風擋上的進階革命：AR-HUD車載息系統的界面設計探索

徐禕青

摘要：利用AR-HUD可實現的圖像信息與實景融合的效果進行界面設計研究，以拓展駕駛員的環境信息感知和優化駕駛注意力資源分配。分析AR-HUD車載交互界面的發展現狀，研究并綜合駕駛者注意力分配模型和用戶心智模型提出未來AR-HUD設計中的信息架構和潛在機會點。AR-HUD的界面設計須尊重駕駛過程中不同級別任務對于信息的需求，并且結合視覺注意力分配的規律來合理適宜得增強相關信息。后續設計中考慮利用服務設計的方法基于場景提供增強的信息類型。

關鍵詞：交互設計 AR-HUD 車載HMI

中圖分類號：J05文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）01-0084-04

Abstract： To study the interface design of AR-HUD based on its fusion between achievable image information and real-life， for expanding the driver's environmental information perception and optimize driving attention resource allocation. Doing research on the development status of AR-HUD interface， combining driver attention distribution model and user mental model to propose the information architecture and potential opportunities in the future AR-HUD design. The interface design of AR-HUD must respect the information needs of different levels of tasks in the driving process， and combine the mles of visual attention distribution to reasonably improve the relevant information. The use of service design approaches can be used in subsequent designs to provide enhanced information types based on scenarios. Keywords： Interaction Design AR-HUD In-vehicle HMI

引言

隨著人們出行需求的進一步增長，不同的信息和服務需求也隨之而來。私家車保有量日益攀升催生了更多城市擁堵以及人們更長的車內時間;而公共交通也衍生出了更多形式的革新，例如“網約車”和“汽車分時租賃”。在這樣的背景下，無論從人們日常通勤、走親訪友、自駕出游這些不同目的的出行行為看，抑或普通私家車車主、網約車車主、租車用戶等不同的駕駛人群看，準確、安全、實時和完善的車載信息系統愈加不可或缺，它起到幫助用戶更好地處理駕駛過程中遇到的任務和豐富駕駛時間的作用。另一方面，伴隨消費升級，城市居民也青睞購置功能完備，電子化程度高和自動化水平高的汽車都增加了整個車載人機信息系統的復雜性，對汽車人機界面設計提出了挑戰。

一、AR-HUD產生背景和技術實現

伴隨著GPS全球衛星定位系統的成熟，車載GPS系統逐漸成為前裝標配。目前大部分車載導航以及手機導航應用仍然以平面二維導航為主，使人們需要將其中的地圖信息在使用移動導航應用時與現實環境映射。在行車過程中駕駛員觀察導航界面信息、車載娛樂信息和中空面板信息等占用大量視覺資源的次任務被稱為視覺次任務（Visual Secondary task），這些視覺次任務會和駕駛主任務在視覺通道資源的使用上形成競爭，易在長時間的使用過程中產生疲勞從而影響駕駛安全[1]。現在的車載信息服務系統一方面干擾著駕駛用戶必要的前方嘹望時間，另一方面是二維車載導航界面有很多使用體驗上的局限性和不流暢存在。例如觸屏的交互方式和界面設計讓用戶在多岔路執行操作和中途變更路線的時候受到了很大的困擾。GPS在高度上又有感知的缺陷，使得缺乏實景導航的二維導航很容易讓用戶在高架道路與地面道路重疊的區位“上下不分”。這讓HUD平視顯示映入人們的眼簾，它是實現車載二維導航向實景導航轉移的第一步。

HUD（Head Up Display，平視顯示器）是從戰斗機應用過渡向車載的光學投影技術，幫助飛機駕駛員減輕認知負荷，提高飛機操控舒適度的應用。目前運用在HUD的主要技術包括LCD投影、DLP投影、激光掃描投影、LC0S投影等o

由于技術、成本等限制因素，傳統車載HUD在分辨率、視場角等指標上差強人意，沒有廣泛應用的前提提交。伴隨增強現實技術（AR）日趨成熟的發展，與AR相結合的HUD技術進入人們的視野，它具有克服現有車載信息人機交互需求瓶頸的潛力。一代HUD視場角在5度左右，投影距離約2米，顯示尺寸4-8寸，這類產品被比喻為諾基亞功能機;二代HUD視場角為10度左右，投影距離為約3米，顯示尺寸15-20寸，這類產品被視為智能車載顯示器，把其類比為智能手機;第三代HUD視場角大于50度，實現全車窗信息顯示，這類產品被類比為AR眼鏡。[3]

技術實現主要依靠AR-HUD使用了增強投影面技術，通過數字微鏡元件生成圖像元素，成像幕通過反射鏡最終射向擋風玻璃。增強過后的導航信息在駕駛員視野中與車道線已經進行了融合。

接下來以大陸集團的AR-HUD為例簡要說明其實現原理。它投影產生兩個不同距離的投影面，也被稱為狀態投影面或近投影，和增強投影面或遠投影。近投影出現在駕駛者視線下前方的發動機罩末端，能夠顯示駕駛員所選的狀態信息，如限速及即時車速和ACC當前設置。遠投影由一個薄膜晶體管顯示器產生，它用LED強背光產生顯示內容。此成像單元緊湊地集成在AR-HUD模塊的上部，將虛擬的信息放大顯示（如圖1）。

接下來的光學路徑類似于傳統平視顯示器的光學路徑：成像幕上的圖像通過第一個反射鏡反射到第二個更大的鏡子（ARHUD鏡）上，再從那里射向擋風玻璃。增強光學系統的出射面幾乎達到DINA4尺寸，相當于直接視野內有幾何寬度130厘米和高度63厘米的可增強視域。兩個投影面的成像顯示光密度可達到10000坎德拉/平方米以上，幾乎在大多強烈的環境光條件下都能清晰顯示。

綜上簡述，大多數環境情況下，行業內已有增強現實平視顯示系統使用兩個不同投影距離的投影面能夠做到7.5m遠投影在行駛道路上圖像信息，2.4m近投影顯示狀態信息[4]。

二、行業發展現狀與現有產品界面特征

目前的行業現狀更多地將研發投入放在技術實現上，包含輸出視頻流暢度、光學效果、位置追蹤和系統穩定性等。AR-HUD車載信息系統完備得走向大范圍市場應用是一個對系統穩定性有很強要求的場景。在高速運動的車內空間保持虛擬物體成像清晰并正確錨定在正確的位置;提高它與整車的配合度以及準確率;在投影上更好的視覺感受;這些是現階段提升用戶體驗最核心的部分。另一方面目前產業界也更多停留在探索這個產品的商業模式和信息框架上，還沒有予以界面設計中的架構和與用戶的視覺匹配給予足夠多重視和關注度。

針對界面設計，現對現有的幾款前裝以及后裝HUD產品的功能信息元素和布局特征進行了簡單的歸納和分析，詳見（如表1）。

現在的市場主體包括眾多主機廠BMW，凱迪拉克等。也有很多廣受關注的后裝初創企業，例如NAVYD和Waymy。它們之中真正達到增強現實車載信息界面效果的，即全天窗信息呈現的主要是寶馬，大陸，Wayray以及現代的平視顯示產品。大多對外展示出來的產品還在演示視頻階段，在此簡要展示一些產品演示界面并加以分析（如圖2、3）。

這幾款產品基本上都包含了如下的信息功能：當下車速、ACC自適應巡航輔助、車距警告、變道提示、環境行人警告、車道偏離預警、前車預警。它們在導航信息的呈現方式上并不完全一樣。雖然界面還是用轉向箭頭的方式向駕駛者展示車輛下一個行進軌跡變化。但是轉向或者變道箭頭會完全貼合實際的道路形狀。并且不同產品將這些信息的成像距離控制在視線前相同位置。而Wayray的產品演示中對導航信息的設計展示則更為創新和多元，摒棄了從二維導航界面中移植來的視線正中央虛擬箭頭，而是用虛擬元素制造的彎曲車道貼在現實路況上，從而模擬出駕駛員的行徑軌跡（如圖4）。這些產品的界面視覺元素都用了紅、黃、藍、綠這些高飽和顏色，并且符合顏色語義，例如紅色代表警示性符號。因為上述多為國外產品原型，交通環境信號與車載信息表達規則和我國不完全一致，在此不進行更深入的分析。

三、AR-HUD界面信息分類及選擇

（一）AR駕駛系統信息界面對駕駛者視覺注意力分配的影響

關于AR-HUD車載信息系統界面設計的信息選擇和信息架構，學術界的研究側重在AR-HUD車載信息系統界面與駕駛用戶信息感知和處理的匹配上。RobinEyraud等人通過不同類型信息的增強高亮輔助駕駛對于駕駛者的視覺注意力分配影響的實驗研究給了設計者合理設計AR系統重要的參考[5]，實驗的內容和結論如下：

在Mkhon的經典駕駛模型中，駕駛任務被分為三種級別。一是維持汽車正常行駛的操作，即一般控制任務（ControlTask）;二是為維持汽車安全行駛，并且根據交通規則和行車環境，與其他車輛或行人進行安全交互的任務，所謂機動控制任務（Manoeuvring Task）;三是例如路線規劃這類需要駕駛員推理和構思的策略任務（StrategicTask）。這三級任務在駕駛過程的重要度隨依次遞增，并且交替產生、相互關聯、共同作用使駕駛行為處在安全、穩定的范圍內[6]。

實驗用After Effects模擬增強了環境中針對控制任務的一般環境信息和跟技術任務相關的操作信息，并設置了對照組。試驗結果顯示AR在駕駛決策階段更強烈地影響視覺注意力的分配。當AR趨于呈現技術任務相關線索時，AR優化駕駛行為。一個有效的AR系統應該只提供突出的或優先的信息，這些信息與執行該技術任務直接相關。一個非針對技術任務的AR會降低視覺注意力的分配，反而導致在需要駕駛員進行任務前的決策分心。

這個研究結果僅限于此處研究的AR模式，即突出顯示環境中已存在的圖形元素。這種類型的AR旨在增強現有信息的顯著性，而不增加新的信息。向環境中添加信息（例如車輛間距離，興趣點）的其他形式的AR提出了關于修改視覺注意力分配的進一步問題。

（二）問卷支持

在這個研究結論的基礎上，AR-HUD信息系統須優先增強和用戶執行技術任務和策略任務相關的信息。將汽車人機系統信息分類為導航信息，汽車狀態信息以及環境興趣點信息，對232名駕駛員進行問卷調研以了解這些信息對用戶駕駛決策的重要程度。調査問卷（如圖5）所示。回收有效問卷巧9份。結果（如表2、3、4）所示，去除平均值為負的導航信息和汽車狀態信息，進入之后的設計環節。

四、AR-HUD界面設計探索

（一）結合SEEV模型和問卷結果制定信息布局根據前文提到的實驗結果可以看到在后續設計AR-HUD時需要尊重駕駛用戶在駕駛過程中的視覺規律，在恰當時機提供必要的信息。根據SEEV模型，影響駕駛注意力的有4個影響因素：突顯性（Salience）、努力（Effort）、預期性（Expectancy）和價值（Value）。在一個情境中有效的信息設計策略必須服務于那個場景的特定任務。在SEEV模型中，雖然視覺注意力受到四個因素的影響，但它必須主要由自上而下的因素（預期性和價值）來指導，以獲得最佳效果。相反，自下而上的因素（突顯性和努力）必須最小化或使用。預期性是指一個信息元素的出現符合用戶心智的預期。價值是另一個自上而下的因素，是執行任務時某個視覺元素的重要性，以及任務本身的重要性。一個優質的AR-HUD的表現可以被定義為價值和突顯性之間的一致性。[7]即利用AR增強高重要度和任務相關性的元素，以及不違背用戶心智預期的信息元素。綜上，制定了如下的信息布局圖（如圖6）。

（二）自定義界面和自適應性模塊

鑒于不同用戶的駕駛習慣和偏好各有差異。而汽車人機交互尤其是車載導航的交互過程中，用戶行為需求具有多任務并行的結構特征。這樣的狀態下，完成各個任務需要用戶分配調動自身的任務資源，不同任務間就存在一定資源沖突，所以AR-HUD的設計可以給用戶保留自定義的空間，來開關他們需要的信息模塊以及選擇符合他們視覺偏好的信息元素設計。界面可以有更強的自適應性，即分區布局，有固定的區塊和常顯的信息，也有自適應的模塊承載隨機信息。例如可以在沒有特殊汽車狀態信息顯示的時候切換為信息娛樂系統的信息。在此將之前的所有信息元素按照常顯與否以及動態區塊分了類別（如圖7）。并將導航信息模塊和汽車狀態&信息模塊的設計做了一些嘗試（如圖8、9）。

（三）基于情境的服務設計

在后期AR-HUD發展成熟可以發展更多功能的時候，須考慮怎么合理進行人機界面后續興趣點的信息篩選和交互設計，有必要站在基于情境的設計方法上以服務為導向看待設計問題。如果將AR-HUD看作向用戶提供潛在服務的接觸點。可以思考的方向有;0BD所承載的汽車狀態信息很多，沒有必要全部展示出來。而興趣點的提示如果過多勢必造成駕駛用戶的煩擾，如果結合兩者為用戶提供必要的興趣點信息可能就是符合情境的好服務了。例如當感知汽車油量瀕危時，AR-HUD為用戶投影出油箱告急的提示之外，也為用戶提示附近加油站的位置。同理，停車位、汽車維修廠等興趣點提示都可以結合汽車狀態信息而被呈現（如圖10）。

（四）結合語音交互，把握信息顯示時機

研究表明，在駕駛行為發生前2.5秒到3秒呈現相關信息是最好幫助用戶感知和決策的時機，后續設計中可以考慮結合車速對所投影的影響駕駛任務信息投放時機進行控制。

至于聲音信息，設計時要考慮這些元素：聲音本身、用戶聽覺感知和聲音認知的規律，綜合以上因素制定信息內容和信息傳達的形式;至于導航中的指示信息據研究表明應以空間表征和行為指示組合的語言組織為主，如“前方、右轉”。指示語音宜建立在自然語言的基礎上，另一方面盡量使用較短的詞和句減少記憶和認知負擔。相對于視覺傳達，聲音信息的傳達力度更強，因此較為適合情境信息或指示信息使用[8]。

結語

本文首先介紹了AR-HUD出現的時代背景和技術條件，結合需求調研了當下的行業產品界面設計，進行了分析和歸納。在此基礎上用問卷調查的方法獲悉了用戶對不同類型信息的重視程度，結合駕駛視覺注意力分配的需求制訂了信息架構和界面信息布局。并且針對AR-HUD的設計提出了一些不同角度的設計思考，并完成了對應模塊的設計嘗試，后續值得進行更完整的系統設計和測試落實。

基金項目：東南大學教學改革基金項目5202007110。

參考文獻

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[3]森賽威爾-迪歐HUD還是雞肋么？這家公司正通過“前裝”最大化ARHUD的商業價值[EB/OL].https：//www.leiphone.com/news/201705/ZqlIh8uSTGVXxiJu.html

[4]思佳AR-HUD增強抬頭顯7K技術詳解[EB/OL].https：//www.taihuoniao.coin/topic/view-104718-l.html

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