風(fēng)擋上的進(jìn)階革命：AR-HUD車載息系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)探索

徐禕青

摘要：利用AR-HUD可實(shí)現(xiàn)的圖像信息與實(shí)景融合的效果進(jìn)行界面設(shè)計(jì)研究，以拓展駕駛員的環(huán)境信息感知和優(yōu)化駕駛注意力資源分配。分析AR-HUD車載交互界面的發(fā)展現(xiàn)狀，研究并綜合駕駛者注意力分配模型和用戶心智模型提出未來AR-HUD設(shè)計(jì)中的信息架構(gòu)和潛在機(jī)會(huì)點(diǎn)。AR-HUD的界面設(shè)計(jì)須尊重駕駛過程中不同級(jí)別任務(wù)對(duì)于信息的需求，并且結(jié)合視覺注意力分配的規(guī)律來合理適宜得增強(qiáng)相關(guān)信息。后續(xù)設(shè)計(jì)中考慮利用服務(wù)設(shè)計(jì)的方法基于場(chǎng)景提供增強(qiáng)的信息類型。

關(guān)鍵詞：交互設(shè)計(jì) AR-HUD 車載HMI

中圖分類號(hào)：J05文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）01-0084-04

Abstract： To study the interface design of AR-HUD based on its fusion between achievable image information and real-life， for expanding the driver's environmental information perception and optimize driving attention resource allocation. Doing research on the development status of AR-HUD interface， combining driver attention distribution model and user mental model to propose the information architecture and potential opportunities in the future AR-HUD design. The interface design of AR-HUD must respect the information needs of different levels of tasks in the driving process， and combine the mles of visual attention distribution to reasonably improve the relevant information. The use of service design approaches can be used in subsequent designs to provide enhanced information types based on scenarios. Keywords： Interaction Design AR-HUD In-vehicle HMI

引言

隨著人們出行需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)，不同的信息和服務(wù)需求也隨之而來。私家車保有量日益攀升催生了更多城市擁堵以及人們更長(zhǎng)的車內(nèi)時(shí)間;而公共交通也衍生出了更多形式的革新，例如“網(wǎng)約車”和“汽車分時(shí)租賃”。在這樣的背景下，無論從人們?nèi)粘Ｍㄇ?、走親訪友、自駕出游這些不同目的的出行行為看，抑或普通私家車車主、網(wǎng)約車車主、租車用戶等不同的駕駛?cè)巳嚎?，?zhǔn)確、安全、實(shí)時(shí)和完善的車載信息系統(tǒng)愈加不可或缺，它起到幫助用戶更好地處理駕駛過程中遇到的任務(wù)和豐富駕駛時(shí)間的作用。另一方面，伴隨消費(fèi)升級(jí)，城市居民也青睞購(gòu)置功能完備，電子化程度高和自動(dòng)化水平高的汽車都增加了整個(gè)車載人機(jī)信息系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)汽車人機(jī)界面設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

一、AR-HUD產(chǎn)生背景和技術(shù)實(shí)現(xiàn)

伴隨著GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成熟，車載GPS系統(tǒng)逐漸成為前裝標(biāo)配。目前大部分車載導(dǎo)航以及手機(jī)導(dǎo)航應(yīng)用仍然以平面二維導(dǎo)航為主，使人們需要將其中的地圖信息在使用移動(dòng)導(dǎo)航應(yīng)用時(shí)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境映射。在行車過程中駕駛員觀察導(dǎo)航界面信息、車載娛樂信息和中空面板信息等占用大量視覺資源的次任務(wù)被稱為視覺次任務(wù)（Visual Secondary task），這些視覺次任務(wù)會(huì)和駕駛主任務(wù)在視覺通道資源的使用上形成競(jìng)爭(zhēng)，易在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中產(chǎn)生疲勞從而影響駕駛安全[1]?，F(xiàn)在的車載信息服務(wù)系統(tǒng)一方面干擾著駕駛用戶必要的前方嘹望時(shí)間，另一方面是二維車載導(dǎo)航界面有很多使用體驗(yàn)上的局限性和不流暢存在。例如觸屏的交互方式和界面設(shè)計(jì)讓用戶在多岔路執(zhí)行操作和中途變更路線的時(shí)候受到了很大的困擾。GPS在高度上又有感知的缺陷，使得缺乏實(shí)景導(dǎo)航的二維導(dǎo)航很容易讓用戶在高架道路與地面道路重疊的區(qū)位“上下不分”。這讓HUD平視顯示映入人們的眼簾，它是實(shí)現(xiàn)車載二維導(dǎo)航向?qū)嵕皩?dǎo)航轉(zhuǎn)移的第一步。

HUD（Head Up Display，平視顯示器）是從戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用過渡向車載的光學(xué)投影技術(shù)，幫助飛機(jī)駕駛員減輕認(rèn)知負(fù)荷，提高飛機(jī)操控舒適度的應(yīng)用。目前運(yùn)用在HUD的主要技術(shù)包括LCD投影、DLP投影、激光掃描投影、LC0S投影等o

由于技術(shù)、成本等限制因素，傳統(tǒng)車載HUD在分辨率、視場(chǎng)角等指標(biāo)上差強(qiáng)人意，沒有廣泛應(yīng)用的前提提交。伴隨增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）日趨成熟的發(fā)展，與AR相結(jié)合的HUD技術(shù)進(jìn)入人們的視野，它具有克服現(xiàn)有車載信息人機(jī)交互需求瓶頸的潛力。一代HUD視場(chǎng)角在5度左右，投影距離約2米，顯示尺寸4-8寸，這類產(chǎn)品被比喻為諾基亞功能機(jī);二代HUD視場(chǎng)角為10度左右，投影距離為約3米，顯示尺寸15-20寸，這類產(chǎn)品被視為智能車載顯示器，把其類比為智能手機(jī);第三代HUD視場(chǎng)角大于50度，實(shí)現(xiàn)全車窗信息顯示，這類產(chǎn)品被類比為AR眼鏡。[3]

技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要依靠AR-HUD使用了增強(qiáng)投影面技術(shù)，通過數(shù)字微鏡元件生成圖像元素，成像幕通過反射鏡最終射向擋風(fēng)玻璃。增強(qiáng)過后的導(dǎo)航信息在駕駛員視野中與車道線已經(jīng)進(jìn)行了融合。

接下來以大陸集團(tuán)的AR-HUD為例簡(jiǎn)要說明其實(shí)現(xiàn)原理。它投影產(chǎn)生兩個(gè)不同距離的投影面，也被稱為狀態(tài)投影面或近投影，和增強(qiáng)投影面或遠(yuǎn)投影。近投影出現(xiàn)在駕駛者視線下前方的發(fā)動(dòng)機(jī)罩末端，能夠顯示駕駛員所選的狀態(tài)信息，如限速及即時(shí)車速和ACC當(dāng)前設(shè)置。遠(yuǎn)投影由一個(gè)薄膜晶體管顯示器產(chǎn)生，它用LED強(qiáng)背光產(chǎn)生顯示內(nèi)容。此成像單元緊湊地集成在AR-HUD模塊的上部，將虛擬的信息放大顯示（如圖1）。

接下來的光學(xué)路徑類似于傳統(tǒng)平視顯示器的光學(xué)路徑：成像幕上的圖像通過第一個(gè)反射鏡反射到第二個(gè)更大的鏡子（ARHUD鏡）上，再?gòu)哪抢锷湎驌躏L(fēng)玻璃。增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的出射面幾乎達(dá)到DINA4尺寸，相當(dāng)于直接視野內(nèi)有幾何寬度130厘米和高度63厘米的可增強(qiáng)視域。兩個(gè)投影面的成像顯示光密度可達(dá)到10000坎德拉/平方米以上，幾乎在大多強(qiáng)烈的環(huán)境光條件下都能清晰顯示。

綜上簡(jiǎn)述，大多數(shù)環(huán)境情況下，行業(yè)內(nèi)已有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平視顯示系統(tǒng)使用兩個(gè)不同投影距離的投影面能夠做到7.5m遠(yuǎn)投影在行駛道路上圖像信息，2.4m近投影顯示狀態(tài)信息[4]。

二、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與現(xiàn)有產(chǎn)品界面特征

目前的行業(yè)現(xiàn)狀更多地將研發(fā)投入放在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，包含輸出視頻流暢度、光學(xué)效果、位置追蹤和系統(tǒng)穩(wěn)定性等。AR-HUD車載信息系統(tǒng)完備得走向大范圍市場(chǎng)應(yīng)用是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有很強(qiáng)要求的場(chǎng)景。在高速運(yùn)動(dòng)的車內(nèi)空間保持虛擬物體成像清晰并正確錨定在正確的位置;提高它與整車的配合度以及準(zhǔn)確率;在投影上更好的視覺感受;這些是現(xiàn)階段提升用戶體驗(yàn)最核心的部分。另一方面目前產(chǎn)業(yè)界也更多停留在探索這個(gè)產(chǎn)品的商業(yè)模式和信息框架上，還沒有予以界面設(shè)計(jì)中的架構(gòu)和與用戶的視覺匹配給予足夠多重視和關(guān)注度。

針對(duì)界面設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的幾款前裝以及后裝HUD產(chǎn)品的功能信息元素和布局特征進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸納和分析，詳見（如表1）。

現(xiàn)在的市場(chǎng)主體包括眾多主機(jī)廠BMW，凱迪拉克等。也有很多廣受關(guān)注的后裝初創(chuàng)企業(yè)，例如NAVYD和Waymy。它們之中真正達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)車載信息界面效果的，即全天窗信息呈現(xiàn)的主要是寶馬，大陸，Wayray以及現(xiàn)代的平視顯示產(chǎn)品。大多對(duì)外展示出來的產(chǎn)品還在演示視頻階段，在此簡(jiǎn)要展示一些產(chǎn)品演示界面并加以分析（如圖2、3）。

這幾款產(chǎn)品基本上都包含了如下的信息功能：當(dāng)下車速、ACC自適應(yīng)巡航輔助、車距警告、變道提示、環(huán)境行人警告、車道偏離預(yù)警、前車預(yù)警。它們?cè)趯?dǎo)航信息的呈現(xiàn)方式上并不完全一樣。雖然界面還是用轉(zhuǎn)向箭頭的方式向駕駛者展示車輛下一個(gè)行進(jìn)軌跡變化。但是轉(zhuǎn)向或者變道箭頭會(huì)完全貼合實(shí)際的道路形狀。并且不同產(chǎn)品將這些信息的成像距離控制在視線前相同位置。而Wayray的產(chǎn)品演示中對(duì)導(dǎo)航信息的設(shè)計(jì)展示則更為創(chuàng)新和多元，摒棄了從二維導(dǎo)航界面中移植來的視線正中央虛擬箭頭，而是用虛擬元素制造的彎曲車道貼在現(xiàn)實(shí)路況上，從而模擬出駕駛員的行徑軌跡（如圖4）。這些產(chǎn)品的界面視覺元素都用了紅、黃、藍(lán)、綠這些高飽和顏色，并且符合顏色語(yǔ)義，例如紅色代表警示性符號(hào)。因?yàn)樯鲜龆酁閲?guó)外產(chǎn)品原型，交通環(huán)境信號(hào)與車載信息表達(dá)規(guī)則和我國(guó)不完全一致，在此不進(jìn)行更深入的分析。

三、AR-HUD界面信息分類及選擇

（一）AR駕駛系統(tǒng)信息界面對(duì)駕駛者視覺注意力分配的影響

關(guān)于AR-HUD車載信息系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的信息選擇和信息架構(gòu)，學(xué)術(shù)界的研究側(cè)重在AR-HUD車載信息系統(tǒng)界面與駕駛用戶信息感知和處理的匹配上。RobinEyraud等人通過不同類型信息的增強(qiáng)高亮輔助駕駛對(duì)于駕駛者的視覺注意力分配影響的實(shí)驗(yàn)研究給了設(shè)計(jì)者合理設(shè)計(jì)AR系統(tǒng)重要的參考[5]，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和結(jié)論如下：

在Mkhon的經(jīng)典駕駛模型中，駕駛?cè)蝿?wù)被分為三種級(jí)別。一是維持汽車正常行駛的操作，即一般控制任務(wù)（ControlTask）;二是為維持汽車安全行駛，并且根據(jù)交通規(guī)則和行車環(huán)境，與其他車輛或行人進(jìn)行安全交互的任務(wù)，所謂機(jī)動(dòng)控制任務(wù)（Manoeuvring Task）;三是例如路線規(guī)劃這類需要駕駛員推理和構(gòu)思的策略任務(wù)（StrategicTask）。這三級(jí)任務(wù)在駕駛過程的重要度隨依次遞增，并且交替產(chǎn)生、相互關(guān)聯(lián)、共同作用使駕駛行為處在安全、穩(wěn)定的范圍內(nèi)[6]。

實(shí)驗(yàn)用After Effects模擬增強(qiáng)了環(huán)境中針對(duì)控制任務(wù)的一般環(huán)境信息和跟技術(shù)任務(wù)相關(guān)的操作信息，并設(shè)置了對(duì)照組。試驗(yàn)結(jié)果顯示AR在駕駛決策階段更強(qiáng)烈地影響視覺注意力的分配。當(dāng)AR趨于呈現(xiàn)技術(shù)任務(wù)相關(guān)線索時(shí)，AR優(yōu)化駕駛行為。一個(gè)有效的AR系統(tǒng)應(yīng)該只提供突出的或優(yōu)先的信息，這些信息與執(zhí)行該技術(shù)任務(wù)直接相關(guān)。一個(gè)非針對(duì)技術(shù)任務(wù)的AR會(huì)降低視覺注意力的分配，反而導(dǎo)致在需要駕駛員進(jìn)行任務(wù)前的決策分心。

這個(gè)研究結(jié)果僅限于此處研究的AR模式，即突出顯示環(huán)境中已存在的圖形元素。這種類型的AR旨在增強(qiáng)現(xiàn)有信息的顯著性，而不增加新的信息。向環(huán)境中添加信息（例如車輛間距離，興趣點(diǎn)）的其他形式的AR提出了關(guān)于修改視覺注意力分配的進(jìn)一步問題。

（二）問卷支持

在這個(gè)研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，AR-HUD信息系統(tǒng)須優(yōu)先增強(qiáng)和用戶執(zhí)行技術(shù)任務(wù)和策略任務(wù)相關(guān)的信息。將汽車人機(jī)系統(tǒng)信息分類為導(dǎo)航信息，汽車狀態(tài)信息以及環(huán)境興趣點(diǎn)信息，對(duì)232名駕駛員進(jìn)行問卷調(diào)研以了解這些信息對(duì)用戶駕駛決策的重要程度。調(diào)査問卷（如圖5）所示?；厥沼行柧砬?份。結(jié)果（如表2、3、4）所示，去除平均值為負(fù)的導(dǎo)航信息和汽車狀態(tài)信息，進(jìn)入之后的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

四、AR-HUD界面設(shè)計(jì)探索

（一）結(jié)合SEEV模型和問卷結(jié)果制定信息布局根據(jù)前文提到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到在后續(xù)設(shè)計(jì)AR-HUD時(shí)需要尊重駕駛用戶在駕駛過程中的視覺規(guī)律，在恰當(dāng)時(shí)機(jī)提供必要的信息。根據(jù)SEEV模型，影響駕駛注意力的有4個(gè)影響因素：突顯性（Salience）、努力（Effort）、預(yù)期性（Expectancy）和價(jià)值（Value）。在一個(gè)情境中有效的信息設(shè)計(jì)策略必須服務(wù)于那個(gè)場(chǎng)景的特定任務(wù)。在SEEV模型中，雖然視覺注意力受到四個(gè)因素的影響，但它必須主要由自上而下的因素（預(yù)期性和價(jià)值）來指導(dǎo)，以獲得最佳效果。相反，自下而上的因素（突顯性和努力）必須最小化或使用。預(yù)期性是指一個(gè)信息元素的出現(xiàn)符合用戶心智的預(yù)期。價(jià)值是另一個(gè)自上而下的因素，是執(zhí)行任務(wù)時(shí)某個(gè)視覺元素的重要性，以及任務(wù)本身的重要性。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的AR-HUD的表現(xiàn)可以被定義為價(jià)值和突顯性之間的一致性。[7]即利用AR增強(qiáng)高重要度和任務(wù)相關(guān)性的元素，以及不違背用戶心智預(yù)期的信息元素。綜上，制定了如下的信息布局圖（如圖6）。

（二）自定義界面和自適應(yīng)性模塊

鑒于不同用戶的駕駛習(xí)慣和偏好各有差異。而汽車人機(jī)交互尤其是車載導(dǎo)航的交互過程中，用戶行為需求具有多任務(wù)并行的結(jié)構(gòu)特征。這樣的狀態(tài)下，完成各個(gè)任務(wù)需要用戶分配調(diào)動(dòng)自身的任務(wù)資源，不同任務(wù)間就存在一定資源沖突，所以AR-HUD的設(shè)計(jì)可以給用戶保留自定義的空間，來開關(guān)他們需要的信息模塊以及選擇符合他們視覺偏好的信息元素設(shè)計(jì)。界面可以有更強(qiáng)的自適應(yīng)性，即分區(qū)布局，有固定的區(qū)塊和常顯的信息，也有自適應(yīng)的模塊承載隨機(jī)信息。例如可以在沒有特殊汽車狀態(tài)信息顯示的時(shí)候切換為信息娛樂系統(tǒng)的信息。在此將之前的所有信息元素按照常顯與否以及動(dòng)態(tài)區(qū)塊分了類別（如圖7）。并將導(dǎo)航信息模塊和汽車狀態(tài)&信息模塊的設(shè)計(jì)做了一些嘗試（如圖8、9）。

（三）基于情境的服務(wù)設(shè)計(jì)

在后期AR-HUD發(fā)展成熟可以發(fā)展更多功能的時(shí)候，須考慮怎么合理進(jìn)行人機(jī)界面后續(xù)興趣點(diǎn)的信息篩選和交互設(shè)計(jì)，有必要站在基于情境的設(shè)計(jì)方法上以服務(wù)為導(dǎo)向看待設(shè)計(jì)問題。如果將AR-HUD看作向用戶提供潛在服務(wù)的接觸點(diǎn)?？梢运伎嫉姆较蛴?0BD所承載的汽車狀態(tài)信息很多，沒有必要全部展示出來。而興趣點(diǎn)的提示如果過多勢(shì)必造成駕駛用戶的煩擾，如果結(jié)合兩者為用戶提供必要的興趣點(diǎn)信息可能就是符合情境的好服務(wù)了。例如當(dāng)感知汽車油量瀕危時(shí)，AR-HUD為用戶投影出油箱告急的提示之外，也為用戶提示附近加油站的位置。同理，停車位、汽車維修廠等興趣點(diǎn)提示都可以結(jié)合汽車狀態(tài)信息而被呈現(xiàn)（如圖10）。

（四）結(jié)合語(yǔ)音交互，把握信息顯示時(shí)機(jī)

研究表明，在駕駛行為發(fā)生前2.5秒到3秒呈現(xiàn)相關(guān)信息是最好幫助用戶感知和決策的時(shí)機(jī)，后續(xù)設(shè)計(jì)中可以考慮結(jié)合車速對(duì)所投影的影響駕駛?cè)蝿?wù)信息投放時(shí)機(jī)進(jìn)行控制。

至于聲音信息，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這些元素：聲音本身、用戶聽覺感知和聲音認(rèn)知的規(guī)律，綜合以上因素制定信息內(nèi)容和信息傳達(dá)的形式;至于導(dǎo)航中的指示信息據(jù)研究表明應(yīng)以空間表征和行為指示組合的語(yǔ)言組織為主，如“前方、右轉(zhuǎn)”。指示語(yǔ)音宜建立在自然語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，另一方面盡量使用較短的詞和句減少記憶和認(rèn)知負(fù)擔(dān)。相對(duì)于視覺傳達(dá)，聲音信息的傳達(dá)力度更強(qiáng)，因此較為適合情境信息或指示信息使用[8]。

結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了AR-HUD出現(xiàn)的時(shí)代背景和技術(shù)條件，結(jié)合需求調(diào)研了當(dāng)下的行業(yè)產(chǎn)品界面設(shè)計(jì)，進(jìn)行了分析和歸納。在此基礎(chǔ)上用問卷調(diào)查的方法獲悉了用戶對(duì)不同類型信息的重視程度，結(jié)合駕駛視覺注意力分配的需求制訂了信息架構(gòu)和界面信息布局。并且針對(duì)AR-HUD的設(shè)計(jì)提出了一些不同角度的設(shè)計(jì)思考，并完成了對(duì)應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)嘗試，后續(xù)值得進(jìn)行更完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試落實(shí)。

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