提升輔助駕駛安全的游戲化增強現實導航設計

萬旻陽

（武漢理工大學 藝術與設計學院，湖北 武漢430070）

1 背景研究

自動駕駛技術的發展使輔助駕駛系統步入商業應用階段，進入人們的生活。2017 年，第四代奧迪A8 進入商業市場，宣稱可以達到SAE 3 級自動駕駛，是迄今為止比較成熟的自動駕駛技術應用范例。美國汽車工程師協會（簡稱SAE）將車輛的自動化水平劃分為0 級（無自動化）～5 級（完全自動化）6 個等級[1]。SAE 3 級自動化則意味著車輛可以在特定情況下完成駕駛任務，而無需駕駛員操作。目前大多數商用自動駕駛汽車處于SAE 2 級——部分自動駕駛，例如特斯拉Model 系列車型，這意味著車輛可以接管駕駛員的部分駕駛任務，人類駕駛員只需要監視路況。但是，人們可以完全依靠輔助駕駛系統了嗎？答案暫時是否定的。美國加州機動車管理局報告了一些與自動駕駛相關的事故，這12 起事故歸因于人類手動駕駛決策機制與自動駕駛決策機制之間的差異[2]，道路上其他車輛的駕駛員錯誤地預測了自動駕駛汽車的行為。這一事實表明，在自動駕駛技術成熟之前，對于駕駛員而言始終注視前方道路并及時處理一些難以預料的交通狀況十分重要。因此，無論是SAE 2 級或3 級自動駕駛，在系統遇見無法應對的情況或出現安全方面的潛在故障時，駕駛員都必須立即接管車輛。

本研究提出的設計構想，建議利用基于平視顯示器（Head-Up Display，簡稱HUD）和全系光學元件構建游戲化增強現實導航系統。以無縫體驗的方式鼓勵駕駛員集中駕駛，提高輔助駕駛的行駛安全。筆者利用PACTs 框架對該系統進行闡述，即從People（人）、Activities（活動）、Context（情境）、Technologies（技術）以及Success Factors（成功要素）的角度全方位地描述一個完整的故事：利益相關者在何種情境下通過哪些技術進行了哪些活動，并分析該系統成功的因素。

2 相關概念

2.1 無縫性設計與有縫性設計

WEISER 在其1991 年的著作“The Computer for the 21st Century”中提出了無縫技術（Seamless Technology）的概念。他認為對人類影響最深遠的技術應該是無形的，可以使人們去關注所要完成的任務，而不是關注技術本身[3]。這種無形的體驗已經集成在人們的日常生活中，例如通過集成手機虛擬助手、智能音響和智能家電等部件，創造出一個“隱形”的、無縫體驗的居家生態系統。

但WEISER 在其1994 年和1995 年的研究中指出了無縫性體驗的局限性——讓所有的科技應用都打造無縫性體驗等同于創造是一切都相同的體驗[4-6]。所以，他倡導有縫性設計（Seamful design）。但這并不意味著制造分裂的用戶體驗，而是設計具有“漂亮的裂縫”的系統體驗：有縫性的設計理念可以提升技術的靈活性，刻意利用并向用戶展示“接縫”，使用戶意識到某種技術所具有的局限性，以便更好地適應它。

2.2 增強現實技術

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）是一種將虛擬信息或圖像與真實世界無縫疊合，使用戶可以實時獲得信息輔助并與之交互的技術[7]?？v向回顧幾十年間AR 技術的發展，目前該技術已經在醫療、交通、航天、通信、教育以及工業維修領域發揮著重要的作用，成為人類個體與信息世界溝通的重要樞紐。

1997 年AZUMA 調查發現，在早期的研究中AR 圖像的視覺定位主要基于頭戴式顯示器[7-9]。20 1 0 年在KREVENLEN 的報告中則出現了更多便攜的顯示方式，例如AR 眼鏡、手機中的嵌入式應用程序以及全息投影顯示器[9]。隨著AR 顯示載體的不斷優化，AR 式導航在駕駛場景中的重要性逐漸凸顯，且應用得越來越普遍。WayRay 公司于2017 年推出了“Navion”，其是一款基于全息HUD 的汽車AR 導航系統。虛擬導航信息與道路相疊合，降低了駕駛員視覺分心的概率，且駕駛員無需將傳統二維地圖導航經過大腦處理再映射到真實世界的道路上，減小了駕駛員的認知負荷。

應用AR 技術時最大的挑戰和局限是計算機圖像配準和檢測錯誤的問題[7-9]。傳感器精度隨著技術的發展有了很大提高，限制雖然很小但仍然存在。AZUMA 指出，出于安全考慮，如果AR 技術沒有達到很高的圖像配準率，則無法應用于例如醫學等要求高的領域。技術局限可能就是應用增強現實需要考慮的“接縫”。

2.3 游戲化駕駛體驗

游戲化的定義是“將游戲設計應用到非游戲領域”[10]。游戲化體驗使得某項任務變得更有趣，以激發用戶更加積極主動地參與到任務中。在輔助駕駛場景利用風窗作為AR 顯示技術的載體將虛擬的游戲化信息與現實世界疊合，駕駛員能夠與游戲化系統進行交互，并以一種愉悅而自然的方式將注意力集中在道路上，無需任何穿戴媒介。

SCHROETER 等人針對SAE 2級和3 級的輔助駕駛提出了“口袋妖怪駕駛（Pokemon Drive）”的設計概念[11]。將路面上的潛在危險用虛擬的黃色皮卡丘圖片標注出來，當危險靠近時，駕駛員輕掃方向盤則代表他們注意到了這個危險，虛擬圖像隨之消失，游戲化系統會依照駕駛員面對危險的反應時間獎勵他們相應的分數，刺激駕駛員持續關注路況。WayRay 公司在2018 年推出一款車輛定位配件“Element”和其配套的智能手機應用程序“Autoyoga”，通過游戲化獎勵鼓勵駕駛員用戶節能駕駛、安全駕駛。這些游戲化體驗可以與AR 導航結合起來，形成更具有吸引力的系統。

3 系統設計

具體設計概念將通過PACTs 框架闡述，即“用戶使用某種技術在特定環境中進行某項活動[12]?！币虼耍狙芯恐性O計概念的使用體驗可總結為“駕駛員使用游戲化AR 導航系統在城市道路上進行導航，以及處理在SAE 2 級和3 級自動駕駛中的接管請求”。本節將闡述與設計概念相關的人、活動、情境、技術，以及設計概念的成功需要具備哪些因素。

3.1 People（人）

該系統的目標用戶是裝配有輔助駕駛系統（具有2 級或3 級自動化能力）的智能駕駛汽車的駕駛員。在考慮目標用戶時，年齡差異是一個需要考慮的因素，例如游戲化設計對青年駕駛員、中年駕駛員和老年人駕駛員的影響力差異，以及接受度差異。

3.2 Activities（活動）

在該設計概念中，活動包含導航以及出于嚴肅目的和娛樂活動，例如通過游戲化策略評估并獎勵駕駛員的安全駕駛行為。AR 虛擬信息會疊加在汽車風窗上，向駕駛員展示導航信息以及接管信息等。每當駕駛員成功識別出一項可能會對形式造成威脅的潛在危險，并即時接管車輛（即在系統的提示下由輔助駕駛模式切換到手動控制時，游戲化系統就會向駕駛員提供虛擬分數獎勵）。

在考慮駕駛員玩家需要執行什么樣的活動或任務時，除了虛擬分數獎勵，還可以考慮一些物理的游戲性交互輸入和反饋方式。

3.3 Context（情境）

DIXIT 等人的研究顯示，在2014-09—2016-02 發生的與自動駕駛相關的事故均發生在城市街道十字路口附近低速行駛的區域[2]。因此，本研究中的系統設計概念考慮以城市道路為主。與高速公路路況單一的特點相比，城市道路的交通狀況和路況更為復雜多變，有更多不可預測的因素，例如行人、自行車和路標等。這些不可預測的因素都可以成為游戲化設計利用的元素。

系統界面由AR 導航提示和AR 游戲元素組成。當駕駛員開啟輔助駕駛模式遵循擋風玻璃上的導航提示并以低速沿著城市道路行駛時，一位騎行者突然從后面超車，駕駛員立即接管駕駛任務并及時踩下剎車，游戲化系統會根據駕駛員接管車輛的時間獎勵他們相應的分數，累計獲得的分數越多，玩家游戲級別就越高。引入排行榜機制，可以在駕駛員到達目的地時將他們本次行程的得分與其他使用該系統的駕駛員玩家進行比較。

MAYER 的雙通道理論認為，在手動駕駛過程中虛擬信息有可能會引起駕駛員視覺分散或視覺通道中的信息過載[13]。為了減少這種潛在的危險行為，筆者認為在駕駛員玩家由輔助駕駛模式轉向手動駕駛模式后應當隱藏或簡化游戲化虛擬信息，以減少其對駕駛員的視覺干擾。

3.4 Technology（技術）

為了在該系統中實現流暢無縫的用戶體驗，需要利用全息投影式HUD 將虛擬信息與道路整合起來使其精準地與道路疊合，而無需任何駕駛員可以明顯感知到的AR 媒介（例如可穿戴設備或視頻屏幕）。將精準的定位和跟蹤傳感器以及深度感知攝像頭等硬件嵌入到全息投影中[11]。

3.5 Success（成功因素）

為了在增強現實技術本身“隱形”的情況下（即讓用戶關注系統體驗，而不是關注技術本身）使用戶能夠本能且直觀地與之交互，該系統需要謹慎設計一些對駕駛員顯示的功能可見性（Affordance）。尤其是對于首次駕車的駕駛員，會得到一個線索來開始游戲化導航，駕駛員可以選擇自己喜歡的交互方式，也可以選擇呈現或隱藏起這些虛擬信息。語音命令是與系統交互相對自然的方式。車輛起步時，AR 導航圖像將顯示5 s，隨后消失，使駕駛員基本了解該系統能夠提供的功能。與此同時，語音指令將引導駕駛員選擇他們喜歡的模式（純導航模式VS 游戲化導航模式）。這兩種模式的圖標將顯示在駕駛員一側的界面，圖標點亮表示相應的模式已開啟。

盡管游戲化AR 導航系統是一種新穎的應用程序，但該系統的用戶學習成本很低。系統可清楚地向駕駛員玩家介紹其使用機制，駕駛員也可以從他們通常玩的游戲以及平時使用的導航軟件中汲取經驗。

有縫性設計理念用于處理那些不可避免的局限性問題，以提高用戶對系統的適應力和響應能力。在游戲化AR 導航系統中，當增強現實技術出現滯后情況或傳感錯誤時，系統將通過提醒駕駛員并隱藏不正確的虛擬信息以防止誤導駕駛員，并為他們提供更靈活的人為決策空間。對于這種車載系統，可以輕松實現軟件版本的更新，但硬件升級的成本相對較高。

除了具有導航功能外，該系統還旨在吸引駕駛員的視覺注意力，因此是否對駕駛員具有吸引力是該系統成功的重要因素。游戲化AR 導航系統利用排行榜、等級、分數等游戲元素來營造愉悅的駕駛體驗，提升駕駛員參與度[10]。駕駛員會覺得自己在現實世界中玩駕駛游戲，對于具有SAE 2 級和3 級自動化的車輛來說是一種新的車載娛樂方式和設計機會點。

4 設計思考

盡管WERSER 后來提倡“有縫性”的設計理念[4-6]，但這并不意味著他之前提出的無縫性設計理念具有誤導性。實現無縫的流暢體驗對駕駛導航系統依然十分重要。游戲化AR 導航系統的優勢在于，它可以在駕駛時為駕駛員提供自然、流暢的導航和游戲體驗。

在風窗上使用全息投射式HUD 意味著駕駛員可以不依賴任何可穿戴設備即可與系統進行交互。游戲化AR 導航系統基于準確的定位生態系統，以感知汽車的實時環境并在不引起駕駛員感知的情況下訪問基于位置的服務[14]將游戲化AR 導航信息無縫集成到現實世界中，至此駕駛員可以專注于駕駛任務而不是技術本身。

然而，技術“接縫”在增強現實中是不可避免的。如果研究者們過分追求系統的無縫性，則駕駛員可能不會意識到技術問題的存在，并可能導致交通事故。與其強行避開技術問題而獲得無縫的系統體驗，不如正確地利用“接縫”[4]。例如，在游戲化AR 導航系統可能出現感測錯誤時提醒駕駛員游戲化導航可能不準確，并切換到簡潔模式，使駕駛員意識到這個“接縫”，從而賦予駕駛員更多做決策的空間。

在將來，這種游戲化系統可能會形成一個大型社區，以實現在線多人游戲的效果。越多人參與，系統就越有吸引力?？偠灾詿o縫理念設計駕駛員與實時路況之間的交互可以提供更流暢的駕駛體驗。但是當出現不可避免的技術局限（例如感應錯誤）時，有縫性設計的理念則可以賦予駕駛員更多做決策的空間，幫助駕駛員預估和處理當下的交通狀況，保障駕駛的安全。