为了让更多受众了解 AR - HUD，本文将对其进行综合研究，包括其发展历程、应用场景、信息布局以及未来发展趋势等方面。
随着汽车向以人为中心的 “第三生活空间” 演变，汽车与驾驶员之间的交互已不再局限于简单的行车状态交互，而是逐步扩大至智能驾驶、资讯娱乐等领域。传统仪表已无法满足用户的安全、智能、沉浸式体验需求，在此背景下，抬头显示（HUD）应运而生。它将行车状态、导航、辅助驾驶等信息直接投射在驾乘人员眼前，驾驶员无需切换视线就可以直观地感受行车状态等信息，大大缩减了盲驾时间，提升行车安全。HUD 经历了 C – HUD、W – HUD 到 AR – HUD 的迭代更新，其中 AR – HUD 通过结合虚拟现实技术，将行车信息叠加到实物上面，成像距离更远、成像效果更佳。
HUD 技术起源于飞行器辅助仪，最早作为一种飞行器辅助仪，它可以把飞行信息投射到飞行员视野正前方的透视镜上。1960 年，第一台装有 HUD 的战斗机美国海军的 A – 5 舰载机研发成功，直到二十世纪八十年代初，HUD 才开始应用于民用客机。1988 年，通用汽车首次将 HUD 技术应用于汽车，此后，HUD 在汽车上的应用不断发展，从最初只能显示简单信息，到后来可以显示多种颜色信息以及引入导航信息等。
C – HUD（Combiner HUD）
安装方式较为灵活，可前装或后装，一般将一块透明树脂镜面安装在仪表盘上方。
优点是成本较低，缺点是成像区域小，内容有限，成像距离近且位置低，车辆碰撞可能导致二次伤害。
W – HUD（Windshield HUD）
需要汽车前装，与挡风玻璃统一做光学设计，将重要的行车信息直接投射在挡风玻璃上。
优点是支持更大成像区域和更远投影距离，展示信息区域大，效果更一体化，有助于安全行驶；缺点是需根据挡风玻璃尺寸和曲率搭配高精度非球面反射镜，成本相对较高。
AR – HUD（Augmented Reality – HUD）
为增强现实抬头显示器，同样应用于前装市场。AR – HUD 可提供更远距离及与实景相结合的图像，因此能够有效地提升驾驶安全性和使用体验。
AR – HUD 技术被汽车行业重视，不仅因为它能提高驾驶安全性和显示效果，更重要的是 AR 技术的应用，让 HUD 的使用场景有了更多可能。比如，行车时可以直接将导航的道路信息显示到 HUD 上，并融合周围实际的路况场景进行显示，使得道路信息一目了然；也能结合 ADAS 功能，提供前向碰撞预警、车道偏离预警及交通标志标线识别等提示，及时预告路况和行人预警信息；可将行车电脑中的车辆数据与道路实景有机结合，进行 AR 呈现。
随着经济社会发展和生活水平提高，我国汽车保有量急剧增加，而道路交通参与者的道路安全理念却明显滞后于汽车市场的发展速度，道路交通安全形势日益严峻。从历年因操作失误造成的事故分布来看，虽然技术进步可有效提高交通安全，但驾驶员分心造成的交通事故仍然存在。在零交通事故的终极目标下，减少驾驶过程中的操作失误仍是汽车厂商的关注重点。
车载信息娱乐系统丰富了驾乘人员的驾驶体验，但也引起了驾驶分心，降低了驾驶员的驾驶效能和驾驶安全。HUD 可以为驾驶员提供更加直观简洁的信息和更加舒适方便的信息查看方式，增强驾驶员的环境感知能力，减少其视线离开路面的时间，从而使驾驶员能将注意力更多集中在路面上，提高驾驶安全。
从产品形态来看，C – HUD 和 W – HUD 一般称为传统 HUD，由于其成像距离、成像尺寸以及采用的光机技术等原因，存在固有的缺点和问题。
驾驶安全方面
AR – HUD 可以对导航信息进行直观显示，并可以结合实际路况，实时利用虚拟箭头来提示驾驶员，避免在驾驶过程中出现开过路口或分散驾驶员注意力的情况发生。另外，AR – HUD 还可以与 ADAS、汽车传感器等进行协同，对驾驶员进行安全提醒，比如车距过近预警、压线预警、红绿灯监测预警、变道预警、行人预警、路标显示、车道偏离预警、前方障碍物预警、驾驶员状态提醒预警等，还可以通过变换颜色来对不同安全度的危险隐患进行提醒。
驾驶体验方面
AR – HUD 具备自动侦测环境亮度功能，实现自动调节 HUD 照明亮度以适应环境的能力，减轻驾驶员在光照条件变化之后眼睛出现的短暂不适感。
另外，AR – HUD 还可以结合车辆的当前位置、车载地图和场景 AI 等为驾驶员提供旅游景区、商场、餐厅、服务站等信息，实现车与道路环境的互联。
最后，AR – HUD 还可以分为两个部分来显示信息，以满足驾驶员和乘车人的不同需求，驾驶员前方提供道路导航信息，副驾驶视野前方显示音乐、视频、通话等信息。
对于用户而言，驾驶沉浸感和行驶安全均有明显提升。
提升汽车产品和品牌的智能化属性
AR – HUD 作为 W – HUD 的升级产品形态，能够为车辆提供更加完善的视觉显示解决方案。由于技术难、成本高的特点，目前也只在部分高端车型上实现了装备。
AR – HUD 的装车将有助于提升汽车产品和品牌的智能化属性，推动品牌和产品高端化进程。
推进智能化和网联化进程
智能化和网联化已然成为全球汽车产业未来的发展重点。抢占智能化的战略制高点，是我们国家汽车产业实现转型升级、由大变强的重要突破口。
AR – HUD 与汽车的智能化和网联化紧密相关，是智能化和网联化应用的载体，同时也是推进智能化和网联化进程的助推剂。
AR – HUD 核心技术的突破也正是我国汽车智能化和网联化实现创新驱动的实施路径，是解决我国核心零部件产业链安全问题，实施强链、补链、延链的重要一环，将推动我国汽车产业向价值链中高端水平迈进，助推我国汽车产业高质量发展。
安全驾驶是重中之重
通过醒目的危险警示符号，及时提醒驾驶员其他道路参与者的情况，助力行车安全。还可以提升极端环境下的驾驶安全，将摄像头、激光雷达、毫米波雷达等检测到的行人、障碍物、周边车辆行驶方向等信息直接呈现在驾驶员面前，提升车辆在极端环境下的行驶安全。
沉浸式体验智能化功能
将 ADAS 功能直观地展现在驾驶员面前，加强驾驶员对智能化功能、自动驾驶的信任，减轻对自动驾驶的安全焦虑。AR – HUD 技术的出现使得上述问题迎刃而解，通过虚拟结合现实的技术，为辅助驾驶信息的呈现提供了高效可视化平台，能够在不影响驾驶员视线的情况下，通过在实景信息上标记虚拟警示符号的方式准确定位驾驶过程中 的危险情形，实现虚拟警示符号与实景路况高度融合，以此提醒驾驶员采取相应的措施。
AR 提升出行体验
AR 导航直观生动，不再错过任何一个路口，实现了将手机导航、中控导航的信息与车道线走势等车道特征进行融合，可以将虚拟图像投射至驾驶员前方视野、显示在道路上，让驾驶员感受最真实的道路信息。同时，AR – HUD 具有全面显示车况、路况、ADAS 等多维信息的功能。
提供便捷式服务
AR – HUD 可以通过 AR 将地图 POI 信息与实景叠加，将行进途中的停车场、餐厅、购物场所、加油站等消费、车辆服务相关的地点信息实时标注显示，尤其是在陌生的地方利用 POI 信息可以极大方便出行。
身临其境体验车载信息娱乐功能
在中控屏对车载信息娱乐功能的呈现有限的情况下，AR – HUD 在驻车场景下可以让驾驶员身临其境体验高清视频、游戏画面、视频通话，感受家庭影院式的沉浸感。
显示技术是关键
PGU（Picture Generation Unit）成像单元是 AR – HUD 的关键部件，直接影响 HUD 的成像效果与产品化成本等。目前 PGU 主流成像技术主要有三种：TFT – LCD、DLP 和 LCoS，成像技术的工作原理不同，在 HUD 上的应用表现存在很大差异。
空间光学
包括空间光学原理、小体积大画幅 AR – HUD 设计、阳光倒灌、眩光、图像畸变与双目视差、重影等方面的内容。空间光学原理是 PGU 输出成像光扩散屏形成可视图像，经过反射镜将图像投射到自由曲面镜，自由曲面镜将原图像放大并适配风挡面型完成光学畸变矫正后，投射到风挡玻璃上，利用风挡玻璃将图像反射进入眼椭球范围，人眼接受到反射光之后在风挡玻璃前形成虚拟图像。
AR – HUD 的数字显示界面
包括沉浸感的视觉提升、减少眩晕感与驾驶疲劳、提升驾驶体验、通过科学的界面设计预防分心驾驶等方面的内容。沉浸感的视觉提升通过大 FOV 提升视野覆盖范围、图像叠加增强技术、亮度自动调节、提升亮度对比度等实现。
AR – HUD 功能安全及可靠性
功能安全方面，AR – HUD 必须具备失效模式监测诊断的功能，对显示图像失真和整个屏幕变白或者全屏显示两种失效模式准确检测并在出现问题时关闭显示功能。可靠性方面，要解决 HUD 会产生阳光倒灌的现象，提升滤波能力和器件高温容忍性来实现在一定时间内阳光倒灌的容忍能力。
安全类
AR – HUD 最重要的实际应用是安全类信息的呈现，使用增强现实和人工智能将必要的安全类信息投影到挡风玻璃，可以让司机意识到潜在的危险，而不会分散注意力或妨碍他们的道路视野。包括 V2V（Vehicle to Vehicle）和 V2I（Vehicle to Infrastructure）等方面的应用。
效率类
在辅助驾驶、自动驾驶中逐步完善的未来，实景路况与前挡风玻璃投影配合显示会改变交互方式，提升交互效率。包括 V2V 和 V2I 等方面的应用。
支付类
近场支付：汽车行业正在向智能驾驶和智能座舱的双智融合方向发展，也为智慧交通与智慧城市等市场创造了更多商业机会，未来车辆将可从 V2I 信息中感知到支付需求并显示在 AR – HUD 上，驾驶员通过触控、凝视、点头等交互方式进行确认，就可以完成支付。
元宇宙在车端的应用载体
目前以 VR、AR 为主体的狭义元宇宙产业链，与汽车上的 AR – HUD、智能座舱、智能辅助驾驶等功能有不少重合的地方，所以汽车有希望成为连接三维物理世界和元宇宙的超级智能硬件。AR – HUD 作为智能汽车第一屏，承担着最重要的人机交互功能，未来将通过 V2X、车联网技术持续加强车辆与道路之间的通信，扩展更多应用场景，搭建起现实世界与虚拟世界的一座桥梁。
硅基液晶 LCoS 技术
硅基液晶 LCoS 技术是一种基于反射式的微型矩阵液晶显示技术，通过反射式技术，可以达到 40%-65% 的亮度反馈，光效率较高，可以达到 4K 甚至 8K 的真实分辨率。同时，其耐热、耐潮程度也很高，可以让车载 AR – HUD 的成像效果更加稳定和清晰。
与 LCD 技术相比，LCoS 相类似的地方在于都是光源穿过偏振滤光片到达设备，液晶体充当阀门控制到达表面的光量，特定像素的晶体接收的电压越高，则晶体允许通过的光量越多，不同的地方在于 LCoS 是反射式投射，光利用效率较高，而 LCD 是透射式，光利用效率较低，因此 LCoS 可以实现更好的显示效果和可靠性。
光波导技术
光波导凭借平板超博结构和极大的二维扩瞳能力，极大减少了对光机体积的需求，可以从根本上解决 HUD 模组体积过大问题，是 HUD 未来发展的重要方向，是目前 AR 眼镜的主流方案。
光波导能够实现光的全反射，即光机完成成像后，将光耦合进入波导的玻璃基底，通过全反射原理将光传输到眼镜前方，再释放出来。
达到全放射需要满足两个条件：
所以光在波导传播是平行传播，光波导的 “全反射” 在保证成像清晰、图像对比度高的基础上，还能为用户提高较大的视场角。目前研究的光波导技术主要分为几何光波导和衍射光波导。
无论几何波导还是光栅波导，图像源和基底是相似的。图像源可以是各种类型的微显示如 LCoS，Micro – OLED、Micro – LED，也可以是激光结合微镜扫描 LBS。几何波导和光栅波导的主要差异点在于耦入结构和耦出结构。
从图中可以看出，耦入结构的作用是使得图像源的主光线变换角度斜入射进入基底，满足全反射条件；耦出结构，是使得基底内部传输的该斜光线变换方向，垂直射出到人眼。
由于光波导技术是通过光波导片传播直接被放大的图像，因此更大的显示尺寸和更远的显示距离要求光波导片部件具有更大的面积而不是体积，这也便于在仪表板空间内布置。
另外，由于光波导技术取消了制造工艺要求严格的大尺寸非球面反射镜，降低了制造复杂性和成本。但目前光导波产品尚处于研发探索阶段，整个产业链准备尚不完善。如果要实现产品的量产化落地还需整个产业链的全面发展。
全息光学元件 HOE
全息技术是利用干涉原理实现光波的相位转换，因此使用相干光照明被记录物体后，来自物体的光波与另一束参考光在记录介质上产生干涉，将这些干涉图样记录下来并经过一定处理形成全息图，当再用与参考光相同的光波照明全息图时，即可重现原来景物的立体图像。
由于全息光学元件 HOE 可以像投影仪一样将图像投影到整个挡风玻璃上，因此投影图像可以覆盖整个挡风玻璃，实现大尺寸图像显示，同时光机的体积也可以控制在较小的范围。由于目前的全息膜还不能满足健康环保以及车规级的要求，因此基于 HOE 的 AR – HUD 还不能实现大规模量产。
另外使用全息光学元件代替表面浮雕光栅实现光的引导成为全息光波导。这个全息元件是全息技术在材料内部曝光形成的明暗干涉条纹。相比雕刻光栅，全息光波导在工艺上更高效，成本也具有明显优势，但全息光波导元件的制造参数等条件需要经过大量实验获得，无法通过光学分析反推，这也导致光波导的 AR – HUD 产品量产难度大，预计短期内无法大规模量产。
政策端
《智能汽车创新发展战略》明确了以 “统筹谋划，协同推进、创新驱动，平台支撑、市场主导，跨界融合、开放合作，安全可控” 的基本原则，重点推进 “技术创新体系、产业生态体系、基础设施体系、法规标准体系、产品监管体系和网络安全体系”。
2021 年，《智能网联汽车生产企业及产品准入管理指南 (试行)》和《关于加强智能网联汽车生产企业及产品准入管理的意见》相继出台，明确了高级别自动驾驶汽车生产企业和产品准入的基本方向，但具体的技术规范仍未出台，高级别自动驾驶暂无法准入。
2021 年《道路交通安全法 (修订建议稿)》发布，首次在法律层面明确了具有自动驾驶功能的汽车进行道路测试和通行的相关要求，以及违法和事故责任分担规定，但是正式稿还未发布，同时未明确细化的自动驾驶相关规定。
目前智能网联汽车产业的突破性发展依赖于准入管理、道路交通安全管理政策法规以及基础设施建设。高级别自动驾驶以及 5G – V2X 的实现将会为 AR – HUD 应用的扩展和丰富提供可能性，一方面为 AR – HUD 显示内容提供丰富的车内外感知数据，另一方面，提升的车载算力平台也为 AR – HUD 的显示性能提升提供了支撑，更重要的是，驾驶员从驾驶任务中中得到释放将会创造更多的车内需求。
规划端
智慧城市概念自 2023 年提出以来，全国各地加速布局实践，目前全国有超过 500 个城市发布城市大脑建设计划。
在智慧城市的框架下，基于智能化和网联化的技术支撑作用，汽车将成为参与城市交通、信息采集、状态监测、数据交互以及电子支付等功能的智能体，而 AR – HUD 作为未来智能汽车第一屏，也将成为智慧城市多源信息在车内的显示终端和载体。
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2033 年远景目标纲要》首次将数字化发展专篇论述，明确加快建设数字经济、数字社会、数字政府、营造良好数字生态，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革，开启了我国数字化转型新篇章。
《国家信息化战略纲要》首次提出分级分类建设新型智慧城市的任务。
国家 “十四五” 规划纲要提出探索建设数字孪生城市，再次强调分级分类推进新型智慧城市建设。
智慧城市的建设是一个长期的探索和完善的过程，建设工作应该坚持分级分类的原则分步推进，并加速构建智慧示范城市，带动全国整体智慧城市建设推进工作。
1）增强现实抬头显示团体标准的研究制定
2）整车增强现实抬头显示人机布置及数字显示界面关键技术研究
3）增强现实抬头显示应用效果评估研究
4）汽车增强现实抬头显示功能示范应用推广
5）增强现实抬头显示相关应用软件开发：行业联盟和组织的建立将会集合产业链各个环节形成合力，极大地推动增强现实抬头显示技术发展、应用推广，并形成持续发展、不断扩大和有机成长的生态体系。
AR – HUD 作为一种新兴的车载显示技术，在提升驾驶体验和安全性方面具有巨大潜力。通过合理的信息布局和不断的技术创新，能够更好地满足驾驶者的需求。然而，目前 AR – HUD 技术仍面临一些挑战，如技术成熟度、应用场景和生态完善等问题。未来，随着政策支持、标准法规完善以及行业合作的加强，AR – HUD 技术将不断发展和优化，为驾驶者带来更好的驾驶体验和更高的行车安全保障。
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