AR融入汽车前挡风玻璃，驾驶沉浸在元宇宙
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2021-09-29 00:10
元宇宙是科幻作家史蒂文森最早在1992年创作的小说《雪崩》中提出的概念，过去在VR/AR专业领域都不一定有太多人知道，而随着张一鸣以90亿元人民币收购国内市占率最高的VR一体机公司Pico之后，这个概念突然变得家喻户晓起来。并非空穴来风，这种表象的背后是相关技术已走向成熟，巨头发现了新的增长点的时候想要表达的底层逻辑。
与此同时，在德国慕尼黑的国际汽车及智慧出行博览会上，华为展示了另一种AR，即增强现实抬头显示（AR-HUD）方案，向业界表明，其已具备了小体积、大画幅、超高清的关键能力。HUD这一领域过去几乎完全由国外大厂垄断，如今国内厂商正借助AR-HUD新技术的更新换代，弯道超越国际竞争对手，有望拿到另一张“元宇宙”的入场券。
即将爆红的AR-HUD到底是神马东西
HUD与VR/AR领域常用的HMD两个英文缩写就差一个字母，这对孪生兄弟的全称也十分接近。HMD在VR/AR里面是头戴式显示器（Head Mounted Display）的意思，简称头显，就是我们常见的“VR一体机”、“AR眼镜”等等。而HUD全称是抬头显示（Head Up Display），这种显示则不用戴任何设备，只需要你抬头就能看见。
早在1962 年，休斯飞机公司推出名为Electrocular头戴式单目显示器，可将视频信号反射到透明目镜中，随后就被集成到了现代直升机和战斗机的驾驶舱中，我们知道战斗机飞行员，读仪表盘的功夫，会错过最佳射击或躲避机会，当飞行员在头显中看到相关设备的信号，就可以迅速做出反应。HUD与HMD同样早期被运用在航空器上，它会把重要读数转化成为光信号投射在飞机的挡风玻璃上，在不用戴头盔的时候，飞行员操作起来更加灵活。
美国上世纪八九十年代F/A-18大黄蜂战斗机上的HUD来源：Wikipedia
到了1988年，通用汽车公司率先将 HUD 技术应用到了汽车上。虽然开车不能与开战斗机同日而语，但对于不熟悉汽车操作、交通规则、路况的时候，同样需要提示，比如高速公路的下一个出口。我们看到现在智能汽车尽管把显示屏做得很大，有非常详尽的地图导航，但开车的时候只要头一低，不管看一眼实时导航，还是看一眼实时车速，都是很不安全的。
你是否还记得在科幻电影《钢铁侠》中，托尼·史塔克的机甲头盔会实时反馈外部信息，辅助其操作，将虚拟图像叠加在现实物体上。我们希望你注意到一个细节，那些视觉聚焦点是“长”在物体上的，这才能体现出AR的能力。很多人会认为史塔克只是融合了一块屏幕在头盔里，如果在眼前单纯放一块屏幕，实际上你会不断地改变注视的焦距，一边看眼前的读数，一边又要对付现实场景中的对手，这就会让人眼不断地调焦，既耽误了反应时间，而且会让人感觉非常疲劳。这也是当前HUD的主流版本W-HUD最大的缺点，不能叠加虚实物体。
我们知道，你更想要的是游戏《极品飞车》那种，在前挡风玻璃的虚拟显示，能够与你目视的前方对齐，将光信号投射在前方物体上、道路上，这也是AR-HUD一亮相就比较惊艳的原因。它的原理是这样，想想初中学过的光学反射，当投影机光源发出了图像，它并不直接投射到眼睛里，而是通过多个折叠镜的三次反射，最后，射出的图像在挡风玻璃上未完全成像，人眼可以自动将其延长线聚焦在远处，这时驾驶员在前方两米甚至更远的地方就看到了一个虚像，这样我们就把虚实叠加在了一起。
AR-HUD原理，来源：大陆集团官网
今年的国际消费电子展（CES）上，松下集团展示了最新的HUD系统，它并不局限于显示汽车仪表数据、导航等一些基本信息，松下的想法是把挡风玻璃变成一个视频游戏界面。松下汽车总裁兼松下智能移动执行董事 Scott Kirchner 表示，松下的 AR HUD 系统一方面可以将人工智能驱动的关键信息投射到驾驶员的视线中，比如路上行人、其他车辆等，未来进入自动驾驶时代，我们还可以为乘客提供娱乐体验、额外舒适度和保障。
来源：松下集团Panasonic在AR-HUD的世界里，当车辆进入到自动驾驶阶段，汽车的所有玻璃似乎都能成为信息、娱乐和广告的载体，司机的双手就被解放出来了。就好比影片《碟中谍4》中，阿汤哥驾驶着宝马概念车Vision Efficient Dynamics，其前挡风玻璃随时可以载入导航地图，界面还能移动切换。后来，来自伦敦的导演Keiichi Matsuda创作的科幻短片《超现实》把这一想象更是发挥到了极致，在公交车里，充满了各色广告、周边商店的打折信息，车辆行进还会发生变化，而且不需要借助任何设备，抬头即所见。
碟中谍4剧照 来源：IMDB松下预计，它们炫酷的AR HUD产品将被集成到 2024 年的车型中。而奔驰S级、大众 ID4、奥迪 Q4 e-tron现在就已经搭载上了AR-HUD技术，其中“2021 款 ID.4 CROZZ 曜夜首发两驱版”在汽车之家的报价只需人民币24.29 万元，曾经在科幻影片中的未来变得触手可及。
奔驰S级汽车实景，来源：TopGear 极速志HUD步入增长“快车道”
HUD商业化发展经历了三个阶段，C-HUD 阶段、W-HUD 阶段和 AR-HUD 阶段，目前处在W-HUD向AR-HUD演变的过程中。与有些产品不同，HUD的新旧更替问题较少，在之前的发展阶段中，HUD的市场渗透率极低，直到2010年，HUD的前装渗透率仅为1.3%，到2019年才缓慢增长到8.5%，国内更低一些，到2019年才只有2.1%。
根据国际汽车制造商协会（OICA）以及专注于汽车、TMT、新能源领域的研究机构佐思产研提供的数据，2019-2025年E，全球前装HUD渗透率由8.5%上升至22%，而国内HUD的渗透率从2019年的2.1%，有望在2025年提升到30%。根据中汽协、头豹研究院的最新数据，国内前装HUD的市场规模将在2025年E达到75亿元人民币，另据中汽协、高工数据、天风证券的测算， 这一市场规模将在2024年E就能达到108.7亿元人民币。
中国前装HUD2016-2025年市场规模（单位：百万元人民币），来源：中国汽车工业协会、头豹研究院
另据中金的研究，在需求、供给、产业趋势三大驱动力的共同作用下，我国HUD市场自2020年出现拐点，前装搭载量同比翻倍增长至58万台；2021年上半年，前装HUD搭载率从2019年的1.3％提升至5.0％，其中W-HUD方案占据主流，比重约为87％，不过这半年国内AR-HUD搭载量已突破5,000台，增速十分明显。从今年消费者行为调查来看，消费者对HUD的接受度与兴趣度也在显著提高，以蔚来ES6为例，根据高工汽车的数据，该车型消费者对HUD的选装率约为50％。
成本下降是HUD搭载量提速的重要原因。根据乘联会、佐思产研的数据，W-HUD的平均价格已由2019年的人民币2,000元下降至今年的1,800元，预计到2025年将进一步下降到1,466元， 这两年还相对高昂的AR-HUD的平均价格，也会从现在的4500元/台，逐年下滑3％，未来几年将会逐步取代W-HUD。
来源：盖世汽车研究院价格降低另一个好处，就是近几年搭载了HUD的中低端车型也在持续增加，如此可以惠及更多的使用人群。根据汽车之家的数据，三年前还没有一种搭载HUD20万以下的车型，到2021年20万元以下搭载HUD的车型已多达17种。
对于现在日新月异的自动驾驶技术而言，AR-HUD与ADAS的结合能起到相辅相成的作用。我们从图表中可以看出，自动驾驶技术能够提供驾驶员前方物体的相关数据分析，如相距距离、物体特征、盲区监测、碰撞预警等，可以丰富HUD的显示内容。另一方面，AR-HUD可以直观的形式通过前挡风玻璃传达给驾驶员，驾驶员可以及时或提前作出反应，让自动驾驶变得更安全。
2020年ADAS细分功能渗透率，来源：赛迪顾问、头豹研究院除了安全性的刚需以外，当L3到L4自动驾驶跃升的过程中，逐渐解放了双手的驾驶员开始追求更多的舒适度和娱乐性，人们开始延展汽车场景作为“第三空间”。狭小的手机屏幕显然不能做到很好的匹配，这时需要有更大、更便捷、更有趣的屏幕，AR-HUD便成为其中不二选择。同时也给各汽车电子厂商，甚至互联网厂商创造了一个新端口的机会，他们将考虑如何将信息内容在汽车屏幕中变得易读、易用、易交互。
国产化HUD方兴未艾
长期以来，HUD全球市场由前六大 HUD 厂商占据行业 97%的市场份额，集中度很高。这六家分别为日本精机、德国的大陆集团、日本电装、美国的伟世通、德国的博世、日本的矢崎，没有一家中国公司。而且在中国市场，起初也是由这几家公司把持，直到2020年，国内HUD市场占有率排名前三的公司分别为日本精机（33.3%）、大陆集团（27%）、日本电装（20%），再加上台湾地区的怡利（9.2%），总占比接近90%，其余才是中国境内公司。
据高工智能汽车数据，2021年上半年日本电装、日本精机和大陆集团三大头部HUD厂商在中国市场的总份额从2019年的90％下降至68％，而同期的国产厂商华阳集团从2020年的2%一跃到14.4%，排名第三。
来源：高工智能汽车研究院华阳集团是总部位于广东惠州的上市公司，成立于1993年，致力于成为国内外领先的汽车电子产品及其零部件的系统供应商。集团业务板块涵盖汽车电子、精密压铸、精密电子部件以及LED照明等，近年来重点围绕汽车电动化、智能化、网联化、轻量化进行产品布局，拥有包括HUD在内的智能座舱、智能驾驶和智能网联等领域较为全面的汽车电子产品线。
华阳集团从 2012 年开始布局 HUD 业务，每年坚持研发投入，研发总投入已经超过8000万元。目前已形成涵盖光学、软件、结构及电子等多学科的HUD研发技术团队，随着智能网联汽车行业的加速发展，其HUD 业务前期积累的技术、产品和市场已经临近一个爆发点。今年上半年华阳的飞跃直接受益于它全面服务的长城汽车搭载HUD的加速，以及长城汽车本身在销售上的丰收。后者在汽车市场整体下滑的情况下，上半年累计销量达61.82万辆，同比增加56.47%，最近一年长城汽车的股价翻了7倍。
华阳AR-HUD增强现实式抬头显示器演示，来源：汽车之家与华阳同属Tier1梯队，成立于2015年的江苏泽景电子在今年2月份宣布完成人民币1.5亿元C轮融资之后，8月又完成了顺为资本领投的3亿元C+轮融资，它在全球首创了基于DLP技术的双画面AR-HUD量产解决方案，并与蔚来汽车、吉利汽车、长安汽车、长城汽车、奇瑞汽车、北汽新能源和大众等企业签订了10多个量产和研发合同。
华泰证券去年预测，若国产化率从6%提升至11%，中资HUD集成企业5年在该业务领域的年化营收增速有望达到64%，根据 Wind 一致预期，三年预测年化营收增速为27%。从去年到今年不到2年时间，我们实际看到的增速已经高于预期。
国内大多数厂商起步较晚，在C-HUD时代的龙头几乎很少有国产的身影，在W-HUD时代国产开始起步，但外资龙头近乎垄断，在 AR-HUD 的技术换代背景下，国内外差距正逐渐缩小。华阳多媒体电子有限公司总经理助理张环宇表示，国内外厂商在AR-HUD研发和推广上，基本处于同一起跑线，因此技术差距很小。
投影单元（PGU）是HUD的核心壁垒。目前 HUD 使用的投影技术主要有 TFT-LCD 投影、DLP 投影、MEMS 激光扫描投影和 LCOS 投影四种。其中TFT-LCD（Thin Film Transistor，薄膜晶体管）投影技术是当前最主流的 HUD 投影技术方案，包括国产技术都比较成熟，成本也较低，多应用于 W-HUD 产品中。2020年，TFT-LCD的中国产能占全球总产能的54%。
而AR-HUD的理想投影技术是DLP（Digital Light Processing，数字光处理技术），它通过集成50-130万个超微型镜片的DMD芯片，将光源反射至投影镜头形成图像，这样不仅具有高亮度、高对比度和高分辨率等优点，而且成像距离VID达到5米以上，可以满足AR-HUD的要求。像上述的华阳集团、泽景电子采用的就是DLP方案。另外两种对AR-HUD量产来说各有优缺点，也有国内厂商如华为、水晶光电、锐思华创、一数科技在积极研发之中。
华为的入局或为HUD国产化替代继续加码。我们知道DLP的专利在美国德州仪器，而华为采用的LCOS 投影技术就好比手机界的安卓，在此基础上结合华为的优势再开发。此次在慕尼黑博览会上展出的华为AR-HUD产品，体积仅10L，超越了市场上大多数的20L，它提供13°x5°大视角，即在前方7.5米位置呈现70寸大画幅显示区域，并可实现高达100PPD的全高清视觉显示。
华为光应用领域总裁黄志勇表示：“华为AR-HUD采用创新的ODP光显示引擎和空间光学技术，打破了传统介质局限，开创安全驾乘新体验。下一阶段，AR-HUD将朝着更大画幅、更高清晰度、裸眼3D等方向发展，构筑前所未有的超级视界。”
HUD产业链示意图，来源：各公司官网、智能汽车俱乐部、东方证券研究所除了PGD以外，产业链其他部分的国产化替代程度还有些参差不齐：
在成像部分，整体依旧处于成长期，难以与国际顶尖企业抗衡。其中，LED光源主要来源于德国的欧司朗和日美的史坦利；而在投影机芯片领域，全球仅有德州仪器与爱普生具备自主生产的能力。
光学镜面方面，行业技术壁垒高，尽管国产技术在逐渐成熟，像舜宇、灵犀微光，但仍与Waveoptics这样的国际企业有所差距。
挡风玻璃方面，目前福耀是主要的前挡风玻璃供应商， 其研发出新的纳米膜玻璃已经开始在比亚迪汉车型运用。
软件方面，我们可以从上图中可以看到，国内的高德、百度、四维图新等地图厂商纷纷入局，以及斑马智行提供的操作系统、解决方案也把HUD涵盖进去。
实际上，目前以VR/AR为主体的狭义元宇宙产业链与HUD有不少重合的地方，包括芯片、光学元件、成像和显示技术等等，发展到第三阶段的AR-HUD也可以理解为增强现实在汽车上的一种应用。如今人们对AR-HUD的期待，背后还反映出对沉浸世界的向往，当折叠镜经过三次反射，将虚像打到5米以外的时候，实际上就在XY轴之外加入了一个Z轴，用户体验不再局限在平面，而是浸入到三维空间里，这是手机研发设计者再怎么努力也做不到的。AR-HUD也许是在VR/AR设备全面普及之前，率先被更多用户感知到的日常应用。
华为轮值董事长胡厚崑在2021中关村论坛全体会议上表示，最近被热议的元宇宙概念，其实代表了我们整个人类社会对于虚拟与现实进一步融合的一种期待和向往。在这种高沉浸度、低时延的数字世界里，我们要更大程度地去还原，并且构建一种超越物理世界的体验，这是一个充满想象力的方向。但同时，也对我们当前的网络、计算等技术，提出了更高的要求。
