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你可能對汽車擋風玻璃像屏幕一樣顯示地圖和路徑規(guī)劃的場景驚嘆不已。借助AR-HUD(增強現(xiàn)實抬頭顯示)技術(shù)，電影里的酷炫橋段已經(jīng)走進現(xiàn)實，擋風玻璃和車窗正在向智能屏幕演變。AR-HUD距離大規(guī)模量產(chǎn)還有多遠?又將為自動駕駛帶來哪些改變? 

近日，在百度世界大會上，首次發(fā)布了基于AR-HUD的智能駕駛解決方案，貼合路面的導航指示標，無論轉(zhuǎn)彎、并道都有著精確的圖標指引。

基于增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的HUD，結(jié)合車道級定位、ADAS警示信息，正在成為汽車輔助駕駛的重要部分。

這是Apollo小度車載OS 2.0在原有的流媒體智能后視鏡組件、液晶儀表盤組件、大屏智能車機組件和小度車載機器人組件4個組件基礎(chǔ)上新增的智能擋風玻璃(AR-HUD)組件。

小度車載OS搭載的AR-HUD依托百度高精度定位、地圖信息、大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)、以及百度地圖超過5億的用戶出行大數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準的導航定位。

目前，全球主要汽車零部件制造商都在加大AR-HUD的技術(shù)投入和商業(yè)化產(chǎn)品落地，過去包括大陸集團、哈曼、LG、松下、偉世通和Wayray等都在這項技術(shù)上展示過自己的產(chǎn)品。百度演示的AR-HUD技術(shù)正是來自于一家國產(chǎn)AR-HUD廠商——疆程。

由于增強現(xiàn)實抬頭顯示器（AR-HUD）通過內(nèi)部特殊設(shè)計的光學系統(tǒng)將圖像信息精確地結(jié)合于實際交通路況中，從而擴展增強了駕駛者對于實際駕駛環(huán)境的感知。

結(jié)合目前ADAS及自動駕駛技術(shù)在量產(chǎn)車上的快速滲透，AR-HUD技術(shù)在L3級及以下自動駕駛階段，能夠強化駕駛安全性，增強人機交互的體驗。

此前，前裝W-HUD需要在汽車出廠前在擋風玻璃中間加入一塊有特殊材質(zhì)的楔形膜，安裝成本很高，此外在重影、顯像尺寸以及視覺距離等方面，還存在不少問題。

AR HUD相比常見的C、W型HUD，則有著顯示清晰、科技感強、同車融合度高的優(yōu)勢。

在功能上，AR-HUD主要集成了AR、導航、ADAS、儀表信息于一體，具體包括車速、檔位、剩余電量、導航信息、車道偏離預警、障礙物碰撞預警等信息。

與百度合作的疆程，是一家專門從事汽車抬頭顯示設(shè)備設(shè)計、研發(fā)的企業(yè)， 匯集了光學、結(jié)構(gòu)、硬件、軟件等各個領(lǐng)域的資深人士。目前在AR-HUD的研發(fā)上面較為順利，預計在2020年實現(xiàn)AR-HUD的量產(chǎn)。

顯示系統(tǒng)對駕駛員看到的現(xiàn)實交通情況予以展延(增強)：光學投影裝置精確地將包含了交通狀況信息的圖形圖像投放成外部顯示。這樣，AR-HUD就可以顯著增強車輛的人機界面(HMI)了。

AR-HUD的光學系統(tǒng)使司機能看到駕駛員輔助系統(tǒng)狀況的增強顯示、以及在其直接視域場這些信息的權(quán)重。作為人機界面的新部件，眼下的這款預生產(chǎn)的AR-HUD已經(jīng)與駕駛員輔助系統(tǒng)環(huán)境傳感器、以及GPS數(shù)據(jù)、地圖素材和車輛動態(tài)數(shù)據(jù)等緊密整合。

雷達傳感器集成在前保險杠，一個CMOS單通道攝像頭(mono-camera)集成在后視鏡底座。所選的相關(guān)先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)支持自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC）、來自導航系統(tǒng)的道路信息、以及車道偏離警告(LDW)等最初的這些AR-HUD應用。

如果其中一個駕駛員輔助系統(tǒng)檢測到一種相關(guān)情況，AR-HUD顯示的虛擬圖形信息，能使駕駛員意識到這一情況。除了直接強化了駕駛安全，這種形式的交互也是自動駕駛的一項關(guān)鍵技術(shù)。該增強技術(shù)使得駕駛員更容易建立起對新的駕駛功能的信任。

在AR-HUD中，可產(chǎn)生基于不同投影距離的兩個投影面，分別稱為"近端"(或"狀態(tài)")面和"遠端"(或"增強")面。"近端"狀態(tài)面投射顯示在司機前方發(fā)動機罩的前部位置，它向司機有選擇地顯示狀態(tài)信息，例如：當前車速、需遵守的諸如禁止超車區(qū)等距離限制和限速、或自適應巡航控制系統(tǒng)(ACC)的當前設(shè)置等信息。司機只需降低約6°視角，就可看到這些信息。狀態(tài)信息的視場大小為5°×1°(相當于210mm×42mm)，投影距離為2.4m。

其相當于"傳統(tǒng)"平視顯示器的虛擬圖像，基于反射鏡光學和圖像生成單元(PGU)。PGU由薄膜晶體管(TFT)顯示器構(gòu)成，其內(nèi)容使用LED背光。PGU采用緊湊設(shè)計被集成進AR-HUD模塊的上部。鏡頭光學對顯示內(nèi)容進行放大以實現(xiàn)虛擬呈現(xiàn)，它是由曲面鏡實現(xiàn)的。大陸集團在AR-HUD內(nèi)采用精心打造的光學設(shè)計實現(xiàn)由不同投影距離生成的兩個畫面。在此，這兩個光路在內(nèi)部稍微重疊。近端面光路只使用大的AR-HUD鏡(大的非球面鏡)的上部邊緣區(qū)，沒有另外的"折疊鏡"。AR-HUD系統(tǒng)的這一部分類似于大陸集團集成在現(xiàn)產(chǎn)汽車的第二代HUD所用的先進技術(shù)。

而增強面自然在AR-HUD內(nèi)扮演著主角。它將增強了的顯示符號直接投射在駕駛員前方7.5米處的道路上，內(nèi)容會基于當前的交通狀況進行調(diào)適。該遠端面顯示的內(nèi)容是由大陸集團首次在IAA 2013展出的一款新的圖像生成單元生成的。圖形元素是由數(shù)字微鏡器件(DMD)以與數(shù)字電影放映機相同的方式生成的。PGU的核心是由幾十萬微鏡矩陣構(gòu)成的光學半導體結(jié)構(gòu)，每一微鏡都可單獨由靜電場偏置。

該微鏡矩陣由三色LED(紅、綠、藍)按時間順序快速、連續(xù)、交替點亮。通過帶濾色功能("分色鏡")的偏置鏡，產(chǎn)生平行方向的三色光視覺瞄準(collimation)。根據(jù)顏色的不同，這些特殊的微鏡或允許光線通過或反射光線。處理這三種顏色的所有微鏡被當前點亮的顏色所同步偏置，所以它們通過鏡頭反射了入射光，并在光路后面的聚焦屏上將這種顏色呈現(xiàn)為獨立象素。對所有三種顏色來說，這是同時發(fā)生的。人眼在聚焦屏幕上對這三種彩色畫面進行"調(diào)和"，并得到全彩畫面的主觀視覺。

從聚焦屏的前面看下去，其后的光路相應于一款常規(guī)抬頭顯示器，其中：經(jīng)由聚焦屏、使用第一個鏡頭(折疊鏡)將圖像反射到第二個更大的鏡頭(AR-HUD鏡)的。再經(jīng)由AR-HUD鏡，圖像被反射到前方屏幕。用于該增強功能的光學系統(tǒng)的射光面約為一張A4紙大小；也即，在增強級，視域相當于10°×4.8°，換算成可直接觀看的增強視域約為：130cm(寬)×63cm(高)。司機只需稍微將其視線下調(diào)2.4°，就可看到該顯示面信息。近端和遠端這兩種圖像產(chǎn)生單元可根據(jù)環(huán)境光亮度產(chǎn)生不同亮度的顯示，亮度可達超過10,000坎德拉/平米。因此，幾乎在所有環(huán)境光條件下，都可容易地看清顯示信息。

在測試車輛上的AR-HUD所采用的、在不同投影距離生成兩個畫面的系統(tǒng)方法具有顯著優(yōu)勢。在大多數(shù)交通條件下，可同時在遠端和近端面呈現(xiàn)內(nèi)容。這就允許將所有相關(guān)的駕駛和狀態(tài)信息顯示在司機可直接觀看的視域。

眾多的模擬和真人測試(subject tests)表明：當對從車前約18到20米開始、并接續(xù)到大約100m的這段道路實現(xiàn)增強時，駕駛員感覺最爽，當然這還與路況相關(guān)。AR-Creator控制單元必須評估若干傳感器數(shù)據(jù)流以將圖形元素投放在聚焦屏的確切位置，再經(jīng)由聚焦屏，這些圖形被精確地反射進司機的AR-HUD視域。這需要大量運算。

AR-Creator將三個來源的數(shù)據(jù)進行融合。單通道攝像頭提供道路布局的幾何形狀。還將"羊角曲線(Euler spirals)"或車輛前方車道曲率如何變化的數(shù)學描述考慮在內(nèi)?；诶走_傳感器數(shù)據(jù)和對相機數(shù)據(jù)的解釋這兩個因素綜合判斷車輛前方可檢測目標的大小、位置和距離。最后， 在地圖框架內(nèi)讀取感知的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。 在AR-HUD上顯示的多種(即來自車到車、交通控制中心等的)數(shù)據(jù)源。整合了車輛動態(tài)信息、攝像頭和GPS數(shù)據(jù)后，可在數(shù)字地圖上顯示車輛的位置。

AR-Creator還利用合并的數(shù)據(jù)來計算：從駕駛員的位置，觀察前面道路的幾何布局會是怎樣一種情況。因為已知駕駛者的眼位置，所以這是可能的。在開始駕車前，駕駛員要在演示車輛設(shè)置"眼睛盒(eye box)"的正確位置。該過程可由批量生產(chǎn)(series production)的內(nèi)部相機自動完成。該攝像頭可檢測駕駛員眼睛的位置，并可以跟蹤眼睛盒的位置。術(shù)語"眼睛盒"表示一種矩形區(qū)域，其高度和寬度相當于理論上的"視窗"。當通過該視窗查看道路時，駕駛員只會看到完整的AR-HUD畫面。車內(nèi)乘客看不到HUD和AR-HUD顯示的內(nèi)容。

基于可調(diào)節(jié)眼鏡盒的位置，AR-生成器"知道"駕駛員的眼睛所在，以及駕駛員在從哪個角度查看道路和周圍環(huán)境。如果輔助系統(tǒng)報告一個相關(guān)觀察，相應的虛擬信息就會出現(xiàn)在AR-HUD的正確點上。

1、首先是虛擬內(nèi)容和實際行車環(huán)境的自然疊加。

在AR-HUD興起之前，已經(jīng)有汽車廠商將投影設(shè)備與行車電腦相連，實現(xiàn)導航信息的抬頭顯示。與普通HUD只需要解決擋風玻璃弧度引起的圖像畸變相比，AR-HUD必需和物理世界無縫融合。例如，當車輛與前車距離過近，傳統(tǒng)HUD會發(fā)出警告信息，AR-HUD會將前車車位標紅并顯示規(guī)避路線;當車輛需要轉(zhuǎn)到高速出口時，AR-HUD會在轉(zhuǎn)彎啟動和到達的位置標出路徑箭頭，讓駕駛員可以“不假思索”地執(zhí)行，提升決策效率。

隨著算法和汽車傳感器精度的增加，未來的AR-HUD不會讓駕駛員感到信息疊加在玻璃上，而是疊加在現(xiàn)實世界中。

2、其次是交互問題。

在《碟中諜4》中，特工通過觸控擋風玻璃調(diào)出地圖。但是在現(xiàn)實世界中，觸控或手勢交互容易對行車安全造成影響。目前較為成熟的方案是語音交互，但語音交互會打擾同車乘客。將語音、觸控、手勢識別集成到一個平臺上，在車內(nèi)只有駕駛員時切換到語音交互，在車內(nèi)有其他乘客輔助時切換其他交互方式。隨著腦波、腦機VR/AR概念的興起，未來通過腦電波控制AR-HUD或許會成為終極交互方案。

3、是顯示，也就是UI設(shè)計和用戶體驗。

行車過程中，顯示信息過于復雜會對駕駛員造成干擾，信息太簡單會降低準確性，需要在UI設(shè)計上做出取舍。此外，信息如何隨玻璃的明暗變化實時調(diào)整顏色和亮度，也需要傳感器和算法的輔助。

除了擋風玻璃，部分廠商也將目光投向其他車窗。例如，通用汽車推出的AR原型車窗，通過觸覺反饋系統(tǒng)創(chuàng)建外部事物的觸覺描述，支持乘客在玻璃上為外部風景添加想要的元素。梅賽德斯也推出過顯示AR畫面的虛擬車窗概念車。借助AR技術(shù)，未來汽車的前后擋風玻璃和車門玻璃都可以成為屏幕，構(gòu)建真正的智能駕駛空間。