抬头显示及增强现实抬头显示（HUD and AR-HUD）

北京大学微电子学与固体电子学硕士

背景

与传统的汽车显示(head-down displays, HDDs)相比，通过将虚拟图像投射到驾驶员前视场(forward field of view, FoV)，车载抬头显示(head-up displays, HUDs)减少了驾驶员的视线离开道路的时间(eye-off-the-road time, EoRT) 。由于在信息获取成本方面的优势，车载抬头显示被认为具有提高驾驶性能和安全性的潜力。此外，车载抬头显示在主要和次要驾驶事务的管理上起到积极作用。自1988年通用汽车(General Motors)首次推出车载抬头以来，商用车载抬头显示已用于各种量产型汽车。据预测，到2024年，几乎三分之一的汽车将配备抬头显示系统。随着光子学、增强现实、物联网和自动驾驶系统等新领域、新技术的出现，车载抬头显示的功能范围正在扩大，这也为车载抬头显示使用日趋增加提供可能。

目前的新技术为创建各种抬头显示功能提供可能性，但这并不意味着车载抬头显示系统可以设计成显示各种各样的信息，没有限制。通过抬头显示呈现过多的信息会导致信息过载。此外，糟糕的界面设计也会导致视觉混乱等问题。为了避免这些负面后果，应该仔细选择和显示对驾驶员来说必要的信息。在这方面，了解司机的信息需求，并定义车载抬头显示的功能需求（应该显示什么信息以及何时显示）对于设计有用的抬头显示至关重要。

车载抬头显示的类型^[1]

挡风玻璃型抬头显示 (Windshield HUD, WHUD)和组合器型抬头显示(Combiner HUD, CHUD)

挡风玻璃型抬头显示 (Windshield HUD, WHUD)

WHUD的图像界面直接投影在挡风玻璃上（图1），从而得到更好的视觉效果。通常这种系统是默认包含在车辆中。不同的WHUD在挡风玻璃上的投影区域的位置和范围不同。汽车的挡风玻璃通常是曲面玻璃，因此需要根据挡风玻璃的大小和曲率来调整高精度的非球面反射镜。因此，WHUD需要先进的光学和电子技术，这导致了较高的成本。许多汽车制造厂商选择将WHUD应用于它们的高端车型，作为高科技和豪华的代表。

组合器型抬头显示(Combiner HUD, CHUD)

CHUD的图像界面是由额外的组合器投影的，主要是一块透明树脂材料。一般来说，这种系统是作为辅助装置附加在汽车上，这意味着它可以比较方便地在汽车上装卸。不同的CHUD因附加投影设备的位置而异。大部分显示在仪表板上(图2.a)，少数显示在遮光板上(图2.b)。CHUD通常连接到车载面板（OBD）的接口上，获取车辆状态信息。与WHUD相比，CHUD更简单、更经济，虽然视觉效果可能不如WHUD，但是CHUD具有较高的灵活性和通用性，更有潜力进行普及。

车载抬头显示的实际应用

在汽车市场上，WHUD大多应用于豪华轿车，豪华轿车还配备了先进的驾驶辅助系统(ADAS)，包括自适应巡航控制、车道辅助等。WHUD用于显示来自ADAS的信息，可以直接引导司机。WHUD还集成了车辆导航系统，为驾驶员提供更好的视觉路线引导。

显示信息：导航信息(数字道路图像、方向箭头、步距、限速)、速度、夜视辅助系统预警信息、自适应巡航控制、主动车道辅助、油耗。

至于CHUD，早期的产品只是显示从OBD接口获得的信息。得益于互联网电子地图的发展，导航已成为其主要内容。同时，由于在驾驶过程中会出现更多的小任务，一些CHUD对不同的第三方应用有很好的兼容性，如呼叫、短信、音乐播放等。

显示信息：转速、发动机转速、电池电压、发动机故障、油耗、轮胎指示灯、限速警告、疲劳驾驶警告、水温报警等、第三方应用(微信按摩、音乐播放、天气预报、语音交互)。

增强现实抬头显示(Augmented Reality-head-up displays, AR-HUD)^[2]

此外，在增强现实(Augmented Reality, AR)概念中，增强现实技术可以将计算机生成的虚拟物体叠加扩展到用户的三维环境中（如图3），显示在挡风玻璃上的信息与真实道路风景的元素相匹配，可以在需要信息呈现的地方呈现，减少浏览次数，以获得与驾驶员相关的关键视觉信息。与HUD相比，AR-HUD方式也存在潜在的缺陷，比如可能会遮挡交通的相关信息，以及感知隧道化、认知捕获等现象。

AR-HUD的几大优势

车道保持

车道保持对于没有经验的司机来说是非常重要的，而对车道在恶劣天气和黑暗的情况下的保持是非常必要的。AR-HUD允许对驱动路径进行划线，使其更突出（如图4）。通过AR-HUD显示驱动路径可以通过减少车辆偏离来改善车道保持行为。

关键道路事件的检测

驾驶人在控制车速及方向时，必须留意车辆、道路危险、车道、行人及交通标志。这些工作都增加了体力和脑力的负担，对于老年人和认知反应慢的人来说尤其危险。因此，一个生动立体的警报提醒司机道路上的危险（如图5），可以帮助减少司机的工作量，减少交通事故。在挡风玻璃上显示关键道路事件可以帮助驾驶员识别危险事件，与HDD相比，HUD在参与者反应上具有100毫秒的优势。