基于多模態(tài)的汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互設(shè)計(jì)研究

摘要：疲勞駕駛是出現(xiàn)駕駛安全問(wèn)題的主因之一。當(dāng)前，汽車(chē)駕駛環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，但傳統(tǒng)的汽車(chē)疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)模式單一，傳遞效率低，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)日益復(fù)雜的環(huán)境。為了降低和規(guī)避疲勞駕駛風(fēng)險(xiǎn)，保證駕駛員及乘客的安全，應(yīng)采用合理的多模態(tài)交互方式。文章探討基于多模態(tài)的汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互設(shè)計(jì)問(wèn)題，介紹多模態(tài)交互的定義及其應(yīng)用于汽車(chē)人機(jī)交互上的優(yōu)勢(shì)，闡述汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品分類(lèi)和疲勞駕駛檢測(cè)方式，重點(diǎn)研究汽車(chē)疲勞預(yù)警的多模態(tài)交互設(shè)計(jì)，包括疲勞預(yù)警人機(jī)交互多模態(tài)分析及多模態(tài)輸入與交互反饋，基于此提出多模態(tài)交互疲勞預(yù)警反饋的設(shè)計(jì)原則，探討汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互未來(lái)發(fā)展方向和改進(jìn)措施，旨在提供一種基于多模態(tài)的汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法，改善駕駛員體驗(yàn)，保障出行安全，為未來(lái)汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互設(shè)計(jì)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：多模態(tài)；疲勞駕駛；疲勞預(yù)警；人機(jī)交互

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）06-0-03

1 多模態(tài)交互

1.1 多模態(tài)汽車(chē)人機(jī)交互

多模態(tài)汽車(chē)人機(jī)交互是指在駕駛員和汽車(chē)控制系統(tǒng)之間使用多種感官模態(tài)交互方式，讓駕駛員以更直觀和自然的方式與車(chē)輛互動(dòng)，創(chuàng)造更安全和更智能的駕駛體驗(yàn)。近年來(lái)，多模態(tài)汽車(chē)人機(jī)交互逐漸受到人們的重視，智能座艙多模態(tài)交互已成為各大國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠商的重點(diǎn)規(guī)劃產(chǎn)品。德國(guó)科學(xué)家赫爾姆霍茨提出了一種生物學(xué)概念——“模態(tài)”，即生物憑借感知器官與經(jīng)驗(yàn)來(lái)接收信息的通道，因此又稱(chēng)作“感官”，圍繞視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等模態(tài)，融合形成多模態(tài)交互方式，利用計(jì)算機(jī)多通道響應(yīng)輸入，充分模擬人與人之間的自然交互方式。其中，多模態(tài)人機(jī)交互主要分為多模態(tài)信息輸入、多模態(tài)數(shù)據(jù)處理、多模態(tài)交互反饋三個(gè)模塊，然后借助多模態(tài)信息融合與理解模塊，形成感覺(jué)和認(rèn)知，根據(jù)用戶(hù)信息反饋，構(gòu)建出多模態(tài)的自然人機(jī)交互系統(tǒng)［1］。

1.2 多模態(tài)交互應(yīng)用于汽車(chē)人機(jī)交互上的優(yōu)勢(shì)

多模態(tài)交互是汽車(chē)人機(jī)交互未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，具有保障駕駛安全、改善車(chē)內(nèi)用戶(hù)體驗(yàn)、提高交互效率等優(yōu)勢(shì)，能夠有效傳遞信息。

第一，多模態(tài)交互可以保障駕駛安全。多模態(tài)交互可以減少對(duì)駕駛的干擾，提高駕駛員專(zhuān)注度。例如，駕駛員可以使用語(yǔ)音命令調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)溫度，無(wú)須手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)。

第二，多模態(tài)交互可以改善車(chē)內(nèi)用戶(hù)體驗(yàn)。使用多種模態(tài)交互之間的排列組合，可以根據(jù)不同車(chē)內(nèi)場(chǎng)景，讓人更自然地與車(chē)內(nèi)系統(tǒng)交互。例如，通過(guò)觸摸屏幕和振動(dòng)反饋相結(jié)合的方式提示駕駛員，使得交互界面操作更具導(dǎo)向性。

第三，多模態(tài)交互可以提高交互效率。多模態(tài)交互可以減少駕駛員與車(chē)內(nèi)系統(tǒng)交互所需時(shí)間，減少干擾，提高工作效率。例如，駕駛員可以將語(yǔ)音和手勢(shì)相結(jié)合，快速設(shè)置導(dǎo)航目的地，無(wú)須在菜單中尋找選項(xiàng)。

由此可見(jiàn)，將多模態(tài)交互應(yīng)用到汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品的人機(jī)交互設(shè)計(jì)中，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的多樣化需求。其通過(guò)圖像、聲音、燈光及振動(dòng)等方式提醒駕駛員不要疲勞駕駛，以免發(fā)生交通事故［2］。

2 汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品

2.1 汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品分類(lèi)

汽車(chē)疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的一部分，通過(guò)收集分析汽車(chē)和駕駛員數(shù)據(jù)，如車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)、駕駛行為、環(huán)境因素等，判斷疲勞狀態(tài)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，阻止疲勞駕駛的發(fā)生。鑒于疲勞駕駛的巨大危害，汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品不可或缺。根據(jù)其工作原理和應(yīng)用范圍的不同，目前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品主要分為以下五類(lèi)：耳掛式、手表式、眼鏡式、方向盤(pán)觸摸式及圖像識(shí)別式。

耳掛式疲勞預(yù)警產(chǎn)品是通過(guò)佩戴在耳朵上的頭部姿態(tài)傳感器來(lái)判斷駕駛員的頭部偏移狀態(tài)，當(dāng)駕駛員頻繁低頭時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音或振動(dòng)提醒駕駛員。這類(lèi)產(chǎn)品小巧便攜，但存在佩戴位置不合適，可能會(huì)影響傳感器感知等問(wèn)題。

手表式疲勞預(yù)警產(chǎn)品是將傳感器等硬件模塊集成在手表中，通過(guò)測(cè)量駕駛員的生理指標(biāo)來(lái)判斷疲勞程度，如心率、血壓、脈搏、皮膚電阻等，可及時(shí)發(fā)出振動(dòng)警告。這類(lèi)產(chǎn)品具有便攜性，但測(cè)量準(zhǔn)確度可能不如其他類(lèi)型的產(chǎn)品。

眼鏡式疲勞預(yù)警產(chǎn)品是將傳感器和處理器等硬件模塊集成在眼鏡中，通過(guò)監(jiān)測(cè)駕駛員眼睛活動(dòng)和瞳孔大小等指標(biāo)來(lái)評(píng)估疲勞程度，通過(guò)聲音或振動(dòng)提醒。這類(lèi)產(chǎn)品集成度高，但對(duì)眼動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)可能受駕駛環(huán)境影響。

方向盤(pán)觸摸式疲勞預(yù)警產(chǎn)品通過(guò)方向盤(pán)傳感器監(jiān)測(cè)手部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角度判斷駕駛員疲勞程度，通過(guò)發(fā)出振動(dòng)提醒駕駛員休息。這類(lèi)產(chǎn)品使用方便，但需要專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)和制造，適用性會(huì)受車(chē)型和駕駛員習(xí)慣等因素的限制。

圖像識(shí)別式疲勞預(yù)警產(chǎn)品是通過(guò)在車(chē)輛內(nèi)部設(shè)置攝像頭等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的面部表情、眼睛狀態(tài)等，利用語(yǔ)音或燈光提醒駕駛員休息或停車(chē)。這類(lèi)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)較高，但需要較高水平的技術(shù)支持，同時(shí)涉及隱私問(wèn)題，需要加強(qiáng)安全保障。

由此可見(jiàn)，以上五類(lèi)疲勞駕駛預(yù)警硬件產(chǎn)品都具有提醒駕駛員的功能，防止疲勞駕駛引發(fā)安全事故。但這些產(chǎn)品還存在一些問(wèn)題，如人機(jī)交互反饋模式單一，在設(shè)計(jì)層面要改進(jìn)人機(jī)交互反饋的流程，以提升用戶(hù)滿(mǎn)意度。

2.2 汽車(chē)疲勞駕駛檢測(cè)方式

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的汽車(chē)疲勞駕駛檢測(cè)方式主要包括生理指標(biāo)檢測(cè)、車(chē)輛行駛狀態(tài)檢測(cè)、駕駛員行為檢測(cè)和多模態(tài)信息融合檢測(cè)四種方式［3］。生理指標(biāo)檢測(cè)方式通過(guò)檢測(cè)駕駛員的生理指標(biāo)來(lái)判斷駕駛員是否疲勞。常見(jiàn)的生理指標(biāo)包括眼睛運(yùn)動(dòng)、心率、腦電波、皮膚電阻等。車(chē)輛行駛狀態(tài)檢測(cè)方式通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛行駛狀態(tài)來(lái)判斷駕駛員是否疲勞。主要關(guān)注車(chē)輛速度、行駛加速度、油門(mén)和制動(dòng)踏板、方向盤(pán)轉(zhuǎn)向操作等。駕駛員行為檢測(cè)方式通過(guò)分析駕駛員的行為來(lái)判斷駕駛員是否疲勞。常見(jiàn)的駕駛員疲勞評(píng)判對(duì)象包括頭部、手部及身體姿態(tài)等。多模態(tài)信息融合檢測(cè)方式是指融合處理多種傳感器采集到的不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同模態(tài)的信息互補(bǔ)，更全面地評(píng)估駕駛員的疲勞程度。

可見(jiàn)，目前市場(chǎng)上大多數(shù)汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品的疲勞檢測(cè)方式較為單一，在反饋方式上存在預(yù)警信息有效傳遞不穩(wěn)定的問(wèn)題。前三種疲勞檢測(cè)方式可以單獨(dú)使用，而多模態(tài)信息融合檢測(cè)方式是將以上多種方式進(jìn)行信息融合，以提高疲勞駕駛檢測(cè)的準(zhǔn)確度。多模態(tài)交互信號(hào)結(jié)合預(yù)警，能有效提醒處于疲勞狀態(tài)的駕駛員，改善駕駛員的體驗(yàn)，保障其安全。

3 多模態(tài)汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互設(shè)計(jì)

3.1 疲勞預(yù)警人機(jī)交互多模態(tài)分析

要根據(jù)用戶(hù)生理和行為特征，建立合適的疲勞評(píng)估模型，以便更好地識(shí)別用戶(hù)的疲勞程度。系統(tǒng)在識(shí)別出駕駛員的疲勞狀態(tài)后，會(huì)對(duì)駕駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)模態(tài)對(duì)不同疲勞等級(jí)狀態(tài)進(jìn)行交互反饋，及時(shí)向駕駛員發(fā)出預(yù)警。

3.1.1 視覺(jué)模態(tài)

視覺(jué)模態(tài)是最常見(jiàn)的交互模態(tài)之一。在疲勞預(yù)警中，視覺(jué)模態(tài)可以通過(guò)車(chē)內(nèi)攝像頭等設(shè)備監(jiān)測(cè)駕駛員的疲勞狀態(tài)，通過(guò)車(chē)內(nèi)儀表盤(pán)或中控屏等來(lái)提供更全面的安全駕駛信息，如車(chē)速、導(dǎo)航路線(xiàn)、駕駛員健康狀態(tài)等信息。汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品還可以改變環(huán)境燈光的顏色或閃爍頻率，從而實(shí)現(xiàn)疲勞視覺(jué)預(yù)警。

3.1.2 聽(tīng)覺(jué)模態(tài)

聽(tīng)覺(jué)模態(tài)在疲勞預(yù)警中也有著重要的作用。駕駛員通過(guò)語(yǔ)音操作指令控制車(chē)內(nèi)設(shè)備，可與語(yǔ)音助手交流互動(dòng)，獲取車(chē)速、導(dǎo)航等行車(chē)信息，了解車(chē)輛行駛情況。聽(tīng)覺(jué)模態(tài)可以通過(guò)語(yǔ)音助手發(fā)出提醒，如“請(qǐng)注意休息”，引導(dǎo)駕駛員在路邊停車(chē)休息，或是利用快節(jié)奏音樂(lè)來(lái)喚醒駕駛員。

3.1.3 觸覺(jué)模態(tài)

觸覺(jué)模態(tài)是一種更直接高效的交互模態(tài)，通過(guò)為人體提供觸覺(jué)反饋來(lái)傳遞信息。通常可以在方向盤(pán)和安全帶上安裝振動(dòng)傳感器，利用車(chē)內(nèi)振動(dòng)傳感器向駕駛員傳遞振動(dòng)信號(hào)，也可通過(guò)座椅傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)身體姿勢(shì)和肢體運(yùn)動(dòng)情況，從而提醒駕駛員休息或調(diào)整姿勢(shì)，避免長(zhǎng)時(shí)間保持同一姿勢(shì)造成疲勞。

3.1.4 嗅覺(jué)模態(tài)

嗅覺(jué)模態(tài)較少被應(yīng)用到汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互中，但也有一定的潛力。例如，可以在車(chē)內(nèi)安裝一些氣體傳感器，監(jiān)測(cè)駕駛員所處環(huán)境的空氣質(zhì)量及溫度等，調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)溫度。當(dāng)駕駛員疲勞時(shí)，嗅覺(jué)模態(tài)可以從通風(fēng)口散發(fā)香味進(jìn)行疲勞喚醒，從而提高駕駛舒適度，減少疲勞駕駛風(fēng)險(xiǎn)［4］。

3.2 多模態(tài)輸入與交互反饋

駕駛員身體狀態(tài)信息是多模態(tài)輸入的關(guān)鍵，這包括生理和行為數(shù)據(jù)，如心率、呼吸頻率、眨眼次數(shù)、身體姿勢(shì)等，可以通過(guò)客觀的疲勞檢測(cè)技術(shù)獲取這些數(shù)據(jù)。此外，還可以通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查等方式獲取用戶(hù)主觀疲勞感受相關(guān)數(shù)據(jù)。

駕駛員對(duì)疲勞狀態(tài)的響應(yīng)可以分為兩種情況：一是駕駛員意識(shí)到自己疲勞了，并采取相應(yīng)措施緩解疲勞，如停車(chē)休息、調(diào)整姿勢(shì)等；二是駕駛員未意識(shí)到自己疲勞，或者意識(shí)到但未采取相應(yīng)措施，此時(shí)疲勞預(yù)警機(jī)制需要進(jìn)一步發(fā)揮作用。應(yīng)針對(duì)駕駛員不同疲勞狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)提醒，可以將其分為三個(gè)等級(jí)：輕度疲勞、中度疲勞、重度疲勞。不同等級(jí)的疲勞狀態(tài)需要采取不同的預(yù)警機(jī)制和強(qiáng)度［5］。因此，利用多模態(tài)組合交互方式反饋，可根據(jù)“視覺(jué)+聽(tīng)覺(jué)”“視覺(jué)+聽(tīng)覺(jué)+觸覺(jué)”“視覺(jué)+聽(tīng)覺(jué)+觸覺(jué)+嗅覺(jué)”進(jìn)行疲勞分級(jí)預(yù)警。

設(shè)計(jì)多模態(tài)交互疲勞預(yù)警反饋方式時(shí)，需要遵循以下原則。

第一，以用戶(hù)為中心原則。人是人機(jī)交互設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，要以用戶(hù)需求、特征、場(chǎng)景為出發(fā)點(diǎn)，考慮駕駛員年齡、性別、個(gè)人偏好等因素，盡可能減少用戶(hù)負(fù)擔(dān)與疲勞感。根據(jù)用戶(hù)反饋合理調(diào)整，不斷改進(jìn)疲勞預(yù)警機(jī)制，以提高預(yù)警準(zhǔn)確度。

第二，安全性原則。設(shè)計(jì)汽車(chē)疲勞預(yù)警系統(tǒng)的初衷在于保障駕駛安全，因此必須考慮安全因素。一是避免分散駕駛注意力，如頻繁地提示；二是確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)選擇合適的疲勞檢測(cè)技術(shù)，并充分測(cè)試和驗(yàn)證。

第三，及時(shí)性原則。在用戶(hù)輸入或操作后，應(yīng)給予明確的反饋，讓用戶(hù)知道系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和結(jié)果。疲勞預(yù)警機(jī)制需要盡可能準(zhǔn)確判斷用戶(hù)的身體狀態(tài)，同時(shí)也需要具備實(shí)時(shí)性，通過(guò)多模態(tài)提醒方式，及時(shí)告知疲勞信息，實(shí)現(xiàn)有效提醒。

第四，易用性原則。簡(jiǎn)化人機(jī)交互流程，減少用戶(hù)認(rèn)知負(fù)擔(dān)和操作成本，提高交互效率和準(zhǔn)確度。一是操作簡(jiǎn)單，汽車(chē)疲勞預(yù)警界面應(yīng)簡(jiǎn)單易懂，避免指令或操作復(fù)雜的問(wèn)題；二是易于記憶，操作過(guò)程中減少重復(fù)學(xué)習(xí)，避免操作煩瑣和易錯(cuò)。

第五，個(gè)性化原則。每個(gè)用戶(hù)的需求和行為習(xí)慣千差萬(wàn)別，疲勞預(yù)警機(jī)制需要具有靈活性。根據(jù)用戶(hù)偏好，提供聲音、振動(dòng)、彈出窗口等選項(xiàng)來(lái)自定義疲勞預(yù)警方式，根據(jù)需要開(kāi)啟或關(guān)閉功能，以合適的方式提醒用戶(hù)注意自身狀態(tài)。

4 未來(lái)發(fā)展方向及改進(jìn)措施

未來(lái)，汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互可以更加人性化、個(gè)性化和智能化，結(jié)合多模態(tài)交互，為駕駛員提供更加全面和舒適的駕駛體驗(yàn)。首先，汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品會(huì)更加注重人機(jī)交互的舒適性和自然性，將不再是單一視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)提示，而是集成多感官通道。其次，多模態(tài)交互將使疲勞預(yù)警功能變得更加個(gè)性化。通過(guò)收集和分析駕駛員的駕駛習(xí)慣、生理及心理狀態(tài)等信息，在駕駛過(guò)程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同駕駛員的需求。最后，多模態(tài)交互將推動(dòng)汽車(chē)疲勞預(yù)警產(chǎn)品智能化升級(jí)。借助大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，結(jié)合語(yǔ)音助手獲取交通路況、健康狀態(tài)及調(diào)節(jié)空調(diào)等，使疲勞預(yù)警功能更加智能化。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)汽車(chē)疲勞預(yù)警的人機(jī)交互設(shè)計(jì)展開(kāi)分析，通過(guò)分析多模態(tài)交互，總結(jié)多模態(tài)交互疲勞預(yù)警反饋設(shè)計(jì)原則，有助于改善駕駛體驗(yàn)。未來(lái)可以結(jié)合不同的交互模式，增強(qiáng)疲勞預(yù)警的有效性，相信多模態(tài)交互在汽車(chē)疲勞預(yù)警中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普及和成熟，從而更好地保障駕駛安全。因此，我們應(yīng)持續(xù)關(guān)注和推動(dòng)汽車(chē)疲勞預(yù)警人機(jī)交互設(shè)計(jì)的發(fā)展，以為駕駛員提供更加安全和智能化的出行體驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：孫茹蔓（1999—），女，上海人，碩士在讀，研究方向：產(chǎn)品造型藝術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐。

付亞芹（1996—），女，山東泰安人，碩士，講師，研究方向：交互設(shè)計(jì)。

李琦（1972—），男，上海人，博士，副教授，研究方向：信息與產(chǎn)品設(shè)計(jì)。