增強現(xiàn)實技術在汽車內(nèi)飾中的應用研究

黃博淵

摘要：

本文通過對增強現(xiàn)實技術的解讀，結(jié)合國內(nèi)外前沿技術發(fā)展動態(tài)，對其在汽車內(nèi)飾設計中的應用方式進行初步研究，著重介紹汽車內(nèi)飾中使用增強現(xiàn)實技術的目的，以及具體的搭建方式，從而為后續(xù)研究提供參考依據(jù)。

關鍵詞：

增強現(xiàn)實 交互駕駛 HUD 汽車內(nèi)飾

一、增強現(xiàn)實技術背景

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality Technique，簡稱AR），是在虛擬現(xiàn)實基礎上發(fā)展起來的新技術，通過計算機系統(tǒng)提供的信息增加用戶對現(xiàn)實世界感知的技術，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的增強。這是一種結(jié)合虛擬化技術再來觀察世界的方式。簡單來說，就是將計算機生成的二維或三維信息覆蓋在現(xiàn)實世界之上，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的補充。

增強現(xiàn)實技術并不高深，比如3D全息投影技術就是增強現(xiàn)實的一種。日本的創(chuàng)意應用I-Butterfly、寶馬旗下mini品牌的GETAWAY-STOCKHOLM，這兩個營銷行業(yè)經(jīng)典的案例也都是利用基于增強現(xiàn)實技術的APP應用。2014年6月清華美院研究生畢業(yè)展上的交通工具設計專業(yè)的畢業(yè)作品也全部應用了此技術（如圖1）實現(xiàn)了虛擬的全尺寸實時互動展示。

增強現(xiàn)實人機交互不僅僅停留在電影《007》詹姆斯·邦德的駕駛的寶馬概念車中。擋風玻璃，正在以一種比車載顯示屏更炫更酷的尺寸發(fā)展，在行進過程中充當手機屏幕的延伸——全屏映射、多點觸摸、支持視頻通話，在玻璃上比畫幾下就能導航、顯示路況、查詢天氣和附近美食、閱讀電子書、回復郵件等。

汽車互聯(lián)，整個城市會有一個互動主管，而自動交通指揮的概念也不再是紅燈停綠燈行。我們甚至不再需要交通信號燈。所有交通工具的速度、方向，將由計算中心決定完成，交通將成為一個持續(xù)不斷的流概念，它流動的速率足以使一個正常的人類司機無法操作。

在汽車剛剛誕生的時代，汽車幾乎沒有什么儀表：速度、油位、油壓，發(fā)動機溫度，或者發(fā)動機轉(zhuǎn)速。我們現(xiàn)在在電子時代，需要越來越多的數(shù)據(jù)來協(xié)助我們：衛(wèi)星導航方向；警告司機超速、一個特定的安全帶沒有扣或一個特定的門沒有完全關閉，通知關于燃油經(jīng)濟性；傳入的電話警告；輪胎壓力信息；和電子控制加熱、冷卻和車內(nèi)Wi-Fi等。

因為司機不相信使用HuD就可以不用看其他儀表，這樣就還會有不看路況的時刻，為了改善安全狀況，汽車制造商還必須意識到要覆蓋足夠多的數(shù)據(jù)在車載顯示系統(tǒng)中。早在2003年，德國大陸集團就首次批量生產(chǎn)了汽車彩色HuD。憑借如今已達到批量生產(chǎn)水平的HUD，大陸已掌握先進的人體工程學顯示技術。作為信息過濾器，HuD將精選的、與駕駛直接相關的信息全彩投映到擋風玻璃上，駕駛員從而可以舒適獲取信息，眼睛不必離開路面。HUD作為人機界面的一部分為無事故駕駛做出貢獻。

二、國內(nèi)外研究動態(tài)

2.1虛擬透明現(xiàn)實系統(tǒng)原型——捷豹路虎公司

捷豹路虎新技術360虛擬城市風擋。利用增強現(xiàn)實技術，讓A柱處于透明狀態(tài)，從而極大減少司機的視野盲區(qū)。簡單來說，捷豹路虎借助了汽車外部攝像頭來捕獲實時視頻流，并將視頻信息通過嵌入在A柱中的顯示屏呈現(xiàn)給用戶。如此一來，司機便能看到原本由汽車A柱造成的視野盲區(qū)。捷豹路虎表示，這項技術能讓司機看清汽車周圍路人、騎行者、其他汽車。基于相同的原理，不僅A柱，B柱、C柱一樣可以變?yōu)橥该鳡顟B(tài)。不過捷豹路虎并未透露360虛擬城市風擋技術何時應用于量產(chǎn)車。

捷豹路虎2014年初展示的Transparent Bonnet（透明罩）系統(tǒng)與360虛擬城市風擋效用相似。前者借助攝像頭和投影儀，可以將車頭遮擋的區(qū)域通過HuD投射到擋風玻璃的下部。也就是說從視覺上，仿佛車頭變成了透明的。這樣便能看到車頭下方的障礙物和地形，同時還能看清車輛前輪的具體位置。這兩項指標對車輛的越野體驗幫助極大。

2.2透明風擋玻璃顯示系統(tǒng)——通用公司

早在2010年，通用汽車就聯(lián)合美國兩所大學開發(fā)了增強視覺系統(tǒng)G.M.Tinkers，幫助駕駛者應對困難的駕駛情況。通過在車內(nèi)安裝傳感器及攝像頭，G.M.Tinkers可以監(jiān)視司機的眼球和頭部運動，并在前擋風玻璃上及時顯示相關路況信息，提醒司機避免可能的危險。該系統(tǒng)還可以監(jiān)控街上玩耍的兒童，過馬路的動物，以及各種盲點。顯示路面邊界提示盲點。

開發(fā)該系統(tǒng)的目的就是幫助駕駛者應對各種困難的駕駛情況，比如大霧或者夜間行駛時，還可以標注道路邊緣，避免事故發(fā)生。在過去的三年中，G.M.Tinkers并沒有太大動靜，而根據(jù)相關研究人員的說法，這一系統(tǒng)投入市場最早要到2016-2018年，通用旗下的各款車型都將配備G.M.Tinkers系統(tǒng)，不過按照目前技術的發(fā)展速度來看，僅僅提供上述應用體驗似乎不夠吸引人啊。而且在中國的路面上，這個系統(tǒng)似乎不太實用，面對亂竄的行人，每一個都彈出提示，那擋風玻璃還不跟彈幕一樣，讓司機眼花繚亂，精神崩潰。

2.3透明汽車玻璃顯示器——豐田公司

豐田汽車對增強現(xiàn)實技術的研究更為極致，而且他們的研究，更讓人心動。豐田哥本哈根交互設計研究院開發(fā)了一種交互式汽車玻璃，它看上去是普通玻璃，但實際上是一個透明觸摸屏。它可以記錄一路經(jīng)過的風景，乘客還可以用手指縮放觀看。在夜間，這種車玻璃還可以定位天上的星星，顯示星座等天文知識。搭配超大全景天窗，到郊區(qū)看看星星什么的簡直太精彩了。

2.4全息影像技術透明內(nèi)飾——日本慶應大學

日本慶應大學的師生利用全息影像技術，車外攝像頭外設的景象被投射在汽車前座中間的反射屏上。當司機向后方看時，感官上，汽車后座變成了透明的，座椅和座椅下方遮擋的圖像都無比真實的展現(xiàn)出來。慶應大學教授們的目標不僅僅是讓后座透明，他們希望將整個汽車都透明化，為司機提供360°全方位視野，預計在未來的五年內(nèi)完成這項技術。

三、汽車內(nèi)飾應用增強現(xiàn)實技術的目的

大數(shù)據(jù)開始成為傳統(tǒng)工業(yè)、制造巨頭的熱詞。它們開頭高談闊論大數(shù)據(jù)提供的各種可能性、試圖向消費者及合作伙伴描述大數(shù)據(jù)下呈現(xiàn)的未來各類場景。其背后是畫大餅的營銷噱頭也好，潛心打造生態(tài)系統(tǒng)也罷，無可厚非；另—方面，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)正在為工業(yè)巨頭的變革提供前所未有的動力，這一點，應該沒有人會質(zhì)疑。

已然有大數(shù)據(jù)武裝下的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)闖入汽車領域分羹。眾所周知，Google在無人駕駛汽車領域獨領風騷，正是基于大數(shù)據(jù)的采集與分析，這也是Google所擅長之處。眾車企欲開發(fā)無人駕駛技術，繞不開與Google的合作。這不禁令人聯(lián)想到智能手機時代互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)反撲下昔日風光的終端廠商逐步淪為代工的命運。

不甘心受到牽制的傳統(tǒng)汽車行業(yè)，通用、福特、豐田、大眾等各大品牌汽車制造商正在馬不停蹄的加大對無人駕駛汽車的研發(fā)與測試力度，包括相關數(shù)據(jù)的采集、分析。福特、通用更是以結(jié)盟、贊助編程馬拉松等形式，頻繁拉攏APP開發(fā)者，令其開發(fā)適配性車載應用。在不久的將來，“開放平臺”這個詞兒或許并非互聯(lián)網(wǎng)領域BAT的專利。

對于未來的城市交通，增強現(xiàn)實技術可以在以下幾個重點方向得到拓展應用：

無人駕駛將釋放駕駛者的雙手。

呆在駕駛倉中的人們將享受與家中相同的娛樂休閑體驗，車載應用盡在云端。

未來的城市交通，將是人與車、車與路、路與環(huán)境和用戶體驗的系統(tǒng)工程。

最大的挑戰(zhàn)是車聯(lián)網(wǎng)的安全。

假設前三點實現(xiàn)商用的話，這將意味著汽車駕駛艙內(nèi)發(fā)生了巨大的變革：遍布傳感器和嵌入式CPU的車身，攝像頭與GPS對接，實時捕捉車內(nèi)信息及車輛之間的信息，生成海量數(shù)據(jù)，源源不斷地傳輸至智能交道網(wǎng)絡，從而對整個交通流進行低能耗、高效率的調(diào)度；另一方面，數(shù)據(jù)傳輸至汽車生產(chǎn)商總部，制造者通過對大數(shù)據(jù)的收集、分析及決策，制造出更聰明的汽車，為消費者創(chuàng)造更安全、更舒適的駕駛體驗。

四、汽車內(nèi)飾應用增強現(xiàn)實技術的分類

4.1增強現(xiàn)實信息顯示

當然在霧霾遍布的年代，輔以車載雷達和紅外感應技術，在屏幕上全方位顯示車外信息也是完全有必要實現(xiàn)的，這樣的話在大霧和暴雨天氣的出行也就能增加不少安全系數(shù)了。當我們實現(xiàn)了這些功能后，我們就可以在擋風玻璃上顯示道路信息了。比如在沒有路燈的夜路上，可以將路面邊界投射在屏幕上，以免駕駛員不小心開下路基的情況發(fā)生。相信這項技術的實現(xiàn)可以讓常年奔波于危險路段的駕駛員們感受到一些安全感。

4.2增強現(xiàn)實輔助駕駛系統(tǒng)

在真實外景的基礎上投射導航指示。駕駛員從而知道，他必須在哪里拐彎，而不必在導航畫面和真實世界之間來回轉(zhuǎn)換，能夠使汽車的人機交互系統(tǒng)的溝通質(zhì)量產(chǎn)生決定性的變化，與駕駛有關的重要信息會出現(xiàn)在駕駛員憑直覺第一眼看到的地方，與行駛方向相同，與現(xiàn)實路況相結(jié)合，這樣不僅使信息會更好地被接受，更在極大程度上提高了交通安全。

可顯示虛擬圖像的擋風玻璃，除了提供一般的道路信息，還能夠通過增強現(xiàn)實的方式與現(xiàn)實道路指示線進行圖像疊加，高亮顯示正確的行駛路線、剎車位置、路線規(guī)劃以及自己曾經(jīng)在相同道路行駛過的“鬼影車”，為駕駛者提供更豐富的信息并對現(xiàn)有的駕駛體驗進行提升，帶來游戲一般的體驗。

4.3增強現(xiàn)實體感交互系統(tǒng)

智能汽車，不但能夠與駕駛者進行交流，還能夠與周邊環(huán)境互動，甚至是維護社交關系。集合眾多功能，包括導航、音樂、社交等幾大類別。實現(xiàn)無人駕駛后此功能才能真正發(fā)揮作用。駕駛員需要揮著手來操控車載系統(tǒng)，希望未來能夠通過手勢來控制車內(nèi)的天窗、遮陽簾和雨刷等附屬駕駛系統(tǒng)，駕駛員也就完全沒功夫去管駕駛汽車了。（圖2）

五、增強現(xiàn)實圖像現(xiàn)實系統(tǒng)的搭建

AR-HUD中的主角當然是增強投影面。它的投影距離在駕駛員前方7.5米，可將增強的顯示符號直接投射在道路上，與當前交通狀況相融合。從成像屏幕正面看，接下來的光學路徑類似于傳統(tǒng)的抬頭顯示器的光學路徑：成像幕上的圖像通過第一個鏡子（反射鏡）反射到第二個更大的鏡子（AR-HUD鏡）上，從那里反射向擋風玻璃。增強光學系統(tǒng)的出射面積幾乎達到A4尺寸。由此形成視域尺寸為10度×4.8度的增強投影面，相當于直接視野內(nèi)有幾何寬度130厘米和高度63厘米的可增強視域。如要讀取這個遠投影面中的信息，駕駛員的視野可稍稍下調(diào)2.4度。（如圖3）兩個投影面（行駛狀態(tài)和增強投影面）的成像單元能夠配合環(huán)境亮度調(diào)整顯示亮度，光密度可達到10000cd/平方米以上。因此，幾乎在任何強烈的環(huán)境光條件下都能清晰顯示。

除去汽車增強現(xiàn)實硬件方面最難的顯示部分，剩下的就是通過車內(nèi)的傳感器及攝像頭監(jiān)視司機的眼球和頭部位置，然后在擋風玻璃上顯示對應的信息。對于交互這一塊，其實像多數(shù)觸摸屏幕那樣接觸式設計交互，用手去觸摸屏幕絕對不是一個最好的選擇。

先不用考慮將擋風玻璃弄得像手機一樣滿屏的手印會影響到駕駛得視線，光是乘客在系著安全帶的時候想伸手觸摸風擋玻璃屏幕就是一件非常痛苦的事情，再加上屏幕的傾斜角度，這種交互絕對是非常糟糕的，而且還容易影響駕駛員增加交通事故的發(fā)生概率。所以，在這里使用體感技術會是一個更加合理的實現(xiàn)方案，就像微軟的家用游戲機Xbox一樣，在未來的汽車里面實現(xiàn)這個功能后的駕駛員乘客的體驗一定會變得非常的人性化。