增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陳熠璇 徐娟芳

摘要：研究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用現(xiàn)狀。文章通過對(duì)國內(nèi)外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的解讀，初步研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分類，以及設(shè)計(jì)難點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)用案例進(jìn)行了具體分析。最終歸納出設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)需注意的要素，為后續(xù)設(shè)計(jì)研究者提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)裝配AR-HUD人機(jī)交互空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U462

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（ 2021） 08-0082-04

Abstract ： To study the theoretical basis and application status of augmented realitytechnology in the field of automobile design. By interpreting the practical applicationof augmented reality technology at home and abroad， this paper preliminarily studiesthe application classification and design difficulties of augmented reality technologyin automobile design， and makes a concrete analysis of application cases.Flnany，it summarizes the elements that need to be paid attention to in the design andimplementation， and provides some reference for the follow-up researchers.

Keywords： Augmented reality Augmented reality assembly AR-HUD HCI Spaceaugmented reality Automobile design

引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality）最早在1990年被提出，步入2000年后在企業(yè)和學(xué)術(shù)界引起熱議。AR技術(shù)指的是，利用物體檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)、運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)以及自然人機(jī)交互（Nature UserInterface），將物理現(xiàn)實(shí)世界中的環(huán)境元素與增強(qiáng)計(jì)算機(jī)生成的圖像融合在一起，從而使真實(shí)世界的信息擁有了可交互和數(shù)字化的特性。與完全沉浸在數(shù)字空間里的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）不同，AR只是將符號(hào)，場景和物體等數(shù)字信息融入現(xiàn)實(shí)空間，因此具有更強(qiáng)的可操作性和更廣泛的應(yīng)用場景。AR技術(shù)自出現(xiàn)以來一直存在特制設(shè)備以及價(jià)格的壁壘，并且沒有一套權(quán)威可參考的交互規(guī)范，因此沒有得到普遍應(yīng)用，今年隨著5G技術(shù)的到來，實(shí)現(xiàn)了更快的傳輸速度運(yùn)算速度以及更低的時(shí)延，可以預(yù)見無處不在的AR交互將逐漸由暢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，更多消費(fèi)級(jí)別的設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)在我們的日常生活中，作用于醫(yī)學(xué)可視化、娛樂、教育、智慧物流、維護(hù)和維修等等領(lǐng)域。

由于AR技術(shù)具有真實(shí)性和交互性，適用于產(chǎn)品生產(chǎn)流程中的一系列問題，因此AR技術(shù)也逐漸引起汽車設(shè)計(jì)制造人員和企業(yè)的重視，在進(jìn)行方案規(guī)劃、工程裝配、評(píng)估人因功效，或?qū)θ藛T進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，AR技術(shù)都有助于提高效率和正確率。但目前還沒有文章對(duì)AR在整車設(shè)計(jì)流程中的應(yīng)用進(jìn)行全面的整理，因此本文對(duì)1990年至2020年發(fā)表的AR在汽車設(shè)計(jì)裝配流程和汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納，并分析后續(xù)的研究趨勢(shì)。

一、AR系統(tǒng)組成

（一）AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.基于顯示器的Monitor-based系統(tǒng)。此系統(tǒng)是以顯示器為載體的AR系統(tǒng)，在系統(tǒng)中攝像機(jī)采集真實(shí)環(huán)境中的圖像視頻信息，并將方位信息輸入圖形系統(tǒng)進(jìn)行解析，計(jì)算機(jī)處理環(huán)境信息和數(shù)字信息，合成虛擬影像輸出到顯示器，虛實(shí)混合場景通過屏幕進(jìn)入人眼。它是一套最易實(shí)現(xiàn)的AR方案，因此廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。

2.基于視頻合成技術(shù)的Video see-through系統(tǒng)。頭戴顯示器（Head-mounted displays-HMD）根據(jù)不同的顯示原理可分成基于視頻合成技術(shù)的穿透式頭顯（video see-through HMD）以及基于光學(xué)原理的穿透式頭顯（optical see-through HMD）。Video see-through系統(tǒng)由一個(gè)封閉式頭戴顯示載體和一個(gè)或兩個(gè)攝像頭共同組成，攝像頭采集到的視頻圖像與計(jì)算機(jī)生成的圖像合成后在頭戴顯示器上，進(jìn)入人眼。

3.基于光學(xué)原理的Optical see-through系統(tǒng)。在上述的兩個(gè)AR系統(tǒng)中，信息要經(jīng)過兩個(gè)通道：攝像機(jī)采集物理環(huán)境信息、計(jì)算機(jī)編碼虛擬信息。而在optical see-through系統(tǒng)中虛擬圖像由設(shè)備反饋到真實(shí)世界中與真實(shí)世界中的信息進(jìn)行合成，經(jīng)光學(xué)透鏡減光處理后直接進(jìn)入人眼，三種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。

（二）汽車設(shè)計(jì)中的AR硬件

計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）性能提升、傳感器微型化以及通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展等多領(lǐng)域的條件驅(qū)動(dòng)了AR硬件的技術(shù)進(jìn)步，目前在汽車中的應(yīng)用到的硬件主要有：

1.移動(dòng)手持設(shè)備。智能手機(jī)和平板電腦是移動(dòng)手持設(shè)備的代表，這些智能終端擁有高移動(dòng)性、可消費(fèi)性以及陀螺儀、GPS等功能，對(duì)AR技術(shù)的普及和推廣起了重要作用，借助移動(dòng)設(shè)備體積和重量的天然優(yōu)勢(shì)，AR技術(shù)得以在各領(lǐng)域得到應(yīng)用。在汽車領(lǐng)域中，主要運(yùn)用在兩個(gè)方面：汽車裝配和維修、汽車展示和銷售。[1]

2.頭戴式顯示器（Head-mounted Display）。HMD的主要載體有頭盔、眼鏡等，它既是一個(gè)真實(shí)世界圖像的減光鏡也是一塊能顯示數(shù)字信息的顯示屏。目前Magic Leap One、HoIoLens 2等頭戴式產(chǎn)品都已進(jìn)入消費(fèi)級(jí)市場，許多車產(chǎn)也致力于研究提高HMD的光學(xué)效率，降低體積和重量，以便更好的運(yùn)用到汽車工業(yè)中。例如MINI在2015上海車展展出了新研發(fā)的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)型智能眼鏡一它能在駕駛者眼前投射出一系列行車信息，見圖2。

3.空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Space Augmented Reality）系統(tǒng)。與其它所有硬件不同的是，SAR系統(tǒng)嵌入了我們周圍的環(huán)境，空間中的任意位置都能成為交互的載體，SAR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于不需要透過顯示屏就能夠讓圖像直接進(jìn)入人眼，減小了信息在傳遞過程中的流失。在汽車制造中，圖紙是主要檢測(cè)對(duì)照工具，如車身點(diǎn)焊質(zhì)量檢查主要依賴于在圖紙上標(biāo)記檢查點(diǎn)，但圖紙缺少三維特性，易造成偏差，而SAR能夠在車身表面投影數(shù)字信息，幫助技術(shù)人員更有效、更高效地進(jìn)行檢查工作。

二、AR在汽車設(shè)計(jì)工程中的應(yīng)用

目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)工程中的應(yīng)用最廣泛的是增強(qiáng)裝配（Augmented Assem bly），指在增強(qiáng)環(huán)境中，工程師運(yùn)用虛擬模型輔助產(chǎn)品裝配，使得汽車設(shè)計(jì)早期的裝配速度提升，從而達(dá)到更佳的完成效果。X.Wang[2]收集了谷歌學(xué)術(shù)和多個(gè)國際會(huì)議上的論文，將基于AR的裝配分為裝配指導(dǎo)、裝配訓(xùn)練、裝配設(shè)計(jì)仿真和規(guī)劃，每個(gè)主題下又細(xì)分出了對(duì)應(yīng)子分類，如表l所示。

（一）AR裝配指導(dǎo) AR技術(shù)對(duì)于汽車裝配的意義不是用機(jī)器代替人力來提高工作質(zhì)量，而是輔助裝配人員完成難度系數(shù)更高的任務(wù)。

目前AR裝配指導(dǎo)系統(tǒng)有兩種應(yīng)用形式，分別是步驟指引和交互式指引。步驟指引常用于移動(dòng)式AR指導(dǎo)系統(tǒng)，用于指導(dǎo)裝配新手快速熟悉和完成各種形式的裝配任務(wù)。步驟指引系統(tǒng)著重于為用戶呈現(xiàn)操作步驟的總結(jié)，而忽略了裝配過程中實(shí)時(shí)的交互和反饋，很少能做到實(shí)時(shí)跟蹤裝配狀態(tài)，因此許多研究者也開始研究交互式指導(dǎo)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)汽車裝配過程中實(shí)時(shí)的交互操作和反饋，這種交互方式更加直觀高效，能提高使用過程中的體驗(yàn)。

（二）AR裝配訓(xùn)練

增強(qiáng)裝配訓(xùn)練指的是系統(tǒng)模擬出裝配步驟畫面，用戶可以操縱虛擬裝配工具和組件，根據(jù)提示完成任務(wù)。

汽車裝配設(shè)計(jì)被認(rèn)是復(fù)雜任務(wù)的集合，這些任務(wù)涉及機(jī)器特定程序和技術(shù)的知識(shí)，需要較高的認(rèn)知和時(shí)間成本，因此，快速可靠地培訓(xùn)操作員有效地執(zhí)行任務(wù)已經(jīng)成為許多研究的焦點(diǎn)。許多團(tuán)隊(duì)在裝配過程中使用AR技術(shù)進(jìn)行注釋，證明AR能提供更強(qiáng)的交互性，幫助訓(xùn)練人員更高效完成任務(wù)[3]。

在汽車設(shè)計(jì)中，AR裝配培訓(xùn)的最大挑戰(zhàn)是如何處理不同裝配任務(wù)在安全性、裝配難度和裝配技能上的差異，因此，在將來應(yīng)該對(duì)AR裝配訓(xùn)練系統(tǒng)的兼容性展開研究，以提高用戶對(duì)系統(tǒng)的理解能力。

（三）AR裝配設(shè)計(jì)仿真和規(guī)劃

AR裝配設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就在于能精準(zhǔn)反饋空間中的信息，強(qiáng)化工程人員的三維空間感知。

AR裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)能讓用戶在裝配過程中看到單個(gè)裝配零件的準(zhǔn)確位置和方向信息，與傳統(tǒng)圖紙相比，它能通過不同交互方式（包括鼠標(biāo)、觸控設(shè)備、手勢(shì)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)）對(duì)裝配任務(wù)中虛擬對(duì)象進(jìn)行操縱，從而更好的完成裝配指令到實(shí)

總的來說，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于汽車工程中可以減少許多因缺少信息而造成的錯(cuò)誤，極大的提高生產(chǎn)效率，但目前的關(guān)注點(diǎn)集中在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于應(yīng)用過程中的易用性和用戶體驗(yàn)仍不夠重視。

三、AR在汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）汽車人機(jī)交互應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在車載人機(jī)交互系統(tǒng)中大部分的研究是圍繞與HUD （Head-Up Display）的結(jié)合展開。1988年，通用汽車在其旗下的Olds Mobile Cutlass Supreme上采用了HUD抬頭顯示器，是最早應(yīng)用該技術(shù)的汽車。自此之后，HUD系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)在跑車和轎車上，并且從最初以單一色彩投影駕駛信息朝數(shù)字化的方向不斷發(fā)展。

AR技術(shù)的出現(xiàn)為車載HUD創(chuàng)造了新的交互范式。信息不再需要固定的顯示器作為載體，而是在需要信息呈現(xiàn)的地方出現(xiàn)，這就需要設(shè)計(jì)師考慮如何AR信息的顯示模式和放置位置，從而改善駕駛員的注意力分配以及完成駕駛?cè)蝿?wù)的方式。

比傳統(tǒng)駕駛座艙相比，AR-HUD的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.AR-HUD系統(tǒng)能提高駕駛安全性。與智能手機(jī)或平板電腦上的AR應(yīng)用程序相比，擋風(fēng)玻璃提供了更直觀更大的視野，合理的信息增強(qiáng)有助于減輕駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）定義了三種駕駛分心類型[3]：視覺分心（眼睛偏離道路），認(rèn)知分心（分心駕駛）和操作分心（手部離開方向盤），AR-HUD可以直接影響前兩種情況，讓駕駛員的視線始終跟隨道路而不是儀表板上的輔助顯示器。

2.AR可作為現(xiàn)實(shí)和虛擬世界的中介，沉浸式呈現(xiàn)環(huán)境信息。在車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車將通過傳感器和互聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)境信息，AR則可以提供一種自然的方式來傳達(dá)環(huán)境的深度信息，真正實(shí)現(xiàn)“人一車一環(huán)境”之間的交流。

3.AR-HUD可為駕駛員提供個(gè)性化信息顯示，以匹配駕駛員的視覺和認(rèn)知能力。未來的汽車不僅要考慮軟硬件的設(shè)計(jì)，還需要考慮到社會(huì)因素[5]，當(dāng)前的趨勢(shì)是老年駕駛員的數(shù)量正在增加，設(shè)計(jì)車載系統(tǒng)時(shí)要將視力因素和認(rèn)知能力納入思考，AR與其他交互通道（例如聽覺或觸覺）相結(jié)合，可以充當(dāng)駕駛員與汽車協(xié)作的中介，在內(nèi)容和視覺參數(shù)方面定制信息，以凸顯駕駛員視野中重要元素，并增強(qiáng)駕駛員對(duì)當(dāng)前情境意識(shí)的感知。很多企業(yè)都在探索將AR與ADAS相結(jié)合，更好地為行車檢測(cè)和盲點(diǎn)檢測(cè)等主要駕駛?cè)蝿?wù)提供輔助。

（二）汽車人機(jī)交互應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分類

1.AR-HUD與車載導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合

傳統(tǒng)的車載導(dǎo)航以二維界面為載體顯示信息，駕駛員需要對(duì)二維信息進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)化為與環(huán)境相匹配的三維信息，這個(gè)信息加工的過程占用了部分注意資源，影響了駕駛員對(duì)真實(shí)環(huán)境的認(rèn)知效率，帶來了潛在的駕駛安全問題。

AR-HUD具有在現(xiàn)實(shí)世界中疊加虛擬提示的特點(diǎn)，能清晰直觀地描述和感知信息，實(shí)現(xiàn)友好的自然交互界面，因此導(dǎo)航是AR技術(shù)在車載人機(jī)交互系統(tǒng)中最有應(yīng)用前景的功能。AR技術(shù)使汽車成為一個(gè)可訪問、視野范圍大的透明顯示器，用戶只需像往常一樣輸入，就可以立即通過擋風(fēng)玻璃感知環(huán)境信息，并與系統(tǒng)交互，而無需攜帶額外的電子導(dǎo)航設(shè)備或改變交互習(xí)慣[6]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用可細(xì)分到四個(gè)維度[7]：1.幫助駕駛員尋找道路。運(yùn)用新的可視化范式，如3D箭頭、立體地圖等方式消除影響判斷的模糊選擇，如圖3 （a）所示道路前方出現(xiàn)兩個(gè)相距不遠(yuǎn)的左轉(zhuǎn)路口時(shí)，可幫助司機(jī)快速做出判斷;2.跟車輔助。當(dāng)?shù)缆非胺匠霈F(xiàn)車輛，系統(tǒng)可對(duì)前車車距車速等信息增強(qiáng)顯示，如圖3 （b）所示視野被前車或景觀遮擋時(shí)，能通過隱藏路線增強(qiáng)輔助駕駛;3.交通信號(hào)&街道信息增強(qiáng)。前方出現(xiàn)交通信號(hào)燈和警示信號(hào)標(biāo)志時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行二次顯示，以防駕駛員忽略這些信息，或?qū)χ車ㄖM(jìn)行信息增強(qiáng)，幫助駕駛員識(shí)別和記憶當(dāng)前所處位置;4.公共交通信息增強(qiáng)。系統(tǒng)可對(duì)公交巴士移動(dòng)和停止信息進(jìn)行預(yù)判，同時(shí)對(duì)周圍的行人位置進(jìn)行增強(qiáng)，提高公共交通安全性，如圖3 （c）所示。

2.以駕駛安全性為目的的AR車載人機(jī)系統(tǒng)

當(dāng)前，大多數(shù)車載顯示系統(tǒng)都位于主副駕中間或儀表板區(qū)域，需要駕駛員將視線從道路上移開，因此車輛中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）擋風(fēng)玻璃概念具有提高行車安全性的巨大潛力?，F(xiàn)在的應(yīng)用大致可分為車內(nèi)（車況、駕駛員等）信息和車外（環(huán)境、行人等）信息的增強(qiáng)。

1.車內(nèi)信息增強(qiáng)。

車內(nèi)信息包括了傳統(tǒng)儀表盤（Head-Down-Design）上的車速、車況等信息，這些信息在不同情境下的需要有不同的顯示模式。光線的強(qiáng)弱，天氣的變化。目前已有多個(gè)汽車企業(yè)正在開發(fā)和完善AR-HUD信息系統(tǒng)，例如寶馬在2018年宣布了和FUTURUS公司的合作，是將前擋風(fēng)玻璃作為顯示屏，這塊顯示屏運(yùn)用了光場和超材料技術(shù)，駕駛員能在上面看到跟隨情境變化的數(shù)字信息。

2.車外信息增強(qiáng)。與日常環(huán)境不同，駕駛環(huán)境是快速變化且復(fù)雜的，不僅受到天氣條件、交通指示燈、行人的影響，還有很多突發(fā)事件都會(huì)對(duì)駕駛行為產(chǎn)生干擾，但人的注意力資源是有限的，運(yùn)用AR-HUD系統(tǒng)設(shè)計(jì)車外信息顯示模式可以很好地幫助卸載視覺通道上的負(fù)載。Ng-Thow-Hing教授[8]設(shè)計(jì)了一個(gè)車載系統(tǒng)，能在前擋風(fēng)玻璃上顯示重要交通信息，當(dāng)檢測(cè)到紅燈時(shí)，會(huì)觸發(fā)虛擬STOP信號(hào)，綠燈則顯示GO標(biāo)志。Vassilis Charissis[9]在論文中評(píng)估了惡劣的天氣條件下的警示增強(qiáng)顯示（包括交通擁堵標(biāo)志和急轉(zhuǎn)彎符號(hào)），驗(yàn)證了增強(qiáng)顯示能改進(jìn)預(yù)警系統(tǒng)，提高駕駛安全性。

3.AR車載人機(jī)系統(tǒng)與娛樂的結(jié)合

隨著AR技術(shù)的發(fā)展，許多汽車巨頭紛紛試水，2016年的世界移動(dòng)通信大會(huì)（Mobile World Congress）上，克萊斯勒集團(tuán)發(fā)布了一款汽車銷售應(yīng)用程序，該應(yīng)用的特點(diǎn)在于用戶無需出現(xiàn)在現(xiàn)場，只需借助Project Tango套件在空間中的運(yùn)動(dòng)捕捉能力，即可體驗(yàn)到汽車會(huì)場沉浸式的感受，實(shí)現(xiàn)自查看汽車參數(shù)，甚至對(duì)汽車進(jìn)行個(gè)性化定制。

許多汽車企業(yè)也在積極探索AR在汽車設(shè)計(jì)中的可能性。哈曼、大陸和偉世通等公司都在嘗試讓導(dǎo)航信息、娛樂系統(tǒng)和環(huán)境信息與真實(shí)路況相結(jié)合，旨在減小司機(jī)視線的負(fù)載。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不僅作用在駕駛安全上，更多汽車企業(yè)也在考慮副駕駛和后排乘客的乘坐體驗(yàn)，奔馳汽車研發(fā)了一款A(yù)R車窗讓乘客在玻璃上為外面的世界添加任何想要添加的元素。CES展上，豐田公司的Fine-Comfort Ride研發(fā)了后座的概念車窗顯示屏，能根據(jù)情境感知技術(shù)感知環(huán)境和乘客的信息，呈現(xiàn)出不同的元素以供交互。國內(nèi)的威馬汽車EX5也研發(fā)了以車窗作為顯示載體的技術(shù)，為車內(nèi)外的交互提供了新思路，如圖4所示。

（三）汽車人機(jī)交互應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)原則

不同于傳統(tǒng)的車載界面，設(shè)計(jì)師需要在基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的車載系統(tǒng)中考慮不同的因素，要同時(shí)思考真實(shí)視野與虛擬UI的關(guān)系、AR近眼顯示特征、交互方式等。根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特性，可以總結(jié)出以下幾條設(shè)計(jì)原則。

1.顯示區(qū)域大小。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的顯示技術(shù)既要保證足夠大的區(qū)域?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行覆蓋，又要控制顯示區(qū)域的閾值以保證駕駛安全性，用戶視野與虛擬UI的關(guān)系決定了顯示區(qū)域的大小。因此最佳設(shè)計(jì)方案要從人的視角場出發(fā)，水平方向上人眼單目范圍為150。左右，豎直方向上則為120°，雙眼重合區(qū)域50°～60°為最佳轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)，如圖5所示。此外人眼對(duì)于不同元素的識(shí)別也有特定的區(qū)域，在30°～60°范圍內(nèi)眼睛能對(duì)顏色有很好的識(shí)別，但字母的識(shí)別區(qū)域就只剩下5°～30°，文字由于其復(fù)雜程度只能在10°～20°區(qū)間被人眼辨別，對(duì)于擋風(fēng)玻璃上的設(shè)計(jì)，人的視角場是很重要的設(shè)計(jì)參考，不同信息的顯示區(qū)域應(yīng)當(dāng)滿足人眼立體視覺的特性。慕尼黑大學(xué)的教授[IO]建議將駕駛員水平和垂直面視野的至少40%歸類為擋風(fēng)玻璃顯示器的主要顯示區(qū)域。

2.顯示條件。與移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用不一樣，AR-HUD系統(tǒng)處于暴露于變化的環(huán)境中，因此光源需滿足車內(nèi)特定的使用要求。首先要保證光源在陽光直射下仍可見，根據(jù)研究顯示器的亮度需高于lOOOOcd/㎡;另一個(gè)需考慮的因素是顯示透明度，目前擋風(fēng)玻璃要滿足至少透過70%的外部亮度，以確保駕駛安全性;若未來有了成熟的自動(dòng)駕駛技術(shù)，駕駛員不必監(jiān)控車外環(huán)境時(shí)，可以在汽車中提供沉浸式畫面，屆時(shí)擋風(fēng)玻璃上就需要更高的分辨率和更豐富的色彩空間，目前市面上平視顯示器分辨率在480*240到800*400像素之間[ll]。

4.多模態(tài)交互。現(xiàn)階段量產(chǎn)車上駕駛員與車載屏幕的接觸都是以觸控為主，但擋風(fēng)玻璃與駕駛員的距離已經(jīng)超越了正常人的臂長，觸腔交互不再是最佳選擇。在AR-HUD系統(tǒng)中，多模態(tài)交互正在成為各大汽車廠商研究的方向，通過語音、觸控、手勢(shì)等方式將信息分散到多個(gè)輸入通道，以提高駕駛員的操作效率、減輕認(rèn)知負(fù)荷，帶來更舒適更自然的交互體驗(yàn)。如LUXOFT公司推出的概念A(yù)R-HUD產(chǎn)品LUIAR，就運(yùn)用了手勢(shì)交互操縱系統(tǒng)，可以手寫輸入命令完成與系統(tǒng)的交互、模擬拖拽動(dòng)作操控地圖播放音樂等等;配備了AR眼鏡輔助駕駛員用眼部注視完成操作、還能捕捉人眼狀態(tài)進(jìn)行疲勞駕駛提示等多種交互方式進(jìn)行不同的操作，如圖6。

4.盡量減少頁面層級(jí)，避免深層樹狀結(jié)構(gòu)。AR的特性使其在人機(jī)交互中具有實(shí)時(shí)變化，且移動(dòng)速度快的特點(diǎn)，若在一個(gè)界面中承載過多信息，層級(jí)過深，很容易造成用戶的視覺疲勞。

5.有充足的指引，突出顯示可交互物體。尤其是在可選擇多個(gè)物體的情況下，這一點(diǎn)非常重要;應(yīng)保持虛擬物體原本的視覺完整性，同時(shí)注意不要讓視覺的顯示干擾到虛擬畫面。目前市面上相對(duì)成熟的AR-HUD車載系統(tǒng)——車蘿卜很好的做到對(duì)用戶的指引，語音組件在底部固定區(qū)展示，發(fā)出指令后出現(xiàn)Toast提示，2s后消失，并且采用了“漸顯出現(xiàn)漸隱消失”的過渡動(dòng)效，不會(huì)對(duì)駕駛員視覺產(chǎn)生沖擊，提升了駕駛安全性和舒適度。

6.交互動(dòng)作應(yīng)對(duì)應(yīng)真實(shí)世界用戶熟悉的操作習(xí)慣。由于是虛擬成像，用戶需要對(duì)虛擬信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，需要更高的認(rèn)知成本，因此在交互操作上要盡可能減小用戶的認(rèn)知負(fù)荷，如模擬投擲垃圾過程，用戶可以拖動(dòng)界面元素到垃圾桶標(biāo)志來進(jìn)行刪除。

7.沉浸式UI組件。UI設(shè)計(jì)應(yīng)服務(wù)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場景，以沉浸式瀏覽為設(shè)計(jì)目標(biāo)，盡量創(chuàng)建視覺上與真實(shí)世界相近的圖標(biāo)和畫面，以免造成虛擬世界和現(xiàn)實(shí)空間的割裂感。宜家推出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用《IKEA PLACE》就是很好的案例，用戶可以通過移動(dòng)設(shè)備將虛擬家具放置在現(xiàn)實(shí)家庭里，完成家具的在線選購，這款應(yīng)用里呈現(xiàn)的虛}以家具都使用了擬物設(shè)計(jì)風(fēng)格，能夠很好的與周圍的環(huán)境融合，給用戶帶來沉浸式的體驗(yàn)，從而幫助用戶預(yù)覽家具放置的效果，促成用戶的購買行為。還有多款汽車展示應(yīng)用，也都完成了1：1實(shí)體模型的構(gòu)建，甚至可以看到汽車的內(nèi)飾細(xì)節(jié)，讓用戶有更真實(shí)的體驗(yàn)感。

（四）汽車人機(jī)交互應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的難點(diǎn) 雖然AR技術(shù)能幫助提升駕駛安全，但目前還是存在著很多未知的問題：AR車載系統(tǒng)大部分搭載于概念車上，很多結(jié)論都來源于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，未經(jīng)過真實(shí)環(huán)境的考驗(yàn)，因此對(duì)于注意力資源分配的影響并未得到科學(xué)的驗(yàn)證;2.數(shù)字信息的顏色、透明度、位置等不能保證不受環(huán)境變化的影響，無法保證駕駛員能有效的接受信息;3.系統(tǒng)間優(yōu)先級(jí)的排序?qū)︸{駛車的影響很少被提及。為了克服這些問題，之后的研究應(yīng)該從兩個(gè)方面考慮，一是結(jié)合情境感知技術(shù)探究不同環(huán)境下的系統(tǒng)模式;二是從人因工程學(xué)和用戶體驗(yàn)的角度來分析駕駛員的活動(dòng)和操作模式，從而確定一種整合車外車內(nèi)信息顯示的規(guī)范，用于提高未來AR車載系統(tǒng)的安全性和可用性。

結(jié)語

隨著5G時(shí)代的到來，其高速度低時(shí)延等特點(diǎn)為虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了生長的土壤，毫無疑問增強(qiáng)技術(shù)會(huì)在教育，醫(yī)療，娛樂，工程等各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，與虛擬現(xiàn)實(shí)不同，增強(qiáng)技術(shù)是在現(xiàn)實(shí)世界中拓展人類的能力，因此有更適用于工業(yè)領(lǐng)域。目前，技術(shù)門檻與經(jīng)濟(jì)成本是阻礙增強(qiáng)技術(shù)發(fā)展的最大因素，但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用推廣等方面一直持續(xù)發(fā)展，在未來無疑會(huì)有更多消費(fèi)者級(jí)別的混合現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品進(jìn)入日常生活，為普通人提供巨大的便利?？v觀當(dāng)前的文獻(xiàn)和研究，不難發(fā)現(xiàn)大部分都集中在技術(shù)實(shí)現(xiàn)和程序設(shè)計(jì)上，對(duì)設(shè)計(jì)師來說真正的機(jī)遇會(huì)在增強(qiáng)技術(shù)普及大眾時(shí)到來，如何設(shè)計(jì)自然易用的交互方式，為用戶帶來更好的體驗(yàn)，使虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界無縫結(jié)合是設(shè)計(jì)領(lǐng)域全新的挑戰(zhàn)。

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