基于用戶體驗的AR-HUD交互界面設計研究

摘" 要：增強現實抬頭顯示器（AR-HUD）作為一種新興的車載信息交互方式，在提升駕駛安全性和信息呈現效率方面顯示出顯著優勢。然而，當前的AR-HUD界面設計往往過于注重功能性，忽視了駕駛員的行為特征及其情感需求，導致信息層次與交互體驗單一等問題。本研究基于用戶體驗理論，從戰略層、范圍層、結構層、框架層、表現層五個維度構建AR-HUD設計要素模型，并分析高速駕駛、城市駕駛、停車、長途駕駛、緊急駕駛五種典型駕駛情境中的駕駛員行為模式和功能需求，提煉各類情境下的駕駛任務優先級與信息設計需求，提出實際界面視覺設計中的應用策略。研究結果為未來AR-HUD交互界面的設計提供了系統化的理論支持和實踐指導。

關鍵詞：交互設計；用戶體驗；體驗設計；AR-HUD

隨著科技的不斷進步，增強現實（AR）技術逐漸滲透到汽車領域，AR-HUD作為一種新型車載信息顯示交互方式，吸引了廣泛的關注。AR-HUD將虛擬信息與現實道路場景無縫結合，為駕駛員提供了更直觀、豐富的駕駛信息，同時減少了駕駛員視線離開道路的時間，從而提升了駕駛安全性和駕駛體驗。然而，現有AR-HUD界面在設計上過于關注技術實現和功能性，而忽視了用戶的實際駕駛行為與情感體驗。盡管AR-HUD的技術優勢明顯，但目前的界面設計往往存在信息呈現單一、用戶交互體驗不足等問題。本研究基于用戶體驗理論，探索AR-HUD界面的設計策略。通過構建一個涵蓋戰略層、范圍層、結構層、框架層、表面層的五維設計要素模型，分析不同情境下的用戶駕駛任務需求和信息設計優先級，進而提出創新的界面設計策略，以提升AR-HUD界面的用戶體驗和交互效率。

一、車載信息顯示現狀

增強現實（AR）技術近年來逐漸融入汽車工業，尤其是在車載顯示系統中的應用，引起了學術界和工業界的廣泛關注。駕駛任務本質上是視覺任務，大多數信息（例如視覺流、相對于前方車輛的速度、導航提示、道路危險等）都是通過視覺傳達給駕駛員的[1]。增強現實技術與平視顯示技術的結合，使汽車可以同時承載自然顯示和人工顯示兩種方式[2]。作為下一代車載智能平臺，AR-HUD將車輛狀態、安全、導航、通信/信息娛樂和外部環境信息與真實道路融為一體[3]。這使得駕駛員可以在不降低視線的情況下接收信息，從而避免由于低頭看儀表盤上的信息而導致的注意力間隙，大大提高駕駛安全性。現有研究表明，AR-HUD在執行主要和次要駕駛任務方面都具有積極影響[4]，可以將認知資源均衡地分配到中央駕駛區域、速度模塊、導航信息和危險警告等，從而提高駕駛員的認知效率[5]，也可以減少駕駛者的心理工作負荷[6]。AR-HUD的視覺提示與靜態平視顯示器（S-HUD）相比，顯著縮短了行人的識別時間，并鼓勵人類操作員對自動干預表現出更好的感知[7]。尤其是在復雜道路以及不利天氣條件下，使用AR-HUD可以增強駕駛體驗，幫助提高行駛的安全性[8]。

盡管AR-HUD在技術性能方面的研究較多，然而關于如何根據駕駛員行為特征與情感需求來優化界面設計的研究相對較少。現有設計通常集中于功能的實現，而忽視了用戶的體驗和交互需求，這使得一些界面難以在復雜駕駛情境中為用戶提供最佳的體驗。首先，現有AR-HUD界面設計中信息的層次化不足，使得界面在不同駕駛情境下缺乏靈活性和適應性。例如，白天高速行駛時，駕駛員需要快速獲取導航信息，而夜間駕駛時則需要更多關于前方障礙物或行人警示的信息。其次，現有界面多以信息堆積為主，導致駕駛員在不同情境下無法高效過濾信息。再者，現有界面設計更多關注功能性需求，如準確導航和速度提醒，但對用戶的情感需求關注不足。用戶情感和體驗對駕駛行為具有重要影響，特別是在高壓和復雜的駕駛情境下。駕駛員不僅僅是被動的信息接收者，他們的行為與情感狀態對界面設計有重要影響。設計時應綜合考慮駕駛員在不同情境下的情感反應，如在擁堵時的焦慮感，或在長途駕駛中的疲勞感，這些都對界面設計提出了新的要求。因此，未來的AR-HUD界面設計需要更好地融入用戶體驗理論，不僅要優化信息傳遞的效率，還要提升駕駛員的舒適感和愉悅感。

二、基于用戶體驗的交互界面設計要素

（一）用戶體驗要素概述

用戶體驗是指用戶在使用產品、服務或系統時產生的感知和感受，它是以用戶為中心的設計理念的核心原則之一，是以用戶為中心的設計理念的重要設計原則[9]。Norman的《情感化設計》一書中提出了用戶體驗的三個層次：本能層、行為層和反思層，是用戶體驗設計原則的代表。本能層是用戶對產品外觀和第一印象的感知，主要涉及視覺和感官層面的體驗；行為層則與產品的功能性和易用性相關，強調產品在使用過程中滿足用戶需求并帶來樂趣；反思層則關注用戶對產品的長期感受和情感層面的反思，涉及產品對用戶的深層次情感和思想的影響[10]。此外，Jesse James Garrett在《用戶體驗要素》一書中進一步擴展了用戶體驗的框架，提出了戰略層、范圍層、結構層、框架層和表現層五個層次[11]。設計過程應從底層的戰略目標開始，到界面表現層逐步構建，確保各個層次之間的連貫性與一致性。每個層次都是基于其下層次的決定，在設計中，底層處理的是抽象的概念，隨著層級的上升，內容變得越來越具體[12]。其中，戰略層的設計關注的是界面設計的總體目標和核心任務；范圍層則定義了界面的功能邊界和用戶需求；結構層涉及信息架構和交互流程，確保信息層次分明，優先級清晰；框架層則負責界面元素的布局和交互設計；表現層最終決定了視覺設計的呈現效果。

（二）AR-HUD交互界面中用戶體驗要素應用

本研究將用戶體驗的五要素模型映射到AR-HUD交互界面的設計中，形成了五個關鍵設計層級，分別對應戰略層、范圍層、結構層、框架層和表現層（如圖1）。

1.戰略層。戰略層是設計的基礎，決定了界面設計的整體目標。（1）用戶需求：界面設計應始終以滿足用戶需求為核心，特別是在安全性、操作簡便性和愉悅感等方面。（2）場景目標：除了滿足用戶需求外，AR-HUD的界面設計還應與整體產品戰略一致，幫助提升品牌形象，增強用戶對汽車產品的信任感。（3）用戶情感：界面設計應在功能滿足的基礎上，關注用戶的情感體驗。駕駛過程中的愉悅感和舒適感是用戶長期使用產品的重要因素。通過減少認知負擔、提升視覺愉悅性和操作流暢性，增強用戶的情感連接和滿意度。

2.范圍層。范圍層涉及界面功能和內容的定義，確保所設計的AR-HUD功能符合駕駛員的實際需求。（1）功能定義：界面功能應圍繞核心需求進行定義，確保為駕駛員提供包括導航、速度顯示、障礙物提醒等必要功能。AR-HUD系統應適應不同情境下的功能需求，如提供專門的夜間駕駛模式或長途行駛模式。（2）內容匹配：不同的駕駛情境要求界面顯示內容有所差異。

3.結構層。結構層負責信息的組織和交互流程的設計，以確保駕駛員能夠快速、準確地獲取所需信息。（1）信息層次：基于不同駕駛任務的需求，將信息進行層次化展示。（2）信息優先級：AR-HUD界面需根據當前駕駛環境（如高速、城市、夜間）動態調整信息顯示的優先級。在高速駕駛時，重要的道路信息和障礙物提醒應突出顯示；而在城市駕駛時，交通標志和行人警告則更為重要。（3）流程設計：確保交互操作流暢且高效。

4.框架層。框架層包含界面元素的具體布局和交互設計，確保信息合理組織并且操作簡單直觀。（1）信息布局：駕駛員的視線焦點應集中在核心駕駛任務上，重要信息如路線導航、速度提示應置于視野正前方，而諸如天氣、時間等輔助信息則應放置在邊緣區域，減少干擾。（2）交互反饋：設計應提供及時的交互反饋，尤其是導航調整、速度變化或障礙物提醒等高優先級信息。

5.表現層。表現層是用戶看到的界面最終呈現效果，包括視覺設計和交互方式。表現層是用戶直接看到和操作的界面部分，決定了視覺設計的最終呈現效果，包括色彩、字體等方面。（1）視覺美學：色彩、字體、圖標等元素的設計應確保信息傳達的清晰度和一致性。例如，使用高對比度的顏色區分關鍵信息和輔助信息，以減少駕駛員的認知負擔。（2）可用性：在不同的環境光線（如白天、夜晚或霧天）條件下，界面設計應具備良好的適應性，確保信息易讀易識別。清晰的導航箭頭、速度顯示、危險提示等應始終保持可視。（3）視覺層次：通過大小、顏色對比等設計手段，突出駕駛過程中最重要的信息。導航和車速應優先顯示，次要信息如溫度和時間應放置于不顯眼位置，以避免信息過載。

三、不同情境下AR-HUD交互界面設計

（一）主次要駕駛任務

在駕駛過程中，駕駛員的任務可分為主要任務和次要任務[13]。這些任務直接影響駕駛員的行為模式及信息設計。主要任務通常與駕駛安全和核心操作密切相關，要求駕駛員高度集中注意力并快速反應，因此這些信息應優先顯示在駕駛員的核心視野中。而次要任務則是輔助性或非緊急任務，盡管它們影響駕駛體驗，但優先級相對較低，其信息可以顯示在次要視野中，以減少對主要任務的干擾。

主要任務是駕駛員在駕駛過程中必須集中注意力完成的任務，通常直接影響駕駛安全和車輛的基本操作。主要任務一般包括：保持車速和車道，確保車輛在設定的速度范圍內穩定行駛，避免超速或偏離車道；避免碰撞，駕駛員需實時監控前方道路，及時應對出現的障礙物或其他車輛；遵循交通信號和標志，特別是在城市駕駛中，遵守交通信號燈、標志及限速提示是確保駕駛安全的關鍵；導航和路線選擇，確保駕駛員按規劃路線行駛，避免迷路或延誤。尤其在陌生路段，導航指引是核心任務。

次要任務雖然也與駕駛相關，但其緊迫性較低，通常不會立即影響駕駛安全。次要任務一般包括：監控車輛狀態，例如燃油水平、胎壓、發動機健康狀態等信息是次要任務，駕駛員只需在特定時間檢查這些數據；調整車內舒適度，包括調節空調、音樂、座椅等，雖然這些會影響駕駛體驗，但并不需要駕駛員持續關注；接收環境信息，如天氣、時間、溫度等外部條件信息，可以為駕駛員提供參考，但不直接影響駕駛操作。

（二）不同駕駛場景下任務需求優先級與視覺要求

不同駕駛情境下，駕駛員的主要和次要任務需求存在顯著差異，這直接影響交互界面中信息呈現的優先級及視覺設計要求。AR-HUD界面應根據駕駛任務的重要性動態調整信息展示的優先級，并通過優化視覺設計，確保駕駛員能夠快速、準確地獲取關鍵信息。本文將從五個典型的駕駛場景出發，分別探討各場景下的任務需求優先級及其對視覺設計的具體要求（如表1）。

1.高速駕駛場景

高速駕駛環境中的任務需求具有高度的緊迫性和集中性。駕駛員需持續保持高速下的車輛穩定性，及時應對潛在的道路威脅。因此，在高速駕駛情境下，駕駛員的主要任務需求圍繞車速保持、障礙物識別和車道偏離提醒展開。（1）車速保持。車輛速度控制是高速駕駛的關鍵因素。駕駛員必須隨時掌握當前車速，以確保不超速行駛或過于低速而影響道路安全。（2）障礙物提醒。高速行駛時，前方出現的障礙物需要快速識別和處理。任何遲延的反應都會帶來嚴重后果。（3）車道保持。高速行駛時的車道偏離提示非常重要，尤其是在超車或轉彎時，車道偏離提醒能有效降低事故風險。次要任務需求：（1）導航提示。高速公路通常線路相對簡單，駕駛員對導航的需求不如城市道路復雜。因此，導航提示可作為次要任務，信息顯示的優先級低于車速和障礙物提示，但仍應在適當的時間（如即將到達出口時）提供明確指引。（2）環境信息。在高速駕駛中，天氣和路況信息通常不會立即影響駕駛決策，但在惡劣天氣條件下（如大霧、暴雨），該類信息的重要性會提高。

視覺要求：（1）高對比度顯示。駕駛員的認知負荷較高，因此速度和障礙物提示應使用高對比度的色彩，如紅色警告或綠色/藍色的速度顯示，以確保駕駛員能夠快速讀取信息。（2）簡化信息展示。應減少屏幕上的不必要信息，以降低駕駛員的認知負擔。主要任務信息（如車速和障礙物提醒）應位于駕駛員的正前方，而次要信息（如導航和天氣）則應置于視線邊緣。

2.城市駕駛場景

城市駕駛場景相較高速駕駛更加復雜，充滿了動態的環境因素，如交通信號燈、行人、非機動車和其他車輛。駕駛員在城市道路上必須頻繁做出決策，因此信息優先級應側重于實時環境信息和導航提示，以確保駕駛員能夠快速應對不斷變化的交通狀況。主要任務需求：（1）交通信號和路標提示。城市駕駛中，遵守交通信號和路標是駕駛員的首要任務，駕駛員必須依賴這些信息來決定是否停車或變更車道。（2）行人和其他車輛預警。城市道路上的行人、騎行者及其他車輛帶來了高度的動態性，駕駛員必須持續警惕這些潛在的碰撞風險。（3）路線導航。由于城市道路復雜多變，駕駛員對導航的依賴程度較高，導航指示應精確且易讀。導航信息應包括即將轉彎的提示、交通流量信息等，確保駕駛員不會錯過重要路口或出口。次要任務需求：（1）車速監控。在城市道路中，車速受限于較低的限速要求，因此車速信息在此場景中的優先級較低，駕駛員更多關注交通信號和周圍環境。（2）環境信息。如天氣和時間等信息在城市駕駛中的作用較小，除非特定環境條件（如大雨、結冰路面）影響駕駛操作，環境信息通常作為次要參考。

視覺要求：（1）動態信息強調。AR-HUD應采用動態高亮設計（如顏色變化或閃爍），以突出顯示行人、車輛和信號燈等動態信息，確保駕駛員迅速察覺到周圍環境的變化。（2）分層信息布局。導航、交通標志等重要信息應位于視野中央，確保駕駛員能夠實時獲取關鍵數據。而車速等次要信息則應使用較小的字體顯示在視野的邊緣，避免干擾駕駛員的核心任務。

3.停車和低速操作場景

在停車和低速行駛的場景中，駕駛員的關注點主要在于精確控制車輛和避免碰撞。因此，距離感知和停車引導成為最重要的任務需求。相比之下，導航等信息在這一場景下的重要性大大降低。主要任務需求：（1）近距離障礙物提示。停車時，駕駛員必須密切注意車輛周圍的障礙物，以避免低速碰撞事故。（2）停車引導與倒車攝像頭提示。停車的精確控制要求AR-HUD提供實時的停車引導，包括倒車攝像頭信息和車位邊界顯示，以幫助駕駛員輕松完成停車操作。次要任務需求：（1）導航信息。在低速駕駛或停車時，導航信息的優先級下降，駕駛員此時主要關注障礙物和車輛位置，因此導航信息可以縮小或暫時隱藏。（2）車輛狀態監控。在停車或低速行駛中，燃油量和發動機溫度等信息屬于次要任務，可以減少對這些信息的持續關注。

視覺要求：（1）增強現實標記。使用增強現實技術標記停車位邊界、障礙物位置及倒車路徑，幫助駕駛員準確完成停車任務。（2）精確的距離指示。通過顏色變化或條形圖顯示車輛與障礙物之間的實時距離，使駕駛員能夠清晰判斷剩余停車空間。

4.長途駕駛場景

長途駕駛過程中，駕駛員主要面臨的是駕駛疲勞問題，因此信息設計應更加簡潔、直觀，以確保駕駛員能夠在長時間駕駛中保持清醒和專注。主要任務需求：（1）車輛狀態監控。長途駕駛時，駕駛員需要定期檢查車輛狀態（如燃油水平、胎壓等）以確保長時間駕駛的安全。（2）導航和路線調整。長途駕駛中的路線導航依然重要，尤其在多路口或高速出口時，AR-HUD應高亮顯示即將到來的路線變化，幫助駕駛員在疲勞狀態下快速做出反應。次要任務需求：（1）天氣和環境信息。盡管天氣和環境信息在長途駕駛中具有一定參考價值，但其優先級低于車輛狀態和導航信息。（2）娛樂系統調控。長途駕駛中，駕駛員可能會調整車內的娛樂系統，但這類信息可以作為次要任務，避免分散注意力。

視覺要求：（1）簡潔的狀態監控。車輛狀態信息應通過簡明的圖標或圖形呈現，避免占用過多的屏幕空間，同時減少駕駛員的認知負荷。（2）導航路線高亮顯示。車輛狀態信息應通過簡明的圖標或圖形呈現，避免占用過多的屏幕空間，同時減少駕駛員的認知負荷。

5.緊急駕駛場景

在緊急駕駛場景下（如突發障礙物或事故），駕駛員必須迅速采取行動避免危險。因此，AR-HUD的核心任務是確保緊急信息被優先展示，同時減少其他信息的干擾。主要任務需求：（1）碰撞預警和避險提示。碰撞預警和避險信息應通過高亮動態警告顯示，確保駕駛員在第一時間獲得關鍵信息，并根據系統提示采取相應措施。（2）緊急制動或加速提示。在某些情況下，駕駛員需要迅速制動或加速以避免危險，AR-HUD應提供明確的視覺提示，幫助駕駛員做出快速決策。次要任務需求：（1）導航信息。在緊急情況下，導航信息應暫時降低優先級，駕駛員的首要任務是處理當前危機。（2）車速顯示。車速信息仍需可見，以協助駕駛員判斷加速或減速的幅度，但其視覺設計應保持簡潔，與核心任務信息互不干擾。

視覺要求：（1）高亮動態警告。所有緊急信息應采用閃爍或紅色警告等動態效果，確保駕駛員迅速察覺到危險。（2）簡化界面。緊急情況下應暫時隱藏次要信息，只保留核心的避險提示，減少駕駛員的認知干擾。

四、結語

該研究基于用戶體驗理論，深入探討了增強現實抬頭顯示器（AR-HUD）在不同駕駛情境下的交互界面設計。通過構建涵蓋戰略層、范圍層、結構層、框架層和表現層的五維設計要素模型，本文不僅分析了駕駛員在高速駕駛、城市駕駛、停車和低速操作、長途駕駛及緊急駕駛五種典型情境下的任務需求優先級，還提出了針對不同情境的信息展示策略和視覺設計要求。

研究表明，AR-HUD界面設計不僅應當滿足基本的功能需求，還應充分考慮用戶的行為模式和情感需求。不同情境下的主要和次要任務需要靈活調整信息的優先級和展示方式，以減少駕駛員的認知負荷，提升駕駛安全性和操作便捷性。同時，視覺設計要注重信息的可讀性和可視性，尤其在高速駕駛和緊急情境中，關鍵信息必須通過高對比度、動態視覺效果來迅速引導駕駛員的注意力。

未來的AR-HUD界面設計應更加關注用戶體驗，不僅需要通過技術手段優化信息傳遞，還應增強駕駛過程中的舒適感和愉悅感，從而提升駕駛員的整體體驗。隨著技術的不斷進步，AR-HUD系統將會成為智能車載系統的核心組成部分，其界面設計也需要進一步結合用戶行為研究和情感反應，為駕駛員提供更加智能化、個性化的駕駛體驗。

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作者簡介：

顧穎，上海工程技術大學碩士研究生。研究方向：智能產品交互與體驗設計研究。

高矚，上海工程技術大學教授。研究方向：載運工具及其數字座艙設計研究。