HUD市场与产业

佐思汽车研究· 2017-02-08 10:54

HUD(Head Up Display)中文一般称之为抬头显示，分风挡玻璃型（Windshield，W型）和集成显示型（Combined，C型）。HUD最早出现在通用的Corvette上，时间是2001年。2004年宝马推出第一个彩色显示HUD。

2016年全球前装HUD市场规模约为5.6亿美元，同比增长33%。预计到2020年市场规模达17.8亿美元。2016年W型HUD市场规模大约5.3亿美元，出货量大约200万套。预计到2020年市场规模达17.15亿美元，出货量大约700万套。C型市场规模大约3000万美元，出货量大约60万套。预计到2020年市场规模达6500万美元，出货量大约170万套。

2016年全球主要HUD厂家市场占有率

来源：佐思产研

本田旗下的日本精机市场占有率超过50%，日本精机拥有宝马、通用、奥迪三大客户，宝马5系、7系、X系均采用日本精机的HUD，奥迪的Q7以及通用旗下的凯迪拉克和别克都采用日本精机的HUD。日本精机计划在2020年产能达到300万台，基本都是W型HUD。日本精机在日本、北美和英国拥有4个生产基地，日本广岛县三次市的新基地正在兴建，预计明年投产。

德国大陆主要客户是奔驰、奥迪和宝马，奔驰C级、奥迪的A6和A7，宝马的3系列均采用大陆的HUD。大陆在2017年1月与美国Digilens公司达成战略合作协议，主要开发AR-HUD。2016年1月，Digilens推出一款类似谷歌眼镜的产品，这是专为骑行者设计的虚拟现实工具，可以为摩托车驾驶员等提供智能导航。这款设备的外观就像是摩托头盔配了一个谷歌眼镜，眼镜通过磁力与头盔固定在一起，镜片位于用户眼前，能够显示交通状况、燃料用量、速度和引擎功能。同时，外观环境也会实时显示，以360度视角展示摩托车周围的交通和路况。该产品使用Unity3D编辑器编写，基于高通骁龙芯片和Android平台打造。还能显示指定路线转弯指示信号，可以提供头盔前置和后置摄像头所拍摄的视频回放，类似于行车记录仪。这款设备的续航时间约为6小时。

另外，电装HUD主要供应丰田，伟世通主要供应PSA，博世主要供应宝马Mini。

HUD有三个术语比较重要，首先是VID(Virtual Image Distance)，虚拟图像距离。其次是HFOV和VFOV，水平视角和垂直视角。最后是Eyebox。

VID最佳距离是多少？我们知道HUD的初衷是让人在驾驶车辆的大部分时间里都不再低头看仪表盘，因为人眼在道路和仪表之间来回切换需要眼睛调整焦点，频繁调整焦点会导致视觉疲劳，也不安全。一般人驾车时眼睛需要至少覆盖两到三个车道的宽度，也就是大约7.5米。为了避免眼睛频繁调整焦点，VID的最佳距离是10-20米。而目前所有HUD的VID都不超过2.5米。也就是说驾驶者仍然需要频繁地从HUD到路面之间切换，同样会感觉疲惫。

广视角带来另一个问题，这就是分辨率的问题，人眼是有分辨率的。理论上认为人眼能辨识所视物的最小视角是 0.78 弧分度（1 弧分度arcmin＝1/60 度）。在理论数据的基础上，考虑到环境光线对成像质量的影响，数据上通常取人眼的最小视角为 1 弧分度（1/60 度）。

上图为HUD像素与视角之间的关系，如果HUD的水平视角为14度，那么HUD的最佳分辨率是WVGA。如果水平视角接近22度，那就需要720p的分辨率。再有一个是对比度的问题，对比度太低，环境亮度高就无法看清，因此HUD的对比度在2000：1之上是比较好的。

还有一个概念是Eyebox，牵涉到一个专业术语：瞳距（Interpupillary Distance，简称IPD）。

上图是美国人的典型瞳距图，中国人估计要略窄一点点，Eyebox的最佳尺寸就是水平140毫米，垂直60毫米。水平尺寸通常做到140毫米不容易，而垂直尺寸则相对比较容易。一般我们看到的W型HUD，Eyebox是168*60毫米。

理想境界是很难达到的，来看目前的高端产品，上图为奥迪A7上的HUD爆炸图，由大陆汽车提供。VID为2.2米，HFOV为6度，VFOV为2度，分辨率为860*480，分辨率基本已经超越人眼极限。

W型HUD门槛极高，从光学的角度来看，挡风玻璃是自由曲面，而为了形成不失真的图像，就要求HUD 中的凹透镜发出非常精确的图像。因此，在制造大镜片的过程中对容差的要求更加严格：大陆集团采用塑料注塑成形方法生产此类大型非球面镜，整个表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下。由于环境亮度的变化范围大，HUD 需具有极高的亮度和精确的亮度控制（取决于虚拟影像的背景亮度），以形成可轻松读取的图像。

全球来看，日本、德国和台湾拥有先进的光学非球面制造技术，HUD的光学引擎异常复杂，连美国都没有能力制造。

显示器将以电子方式纠正任何通过挡风玻璃产生的光学扭曲。大量研发工作的主要重点是优化图像生成单元 (PGU)，包括散热器、 印刷电路板、发光二极管 (LED) 矩阵及 TFT 彩色显示器和导光管。 上图中的显示屏为 3.1英寸，分辨率达到 800 x 480 像素。   TFT 显示器中采用的 LED 亮度已达到 1,300 坎德拉/瓦 (cd/W)。自 2013 年起， 而在未来几年内，3,000 cd/W 的亮度将是一个可实现目标。这便解释了为何当代标准系列的 HUD 显示器在具有如此高亮度显示的情况下仅需 8 瓦电源。而这要归功于 LED 技术日益提升的效率。

高亮度LED由日本Nicha提供，顺便说一句，日本Nicha是全球高亮度LED绝对霸主，市场占有率超过60%，并且已经连续保持超过10年。

上表为实现HUD各种技术的对比，LCOS比较占优，但是对比度低是其致命缺陷。DLP性能最佳，但成本比较高，可靠性也需要加强。目前C型多用VFD，W型多是LCD。需要指出这里认为激光扫描型成本最高，这是不对的。激光扫描型成本下降空间大。

上图为典型的DLP型HUD框架图

上图为DLP型HUD光路图

DLP型HUD成本高昂，预计10K以下量级在2500美元以上。考虑到DMD已经是非常成熟的，即使大规模量产，也只能降低光机引擎的价格，DMD的价格不会下降多少，未来DLP型HUD成本很难降低。所以业内对DLP型HUD兴趣不高。

上图为激光扫描型HUD

激光扫描HUD成本挖掘潜力很高， 因为是直接投射，其结构简单，光学引擎大幅度简化，对比度亮度都很高，尤其对比度可以轻易达到7000：1，远超DLP，体积很小，色彩更好，功耗更低，发热量很小，可靠性高，安装很容易。缺点是需要一块弧形透明有机玻璃做光学分散后再投射到挡风玻璃上，提高分辨率需要比较高的成本。典型的方案如MicroVision的Picop ，一旦量产，成本有望大幅度下降。不过目前激光二极管的驱动技术还不够完善。

上图为先锋在2012年推出的HUD，结合了激光扫描与AR，售价高达4000美元。

上图为松下的激光扫描HUD原型

HUD的另一个动向就是与AR增强现实结合。

上图为AR-HUD架构。

上图为AR-HUD演示ACC，很多车辆即使配备了ACC也很少使用，就是操作界面不够直观，如果能配合AR-HUD，ACC的使用率会大幅度增加，客户更能体验ACC所带来的价值。

据称宝马和起亚将在2017年使用大陆这种AR-HUD。不过我们以为，目前VID在2.5米以内不适合用AR-HUD，这很有可能吸引驾驶员将注意力集中在车前一个很窄的小范围内而忽视周边路况，毕竟目前的ADAS功能还比较简单，不能让人类驾驶员分心。