增強現實在汽車設計中的應用研究

陳熠璇 徐娟芳

摘要：研究增強現實技術在汽車設計領域的理論基礎與應用現狀。文章通過對國內外增強現實技術實踐應用的解讀，初步研究了增強現實技術在汽車設計中的應用分類，以及設計難點，并對應用案例進行了具體分析。最終歸納出設計實現時需注意的要素，為后續設計研究者提供一定的參考。

關鍵詞：增強現實增強裝配AR-HUD人機交互空間增強現實系統汽車設計

中圖分類號：U462

文獻標識碼：A

文章編號：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

增強現實技術（Augmented Reality）最早在1990年被提出，步入2000年后在企業和學術界引起熱議。AR技術指的是，利用物體檢測和識別技術、運動跟蹤技術以及自然人機交互（Nature UserInterface），將物理現實世界中的環境元素與增強計算機生成的圖像融合在一起，從而使真實世界的信息擁有了可交互和數字化的特性。與完全沉浸在數字空間里的虛擬現實技術（Virtual Reality）不同，AR只是將符號，場景和物體等數字信息融入現實空間，因此具有更強的可操作性和更廣泛的應用場景。AR技術自出現以來一直存在特制設備以及價格的壁壘，并且沒有一套權威可參考的交互規范，因此沒有得到普遍應用，今年隨著5G技術的到來，實現了更快的傳輸速度運算速度以及更低的時延，可以預見無處不在的AR交互將逐漸由暢想變為現實，更多消費級別的設備將會出現在我們的日常生活中，作用于醫學可視化、娛樂、教育、智慧物流、維護和維修等等領域。

由于AR技術具有真實性和交互性，適用于產品生產流程中的一系列問題，因此AR技術也逐漸引起汽車設計制造人員和企業的重視，在進行方案規劃、工程裝配、評估人因功效，或對人員進行訓練時，AR技術都有助于提高效率和正確率。但目前還沒有文章對AR在整車設計流程中的應用進行全面的整理，因此本文對1990年至2020年發表的AR在汽車設計裝配流程和汽車人機交互設計的應用現狀進行了歸納，并分析后續的研究趨勢。

一、AR系統組成

（一）AR系統結構

1.基于顯示器的Monitor-based系統。此系統是以顯示器為載體的AR系統，在系統中攝像機采集真實環境中的圖像視頻信息，并將方位信息輸入圖形系統進行解析，計算機處理環境信息和數字信息，合成虛擬影像輸出到顯示器，虛實混合場景通過屏幕進入人眼。它是一套最易實現的AR方案，因此廣泛應用于各領域。

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

3.基于光學原理的Optical see-through系統。在上述的兩個AR系統中，信息要經過兩個通道：攝像機采集物理環境信息、計算機編碼虛擬信息。而在optical see-through系統中虛擬圖像由設備反饋到真實世界中與真實世界中的信息進行合成，經光學透鏡減光處理后直接進入人眼，三種系統的結構如圖l所示。

（二）汽車設計中的AR硬件

計算機中央處理器（CPU）性能提升、傳感器微型化以及通信網絡的發展等多領域的條件驅動了AR硬件的技術進步，目前在汽車中的應用到的硬件主要有：

1.移動手持設備。智能手機和平板電腦是移動手持設備的代表，這些智能終端擁有高移動性、可消費性以及陀螺儀、GPS等功能，對AR技術的普及和推廣起了重要作用，借助移動設備體積和重量的天然優勢，AR技術得以在各領域得到應用。在汽車領域中，主要運用在兩個方面：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，它既是一個真實世界圖像的減光鏡也是一塊能顯示數字信息的顯示屏。目前Magic Leap One、HoIoLens 2等頭戴式產品都已進入消費級市場，許多車產也致力于研究提高HMD的光學效率，降低體積和重量，以便更好的運用到汽車工業中。例如MINI在2015上海車展展出了新研發的現實增強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.空間增強現實（Space Augmented Reality）系統。與其它所有硬件不同的是，SAR系統嵌入了我們周圍的環境，空間中的任意位置都能成為交互的載體，SAR系統的優勢在于不需要透過顯示屏就能夠讓圖像直接進入人眼，減小了信息在傳遞過程中的流失。在汽車制造中，圖紙是主要檢測對照工具，如車身點焊質量檢查主要依賴于在圖紙上標記檢查點，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字信息，幫助技術人員更有效、更高效地進行檢查工作。

二、AR在汽車設計工程中的應用

目前增強現實技術在汽車設計工程中的應用最廣泛的是增強裝配（Augmented Assem bly），指在增強環境中，工程師運用虛擬模型輔助產品裝配，使得汽車設計早期的裝配速度提升，從而達到更佳的完成效果。X.Wang[2]收集了谷歌學術和多個國際會議上的論文，將基于AR的裝配分為裝配指導、裝配訓練、裝配設計仿真和規劃，每個主題下又細分出了對應子分類，如表l所示。

（一）AR裝配指導 AR技術對于汽車裝配的意義不是用機器代替人力來提高工作質量，而是輔助裝配人員完成難度系數更高的任務。

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

（二）AR裝配訓練

增強裝配訓練指的是系統模擬出裝配步驟畫面，用戶可以操縱虛擬裝配工具和組件，根據提示完成任務。

汽車裝配設計被認是復雜任務的集合，這些任務涉及機器特定程序和技術的知識，需要較高的認知和時間成本，因此，快速可靠地培訓操作員有效地執行任務已經成為許多研究的焦點。許多團隊在裝配過程中使用AR技術進行注釋，證明AR能提供更強的交互性，幫助訓練人員更高效完成任務[3]。

在汽車設計中，AR裝配培訓的最大挑戰是如何處理不同裝配任務在安全性、裝配難度和裝配技能上的差異，因此，在將來應該對AR裝配訓練系統的兼容性展開研究，以提高用戶對系統的理解能力。

（三）AR裝配設計仿真和規劃

AR裝配設計的優點就在于能精準反饋空間中的信息，強化工程人員的三維空間感知。

AR裝配設計系統能讓用戶在裝配過程中看到單個裝配零件的準確位置和方向信息，與傳統圖紙相比，它能通過不同交互方式（包括鼠標、觸控設備、手勢運動捕捉系統）對裝配任務中虛擬對象進行操縱，從而更好的完成裝配指令到實

總的來說，將增強現實技術運用于汽車工程中可以減少許多因缺少信息而造成的錯誤，極大的提高生產效率，但目前的關注點集中在技術實現上，對于應用過程中的易用性和用戶體驗仍不夠重視。

三、AR在汽車人機交互設計中的應用

（一）汽車人機交互應用增強現實技術的優勢

目前增強現實在車載人機交互系統中大部分的研究是圍繞與HUD （Head-Up Display）的結合展開。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，是最早應用該技術的汽車。自此之后，HUD系統逐漸出現在跑車和轎車上，并且從最初以單一色彩投影駕駛信息朝數字化的方向不斷發展。

AR技術的出現為車載HUD創造了新的交互范式。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的地方出現，這就需要設計師考慮如何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任務的方式。

比傳統駕駛座艙相比，AR-HUD的優勢主要體現在以下幾個方面：

1.AR-HUD系統能提高駕駛安全性。與智能手機或平板電腦上的AR應用程序相比，擋風玻璃提供了更直觀更大的視野，合理的信息增強有助于減輕駕駛員的認知負荷。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可作為現實和虛擬世界的中介，沉浸式呈現環境信息。在車聯網時代，汽車將通過傳感器和互聯網感知環境信息，AR則可以提供一種自然的方式來傳達環境的深度信息，真正實現“人一車一環境”之間的交流。

3.AR-HUD可為駕駛員提供個性化信息顯示，以匹配駕駛員的視覺和認知能力。未來的汽車不僅要考慮軟硬件的設計，還需要考慮到社會因素[5]，當前的趨勢是老年駕駛員的數量正在增加，設計車載系統時要將視力因素和認知能力納入思考，AR與其他交互通道（例如聽覺或觸覺）相結合，可以充當駕駛員與汽車協作的中介，在內容和視覺參數方面定制信息，以凸顯駕駛員視野中重要元素，并增強駕駛員對當前情境意識的感知。很多企業都在探索將AR與ADAS相結合，更好地為行車檢測和盲點檢測等主要駕駛任務提供輔助。

（二）汽車人機交互應用增強現實技術的分類

1.AR-HUD與車載導航系統的結合

傳統的車載導航以二維界面為載體顯示信息，駕駛員需要對二維信息進行編碼，轉化為與環境相匹配的三維信息，這個信息加工的過程占用了部分注意資源，影響了駕駛員對真實環境的認知效率，帶來了潛在的駕駛安全問題。

AR-HUD具有在現實世界中疊加虛擬提示的特點，能清晰直觀地描述和感知信息，實現友好的自然交互界面，因此導航是AR技術在車載人機交互系統中最有應用前景的功能。AR技術使汽車成為一個可訪問、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玻璃感知環境信息，并與系統交互，而無需攜帶額外的電子導航設備或改變交互習慣[6]。

增強現實導航系統的應用可細分到四個維度[7]：1.幫助駕駛員尋找道路。運用新的可視化范式，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）所示道路前方出現兩個相距不遠的左轉路口時，可幫助司機快速做出判斷;2.跟車輔助。當道路前方出現車輛，系統可對前車車距車速等信息增強顯示，如圖3 （b）所示視野被前車或景觀遮擋時，能通過隱藏路線增強輔助駕駛;3.交通信號&街道信息增強。前方出現交通信號燈和警示信號標志時，系統會進行二次顯示，以防駕駛員忽略這些信息，或對周圍建筑進行信息增強，幫助駕駛員識別和記憶當前所處位置;4.公共交通信息增強。系統可對公交巴士移動和停止信息進行預判，同時對周圍的行人位置進行增強，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車載人機系統

當前，大多數車載顯示系統都位于主副駕中間或儀表板區域，需要駕駛員將視線從道路上移開，因此車輛中的增強現實（AR）擋風玻璃概念具有提高行車安全性的巨大潛力。現在的應用大致可分為車內（車況、駕駛員等）信息和車外（環境、行人等）信息的增強。

1.車內信息增強。

車內信息包括了傳統儀表盤（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。光線的強弱，天氣的變化。目前已有多個汽車企業正在開發和完善AR-HUD信息系統，例如寶馬在2018年宣布了和FUTURUS公司的合作，是將前擋風玻璃作為顯示屏，這塊顯示屏運用了光場和超材料技術，駕駛員能在上面看到跟隨情境變化的數字信息。

2.車外信息增強。與日常環境不同，駕駛環境是快速變化且復雜的，不僅受到天氣條件、交通指示燈、行人的影響，還有很多突發事件都會對駕駛行為產生干擾，但人的注意力資源是有限的，運用AR-HUD系統設計車外信息顯示模式可以很好地幫助卸載視覺通道上的負載。Ng-Thow-Hing教授[8]設計了一個車載系統，能在前擋風玻璃上顯示重要交通信息，當檢測到紅燈時，會觸發虛擬STOP信號，綠燈則顯示GO標志。Vassilis Charissis[9]在論文中評估了惡劣的天氣條件下的警示增強顯示（包括交通擁堵標志和急轉彎符號），驗證了增強顯示能改進預警系統，提高駕駛安全性。

3.AR車載人機系統與娛樂的結合

隨著AR技術的發展，許多汽車巨頭紛紛試水，2016年的世界移動通信大會（Mobile World Congress）上，克萊斯勒集團發布了一款汽車銷售應用程序，該應用的特點在于用戶無需出現在現場，只需借助Project Tango套件在空間中的運動捕捉能力，即可體驗到汽車會場沉浸式的感受，實現自查看汽車參數，甚至對汽車進行個性化定制。

許多汽車企業也在積極探索AR在汽車設計中的可能性。哈曼、大陸和偉世通等公司都在嘗試讓導航信息、娛樂系統和環境信息與真實路況相結合，旨在減小司機視線的負載。增強現實不僅作用在駕駛安全上，更多汽車企業也在考慮副駕駛和后排乘客的乘坐體驗，奔馳汽車研發了一款AR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研發了后座的概念車窗顯示屏，能根據情境感知技術感知環境和乘客的信息，呈現出不同的元素以供交互。國內的威馬汽車EX5也研發了以車窗作為顯示載體的技術，為車內外的交互提供了新思路，如圖4所示。

（三）汽車人機交互應用增強現實技術的設計原則

不同于傳統的車載界面，設計師需要在基于增強現實的車載系統中考慮不同的因素，要同時思考真實視野與虛擬UI的關系、AR近眼顯示特征、交互方式等。根據增強現實的特性，可以總結出以下幾條設計原則。

1.顯示區域大小。增強現實中的顯示技術既要保證足夠大的區域對周圍環境進行覆蓋，又要控制顯示區域的閾值以保證駕駛安全性，用戶視野與虛擬UI的關系決定了顯示區域的大小。因此最佳設計方案要從人的視角場出發，水平方向上人眼單目范圍為150。左右，豎直方向上則為120°，雙眼重合區域50°～60°為最佳轉動區，如圖5所示。此外人眼對于不同元素的識別也有特定的區域，在30°～60°范圍內眼睛能對顏色有很好的識別，但字母的識別區域就只剩下5°～30°，文字由于其復雜程度只能在10°～20°區間被人眼辨別，對于擋風玻璃上的設計，人的視角場是很重要的設計參考，不同信息的顯示區域應當滿足人眼立體視覺的特性。慕尼黑大學的教授[IO]建議將駕駛員水平和垂直面視野的至少40%歸類為擋風玻璃顯示器的主要顯示區域。

2.顯示條件。與移動端增強現實的運用不一樣，AR-HUD系統處于暴露于變化的環境中，因此光源需滿足車內特定的使用要求。首先要保證光源在陽光直射下仍可見，根據研究顯示器的亮度需高于lOOOOcd/㎡;另一個需考慮的因素是顯示透明度，目前擋風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駕駛技術，駕駛員不必監控車外環境時，可以在汽車中提供沉浸式畫面，屆時擋風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.多模態交互。現階段量產車上駕駛員與車載屏幕的接觸都是以觸控為主，但擋風玻璃與駕駛員的距離已經超越了正常人的臂長，觸腔交互不再是最佳選擇。在AR-HUD系統中，多模態交互正在成為各大汽車廠商研究的方向，通過語音、觸控、手勢等方式將信息分散到多個輸入通道，以提高駕駛員的操作效率、減輕認知負荷，帶來更舒適更自然的交互體驗。如LUXOFT公司推出的概念AR-HUD產品LUIAR，就運用了手勢交互操縱系統，可以手寫輸入命令完成與系統的交互、模擬拖拽動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、還能捕捉人眼狀態進行疲勞駕駛提示等多種交互方式進行不同的操作，如圖6。

4.盡量減少頁面層級，避免深層樹狀結構。AR的特性使其在人機交互中具有實時變化，且移動速度快的特點，若在一個界面中承載過多信息，層級過深，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物體的情況下，這一點非常重要;應保持虛擬物體原本的視覺完整性，同時注意不要讓視覺的顯示干擾到虛擬畫面。目前市面上相對成熟的AR-HUD車載系統——車蘿卜很好的做到對用戶的指引，語音組件在底部固定區展示，發出指令后出現Toast提示，2s后消失，并且采用了“漸顯出現漸隱消失”的過渡動效，不會對駕駛員視覺產生沖擊，提升了駕駛安全性和舒適度。

6.交互動作應對應真實世界用戶熟悉的操作習慣。由于是虛擬成像，用戶需要對虛擬信息進行轉化，需要更高的認知成本，因此在交互操作上要盡可能減小用戶的認知負荷，如模擬投擲垃圾過程，用戶可以拖動界面元素到垃圾桶標志來進行刪除。

7.沉浸式UI組件。UI設計應服務于增強現實的應用場景，以沉浸式瀏覽為設計目標，盡量創建視覺上與真實世界相近的圖標和畫面，以免造成虛擬世界和現實空間的割裂感。宜家推出的增強現實應用《IKEA PLACE》就是很好的案例，用戶可以通過移動設備將虛擬家具放置在現實家庭里，完成家具的在線選購，這款應用里呈現的虛}以家具都使用了擬物設計風格，能夠很好的與周圍的環境融合，給用戶帶來沉浸式的體驗，從而幫助用戶預覽家具放置的效果，促成用戶的購買行為。還有多款汽車展示應用，也都完成了1：1實體模型的構建，甚至可以看到汽車的內飾細節，讓用戶有更真實的體驗感。

（四）汽車人機交互應用增強現實技術的難點 雖然AR技術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車載系統大部分搭載于概念車上，很多結論都來源于實驗室環境下，未經過真實環境的考驗，因此對于注意力資源分配的影響并未得到科學的驗證;2.數字信息的顏色、透明度、位置等不能保證不受環境變化的影響，無法保證駕駛員能有效的接受信息;3.系統間優先級的排序對駕駛車的影響很少被提及。為了克服這些問題，之后的研究應該從兩個方面考慮，一是結合情境感知技術探究不同環境下的系統模式;二是從人因工程學和用戶體驗的角度來分析駕駛員的活動和操作模式，從而確定一種整合車外車內信息顯示的規范，用于提高未來AR車載系統的安全性和可用性。

結語

隨著5G時代的到來，其高速度低時延等特點為虛擬現實和增強現實技術提供了生長的土壤，毫無疑問增強技術會在教育，醫療，娛樂，工程等各領域得到廣泛的應用，與虛擬現實不同，增強技術是在現實世界中拓展人類的能力，因此有更適用于工業領域。目前，技術門檻與經濟成本是阻礙增強技術發展的最大因素，但增強現實的理論基礎，系統開發和應用推廣等方面一直持續發展，在未來無疑會有更多消費者級別的混合現實產品進入日常生活，為普通人提供巨大的便利。縱觀當前的文獻和研究，不難發現大部分都集中在技術實現和程序設計上，對設計師來說真正的機遇會在增強技術普及大眾時到來，如何設計自然易用的交互方式，為用戶帶來更好的體驗，使虛擬世界與現實世界無縫結合是設計領域全新的挑戰。

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