基于觸覺語音反饋機制對汽車交互操控界面設計研究

劉建軍，宋明亮，孫元

（大連理工大學 建筑與藝術學院，遼寧 大連 116024）

基于觸覺語音反饋機制對汽車交互操控界面設計研究

劉建軍，宋明亮，孫元

（大連理工大學 建筑與藝術學院，遼寧 大連 116024）

隨著人工智能的到來，越來越多的行業(yè)開始涉及人工智能技術，汽車室內設計便是其中的熱門領域，未來汽車內部的用戶界面、操作系統(tǒng)等與傳統(tǒng)設計有很大的不同。文章基于人機交互背景下的觸覺語音反饋機制，通過模擬實際車輛環(huán)境中的通信場景，研究汽車觸覺語音反饋的用戶體驗以及相應的應用潛力。實驗結果表明，觸覺語音反饋可能為安全和社會交流提供支持，最終提出了內飾觸覺反饋的設計原則。

觸覺語音反饋；用戶體驗；操控界面

一、研究背景

隨著人民生活水平的不斷提高，人們越來越關注與駕駛體驗直接相關的汽車內飾。汽車的內飾和外飾不同，在內飾設計中，汽車操控界面是最核心的部件。在安全和社會交流兩項要求下，汽車內飾的創(chuàng)新設計成為汽車制造商實現產品差異化的重要手段。通常對汽車制造公司來說，60%以上的造型設計工作量用在內設系統(tǒng)上，遠超汽車外形，是車身最重要的部分之一。而操控界面作為內設的核心部位，自然是汽車設計的重中之重。在2004年，消費者把內飾作為購車首要原因的僅占4%，而到了2008年，這一比例上升到9%，而且還有不斷升高的趨勢，而且國內來說這一比例普遍比國外高，這說明國人對舒適溫馨實用的內飾設計還是很看重的。

二、相關研究與設計趨勢

（一）研究文獻

關于汽車室內交互相關研究集中在測量信息呈現模式（例如視覺、聽覺和觸覺）對主要駕駛任務或輔助交互任務的性能的影響，從而使參與者完成對交互的主觀評估。研究經常被控制在實驗室進行實驗，研究的環(huán)境關聯可以揭示用戶需求和設計要求的新見解，并對汽車中的觸覺反饋已經以多種形式進行了探索。研究表明汽車各部分的觸覺反饋，如汽車座椅，方向盤，踏板，中控臺屏幕等操控部件，可以產生有希望的效果。在車研究的觸覺反饋的類型主要是振動觸覺和力的反饋，但是關于語音反饋的研究很少。大多數車載觸覺研究集中于安全問題，如警告信號的觸覺，但也有研究把觸覺作為導航線索以及如何用環(huán)境噪聲感知振動觸覺反饋。研究考慮了汽車環(huán)境中的氣動反饋，它重點研究的是對刺激的反應時間。目前，中控區(qū)域設計普遍趨于采用大尺寸屏幕，如10.4寸豎置觸摸屏，除了幾個必要的功能采用實體按鍵外，包括空調、娛樂系統(tǒng)等功能都被集合在了中控大屏中。但對于觸摸屏的位置、大小研究相對較少，尤其是大屏幕的使用效率、用戶體驗以及心理感受等方面的定性分析較少。而未來智能汽車室內在做到安全舒適的同時，將會更加注重為車主和乘員帶來主觀感受，如舒暢的心情、輕松愉悅的交流空間。總之，車載互動和汽車用戶界面是很有前途的研究領域，本文將采用定性分析的方法，深入調查確定汽車的觸摸屏位置以及各種觸覺反饋體驗。

（二）汽車操控界面的設計趨向

圖1 畢加索作品《公?！?/p>

圖2 在LATS原型中，中控臺平板電腦觸摸屏提供振動觸覺反饋

圖3 接受調研的司機駕駛行為狀況分析

圖4 測試有效視覺范圍

汽車內飾中的操作界面主要包括方向盤、儀表盤系統(tǒng)、門內護板系統(tǒng)、聲學系統(tǒng)等類子系統(tǒng)。在智能駕駛發(fā)展的過程之中，設計師對汽車操控界面設計的思考從未停止，在既有駕駛界面形態(tài)和功能上進行不斷探索。主要有幾個發(fā)展趨勢：

1.控制界面視覺弱化：汽車科技正在使操控變得簡單。除了利用手勢識別技術，人們的更多感官也在被調用?？刂平缑娴囊曈X正在以各種手段被弱化，操縱界面的過多的視覺元素是造成無法專注駕駛的重要原因，未來，汽車在交互方式上將出現更多變化。

2.手勢控制：有不少高檔車推出了手勢交互系統(tǒng)，如寶馬7系已經能夠實現雙手協同手勢操作。駕駛者在界面輸入操作更加符合他的日常經驗：比如將手指指向虛擬按鈕，向前推進就可完成選擇和確認指令。

3.慣性操作：汽車越來越專注于以用戶為中心的設計研究。有的操控界面的設計主旨就是以“去視覺”作為引導，界面由簡單的四個旋鈕組成?？稍诓挥米⒁暤臓顟B(tài)下完成多媒體或溫度等功能的操控調節(jié)，并逐漸形成習慣性的操作。這符合人的操作習慣。所以說，屏幕化、扁平化并不是惟一的趨勢。

4.視覺追蹤：電裝公司Denso則是推出了使用視覺跟蹤技術的操控界面。同樣減弱了操控的復雜性，向眼動儀一樣，它通過攝像頭追蹤駕駛者的注視區(qū)域（導航、信息、溫度調節(jié)等），并將其需要關注的信息顯示在橫向儀表界面中。

在智能互聯大潮下，技術和設計更迭速度加快，智能化操作界面是大趨勢。這將極大程度地優(yōu)化駕駛的安全性，以往的功能實現將更加貼近人的日常習慣。

三、觸覺反饋機制分析

汽車操控界面的觸覺反饋機制，實質上是人與操控界面進行信息交換。用戶通過手指點觸摸屏進行輸入操作，操控界面系統(tǒng)對輸入信息進行處理和存儲，憑借顯示屏呈現給用戶。而信息的傳遞是借助圖形信息這個媒介，經由人的視覺感知系統(tǒng)完成對視覺信息的識別和再加工，并對信息進行分類別處理，如空間、時間、顏色、形狀等．而視覺大腦皮層對相匹配的視覺信息加工，會在人的腦海里形成短期和長期記憶，最終對人的操作形成觸覺反饋機制。上述的整個信息處理過程就是人機交互過程，它是人行為對大腦里的視覺和觸覺信息的反饋過程。（圖1）

現階段，人機界面信息交互主要是通過手指點擊觸摸屏方式進行指令輸入，這種觸覺交互在智能汽車設計中很有潛力，可將駕駛員的視覺注意力集中在交通情況上。而且這種汽車操控界面交互模式為用戶提供了幾個潛在的行為優(yōu)勢。其中之一是并行操控行為，它能使用戶通過最適合當前使用環(huán)境和任務的方式與汽車系統(tǒng)進行交互。一般認為，在駕駛員觀察某一目標物時，其注視時間受車速影響的程度很大。從人的生理角度來看，車速越快，駕駛員的視野越窄，看不清視野以外的情況，情緒和中樞神經系統(tǒng)都處于相對緊張狀態(tài)，導致駕駛員需要較長的時間去判讀目標物的信息。

因此，本文的目標是探究用戶體驗和汽車觸覺反饋機制間的操控行為潛力。這里發(fā)表的用戶研究調查了車內觸覺的用戶體驗和用戶期望。為了對這種汽車室內交互設計進行指導，本文嘗試進行了一個有固定情景的實驗，主要側重于得到參與者在汽車中使用觸覺反饋的期望和經驗，更具體地說，是涉及車內通信方面。所得到的實驗結論，可對基于觸覺反饋機制的汽車內室系統(tǒng)設計提供有益參考。

四、研究實驗

（一）實驗設備

采用榮威RX5緊湊車型，以線性觸動屏幕（LATS）為原型設備進行改裝。此設備為最常見的觸摸屏裝置，它可創(chuàng)建大多數常用觸摸屏設備所產生的振動觸覺反饋，并通過安裝在汽車中控臺上的觸摸屏進行控制。不同于使用偏心旋轉質量（ERM）振動電機的傳統(tǒng)觸覺反饋設備，LATS原型設計能使在觸摸屏本身具有較大質量的情況下，產生較高頻率反饋（圖2），同時通過內置的語音設備在發(fā)出震動后，進行語音輸出。

（二）實驗人員

研究人員首先調研了80位司機，有效問卷77份。他們的駕駛行為狀況如圖3，其中開車中出現打電話、微信語音這兩項人數占絕大多數，且77位駕駛者中絕大多數在駕車過程中存在多種通訊行為。這77位人員中自愿參加本次實驗的共15名志愿者，12名男性和3名女性，平均年齡27.3歲。測試有效視覺范圍如4所示，A、B、C分別為被試人員所認為的有效視域，D為三種結果的交集部分。34位被訪者反映屏幕過大會給駕駛員的操作帶來不便，有時手不經意碰到屏幕后總有一種怕劃傷屏幕的想法。

（三）實驗過程

研究人員對實際的使用環(huán)境（榮威RX5）進行分析，以獲得用戶對觸覺反饋更真實的反應。因安全考慮車為靜止狀態(tài)，參與者坐在司機座位上，研究員坐在前排乘客的座位上。每位被試者先梳洗觸覺設備，隨后進行車載通信場景評估。每個參與者的學習期持續(xù)約40分鐘。實驗數據以定性的形式體現。

研究情景設計：以車內通訊場景為主題，用于說明由設備展示的觸覺反饋的各種潛在交互。被試者在汽車行進中接到電話、email或其他通訊信息，需及時處理，且交通繁忙。在他身后的一輛汽車不斷靠近、催促按喇叭，此時要求被試者向后面司機發(fā)送一個消息。他用兩根手指觸摸中央控制臺，并向下滑動，接受振動觸覺的反饋。情景描述如下：

情景1 - 早上工作通勤過程中收到電子郵件。這種情景的重點在于：將最先進的技術用于車載通信中。

情景2 - 在下午交通堵塞時附近的司機。關鍵：與另一個驅動程序進行通信，同時顯示消息發(fā)送的反饋信息。播放友好的語音信息提醒司機安全距離。

情景3 - 通過淘寶接收購物清單。關鍵：時時接收到的社交媒體的信息和通知要適應駕駛環(huán)境。

實驗目的：旨在研究用戶在并行通訊交流情況下（不同交流同時發(fā)生），探索車內觸覺語音反饋系統(tǒng)為駕駛員提供的潛在行為以及怎樣的用戶體驗。

（四）實驗結果

根據上述調研我們得出結論1）參與者對車內通信場景的感知情況；2）用戶對汽車中觸覺裝置的體驗。下列三個表為觸覺語音振動反饋設備的用戶體驗：

表1 觸覺反饋的使用經驗評價

表2 觸摸屏上的語音反饋評價

表3 觸摸屏位置評價

五、討論與結論

雖然被試者對觸覺反饋的評價多樣，但大多數人還是對語音振動反饋感到熟悉、愉快且容易理解。研究主要是考慮用戶的體驗，這說明語音振動反饋比其他單一反饋類型傳達的信息要準確，不易讓人誤解，給被試者安全感。被試者可根據豐富的車內環(huán)境信息，以及振動語音反饋信息判斷指令執(zhí)行情況，從而解放更多的視覺注意力。這可能會增加安全性，為未來汽車室內界面設計提供有益的設計原則?；谶@項研究，我們建議在設計汽車中觸覺反饋的形式交互方式時，應考慮以下問題：

1．簡單。在汽車背景下，觸覺反饋應該簡單明了，避免一大串長長的說明需要解釋和集中。

2．位置。觸摸屏位置應該保持在駕駛員可方便觸及的位置。觸覺反饋可以針對潛意識層面的行為進行設計，主要讓駕駛員在下意識情況下就能讀取部分信息。另外如果出車禍，大屏幕的屏幕碎片也會給駕駛員帶來不可預測的傷害，所以屏幕不是越大越好。

3．適當使用觸覺+語音。用戶可能會過度地使用觸覺刺激或者過度的聲音干擾，給駕駛帶來不便。觸覺語音反饋只能用于特定和不頻繁的動作。

專門用于車載通信的目的時，觸覺語音反饋具有很大的潛力，可以通知駕駛員有關進入信息的優(yōu)先級。他們可以進一步支持微妙的溝通任務，結合簡單的按鍵或駕駛員的聲音。但實驗中汽車未行駛的事實可能影響了一些被試者的感知，下一步將考慮實際駕駛條件下的用戶研究。

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Research of Vehicle Interactive Interface Based on Perception and Tactile Speech Feedback Technology

LIU Jian-jun, SONG Ming-liang, SUN Yuan
（School of Architecture amp; Fine Arts, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China）

With the advent of artificial intelligence, more and more industries begin to involve artificial intelligence technology.Driverless car is one of the hot areas, and the user interface and operating system of unmanned vehicles are compared very different with traditional car. This paper studies the user experience of automotive tactile speech feedback, based on the haptic feedback mechanism in human-computer interaction. Experimental results show that tactile speech feedback may provide support for security and social communication. Finally, the design principle of interior tactile feedback is put forward.

tactile speech feedback; user experience; manipulation interface

檢索:www.artdesign.org.cn

TP18;U461.99

A

1008-2832（2017）10-0112-03

Internet :www.artdesign.org.cn

2014年教育部人文社科一般項目“基于可供性理論的北方養(yǎng)老建筑無障礙設計方法研究”（項目批準號：14YJCZH096）；2015年中央高?；究蒲袠I(yè)務費人文社科科研專題“遼寧新型城鎮(zhèn)社區(qū)智能養(yǎng)老建筑空間的設計研究”（項目批準號: 851028）