未來汽車人機交互界面（HMI）設計的發展趨勢

張惠

（中國第一汽車集團有限公司 智能網聯開發院，長春 130000）

主題詞：人機交互界面（HMI） 人工智能（AI） 自然交互 自動駕駛

1 前言

隨著計算機數字化技術及網聯技術的飛速發展及在汽車上的廣泛應用，汽車已經不是一個單一的交通工具，而是集交通工具、移動辦公、移動生活空間于一身的人生活不可缺少的生活伴侶。面對汽車功能的轉變，汽車的人機交互界面（HMI）設計也越來越被重視，以用戶體驗為中心，包括汽車外部、內部空間、HMI、操作和交互的設計正在發生革命性變化。汽車內部的信息模式已經從單一的行車和車況信息模式迅速發展成為包括汽車信息、汽車間（C2C）信息、汽車和其它信息載體（C2X）交互的信息在內的復雜信息體系[1]。在這樣的復雜信息下，駕駛員要完成監控道路狀況、控制車輛、保持車道等的主駕駛任務（Primary Task）的同時還需處理大量與駕駛有關或無關的信息的次級任務（In-Vehicle Secondary Task）。這些次級任務在不同程度上占用駕駛員的視覺、聽覺等認知資源，分散駕駛員注意力，提高學習成本，產生較高的認知負荷，嚴重影響駕駛員的駕駛效能和交通安全[2]。

然而，追求復雜是人類對產品功能和情感體驗需求的體現[3]，所以，盡管過多的信息量會給駕駛帶來安全上的隱患，可為了更好地滿足用戶需求，提高用戶體驗，大量的車載信息還是不斷地進入駕駛空間中，如：駕駛輔助預警及提示信息、自動駕駛的駕駛權限接管信息等。面對未來汽車的發展，汽車HMI將如何設計，來實現駕駛體驗和復雜信息功能需求的平衡？

本文將從人工智能（AI）技術在汽車HMI設計中的應用、市場的趨勢、信息顯示技術、交互設計四方面展開討論，深入分析未來汽車HMI設計的發展趨勢。

2 人工智能（AI）技術在汽車HMI設計中的應用

實現駕駛體驗和復雜信息功能需求的平衡，最有效的方法是讓汽車能夠識別駕駛員的狀態（生理、情緒），理解用戶需求，讓駕駛員能夠自然地與汽車進行互動和溝通。

AI技術的終極目標是提供類人解決方案。通過AI算法，可以在最合適的時間，給駕駛員最需要的信息，即使他們沒有明確地向AI系統提出要求。AI技術在人的狀態、情感識別有很大的優勢[4]，可應用在汽車交互設計中，實現汽車HMI的情感化和個性化設計。目前的應用主要體現在自然語音處理、表情識別、和物理信號分析三方面領域。

2.1 自然語音處理

自從Siri幾年前發布以來，語音很快成為提供實用程序的人機交互界面。語音允許用戶更好地與個人設備和應用進行交互，不需要學習特定的命令，而是使用最自然的語音交互方式與應用或設備進行交互。

語音還可以幫助了解用戶的感受，可以分析用戶的語音語調并使用它來了解他們當前的情緒。由Be?yond Verbal創建的Moodies Emotions Analytics，該公司專門提取不同聲調背后的含義（圖1）。該應用程序可以通過聽人說話來實時提取，解碼和衡量“全方位的人類情感”。這個應用程序具有真正的實用價值，可以更好地了解人們的心情和剪裁互動。

圖1 通過語音識別用戶情緒

2.2 面部表情識別

現在，面部表情在技術世界中引起了很多關注。原因很簡單，面部表情是人們表達自己最強大工具之一。它嵌入到人類的DNA中，人類使用面部表情傳輸和解碼狀態和情緒。事實上，人類可以用表情傳遞更多的數據，而無需用聲音。Snapchat和Apple使用面部識別工具識別用戶表達的情緒（圖2）。

圖2 通過面部表情識別用戶情緒

面部識別還有一個應用，即個性化識別。AI技術可以檢測到人類無法識別的人的無意識表達或某種短暫表情。這意味著移動設備有機會比人類更好地理解人類。

2.3 物理信號分析

通過AI技術可以檢測并采集各種物理信號，包括：人的意圖、人的狀態（健康、情緒、分神、疲勞等）、外界的駕駛環境、與其他AI車輛的交互信息、與車內車外的人員的信息。通過AI技術建立智能人狀態分析模型，利用采集的物理信號數據，可以知道人在什么狀況下有什么樣的意圖，什么樣的狀況有什么樣的情緒變化，幫助我們更好地理解人內心到底發生了什么，更需要什么。在自動駕駛中，可以同人類一起工作，在最必要的時間給人類駕駛輔助。

目前，跟蹤人身心健康已經變得越來越普遍，許多人為此使用可穿戴設備。設備可以跟蹤人的心率或皮膚溫度，識別這些信號并檢測人的健康狀態和情緒波動。設備不僅可以用來分析，還可以提供實時指導，幫助用戶解決健康問題或實現情感幸福。例如，當設備了解到一個人有壓力時，它可以提供有關如何應對的信息。

3 從市場的趨勢分析

隨著智能化、信息化技術的發展，及人對汽車需求的變化，座艙將融入更多的智能控制、人工智能等新技術，未來的汽車正從“外部第一”向“內部第一”轉變，從“駕駛體驗”轉向“體驗駕駛”和“超越體驗”，未來汽車座艙內的用戶交互體驗越來越被重視，汽車HMI設計也將融入更多的智能技術使其更加情感化、個性化。未來的汽車HMI設計將有以下發展趨勢：

●交互設計將是汽車未來的重要標志；

●HMI設計的方案允許人與技術之間的對話。未來的HMI設計將不僅涵蓋汽車中的交互，還包括旅行前后的交互[5]；

●用戶體驗（UX）引導用戶感知（使用的樂趣、期望、吸引力、信任），可用性控制用戶性能（有效、高效、可用），兩者都建立在用戶滿意的基礎之上；

●未來的HMI趨勢是增強現實（AR）、社會和人口變化、自主駕駛、數字助理、人性化的人機界面解決方案。人性化意味著整體的、多式的、基于人工智能的界面設計[6]；

●消費電子是汽車HMI的重要驅動力，典型的功能是數字輔助、語音識別、人工智能；

●自動駕駛將改變整個汽車用戶界面，它將使汽車從以產品為中心轉向以服務為中心；

●自動駕駛將改變駕駛體驗，從汽車到滾動客廳，駕駛以外的活動將從聽音樂、與朋友和家人交談、發短信到寫書、看電影、睡覺、使用社交媒體、工作、鍛煉等等[7]；

●用戶希望有一個智能的生活在車上，包括：娛樂、工作、放松、溝通和消費；

●未來的內部可能不再有專用的HMI組件，但是HMI無處不在。智能表面將無縫集成HMI傳感器。

4 從信息顯示技術分析

隨著液晶屏技術的發展和汽車功能的增加，液晶儀表已經逐步取代傳統的機械儀表[5]（圖3）。目前液晶屏的技術，除了基于TFT的液晶屏，還有基于量子點發光二極管的超清液晶屏，和基于有機發光半導體的OLED液晶屏，屏幕非常薄，可彎曲。這些液晶屏技術為設計師提供更大的設計空間，有儀表與娛樂主機一體化的長連屏，如2018年CES奔馳發布的A級車儀表與娛樂主機系統屏幕的設計；有類似Pad的15寸大屏，如：特斯拉的娛樂主機屏幕；有貫穿主副駕的一字大屏，如：2018年CES拜騰發布的新車的儀表與娛樂主機屏幕；有曲面長屏和環抱式大屏，如：2018年CES現代和日產展出的概念車的屏幕設計[8]；有多功能微顯示屏，可顯示空調溫度，也可以用于調節功能，如：2018年CES哈曼展出的概念車中的設計[9]；有通過2塊屏和半反射鏡組成的立體顯示屏，在保持高度可視性的同時，讓用戶真正感受到了逼真的景深感，如：2018年CES三菱展出的概念車的儀表屏幕設計，還有AR-HUD及全息投影，讓用戶更自然、更直接地接收信息的顯示方式。

圖3 信息顯示屏幕變化

4.1AR-HUD

HUD是通過光學投影原理，將光投射在前擋風玻璃上，在駕駛員的視線前方形成一個虛像顯示屏，顯示行車中信息，駕駛者的視線無需離開道路就可以看到，解決了查看汽車顯示設備需要視線掃視（Glance）帶來的安全隱患。而AR-HUD，是利用了增強現實技術，將虛像信息和現實世界信息進行疊加，讓駕駛員更直接獲取信息(圖4)，是AR技術在汽車領域的一個典型的應用。AR-HUD最典型的作用之一便是用于導航。虛像的導航指示信息直接疊加到現實道路上，駕駛員不用任何方向和路徑分析就知道自己應該如何走。

圖4AR-HUD導航信息顯示

寶馬是采用HUD技術最多的汽車公司，寶馬5系旅行版的全彩HUD功能，可以顯示包括車速、導航指引、限速信息、車距過近提醒等內容。

與HUD相比，AR-HUD要復雜得多，前者只是一套投射并顯示信息的設備，而AR-HUD則需要和ADAS等系統深度整合，以實現更高級的效果和功能。可以說車載AR-HUD就是駕駛者的另一雙“眼睛”，通過它，你就能直觀的看到更多信息。

4.2 全息投影

全息技術是利用干涉原理，將物體發出特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，使物光波前的全部信息都存儲在記錄介質中，故所記錄的干涉條紋圖樣被稱為“全息圖”。當用光波照射全息圖時，由于衍射原理能重現出原始物光波，從而形成原物體逼真的三維像，例如空中懸浮的3D車輛（圖5）。

圖5 全息投影顯示

許多汽車制造商目前正在關注全息投影技術，全息投影可以改善HUD的顯示效果，增加HUD的眼圖盒（駕駛員能看到的范圍），亞利桑那大學的研究人員已經使用全息光學元件來創建平視顯示器，即使觀看者四處走動或未定位在預期視場中，也能傳遞信息。這項研究已經發表在“光學學會應用光學”雜志上。全息投影可以與AI技術結合實現一種浸入感的交互體驗。賓利在他們的SUV概念車Bentayga中展示了全息管家（圖6），他可以幫助推薦餐館并預約。梅賽德斯-奔馳奔馳在廂式貨物概念車內集成了全息投影（圖7）。寶馬展示HoloActive全息觸控技術（圖8）。韓國現代也正在研發全息投影技術，他們希望將其用在儀表盤上甚至座椅上。實現在你開車的時候，你的秘書或妻子能夠通過全息投影的方式坐在你的身邊。

未來全息投影技術會讓自動駕駛汽車變得更加人性化。

圖6 賓利的全息管家

圖7 奔馳的全息投影

圖8 寶馬的全息觸控技術

5 從交互設計分析

為了提供極致的用戶體驗，IVI系統的功能也越來越多，已經不僅僅具備收音機、導航功能，而增加了很多娛樂功能、汽車控制功能，物理控制按鍵也逐步轉為液晶屏幕內的“軟開關”控制，汽車已經從一個單純的交通工具轉變為具備交通運輸功能同時也具有強大服務功能的移動終端。復雜的功能滿足用戶需求欲望的同時也增加了學習成本，而要實現良好的用戶體驗，理想的狀態是交互方式要符合用戶日常習慣，最大化降低學習成本。如何能達到這一點，或更加接近這一點？

5.1 無意識無縫連接的“自然交互”方式

“自然交互”也就是直觀、自然的交互體驗，不需要太多學習就能上手。在汽車行業，“自然交互”將成為未來的一大趨勢，實現自然交互的主要技術有智能語音、手勢交互、觸控、生物識別（面部識別、指紋識別、眼動識別）、用戶意圖和健康測量，甚至還有最新研究的腦電波+肌肉信號等。

●智能語音

除了我們現在使用頻率比較高的導航功能外，智能語音交互系統還將在支付、社交、音樂等多個領域發揮它的作用和光彩。

根據Analysys易觀數據的分析，到2023年之前車聯網的滲透率將會超過50%。同時，智能語音交互也一定會成為自動駕駛汽車的標準配置，即使沒有開車經驗人，也可以輕松的駕馭汽車，語音交互將帶領我們進入一個真正的智能時代（圖9、圖10）。

圖9 寶馬配備有nuance本地嵌入式加云端混合式語音

圖10 榮威ERX5配備有nuance語音系統

●手勢交互

汽車手勢交互屬于新興的行為設計門類，具有巨大的發展潛力（圖11、圖12）。與人臉識別、HUD顯示和語音命令等先進技術相結合，將更好的應用于汽車交互。在即將到來的環境交互時代，為了更有效的溝通技術與人，手勢作為人們與生俱來的一種自然交互方式，不依賴界面等第三方設備[10]，能夠最大限度地減少認知和視覺溝通成本，在環境交互時代具有巨大的發展潛力[11]。

●觸控

未來的觸控技術突破了平面觸控技術。依靠安裝在座艙里的超聲波設備，會向指尖發送脈沖信號，這樣的話，手指就能感覺到輕微的壓力。可以讓用戶不用看就可以更自然地操作。寶馬在他們的概念車和新技術中展示了觸覺反饋式控制。博世公司在2017年CES展上展示了他們的非接觸觸控技術（圖13）。

圖11 拜騰的三維手勢控制技術

圖12 寶馬的手勢控制技術。通過手揮動、空中輕點等手勢實現多種操控功能。

圖13 博世公司的觸控技術

●生物識別

運用生物識別（臉、眼、指紋、聲紋等）技術可實現情感化、個性化設計，提供用戶的體驗感和個人歸屬感。

拜騰通過B柱上的三顆攝像頭和一個觸摸按鍵實現車門的解鎖（圖14），通過對車主正面面部圖像的3D建模，對比數據庫中的存儲的數據，完成車主信息的匹配。

圖14 拜騰的三維手勢控制技術

5.2 交互多模態

各種交互手段都有各自的優點和缺點，比如，語音是人日常使用最多的交互，智能語音交互就有它

得天獨厚的自然特點，但即使利用AI技術實現了語意識別和方言識別，也無法在非常嘈雜的環境下，得到滿意的識別率。手勢交互也是人日常使用的交互手段，但目前計算機還無法準確識別真實意圖和人們自然做的所有意外手勢，以及外界環境光變化的手勢。未來的交互應該是多種“自然交互”方式并存的多模式。如圖15，1.物理按鍵；2.觸控；3.手勢；4.語音；5.液晶屏視覺交互；6.HUD，未來是這些交互方式共同存在，設計師根據它們不同的特點進行用戶需求和交互方式的平衡設計。

5.3 自動駕駛系統的交互方式

安全是目前自動駕駛車輛最主要問題。多方研究報告揭示了自動駕駛系統設計的弱點，特別是在培養用戶信任方面。這可能是HMI設計難以解決的問題。

在自動駕駛設計的測試中，用戶始終有將車輛控制權移交給機器的恐懼和抑制。部分問題可能是自動駕駛汽車已經造成的嚴重交通事故，其中包括一起駕駛特斯拉的致命車禍。

如果用戶不信任自動駕駛汽車，該技術將無法使用。與此同時，過多的信任會導致自滿，并且會對技術造成危險。那么，問題是如何培養適當的用戶信任。這是HMI設計師需要去做的。

為了使用戶信任自動駕駛系統，但并不過分依賴自動駕駛系統，主要需要解決以下人機交互問題：

●駕駛任務接管問題。從車輛與駕駛員駕駛任務的切換成功與否取決于車輛提供準確信息的形式、數量和格式，HMI設計是否讓用戶信任、愉快、感到有用；

●即使車輛控制駕駛，用戶也需要知道發生了什么（自動駕駛當時的外界環境、車輛狀態等）。只有用戶知道當前的駕駛狀態才會信任自動駕駛系統，并安心乘坐；

●需要有車與車之間、車與外部環境之間的HMI通信。特別是行人應被告知車輛（自動駕駛中車輛）的意圖。這最大限度地提高了用戶的接受度安全性和交通流量。

6 結論

本文從人工智能（AI）技術在汽車HMI設計中的應用、市場的趨勢、信息顯示技術、交互設計四方面展開討論，深度分析了未來汽車人機交互界面設計的趨勢。總結為以下三點：

（1）未來汽車人機交互界面設計的目的是為人提供更好的生活，而不僅僅是對技術的展示，在設計的時候應該充分考人的因素在汽車交互界面設計中的作用。

（2）未來汽車人機交互界面設計要緊密結合AI技術、數字化技術、大數據分析、網聯技術進行設計，比如：智能語音交互、結合駕駛員狀態及情緒的智能IVI信息推送或功能啟動的情感交互設計、全息管家（可自動尋找飯店并預約）、針對自動駕駛的駕駛權接管的交互界面設計等。

（3）未來的人機交互界面設計方向是自然交互技術間的多模態融合，設計師調和各種交互方式，滿足用戶復雜功能需求的同時讓操控更自然、更簡潔、更便利、更舒適。