如果要谈论2020年汽车领域的大事,以特斯拉为代表的「造车新势力」在股市上的疯狂表现毫无疑问令很多人瞠目结舌。

2020年1月,特斯拉的股价最低时不足90美元,而2020年12月,股价最高时已接近700美元。国内的新势力车企也不遑多让,以三大「中国的特斯拉」为例,蔚来在2019年股价曾低至1.5美元,一年后,市值增长了近50倍;2020年上市的理想和小鹏,股价也都一度比发行价涨了500%以上。

可以说,这些「造车新势力」的身价,已经超越了很多传统车企。究竟什么因素在新势力们销量并不突出甚至依然流于概念时支撑起它们超高的市值?答案可能有很多,但其中一定有一条指向以人车交互、智能座舱为代表的汽车智能化

相比传统车企,专攻新能源车的造车新势力们在智能化上往往更加激进。如果说传统汽车是用硬件定义汽车,那么新能源车就是用软件定义汽车,较之传统车企的「一锤子买卖」,新能源车除了卖车之外,还可以卖软件、卖增值服务。这或许就是支撑起「造车新势力」身价的底层逻辑。

有业内人士曾算过一笔账,按照过去三年特斯拉对 FSD(Full Self-Driving,全自动驾驶)的投入,当订阅率达到50%的时候,一辆车(订阅了FSD)的净利润能达到2万人民币,这个数量达到100万辆时,特斯拉仅此一项获得的净利润就有200亿人民币。

言归正传。想要持续推进汽车智能化,自然离不开人车交互技术的革新和应用。

目前,人车交互的途径不外乎仪表盘、方向盘按键和中控屏幕,很多汽车虽然都加入了语音交互功能,但其与生俱来的迟滞感却十分影响体验。

所以,如何让驾驶员能够在关注道路状况的同时全方位了解车辆的运行状态?又如何避免查看导航而导致驾驶员分心?

人车交互技术想变得更加安全、更加智能,离不开车载HUD(Heads Up Display,抬头显示)技术的发展,这也正是我们接下来要重点展开讨论的。

什么是车载HUD?

首先需要指出的是,HUD并非一项新技术,更不是什么新物种。HUD最早诞生于战斗机上,可以有效降低飞行员低头查看仪表盘的频率,避免飞行员注意力不集中。

随着成本逐渐下降,自1988年开始,HUD被通用率先引入汽车领域,并陆续应用在BBA、大众、丰田等品牌的部分高端车型上。不过,过去30多年,车载HUD的渗透率并不高,一方面是由于成本问题,前装HUD的选配价格通常需要万元以上,另一方面则是由于市场认知度的问题,消费者对HUD的价值认知不够。

▲始于1988年,车载HUD的发展之路

好消息在于,从2018年开始,智能座舱、ADAS(高级驾驶员辅助系统)的加速渗透让HUD能够更直观传达信息的优势凸显,消费者对于相关产品的接受度不断提升。据统计,仅2019年搭载HUD的新上市车型数量达326款(主要集中在25万以上的中高端车型)。

HUD主要由投影单元(PGU)和显示介质两部分构成,根据HUD的成像方式和显示内容,市面上的车载HUD大致可以细分为三类:C-HUD(Combiner HUD)、W-HUD(Windsheild HUD)以及AR-HUD(Augmented Reality HUD)。

▲C-HUD

C-HUD通过放置于仪表上方的半透明树脂板作为投影介质反射出虚像,由于安装便利,曾在汽车后装市场引起一阵风潮。虽然C-HUD布置灵活,但由于成像区域小,显示内容位置较低且有限,还影响车辆安全性,已经逐步被边缘化。

▲W-HUD

W-HUD可以直接将图像投影至车辆前挡风玻璃,可以支持更大的成像区域和较远的投影距离。但W-HUD产品光学结构复杂,同时对于挡风玻璃的材质有着更高的要求,因此成本相对较高,主要应用于中高端车型,目前正在向中低端车型普及。

▲AR-HUD

AR-HUD是W-HUD技术的延伸,采用了增强投影面技术,通过数字微镜元件生成图像元素,成像幕通过反射镜最终将画面射向挡风玻璃,增强过后的导航、障碍物警告、盲区监测等信息可以与外部道路元素完全融合,营造一种无缝的驾驶体验。

整体来看,就使用体验而言,AR-HUD最好,W-HUD次之,C-HUD最差;从成本来说,C-HUD最便宜,W-HUD次之,AR-HUD最贵;从技术难度和车载系统融合程度来说,AR-HUD最高,W-HUD次之,C-HUD最低。

抛开技术难度,为何AR-HUD与W-HUD同样采用向挡风玻璃投影的方式,成本上却会有着较大的差异呢?这就涉及到了HUD的核心壁垒:投影单元

目前车载HUD的投影技术主要分为三种:TFT-LCD投影成像技术、DLP投影成像技术和MEMS激光投影成像技术。

TFT-LCD投影成像技术被大量运用于W-HUD产品,普及率较高。作为当前最主流的方案,TFT-LCD技术成熟,成本较低,显示效果基本满足使用需求,但缺点在于投影距离较短,成像距离仅2m左右,无法满足人眼视力远点5m外的需求;同时还存在着散热问题,无法承受较高的温度。

目前TFT-LCD面板的供应商包括中国大陆的京东方、天马,中国台湾的友达光电、奇美电,以及日韩的夏普、日立、三洋和三星

DLP投影成像技术是最适合AR-HUD的投影成像技术,其成像距离可超过10m,拥有更高的亮度和对比度,能源效率更高,可在85℃的环境下正常工作,可靠性很高。但采用DLP技术的AR-HUD体积较大,可达8-15L,此外宽视角的AR-HUD还面临着阳光倒灌的问题。目前市面上能够见到的车载AR-HUD产品中,奔驰2021款S级轿车和大众ID.4 X均使用了DLP投影成像技术。

MEMS激光投影成像技术是将RGB三基色激光模组与微机电系统结合的投影方式,其结构简单,光学引擎进行了大幅度简化。MEMS激光投影技术的优点在于体积小,色彩更好,功耗低,发热量小,可靠性高,但缺点在于需要有机玻璃做光学分散,因此成本较高,也无法满足车规级85℃的工作环境要求。

此外,针对更高性能的AR-HUD技术,业内已经开始研究全息光波导技术来作为车载AR-HUD的显示系统,该技术源于AR眼镜领域。目前在研究的AR-HUD光波导技术分为几何光波导衍射光波导,其中衍射光波导又有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导VHG(VolumetricHolographic Grating)或HOE(Holographicoptical element)。

几何光波导代表企业为以色列Lumus,但因工艺非常复杂,据说仍未解决量产难题。表面浮雕光栅波导代表有Waveoptics,与国内水晶光电有合作,同时歌尔入股承担产品化工作,该技术主要用在AR眼镜领域,目前逐步在往车载领域过渡。

全息干涉技术制造的全息体光栅波导代表企业有Digilens、SonyAkonia(苹果收购)。在工业应用领域Digilens较为领先,已经通过了美国联邦航空管理局的认证,在巴西航空工业的Legacy 450、500以及宝马摩托车上实现商用。

值得一提的是,HUD想要实现优秀的投影画面效果还需要自由曲面反射镜和前挡风玻璃的配合。自由曲面反射镜用于和前挡风玻璃进行拟合以消除画面畸变,通常使用纳米级精密仪器制造。前挡风玻璃需要使用楔形夹层或者加反射膜层的方式消除玻璃前后两面反射造成的重影。

发展趋势:AR-HUD有望成未来风口

如果对汽车内部设计的更迭稍加关注,我们不难发现,原先只出现在新能源车上的超大中控屏已经被越来越多的燃油车效仿(奔驰近期推出的新款S级和C级轿车就是很好的例子)。而中控屏取代了传统的实体按键,也意味着汽车的许多功能将集中在一个更为智能化的管理系统中。

AR-HUD,正是展现汽车智能化的「超级武器」——不仅能在挡风玻璃上直观呈现重要的车辆和道路信息,帮助驾驶员专注于安全驾驶和路线规划,同时还能够承载一部分车内功能的交互。可以说,AR-HUD是因安全而被需求,因汽车智能化浪潮的到来而被寄予厚望。

不仅如此,脱离了中控屏和仪表盘,所有驾驶所需的信息以极其炫酷的方式跃然眼前,不正是「高级感」和「未来感」的完美诠释吗?

2020年,随着2021款奔驰S级轿车的发布,车载AR-HUD的大幕正式被揭开。奥迪Q4 e-tron、大众ID.3/ID.4、长城WEY摩卡等多款即将或者已经量产的车型都宣布将搭载AR-HUD。

除了上述传统汽车制造企业在投入AR-HUD的研发和应用,市场上也有诸如Wayray、Navyd、Envisics、百度等服务供应商在同时发力自动驾驶、AR实景导航和AR-HUD相关技术,以开辟全新的商业场景。

因此,不少业内专家认为,随着汽车自动化、智能化的到来,技术日趋成熟、成本逐步走低的AR-HUD未来有望替代W-HUD。不过,现阶段,AR-HUD的大规模普及仍然面临着几大难点:

首先,道路感知、识别和环境融合的难点。AR-HUD技术需要车辆的传感器提供车前甚至车周的数据,配合GPS数据用来识别道路标识、车辆、障碍甚至是信号灯,让车辆的行驶数据能够以更醒目的方式出现在驾驶人员的视野中。这涉及到计算机视觉、人工智能、光学元器件等多个前沿领域。换句话说,能够提供优秀AR-HUD体验的车企,在自动驾驶技术上势必要有深厚的积淀,并在车辆本身的电子电气架构和软件层都有很高的水准。

其次,光学成像和投影技术仍然不够成熟。目前AR-HUD的两大主流方案TFT-LCD和DLP投影在发热量和设备体积上仍需一定的改进,才能应用于空间相对较小的中低端车型。国内初创公司一数科技采用LCOS激光投影技术研发了一套自主的AR-HUD解决方案,据称整机体积约7.5L,亮度可达8000-10000nits,以适配空间更加狭小的车型,但可能最快要到2022年下半年才能看到配套量产车型上市。

最后,较长的开发周期和成本。供应链必须较早介入新车研发阶段,参与车辆空间结构设计,同时对车辆带来的震动加以控制,避免影响成像效果,这个周期普遍要在一年半左右。不仅如此,高昂的软硬件和研发成本,最终会分摊到车辆的售价中,这就意味着要么像奔驰这样的豪华品牌可以让用户接受溢价,要么有足够的销售体量能有效分担研发成本。因此,如何进一步缩短匹配时间提高效率,并有效分担因研发成本带来的溢价,是车企和供应链共同面临的难题。

汽车配套产品供应商、全球500强企业德国大陆集团认为,AR-HUD作为自动驾驶技术的关键推动器,二者发展具备高度协同性,将在2021年崭露头角,到2030年将占据车载HUD市场的近半壁江山(包括更高级的Advanced AR-HUD),全球出货量有望达1500万台。

产业链布局:外资持续发力,本土开始崛起

如果说C-HUD代表车载HUD的过去,W-HUD象征着现在,那么AR-HUD无疑意味着未来。

“如同C-HUD只是HUD演进过程中的一个过渡产品,W-HUD虽然能展示的内容多一些,依然是一个过渡产品,未来AR-HUD才是最终的发展方向。”百度车联网事业部AR方向资深专家邓苏南指出。

整体来看,目前车载HUD市场,仍然处于基本被国外几大巨头垄断的现状,但国内HUD产业已经开始崭露头角。

根据长城证券发布的汽车科技新时代系列研究报告,2016年,五大国外巨头垄断了全球HUD市场95%的份额,分别是日本精机、德国大陆、日本电装、伟世通和德国博世。而2020年H1,国内市场前5大HUD供应商,除了日本电装、日本精机和德国大陆,还有两家国内企业——台湾怡丽和江苏泽景

▲HUD全产业链及厂商概览(2020年)

随着自主品牌汽车市场占有率的提升(尤其是新能源车),国内HUD企业有望在自主品牌汽车市场开辟一片属于自己的天地。

据统计,目前国产HUD系统的主要供应商包括:华阳集团、泽景电子、台湾怡丽、未来黑科技、水晶光电、点石创新、京龙睿信、衍视科技、一数科技、锐思华创以及疆程。其中部分企业的AR-HUD产品搭载车型有望今年年内量产上市。

但深入来看,尽管产品成型,部分核心元器件(尤其是投影单元的核心元器件)国内企业还未完全摆脱对国外的依赖。例如DLP投影成像技术所使用的核心DMD芯片,完全由美国德州仪器垄断;LCD技术主导是索尼和爱普生;LCoS芯片长期掌握在索尼和JVC手中,不过近年来国内企业加速研发,其中芯视元已经完成量产,产品指标也与国际友商同步,目前已经发布0.26”、0.39”、0.52”等多个尺寸的LCoS芯片,也将推出符合车规的LCoS芯片。

技术的发展具有惯性,当国外企业已经建立起完整的技术壁垒,中国企业在发展上面难免掣手掣脚,不仅仅VR如此,AR也是如此。AR-HUD作为一个发展周期将横亘十年以上周期的未来技术,我们不仅需要将眼光聚焦在产品上,更要思考如何在底层技术上实现自主突破,这也是每家企业应当思考的「未来生死题」。


来源:93913