未来汽车人机交互界面（HMI）设计的发展趋势

张惠

（中国第一汽车集团有限公司 智能网联开发院，长春 130000）

主题词：人机交互界面（HMI） 人工智能（AI） 自然交互 自动驾驶

1 前言

随着计算机数字化技术及网联技术的飞速发展及在汽车上的广泛应用，汽车已经不是一个单一的交通工具，而是集交通工具、移动办公、移动生活空间于一身的人生活不可缺少的生活伴侣。面对汽车功能的转变，汽车的人机交互界面（HMI）设计也越来越被重视，以用户体验为中心，包括汽车外部、内部空间、HMI、操作和交互的设计正在发生革命性变化。汽车内部的信息模式已经从单一的行车和车况信息模式迅速发展成为包括汽车信息、汽车间（C2C）信息、汽车和其它信息载体（C2X）交互的信息在内的复杂信息体系[1]。在这样的复杂信息下，驾驶员要完成监控道路状况、控制车辆、保持车道等的主驾驶任务（Primary Task）的同时还需处理大量与驾驶有关或无关的信息的次级任务（In-Vehicle Secondary Task）。这些次级任务在不同程度上占用驾驶员的视觉、听觉等认知资源，分散驾驶员注意力，提高学习成本，产生较高的认知负荷，严重影响驾驶员的驾驶效能和交通安全[2]。

然而，追求复杂是人类对产品功能和情感体验需求的体现[3]，所以，尽管过多的信息量会给驾驶带来安全上的隐患，可为了更好地满足用户需求，提高用户体验，大量的车载信息还是不断地进入驾驶空间中，如：驾驶辅助预警及提示信息、自动驾驶的驾驶权限接管信息等。面对未来汽车的发展，汽车HMI将如何设计，来实现驾驶体验和复杂信息功能需求的平衡？

本文将从人工智能（AI）技术在汽车HMI设计中的应用、市场的趋势、信息显示技术、交互设计四方面展开讨论，深入分析未来汽车HMI设计的发展趋势。

2 人工智能（AI）技术在汽车HMI设计中的应用

实现驾驶体验和复杂信息功能需求的平衡，最有效的方法是让汽车能够识别驾驶员的状态（生理、情绪），理解用户需求，让驾驶员能够自然地与汽车进行互动和沟通。

AI技术的终极目标是提供类人解决方案。通过AI算法，可以在最合适的时间，给驾驶员最需要的信息，即使他们没有明确地向AI系统提出要求。AI技术在人的状态、情感识别有很大的优势[4]，可应用在汽车交互设计中，实现汽车HMI的情感化和个性化设计。目前的应用主要体现在自然语音处理、表情识别、和物理信号分析三方面领域。

2.1 自然语音处理

自从Siri几年前发布以来，语音很快成为提供实用程序的人机交互界面。语音允许用户更好地与个人设备和应用进行交互，不需要学习特定的命令，而是使用最自然的语音交互方式与应用或设备进行交互。

语音还可以帮助了解用户的感受，可以分析用户的语音语调并使用它来了解他们当前的情绪。由Be⁃yond Verbal创建的Moodies Emotions Analytics，该公司专门提取不同声调背后的含义（图1）。该应用程序可以通过听人说话来实时提取，解码和衡量“全方位的人类情感”。这个应用程序具有真正的实用价值，可以更好地了解人们的心情和剪裁互动。

图1 通过语音识别用户情绪

2.2 面部表情识别

现在，面部表情在技术世界中引起了很多关注。原因很简单，面部表情是人们表达自己最强大工具之一。它嵌入到人类的DNA中，人类使用面部表情传输和解码状态和情绪。事实上，人类可以用表情传递更多的数据，而无需用声音。Snapchat和Apple使用面部识别工具识别用户表达的情绪（图2）。

图2 通过面部表情识别用户情绪

面部识别还有一个应用，即个性化识别。AI技术可以检测到人类无法识别的人的无意识表达或某种短暂表情。这意味着移动设备有机会比人类更好地理解人类。

2.3 物理信号分析

通过AI技术可以检测并采集各种物理信号，包括：人的意图、人的状态（健康、情绪、分神、疲劳等）、外界的驾驶环境、与其他AI车辆的交互信息、与车内车外的人员的信息。通过AI技术建立智能人状态分析模型，利用采集的物理信号数据，可以知道人在什么状况下有什么样的意图，什么样的状况有什么样的情绪变化，帮助我们更好地理解人内心到底发生了什么，更需要什么。在自动驾驶中，可以同人类一起工作，在最必要的时间给人类驾驶辅助。

目前，跟踪人身心健康已经变得越来越普遍，许多人为此使用可穿戴设备。设备可以跟踪人的心率或皮肤温度，识别这些信号并检测人的健康状态和情绪波动。设备不仅可以用来分析，还可以提供实时指导，帮助用户解决健康问题或实现情感幸福。例如，当设备了解到一个人有压力时，它可以提供有关如何应对的信息。

3 从市场的趋势分析

随着智能化、信息化技术的发展，及人对汽车需求的变化，座舱将融入更多的智能控制、人工智能等新技术，未来的汽车正从“外部第一”向“内部第一”转变，从“驾驶体验”转向“体验驾驶”和“超越体验”，未来汽车座舱内的用户交互体验越来越被重视，汽车HMI设计也将融入更多的智能技术使其更加情感化、个性化。未来的汽车HMI设计将有以下发展趋势：

●交互设计将是汽车未来的重要标志；

●HMI设计的方案允许人与技术之间的对话。未来的HMI设计将不仅涵盖汽车中的交互，还包括旅行前后的交互[5]；

●用户体验（UX）引导用户感知（使用的乐趣、期望、吸引力、信任），可用性控制用户性能（有效、高效、可用），两者都建立在用户满意的基础之上；

●未来的HMI趋势是增强现实（AR）、社会和人口变化、自主驾驶、数字助理、人性化的人机界面解决方案。人性化意味着整体的、多式的、基于人工智能的界面设计[6]；

●消费电子是汽车HMI的重要驱动力，典型的功能是数字辅助、语音识别、人工智能；

●自动驾驶将改变整个汽车用户界面，它将使汽车从以产品为中心转向以服务为中心；

●自动驾驶将改变驾驶体验，从汽车到滚动客厅，驾驶以外的活动将从听音乐、与朋友和家人交谈、发短信到写书、看电影、睡觉、使用社交媒体、工作、锻炼等等[7]；

●用户希望有一个智能的生活在车上，包括：娱乐、工作、放松、沟通和消费；

●未来的内部可能不再有专用的HMI组件，但是HMI无处不在。智能表面将无缝集成HMI传感器。

4 从信息显示技术分析

随着液晶屏技术的发展和汽车功能的增加，液晶仪表已经逐步取代传统的机械仪表[5]（图3）。目前液晶屏的技术，除了基于TFT的液晶屏，还有基于量子点发光二极管的超清液晶屏，和基于有机发光半导体的OLED液晶屏，屏幕非常薄，可弯曲。这些液晶屏技术为设计师提供更大的设计空间，有仪表与娱乐主机一体化的长连屏，如2018年CES奔驰发布的A级车仪表与娱乐主机系统屏幕的设计；有类似Pad的15寸大屏，如：特斯拉的娱乐主机屏幕；有贯穿主副驾的一字大屏，如：2018年CES拜腾发布的新车的仪表与娱乐主机屏幕；有曲面长屏和环抱式大屏，如：2018年CES现代和日产展出的概念车的屏幕设计[8]；有多功能微显示屏，可显示空调温度，也可以用于调节功能，如：2018年CES哈曼展出的概念车中的设计[9]；有通过2块屏和半反射镜组成的立体显示屏，在保持高度可视性的同时，让用户真正感受到了逼真的景深感，如：2018年CES三菱展出的概念车的仪表屏幕设计，还有AR-HUD及全息投影，让用户更自然、更直接地接收信息的显示方式。

图3 信息显示屏幕变化

4.1AR-HUD

HUD是通过光学投影原理，将光投射在前挡风玻璃上，在驾驶员的视线前方形成一个虚像显示屏，显示行车中信息，驾驶者的视线无需离开道路就可以看到，解决了查看汽车显示设备需要视线扫视（Glance）带来的安全隐患。而AR-HUD，是利用了增强现实技术，将虚像信息和现实世界信息进行叠加，让驾驶员更直接获取信息(图4)，是AR技术在汽车领域的一个典型的应用。AR-HUD最典型的作用之一便是用于导航。虚像的导航指示信息直接叠加到现实道路上，驾驶员不用任何方向和路径分析就知道自己应该如何走。

图4AR-HUD导航信息显示

宝马是采用HUD技术最多的汽车公司，宝马5系旅行版的全彩HUD功能，可以显示包括车速、导航指引、限速信息、车距过近提醒等内容。

与HUD相比，AR-HUD要复杂得多，前者只是一套投射并显示信息的设备，而AR-HUD则需要和ADAS等系统深度整合，以实现更高级的效果和功能。可以说车载AR-HUD就是驾驶者的另一双“眼睛”，通过它，你就能直观的看到更多信息。

4.2 全息投影

全息技术是利用干涉原理，将物体发出特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都存储在记录介质中，故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成原物体逼真的三维像，例如空中悬浮的3D车辆（图5）。

图5 全息投影显示

许多汽车制造商目前正在关注全息投影技术，全息投影可以改善HUD的显示效果，增加HUD的眼图盒（驾驶员能看到的范围），亚利桑那大学的研究人员已经使用全息光学元件来创建平视显示器，即使观看者四处走动或未定位在预期视场中，也能传递信息。这项研究已经发表在“光学学会应用光学”杂志上。全息投影可以与AI技术结合实现一种浸入感的交互体验。宾利在他们的SUV概念车Bentayga中展示了全息管家（图6），他可以帮助推荐餐馆并预约。梅赛德斯-奔驰奔驰在厢式货物概念车内集成了全息投影（图7）。宝马展示HoloActive全息触控技术（图8）。韩国现代也正在研发全息投影技术，他们希望将其用在仪表盘上甚至座椅上。实现在你开车的时候，你的秘书或妻子能够通过全息投影的方式坐在你的身边。

未来全息投影技术会让自动驾驶汽车变得更加人性化。

图6 宾利的全息管家

图7 奔驰的全息投影

图8 宝马的全息触控技术

5 从交互设计分析

为了提供极致的用户体验，IVI系统的功能也越来越多，已经不仅仅具备收音机、导航功能，而增加了很多娱乐功能、汽车控制功能，物理控制按键也逐步转为液晶屏幕内的“软开关”控制，汽车已经从一个单纯的交通工具转变为具备交通运输功能同时也具有强大服务功能的移动终端。复杂的功能满足用户需求欲望的同时也增加了学习成本，而要实现良好的用户体验，理想的状态是交互方式要符合用户日常习惯，最大化降低学习成本。如何能达到这一点，或更加接近这一点？

5.1 无意识无缝连接的“自然交互”方式

“自然交互”也就是直观、自然的交互体验，不需要太多学习就能上手。在汽车行业，“自然交互”将成为未来的一大趋势，实现自然交互的主要技术有智能语音、手势交互、触控、生物识别（面部识别、指纹识别、眼动识别）、用户意图和健康测量，甚至还有最新研究的脑电波+肌肉信号等。

●智能语音

除了我们现在使用频率比较高的导航功能外，智能语音交互系统还将在支付、社交、音乐等多个领域发挥它的作用和光彩。

根据Analysys易观数据的分析，到2023年之前车联网的渗透率将会超过50%。同时，智能语音交互也一定会成为自动驾驶汽车的标准配置，即使没有开车经验人，也可以轻松的驾驭汽车，语音交互将带领我们进入一个真正的智能时代（图9、图10）。

图9 宝马配备有nuance本地嵌入式加云端混合式语音

图10 荣威ERX5配备有nuance语音系统

●手势交互

汽车手势交互属于新兴的行为设计门类，具有巨大的发展潜力（图11、图12）。与人脸识别、HUD显示和语音命令等先进技术相结合，将更好的应用于汽车交互。在即将到来的环境交互时代，为了更有效的沟通技术与人，手势作为人们与生俱来的一种自然交互方式，不依赖界面等第三方设备[10]，能够最大限度地减少认知和视觉沟通成本，在环境交互时代具有巨大的发展潜力[11]。

●触控

未来的触控技术突破了平面触控技术。依靠安装在座舱里的超声波设备，会向指尖发送脉冲信号，这样的话，手指就能感觉到轻微的压力。可以让用户不用看就可以更自然地操作。宝马在他们的概念车和新技术中展示了触觉反馈式控制。博世公司在2017年CES展上展示了他们的非接触触控技术（图13）。

图11 拜腾的三维手势控制技术

图12 宝马的手势控制技术。通过手挥动、空中轻点等手势实现多种操控功能。

图13 博世公司的触控技术

●生物识别

运用生物识别（脸、眼、指纹、声纹等）技术可实现情感化、个性化设计，提供用户的体验感和个人归属感。

拜腾通过B柱上的三颗摄像头和一个触摸按键实现车门的解锁（图14），通过对车主正面面部图像的3D建模，对比数据库中的存储的数据，完成车主信息的匹配。

图14 拜腾的三维手势控制技术

5.2 交互多模态

各种交互手段都有各自的优点和缺点，比如，语音是人日常使用最多的交互，智能语音交互就有它

得天独厚的自然特点，但即使利用AI技术实现了语意识别和方言识别，也无法在非常嘈杂的环境下，得到满意的识别率。手势交互也是人日常使用的交互手段，但目前计算机还无法准确识别真实意图和人们自然做的所有意外手势，以及外界环境光变化的手势。未来的交互应该是多种“自然交互”方式并存的多模式。如图15，1.物理按键；2.触控；3.手势；4.语音；5.液晶屏视觉交互；6.HUD，未来是这些交互方式共同存在，设计师根据它们不同的特点进行用户需求和交互方式的平衡设计。

5.3 自动驾驶系统的交互方式

安全是目前自动驾驶车辆最主要问题。多方研究报告揭示了自动驾驶系统设计的弱点，特别是在培养用户信任方面。这可能是HMI设计难以解决的问题。

在自动驾驶设计的测试中，用户始终有将车辆控制权移交给机器的恐惧和抑制。部分问题可能是自动驾驶汽车已经造成的严重交通事故，其中包括一起驾驶特斯拉的致命车祸。

如果用户不信任自动驾驶汽车，该技术将无法使用。与此同时，过多的信任会导致自满，并且会对技术造成危险。那么，问题是如何培养适当的用户信任。这是HMI设计师需要去做的。

为了使用户信任自动驾驶系统，但并不过分依赖自动驾驶系统，主要需要解决以下人机交互问题：

●驾驶任务接管问题。从车辆与驾驶员驾驶任务的切换成功与否取决于车辆提供准确信息的形式、数量和格式，HMI设计是否让用户信任、愉快、感到有用；

●即使车辆控制驾驶，用户也需要知道发生了什么（自动驾驶当时的外界环境、车辆状态等）。只有用户知道当前的驾驶状态才会信任自动驾驶系统，并安心乘坐；

●需要有车与车之间、车与外部环境之间的HMI通信。特别是行人应被告知车辆（自动驾驶中车辆）的意图。这最大限度地提高了用户的接受度安全性和交通流量。

6 结论

本文从人工智能（AI）技术在汽车HMI设计中的应用、市场的趋势、信息显示技术、交互设计四方面展开讨论，深度分析了未来汽车人机交互界面设计的趋势。总结为以下三点：

（1）未来汽车人机交互界面设计的目的是为人提供更好的生活，而不仅仅是对技术的展示，在设计的时候应该充分考人的因素在汽车交互界面设计中的作用。

（2）未来汽车人机交互界面设计要紧密结合AI技术、数字化技术、大数据分析、网联技术进行设计，比如：智能语音交互、结合驾驶员状态及情绪的智能IVI信息推送或功能启动的情感交互设计、全息管家（可自动寻找饭店并预约）、针对自动驾驶的驾驶权接管的交互界面设计等。

（3）未来的人机交互界面设计方向是自然交互技术间的多模态融合，设计师调和各种交互方式，满足用户复杂功能需求的同时让操控更自然、更简洁、更便利、更舒适。