抬头显示器HUD研究综述

最近在HUD上花费了老多时间。

引用一篇来自知乎的文章，祭奠自己抠掉的头发，逝去的时间。

原文链接见文末，以下。

1 什么是抬头显示器

车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，驾驶员可能会低头观看仪表显示或观看中控台的音响等显示，此时如果前方遇有紧急情况就有可能因来不及采取有效措施而造成事故。为避免这种情况发生，有些高档车辆上装配了抬头显示系统，它可以将有关信息显示在前风挡玻璃的驾驶员平视范围上，这样可以避免低头看仪表，从而缩短眼球对前方的视觉盲区时间，对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值。

抬头显示系统（Head Up Display，HUD）也称为平视显示系统。HUD技术是20世纪60 年代在光学瞄准和雷达瞄准基础上发展起来的，最早应用在战斗机上。HUD可以将重要的信息，如速度、油量、转速、导航信息等，投射到前挡风玻璃的驾驶员平视范围之内，显示位置和显示亮度可调。驾驶员几乎不用改变眼睛焦距和注视范围，即可方便的查看所需信息。

图1 世界第一款HUD

2003年，DENSO公司引进世界上第一款可以同时显示驾驶信息与夜视系统成像信息的抬头显示器。

2006 年上市的凯迪拉克STS4.6这款车中使用的平视显示器可以根据不同的车速转换投影字样的颜色，这是车载抬头显示器由单色显示向复合颜色显示的转变。

2012年5月，日本先锋公司推出先锋投影抬头显示器，这是在全球范围内首次将平视显示器应用于汽车导航的产品。该产品能够分析具体的行车路线信息，确定重要的标识信息以及汽车与周围的距离信息。

起初，HUD在初代产品上只能显示车速等少量的几个数字，并且显示颜色单一，视场小、对比度差。

现如今，HUD功能逐渐多样化，包括导航功能、LBS信息服务等，同时视觉效果极大增强，被越来越多的驾驶员所接受。

未来HUD将结合“增强现实”技术，并将视场扩大到整个全景车窗，到时候车载仪表盘将可能被完全替代。

2 抬头显示器分类

目前HUD从安装方式上可以分为悬挂式和仪表台式两种，如图2.2所示。悬挂式 HUD 多数都是安装在车内驾驶席一侧的遮阳板上，这样的设计就导致了投射出来的影像显示位置处于风挡玻璃的上半部分。而仪表台式 HUD 则是安装在仪表盘上方，投射出来的影像出现在风挡玻璃的下半部分。

图2 HUD安装位置（左图为悬挂式，右图为仪表台式）

根据HUD的成像解决方案，可以分为三类：反射型、玻璃成像型、虚拟成像型。

反射型成像解决方案是HUD最早采用的技术。将图像源平置在前挡风玻璃下，图像源发出的光经过前挡风玻璃或其他玻璃介质反射进入驾驶员眼睛。驾驶员沿光的反向延长线看到的是图像源的虚像。为了提高光反射的清晰度，往往在前挡风玻璃上进行镀膜处理。

图3 光反射类原理示意图

玻璃成像型是指HUD通过透明显示屏将信息呈现在驾驶员面前。透明显示屏与前挡风玻璃分离，不需要对前挡风玻璃做镀膜处理。透明显示屏可以前后移动，投影角度灵活[33]。随着技术的不断发展和手机的普及，佳明Garmin HUD、ADAYO等抬头显示器能够与手机连接，并将手机上的导航信息投射到显示面板上。

图4 玻璃成像类原理示意图

虚拟成像型是指将多种影像信息溶于真实场景中，成像画面悬于半空中，具有很好的空间纵深感。使用虚拟成像技术的HUD信息能够与道路环境融为一体。虚拟成像型HUD比传统HUD更加直观，使驾驶员浸润在整个环境中。

  

图5 HUD虚拟成像示意图

针对目前车载平视系统的三种成像解决方案：光反射、玻璃成像、虚拟成像，优缺点对比如下表所示：

通过比较，玻璃成像型的HUD技术成熟，价格适中，且能提供较好的驾驶体验。

3 HUD应用和研究现状

HUD使驾驶员不低头就能看到所需信息，降低了驾驶员低头查看仪表和手机时造成的驾驶分心，因此受到了汽车行业的广泛关注。

HUD前装机应用在小部分高端品牌车型上，包括宝马5系Li，纳智捷达7 SUV以及雷克萨斯GS等。后装机国外产品以佳明和日本先锋为代表，国内产品以车萝卜为代表，但是总体装配率不高，尚未形成主导产品。

慕尼黑宝马公司在所申请的专利DE3712663A1中提出了一套HUD全息光学元件，用来实现HUD在风挡车窗上的全息投影。

同样具有前瞻性的福特汽车公司在申请的专利US4613200A提出了应用全息光学元件解决成像质量问题。

本田公司在专利JPH1096776A中提出通过在HUD上显示不同的颜色用来标识与前车的距离。

基于智能控制识别的屏幕交互式HUD（WO0145080A）可以实现驾驶员在车内多个屏幕的交互。

Kiefer等通过选取两组年龄不同的实验人员（一组是64-69岁，另一组是19-22岁），设置对比实验。

研究发现，两组人员使用HUD时视线在路面的停留时间显著长于使用手机和车载仪表。同时，在使用HUD时驾驶员从速度为0提高到100km/h时花费的时间更少。

作者通过驾驶模拟器对比分析了HUD和车载仪表对卡车驾驶绩效的影响，研究发现，在货物运输送达效率方面两者没有显著差异，但是在发生紧急事件时，使用HUD的响应时间更短。

在高速状态下，使用HUD的驾驶员的速度变化曲线更为平滑。参与者认为，HUD是引起驾驶分心最小的一种措施。

Hammerschmidt等通过在车窗前出现黑色方块模拟HUD信息提示，发现驾驶员需要分散注意力去观察新增的信息，信息误读率增大并且会干扰驾驶主任务。

可以看出目前关于HUD在驾驶安全和驾驶分心方面的研究才刚刚起步，甚至一些学者的研究结论完全对立，在实验方法上没有统一可参考的标准导致结论一致性差，在研究量化的指标上主要集中在速度、加速、车道偏移等方面，因此有待更多的科研人员展开更深层次的研究。

本文完。