基于虛實結合平臺的汽車體驗聯動評測體系系統研究

李亞蘭　丁瑋　陳迪雯　吳林青　張銘

摘 要：文章研究了一種基于XR技術的汽車體驗驗證系統，能夠將虛擬場景與實際汽車臺架相結合，讓用戶沉浸式地體驗虛擬汽車。XR技術是指通過計算機將真實與虛擬相結合，打造一個可人機交互的虛擬環境。它能讓體驗者在虛擬世界與現實世界之間無縫轉換，產生“沉浸感”。同時，利用自動化的眼動和肢體測評方法，跟蹤并分析體驗者對不同位置的關注度和人體舒適度。實驗結果顯示，該系統能有效測量用戶關注度和舒適度，并為汽車設計提供有價值的指導。

關鍵詞：虛實結合 動作捕捉 體驗測評 汽車體驗 XR汽車體驗驗證系統 人機工程 XR 高感知沉浸式體驗

1 背景分析

隨著通信技術和人工智能信息技術的迅猛發展，工業4.0時代已經來臨。在此背景下，汽車體驗需求日益提高。人們不僅把交通工具當作代步工具，更重視乘坐舒適度的極致追求。同時，企業也重視滿足用戶需求，努力打造特色亮點，設計吸引人的客戶旅程，適應不同場景下的乘車體驗。它們結合汽車特點和用戶深需求，創新和強調自身品牌形象。此外，工信部《“十四五”智能制造發展規劃》提出，到2025年，重點行業骨干企業將初步實現智能化，制造企業將基本普及數字化。這涉及數字孿生、元宇宙等探索，旨在實現體驗場景的數字化和輕量化。

本文針對企業和用戶需求，提出了一種虛實結合的方案。我們探討了在智能化體驗需求高漲的背景下，如何實現高感知的沉浸式體驗和操作，讓用戶深度感知多場景、多功能的人機交互，并為設計方案提供更深層次的用戶體驗指導。此外，我們對虛擬環境搭建、XR設備、動作捕捉系統、虛擬人引導等體驗和使用場景進行了詳細的行業掃描，使本研究具有創新性和高效性。

針對汽車數字化和虛擬技術的快速發展，介紹了一種XR 汽車體驗驗證系統，能夠對未上市車型進行系統性的體驗測試。通過運用虛實結合的方案，滿足在智能化趨勢下用戶對于汽車體驗的深度需求。致力于實現高感知的沉浸式體驗和操作，讓用戶深度感知多場景、多功能的人機交互。此外，本文對虛擬環境搭建、XR設備、動作捕捉系統、虛擬人引導等體驗和使用場景做了詳細的行業掃描，保證項目的創新性和高效性。

2 設計目標

在汽車應用領域，為了滿足用戶對汽車體驗的不斷提高需求，核心目標是打造全場景及全維度的體驗調研刺激物，并為前瞻設計方案提供一個全面的搭載平臺。

通過軟件環境為基礎，開發數字樣機評審和產品編輯平臺，讓設計師能快速創建和修改虛擬汽車模型。這種數字化的創作環境能加快設計迭代的速度，并提供更靈活的操作空間。然后，以實物為主體，在真實的汽車臺架上做體驗驗證。通過引入XR混合現實技術，用戶戴上XR/VR眼鏡，進入沉浸式的虛擬場景，與虛擬汽車互動。這種虛實結合的方式讓用戶能真實地感受汽車的外飾、內飾和駕駛感受，從而更好地評估設計方案的效果。此外，用動作捕捉技術，實時跟蹤用戶的眼動和肢體動作。通過分析用戶關注不同位置的次數和時間，以及身體舒適度的反饋，能量化評估體驗者對汽車設計的認知和感受。

為了實現全場景和全維度的體驗調研刺激物，讓用戶體驗多種場景，并提供沉浸式的人機交互。比如，在虛擬環境中，用戶可以在不同的路況下做駕駛模擬，感受不同速度和路況對駕駛舒適度的影響。還可以模擬不同的氣候條件，讓用戶體驗開車時的溫度、濕度和風速等因素的變化。通過這種多場景的體驗，可以更全面地評估設計方案在不同情況下的表現，并為設計迭代提供科學依據。

最后，本文是為前瞻設計方案提供一個完整的搭載平臺。通過建立這個多方式體驗感知體系，能夠深入了解用戶對不同場景下的汽車體驗的需求和偏好。通過收集和分析用戶的反饋意見和感受，能夠提供科學、客觀的數據支持，為設計方案的迭代改進提供指導。

3 設計方案

經過全面、多維的市場調研和技術溝通分析，虛擬現實仿真驗證平臺是實現核心目標的最佳技術手段。它由軟件和硬件兩部分構成。

軟件環境中，數字樣機評審、產品編輯平臺、人機交互等是主要的功能。數字樣機評審讓設計人員快速創建和修改虛擬汽車模型，并做設計驗證。產品編輯平臺提供了一個靈活的操作環境，讓設計人員做各種設計調整和優化。

硬件環境提供多通道立體顯示和人機交互數據采集。多通道立體顯示讓用戶用高質量的顯示設備，在虛擬環境中得到逼真的視覺體驗。人機交互數據采集用動作捕捉技術、眼動追蹤等方法，實時跟蹤用戶的視線、肢體動作和姿態，以便更精確地分析其行為和感受。

基于前期定義的總體系統架構框圖，設計方案可以具體分為以下四個實施路徑：（1）視覺虛擬數據庫及編輯平臺；（2）用戶體驗設計方案搭載工具；（3）設計方案驗證體系；（4）刺激物體系應用規范。

3.1 視覺虛擬數據庫及編輯平臺

通過建立對虛擬汽車模型和相關數據的數據庫，為設計人員提供便捷的訪問和編輯功能。這個平臺支持虛擬場景的構建和設計評估，提供多種視角的可視化展示。

3.1.1 數據庫搭建

設計并創建一個虛擬汽車模型和相關數據的數據庫。該數據庫應包含汽車參數、外觀設計、內飾布局以及與設計相關的信息。

3.1.2 數據導入和編輯功能

開發相應的軟件功能，使設計人員方便地導入和編輯虛擬汽車模型及相關數據。這包括模型導入、紋理貼圖編輯、部件替換等操作。編輯平臺共3種模式：編輯模式、展示模式、模擬駕駛模式。

3.1.3 虛擬場景構建

根據需求確定要構建的場景類型，例如：城市道路、鄉村環境、沙漠、海邊等。收集現實世界中相關場景的數據和參考資料，如街道布局、建筑物外觀、交通標志等。利用三維建模軟件，根據收集到的數據和參考資料，進行場景建模。根據實際場景來設置材質和紋理，使其更逼真。調整光照效果和渲染參數，使場景具有適當的亮度、陰影和反射效果。

在場景中添加道路，并設置車輛和行人的運動規律，模擬真實的交通流量。對場景進行優化，包括減少多邊形數量、合并網格等，提高性能和流暢度。場景驗證工作，通過與實際駕駛情境進行對比和評估，調整細節和元素，確保其準確反映仿真駕駛情境。

3.1.4 可視化展示

確定可視化需求，根據設計人員的需求，確定需要展示的視角。虛擬相機設置，使用圖形渲染引擎創建一個虛擬相機，并設置位置、旋轉和視野等參數。視角切換功能，實現視角切換的功能，允許設計人員在編輯平臺中輕松切換不同的視角。交互控制，可添加交互控制功能，例如使用鼠標或手勢控制旋轉縮放和開關門等。可視化效果增強，考慮添加額外的可視化效果，如光照和陰影、環境反射和折射等效果，提升展示的逼真度和質感。

3.2 用戶體驗設計方案搭載工具

3.2.1 硬件選擇和集成

XR設備名稱為Varjo XR3，主要特點是沉浸度高，通過高廣角使其虛擬感受真實。定位設備名稱為ART TRACK5，主要特點是精準手部追蹤；刷新率最高300Hz；感應器分辨率1.3兆像素；測量原理為光學六自由度，被動和主動標記點追蹤；定位精度2mm。手部動作捕捉設備，通過光學定位在虛擬環境中與真實手部狀態同步；虛擬空間下抓握位置與真實位置一致，誤差小于2mm。

3.2.2 用戶體驗測試

為改進測試車的功能和性能，進行了虛實結合調研刺激物的用戶體驗測試，收集用戶的反饋和意見。為了更準確地獲取用戶對測試車的體驗感受，用戶通過使用刺激物感受測試車的內外飾設計、HMI設計、易用性、CMF五感設計等方面進行滿意度調研。并與用戶進行個別或小組訪談，記錄他們對虛擬測試車的設計喜好、交互控制、五感體驗等感受和建議。

3.3 設計方案驗證體系

為了建立科學有效的設計方案驗證體系，可以按照以下步驟進行設計和實施：

眼動追蹤數據處理和解讀（見圖2）。

肢體動作數據處理和解讀（見圖3）。

3.4 刺激物體系應用規范

為確保刺激物體系的穩定性和可靠性，合理規范軟件平臺和硬件系統的使用規范，操作人員需按照應用規范實施操作。

4 設計應用

4.1 快速驗證設計方案，用于敏捷開發

設計師可通過相應設備快速制作測試demo，導入測試，通過模擬仿真系統對設計方案有初步的體驗認知，再通過客觀驗證方法，快速反饋驗證方案，輔佐設計方案決策，同時也可以進行迭代與二次啟發。

4.1.1 設備選擇和制作測試Demo

選擇適合項目需求的硬件設備，如XR設備、交互控制器等，并制作相關的測試Demo。

4.1.2 模擬仿真系統體驗認知

將設計師制作的測試Demo導入到模擬仿真系統中，方便設計師通過虛擬現實環境對設計方案進行初步體驗認知和評估。

使用Unity3D或UE及虛實結合定位插件進行開發和集成。

4.1.3 客觀驗證方法與反饋

建立臺架搭建，用于測試不同設計方案，控制測試變量以對方案進行測試和比較。

結合客觀數據和用戶訪談，對方案進行全面分析和評估。

4.2 設計指導

對于項目中存在爭議或設計師無法判斷的方案時，通過臺架搭建不同方案，控制測試變量對方案進行測試，綜合記錄用戶模擬駕駛過程中的客觀數據和用戶訪談的主觀數據，對方案進行更全面的分析。同時，臺架搭建將設計方案更直觀的展示，更易于對體驗進行描述，具有更廣泛的說服力和更具影響的驅動力。

4.3 全維度的體驗與感知

從可達性、可視性、可讀性三個維度，利用測量數據分析注視點、操控效率、安全性等，全面檢測用戶對車輛HMI設計方案的接受認可情況，從而改進車輛內飾設計，合理布置車載電器操作裝置，改善車輛信息顯示。

5 結論和展望

通過建立全方面深層次交互的設計平臺，可以把核心體驗場景、人機交互、內飾氛圍、零部件等多方面體驗維度進行搭載，讓用戶沉浸式參與汽車設計測評與研究，以便深入剖析用戶，挖掘其更高層級體驗需求。此外，還討論了該系統的創新性和學術性，以及XR和動作捕捉技術的優勢和局限性。未來的研究可以進一步改進該系統，并探索更廣闊的應用前景。

在汽車設計領域，利用XR技術可以讓設計師和用戶在虛擬或增強的空間中駕駛、體驗、評估不同的汽車模型和功能，同時通過傳感器、攝像頭、腦電波等設備，實時采集用戶的心率、血壓、眼動、腦活動等生理數據，以及表情、語音、姿態等行為數據，通過AI來分析用戶的情緒、偏好、滿意度等指標，從而為汽車設計提供更加客觀和有效的反饋和優化建議 。

未來將結合人工智能技術，實現對用戶生理數據的定量采集和分析，從而提高用戶體驗的質量和效果。這將為各個領域和行業帶來更多的創新機會和競爭優勢。我們有理由相信，在不久的將來，這種技術將成為人機交互的新標準和新趨勢。

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