1 汽車智能化的發(fā)展趨勢

當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的三個突出趨勢是“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化”。隨著自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，城市交通將變得更加智能，汽車產(chǎn)業(yè)將迎來全新的變革。智能汽車的快速發(fā)展也將帶給使用者們安全、高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的駕乘體驗(yàn)。近年來，各大互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛進(jìn)軍汽車產(chǎn)業(yè)，它們都將目標(biāo)鎖定在了智能汽車上。特斯拉自2014年開始推出Autopilot無人駕駛功能，2016年推出首款無人駕駛超級概念車LeSEE。豐田汽車則在2017年CES展上全球首發(fā)新款概念車Concept-i。該款車搭載了名為“Yui”的人工智能系統(tǒng)。

近年來，隨著信息技術(shù)、智能系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在交通工具領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和車載信息技術(shù)的發(fā)展，汽車的內(nèi)部空間、人機(jī)界面、操作和交互過程開始逐漸顛覆傳統(tǒng)模式，這些改變?yōu)槭褂谜邆儙砹巳碌鸟{乘體驗(yàn)，并引領(lǐng)了新型的交互與出行方式。然而，隨著汽車智能化的發(fā)展趨勢，車內(nèi)設(shè)備的數(shù)字化更替，新技術(shù)、新系統(tǒng)不斷地集成到車輛中，車內(nèi)人機(jī)交互變得越來越復(fù)雜。其中，交互界面的信息顯示包含的內(nèi)容很多，如：基于前方路況自然顯示、輔助駕駛顯示、車內(nèi)外信息交互與娛樂顯示、移動設(shè)備與汽車的整合顯示等。不同的顯示方式、各部分的顯示內(nèi)容與多維度的信息顯示也增加了人機(jī)交互的復(fù)雜性。

在傳統(tǒng)駕駛行為模式下，駕駛員必須將注意力集中于駕駛行為，這導(dǎo)致能夠顯示給駕駛員的視覺顯示信息很有限。但是隨著自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車人機(jī)交互界面顯示方式隨之呈現(xiàn)出了多維度的發(fā)展趨勢，駕駛員也將逐漸從主駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來，有能力接受更多的信息，隨著娛樂、通訊、網(wǎng)絡(luò)等功能比重漸漸增加，汽車的內(nèi)部空間、人機(jī)界面、操作和交互過程將迎來全新的變革。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義與發(fā)展

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (Augmented Reality，簡稱AR)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是種虛實(shí)融合和混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality，簡稱MR)的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種通過計算機(jī)系統(tǒng)提供的輔助信息來增加用戶對現(xiàn)實(shí)世界的感知和認(rèn)識的技術(shù)，它將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，即將計算機(jī)生成的虛擬場景或提示信息疊加到真實(shí)場景中，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)[ 1]。

Azuma在1997年對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其使用的基本技術(shù)作了詳盡的綜述[2]，并提出AR系統(tǒng)有3個特點(diǎn)：

（1）真實(shí)世界和虛擬世界的合并顯示；
（2）實(shí)時交互性；
（3）虛實(shí)配準(zhǔn)（三維配準(zhǔn)）。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是近年來國內(nèi)外眾多知名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。在最近幾年舉辦的國際消費(fèi)電子展（簡稱CES）上，也展出了多種A R以及V R方面的產(chǎn)品。A R技術(shù)與V R 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域雖然十分相似，但是A R技術(shù)可以與真實(shí)世界的環(huán)境相結(jié)合，所以AR技術(shù)在各個領(lǐng)域中其實(shí)比VR技術(shù)更具優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿3 ][ 4] [5 ]。

汽車是較早整合了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的行業(yè)之一，不過為了避免分散駕駛員的注意力，保證汽車行駛安全，車內(nèi)顯示的內(nèi)容不能過于復(fù)雜，因此運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所顯示的內(nèi)容較為單一。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在汽車中實(shí)現(xiàn)的幾種方式

（1 ）在手動駕駛模式下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示主要用于輔助駕駛；目前，在有人駕駛的汽車中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)一般應(yīng)用于輔助駕駛。為了簡化駕駛操作，避免駕駛員視線轉(zhuǎn)移，很多汽車廠商在車內(nèi)顯示系統(tǒng)中使用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示可以用于駕駛員視覺增強(qiáng)系統(tǒng)，在不利于出行的惡劣天氣及環(huán)境下，拓展駕駛員的視野，保證出行安全。另外，目前在量產(chǎn)汽車中比較常見的倒車可見功能，這種功能可以幫助駕駛員在倒車時參考真實(shí)影像上疊加的參考線，從而順利完成倒車，這是一個較為簡單的過程。

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，汽車行業(yè)開始嘗試將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示與導(dǎo)航功能相結(jié)合。在這個過程中，車輛可以提取道路環(huán)境信息并對其進(jìn)行增強(qiáng)顯示，即把導(dǎo)航信息以及標(biāo)識疊加在真實(shí)道路之上，使駕駛員的注意力更加集中，帶來良好的駕駛體驗(yàn)。同時，導(dǎo)航時的信息顯示還可以配合聲音提示，有效指示路線，輔助駕駛員安全駕駛。

（2 ）在自動駕駛模式下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有望創(chuàng)造全新的駕乘體驗(yàn)；在自動駕駛模式下，人們從駕駛?cè)蝿?wù)中脫離出來，使用者的行為模式也由駕駛轉(zhuǎn)化為出行，可以提供給使用者的信息急速增加，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有望創(chuàng)造全新的駕乘體驗(yàn)。但如何整理車輛信息、車輛間信息、車輛和其他信息載體交互的信息在內(nèi)的復(fù)雜信息體系，并有效呈現(xiàn)給使用者，迎合使用者的心理需求，尚需進(jìn)一步探討及研究。

在汽車智能化的趨勢下，無人駕駛技術(shù)對用戶的乘駕體驗(yàn)將產(chǎn)生極大的影響，用戶的心理感受是研究過程中需要關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)自動駕駛在技術(shù)上幾乎不存在問題時，用戶對智能汽車的接受度和使用信心可能還落后很多。在手動駕駛狀態(tài)下與自動駕駛狀態(tài)下用戶安全感的差異是無法忽視的。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)為自動駕駛模式時，駕駛員將失去對汽車的控制權(quán)，從而產(chǎn)生危險的感覺。比如，當(dāng)使用者能清楚的看見危險時，怎樣去說服他相信一輛自動駕駛的車自主地對周圍環(huán)境做出的操作反應(yīng)，而勝過人自身？汽車智能化后，其承載的傳感器增多，如何合理的向用戶展示系統(tǒng)信息狀態(tài)，讓用戶產(chǎn)生信任感？引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示方式，也許可以有效促進(jìn)人與車之間的交流，有助于進(jìn)一步探討以上問題的解決方法。

另外，在技術(shù)方面，自動駕駛和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)都需要運(yùn)用傳感器，實(shí)現(xiàn)場景識別、信息分析等過程。在技術(shù)與硬件方面的重合更有利于將兩種概念結(jié)合在一起。
為了實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，主要有以下幾種方式：

（1 ）可移動設(shè)備的顯示器
汽車的人機(jī)交互界面與顯示技術(shù)密切相關(guān)，顯示設(shè)備是交互界面的基礎(chǔ)與前提。最早的汽車交互界面依托于機(jī)械和數(shù)字的表達(dá)方式，今天，電子顯示取代機(jī)械顯示已經(jīng)成為了新的主流趨勢，手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備在車內(nèi)的使用引領(lǐng)了移動設(shè)備與汽車的結(jié)合，引起了車載界面和汽車內(nèi)飾的新一輪變化。另外，顯示屏的形態(tài)也在不斷變化，不僅限于平板。它們可以用于內(nèi)飾中的任何地方，比如作為曲面融入整個形態(tài)，或用于細(xì)節(jié)?？梢苿釉O(shè)備的顯示器與汽車內(nèi)飾的融合創(chuàng)造了新的乘坐體驗(yàn)。

（2 ）平視顯示技術(shù)
平視顯示是通過投影的方法將光線投影在擋風(fēng)玻璃上來實(shí)現(xiàn)信息顯示目的，通常會和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行整合。平視顯示避免了儀表板顯示帶來的掃視問題。目前主要應(yīng)用于手動駕駛，因此平視顯示的內(nèi)容不會于復(fù)雜，為避免造成駕駛員分心和駕駛負(fù)荷，雖然具有保持駕駛員視線平視的優(yōu)勢，一般在此狀況下還是只顯示簡單的車速等信息。

平視顯示器最早應(yīng)用于軍用飛機(jī)。汽車平視顯示器也早在1988年的通用汽車上便已實(shí)現(xiàn)，可以帶給駕駛者更直觀的信息顯示，防止交通意外發(fā)生。寶馬5系汽車的平視顯示系統(tǒng)見圖1，信息顯示只有3個：速度、前方掉頭、離掉頭點(diǎn)距離。


圖1 寶馬5系汽車的平視顯示

（3 ）可穿戴設(shè)備
目前，AR與VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)經(jīng)常以頭部設(shè)備、眼鏡等可穿戴設(shè)備為基礎(chǔ)，應(yīng)用十分廣泛。在鏡片上顯示圖形等信息可以為使用者帶來良好的浸入式體驗(yàn)。在2018年的CES展會上，Skully公司研發(fā)的智能摩托車頭盔將摩托車頭盔與眼鏡相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)顯示速度、導(dǎo)航等功能。此頭盔在人眼前方放置了一個光學(xué)顯示器，在頭盔后方設(shè)置了一個攝像頭，使用時此頭盔可以將后方的情況投射到使用者的眼前，見圖2。


圖2 Skully公司研發(fā)的智能摩托車頭盔

（4 ）前擋風(fēng)玻璃與車窗顯示
現(xiàn)在，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演進(jìn)，越來越多的汽車生產(chǎn)商和研究人員都希望能夠?yàn)槭褂谜咛峁┎灰粯拥鸟{乘體驗(yàn)。奔馳、通用、豐田在內(nèi)的多家汽車生產(chǎn)商都已經(jīng)展示過自己的“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)雛形，提出了增強(qiáng)顯示的概念。汽車擋風(fēng)玻璃以及車窗顯示便是一個非常具有前景的應(yīng)用形式。駕駛可以通過擋風(fēng)玻璃直接看到疊加的信息，如儀表盤等內(nèi)容，甚至還有望集成紅外掃描、智能預(yù)測等功能，將汽車傳感器收集的數(shù)據(jù)實(shí)時反饋在擋風(fēng)玻璃上。近年來，各大汽車廠商已經(jīng)提出了很多新穎的概念，展現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于智能汽車的美好前景：

豐田交互式車窗玻璃W i nd o w t o t h eWorld：在一個概念項(xiàng)目中，豐田歐洲公司和哥本哈根交互設(shè)計研究所將汽車車窗設(shè)想為觸摸屏，允許乘客通過它與車外的風(fēng)景進(jìn)行互動。豐田稱這一理念為“W i n d o w t othe World（通向世界的窗口）”，車窗玻璃就像一個畫板，乘客們可以追蹤他們看到的外部風(fēng)景進(jìn)行繪圖，還能夠放大遠(yuǎn)處的風(fēng)景，或者衡量其與汽車之間的距離。在夜間，這種車玻璃還可以定位天上的星星，顯示天文知識。

寶馬vision Next100概念車：寶馬visionNext100概念車可以自動運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，這款車用兩種不同的駕駛模式。B o o s t 模式為有趣的手動駕駛模式，east模式為放松的自動駕駛模式。在boost模式下，這款車會顯示駕駛路線，速度信息和其他類似的運(yùn)行數(shù)據(jù)。這些都能幫助駕駛員在駕駛興致高的時候更自信更安全地駕駛。在這個概念設(shè)計中設(shè)定了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的模式來在擋風(fēng)玻璃上直接投射其他車輛的信息，增進(jìn)了車與車之間的交流。


圖3 寶馬vision Next100概念車

BMW i Vision Future Interaction：配有平視顯示系統(tǒng)、帶三維視圖顯示的組合儀表以及一個幾乎擴(kuò)展到整個前乘客側(cè)的21英寸全景式顯示器。諸如車速、限速或?qū)Ш叫畔⒌茸钪匾臄?shù)據(jù)將投射到前風(fēng)擋玻璃上，而組合儀表就布置在方向盤后面；在人工駕駛時，車輛的顯示器會提供常規(guī)數(shù)據(jù)，而在高度自動駕駛模式（h i g h l y a u t o -mated mode）下，這些顯示器可以化身為娛樂、互聯(lián)系統(tǒng)。


圖4 BMW i Vision Future Interaction

Rinspeed概念車Oasis：在概念車Oasi的信息娛樂系統(tǒng)上應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和全息技術(shù)。Oasis的擋風(fēng)玻璃可以作為虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息的巨大顯示屏，在哈曼技術(shù)的基礎(chǔ)上添加了俄羅斯初創(chuàng)公司W(wǎng)ayRay的全息增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航儀。

WayRay的全息技術(shù)利用了比常規(guī)顯示器更大的顯示面積。該技術(shù)會在道路上呈現(xiàn)虛擬指標(biāo)，提示駕駛員所需獲知的信息，讓其可專注于道路駕駛。同時，系統(tǒng)中的AR、語音和手勢控制會顯示實(shí)時信息，提示使用在駕駛時所遇到的重要事情，如人、物體、狗等等。它還會顯示具體的地點(diǎn)，當(dāng)車輛靜止或在自動駕駛時，駕駛員還可以接收消息和進(jìn)行社交更新。另外，Oasis擁有超大的側(cè)窗玻璃與透明的側(cè)滑門，車內(nèi)所有控制均由觸摸屏進(jìn)行交互。


圖5 Rinspeed概念車Oasis

在2018年的CES展會上，Realfiction公司展示了64英寸的Deepframe顯示器，將玻璃顯示的概念轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)實(shí)。此顯示器可以將高分辨率的圖像及視頻在透明玻璃上放大。此顯示器是運(yùn)用了通常用于深空望遠(yuǎn)鏡的高精確光學(xué)層進(jìn)行偏移光，從而實(shí)現(xiàn)了幾乎全息的效果[6 ][ 7]。


圖6 Realfiction公司推出的Deepframe顯示器

四 結(jié)語

如何以用戶為中心，迎合人們追求更的駕駛體驗(yàn)的追求，確實(shí)提升用戶的駕乘感受是值得深入研究的問題。本文中探討的將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入智能汽車中的方法除了可以有效的解決交互復(fù)雜化問題，還能夠幫助使用者形成固定的認(rèn)知方式，有效減少用戶的學(xué)習(xí)時間，提高用戶的反應(yīng)速度，保證人機(jī)界面的使用效率。探討以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的智能汽車人機(jī)交互界面，可以為進(jìn)一步探究未來智能汽車交互設(shè)計的趨勢與發(fā)展方向打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。探究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與智能汽車相結(jié)合的方法，對提升我國自主設(shè)計能力、促進(jìn)智能汽車的研發(fā)與推廣，都將起到非常積極的作用。