場景，也是車機取代行動電話的關鍵一戰。
為了能讓AR導航上車，一些車企及供應鏈企業推出了初步的替代方案。
主要的方案是，通過前攝像頭的視訊圖像，與生成的AR導航圖像進行擬合，對導航資訊進行增強，最終在儀表、中控上將AR導航資訊展示出來。
但這并不是終極方案，體驗不佳，駕駛員仍需要低頭查看，顯示結果也并不直接。在技術層面，基于實時視訊的導航對延遲要求較高，對座艙芯片算力的要求也不低。
盡管斑馬、四維圖新等公司在前兩年都推出了類似的產品，但市場反應寥寥。
AR HUD擁有終極的AR導航方案。
資料來源：TI
這是一張很有名的圖，紅色的為傳統HUD，無法滿足AR導航需要；
淺藍色為標準AR HUD，需要20米的投影距離（VID）才能做到跨車道顯示；
深藍色為理想的AR HUD，FOV（Field of Vision，視場角）的水平角度到20度以上，在10米以上的投影距離既可以跨車道顯示。
VID(Virtual Image Distance，虛像距離)和FOV是非常重要的兩個參數。
VID即人眼到虛像的距離。
FOV是以駕駛員眼睛為中心，到虛像的水平以及垂直邊緣所呈的角度，例如9度*3度，10度*3度等。
資料來源：大陸集團
為了滿足AR HUD的需要，VID要達到10米以上，FOV的水平角要10度以上。良好的VID和FOV參數，其意義在于：
1、可以覆蓋更大的車道范圍（受水平角度影響）、更遠的距離（受垂直角度影響），以保證駕駛者的安全和體驗。例如，如果能在路面上覆蓋地更遠，在高速場景下，可以更早地提醒轉彎、匝道等資訊，不會錯過路口。
2、虛像距離變長，可以減少眼睛疲勞。
3、VID大于6米之后，真實的世界和圖像可以融合得比較好，比較貼合。
4、VID增大可以在視覺上消除重影，不再依賴楔形角的設計。根據德州儀器仿真測算，在VID增加至13m之后，人眼感受不到重影，擋風玻璃不需要楔形膜，這相當于減少了成本。
圖片來源：德州儀器
要理解這些參數的意義及其實現難度，還需要了解HUD的原理。
當前的HUD以及量產AR HUD方案主要基于幾何光學設計，人眼看到的虛像經過三次反射產生。
圖片來源：大陸集團
原理方面，根據大陸集團的技術文件顯示，圖像生成單元(PGU，Picture Generation Unit)產生亮度以及圖像，光發射出來，投射在第一面平面鏡上，做第一次反射；
反射以后在非球面鏡上進行放大做第二次反射；
然后光從雜光阱中透過來，在擋風玻璃上做第三次反射，反射到駕駛員的眼中去，給駕駛員感覺的是虛像呈現在他面前兩米甚至更遠的地方。
HUD主要有三部分組成，其中光學零件和圖像生成器是非常重要的部件，決定著HUD未來的發展方向。
資料來源：大陸集團
在未來，要達到理想的AR HUD，基于幾何光學的部件結構幾乎無法支撐。
在以幾何光學技術的HUD產品中，光學部件大同小異，由平面鏡、非球面鏡、軸承組合等組成。非球面鏡、平面鏡等單元要達到一定的角度，這些光路的設計對體積有需求。
如果以傳統的鏡面反射光路設計AR HUD，為了實現更廣的FOV，第二級非球面反射鏡需要很大，導致整體HUD的體積更大，可輕松飆升至15至20升。
這在汽車的儀表板布置中，將是災難性的。
全息光波導（waveguide），以及HOE（Holographic Optical element，全息光學元件）等基于衍射光學的技術方案，在體積上擁有巨大優勢。
光波導技術示意圖，圖片來源：DigiLens
在全息光波導技術中，光從光波導片傳播出來之后，就已經是被放大的投影圖像。在這種技術下，光波導片部件的需求主要是面積，而不是體積。在儀表板內，較薄的面積空間非常富裕，不像體積空間那樣捉襟見肘。
基于光波導技術的AR HUD，圖片來源：TI
HOE，即全息膜技術可以將整個擋風玻璃做投影屏，可以像投影機那樣直接投影，對體積空間亦要求不高。
基于全息投影的AR HUD，圖片來源：TI
相比之下，依靠反射光學的傳統HUD在空間上，比較依賴體積。這三張對比圖在空間需求上的展示已經非常形象。
傳統光學HUD，圖片來源：TI
光波導、HOE不僅能縮小AR HUD體積尺寸，也能增加FOV，是AR HUD的理想方案，但是目前不論是成本、質量、技術、材料、工藝方面都還非常不成熟。
光波導等材料，目前也主要基于消費電子產品開發，在車規方面還有很多工作要做。
另外，在投影技術上，還需要配合激光光源，盡管激光投影具有色域廣、亮度高、聚焦效果好，非常適合投影資訊簡單、亮度要求高的HUD場景，但激光二極管對溫度較為敏感，也不能達到車規要求的85度的工作要求。
離依托于光波導、HOE等技術的下一代AR HUD的量產時間，大概還有3-5年的窗口期。
目前，很多初創公司在這個領域耕耘，出于普遍看好新技術在未來廣闊的應用，傳統巨頭們熱衷于在這些領域投資布局。
2018年，保時捷、現代汽車和阿里巴巴等公司對瑞士AR HUD初創公司WayRay進行了8000萬美元的投資，WayRay的主要技術為全息AR，采用激光投影技術。
2020年10月，現代摩比斯、通用汽車、上汽等公司聯合對英國AR HUD初創公司Envisics進行了5000萬美元的B輪投資。
Envisics下一代HUD技術將于2023年實現量產上車，新版本增加了視場角，可以覆蓋三車道，VID可達100米。
大陸已經參與三輪投資的DigiLens，在今年9月份推出了AR-HUD的首款產品，FOV可達15°* 5°，體積約5升，亮度可達12,000 nits，顯示距離可以為無限遠。
根據大陸集團的規劃，大陸和DigiLens聯合打造的光波導AR HUD的量產時間應該在2023年左右。
三
隨著ADAS技術發展以及車上傳感器的增加，智能駕駛和智能座艙的融合已經是大勢所趨，AR HUD是實現「雙智融合」的最佳途徑之一。
智能電動化的大潮已不可遏制，雖然下一代技術還沒準備好，但時間不等人。
在新技術成熟之前，現有技術雖然受到體積和系統復雜度的困擾，但仍可以通過增大可視范圍（FOV）和虛像距離（VID），來打造AR HUD。
在下一代技術的過渡期，傳統的TFT和DLP技術承擔著向AR HUD進軍的重任。
還是以已經量產的車型為例，新賓士S即采用了基于DLP技術的AR HUD，VID為10米，FOV為10度*5度。
大眾的MEB車型，在平臺設計上就將大體積AR HUD考慮進去，不僅是現在的ID.3和ID.4，未來的Q4 e-tron車型也將繼續搭載AR HUD。
供應鏈企業們給出了基于DLP或TFT等投影技術的入門級、緊湊型、FULL AR HUD方案，可以滿足AR導航的需求。
資料來源：德州儀器
資料來源：大陸集團
由于一些方案的FOV角度較小，沒有辦法做到遠距離投射，需要通過DMS（駕駛員監控系統）攝像頭對駕駛員的視線進行實時追求，不斷調整HUD的顯示位置，來提高增強現實貼合的效果，這種方式對算法和算力的要求較高。
這些方案仍然基于幾何光學，系統能力的上限和圖像生成器PGU相關。
圖像生成器PGU包含顯示屏和背光組合，顯示屏定義了HUD的對比度、分辨率，光源定義了色域、亮度、均勻度。
這里也是傳統HUD發生路線之爭的地方，比較成熟的投影技術有TFT-LCD，DLP等方案。
圖片來源：雷鋒網
TFT較常見、成本低廉，與LCD屏幕的原理類似，將白光光源用棱鏡分為紅、綠、藍三色，經過液晶單元，達到投影的效果。
DLP是基于數字微鏡單元（Digital Micromirror Device，DMD）的投影技術，由德州儀器發明，并掌握專利。
DMD內部有大量的微反射鏡片，每個微反射鏡都有“開”和“關”兩種狀態，由數字信號0和1控制，對應著鏡片的兩種翻轉角度，通常為正負12度或正負10度。處于“開”狀態時，入射光線經過微鏡片被反射到投影屏幕上，成為一個像素點；“關”狀態時，入射光線經過微鏡片被反射到光吸收器吸收，不會到達投影屏幕。
DMD就相當于一個數字光開關，可以用數字電路的0和1去理解。
相對于TFT技術，DLP投影更復雜，成本也更高。
DLP投影的是整個平面，為了提升顯示效果需要針對不同的擋風玻璃，定制高精度的反射非球面鏡，導致其DLP HUD成本較高。
如果基于幾何光學打造AR HUD，TFT的問題在于溫升太快。
HUD的溫度控制主要有兩方面，一方面，是內部產熱，另一方面是太陽光倒灌。
內部熱量：TFT HUD要生成1萬、1.5萬nits亮度的虛像，光源需要生成40萬nits的亮度，TFT的透過率低，很大一部分熱量會被吸收。
在太陽光倒灌方面，DLP有擴散片（Diffuser），可以將陽光擴散，溫升較慢。
圖片來源：德州儀器
而TFT在太陽光照射下，由于不具有擴散，溫升快，峰值負載是DLP的三倍，溫升速度是DLP的6倍。
寬視角（FOV）帶來陽光倒灌，會導致成像面板溫度更快上升，同時干擾成像。根據前海智云谷CEO侍強表示，目前TFT的車規級HUD的FOV極限在12*5度，VID 為10米。而DLP處理的溫度方式比較獨特，可以處理13米或更長的距離。
基于幾何光學做AR HUD的糾結在于：
如果是做入門級和緊湊型的方案，FOV不大，車道覆蓋范圍小，體驗的提升不夠明顯，另外還需要配合DMS，方案復雜。
如果是做VID 10米以上的FULL AR HUD，體積又比較大，成本也較高。
即使困難重重，方案也不甚完美，但是從現在開始量產AR HUD卻至關重要。
AR HUD在導航上的應用可以培養用戶習慣，開始真正承擔儀表和行動電話的職能，而不再是個雞肋產品。
也只有拿掉了行動電話，基于AR HUD的功能和內容才會有進一步發展，屬于車機和車聯網的時代才會到來。
尾聲
交互，是開啟每個數字時代的鑰匙。
在PC上，圖形界面開啟了PC的新時代，從此人們不再像DOS時代需要輸入長長的代碼，然后再得到一串代碼，輸入輸出可以「所見即所得」，PC上的內容生態變得豐富起來。
在行動電話上，輸入和輸出都集中在了小小的屏幕上，你無法想象人們使用黑莓行動電話的鍵盤刷抖音。
在智能汽車時代，新的交互，輸入、輸出方式是什么？它一定是新的方式，可能是AR、VR，也可能是語音，甚至還可能是別的什么東西。
如果是繼續在屏幕上點按的話，既不符合車內場景，也不會產生新的內容生態。
每一代的終端，都將產生新的交互方式，新的交互方式又催生了新的生態，新的生態又將新的終端送上巔峰，這是個環環相扣的關系。
我們現在正處在通往下個時代的路口上，每個從業者都在思考，智能汽車的未來是什么樣的？有什么是可以確定的？
對于一個全新的終端和生態，人類去想象「下個時代的應用是怎樣」往往是無力的。
2011年，撒貝寧曾在一場交流活動上預言，以后人人在大街上都可以拿起行動電話直播，引起了哄堂大笑。而如今直播作為移動互聯網最熱門的應用之一，人們早已適應。
在蘋果的專利上，關于AR HUD的想象力已經開始起飛。
例如，可以直接在擋風玻璃上通話，畫面上直接顯示真人。
例如，副駕可以通過擋風玻璃看視訊、玩游戲。
例如，蘋果在AR HUD上還可以對街邊大樓、店鋪進行標記，用戶在車機上選擇編號，車輛就會自動駕駛至特定位置。
站在2020年，想象力依然貧瘠。
我們能想到的是，L4之前，AR HUD主要用于導航，L5實現之后，AR HUD的主要應用可能是資訊、社交、游戲、購物、教育。
在《復聯4》后的《蜘蛛俠2》中，蜘蛛俠帶上了鋼鐵俠送給他的眼鏡「伊迪絲」，帶上之后，蜘蛛俠可以看到每個人的資訊，可以通過這幅眼鏡來操控無人機。
這幾乎已經是多數人想象的極限了，但這些會是未來嗎？未來會比這些還要絢麗嗎？也許。
出于樂觀的愿望，我們更加期待2023年，在這一年，基于全新技術的AR HUD開始量產，卓越的產品有望基于此打造，而這些卓越的產品將帶領我們在全新的場景下開疆拓土，為我們打開一個光怪陸離的世界。
替代行動電話，僅僅是AR HUD要做的第一步。
（完）
作者微信ilusanjin，歡迎添加交流。
參考資料：
布谷鳥科技：HUD領域的革命性技術——全息光波導
德州儀器：TI DLP®技術在汽車上的創新及全新應用(線上課程)
大陸集團：抬頭顯示系統技術原理和應用場景講解(線上課程)
汽車縱橫：車載HUD的發展現狀及趨勢分析
高工智能汽車：AR-HUD量產難題，是否“有解”？
安信證券：HUD，汽車視覺黑科技
雷鋒網：HUD——曾經的雞肋配置又一次煥發新生
佐思汽車研究：全球首個搭載AR-HUD的量產車型：新一代賓士S級
銳思華創：基于廣角顯示與空間成像的AR視覺技術
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