基于虚实结合平台的汽车体验联动评测体系系统研究

李亚兰　丁玮　陈迪雯　吴林青　张铭

摘 要：文章研究了一种基于XR技术的汽车体验验证系统，能够将虚拟场景与实际汽车台架相结合，让用户沉浸式地体验虚拟汽车。XR技术是指通过计算机将真实与虚拟相结合，打造一个可人机交互的虚拟环境。它能让体验者在虚拟世界与现实世界之间无缝转换，产生“沉浸感”。同时，利用自动化的眼动和肢体测评方法，跟踪并分析体验者对不同位置的关注度和人体舒适度。实验结果显示，该系统能有效测量用户关注度和舒适度，并为汽车设计提供有价值的指导。

关键词：虚实结合 动作捕捉 体验测评 汽车体验 XR汽车体验验证系统 人机工程 XR 高感知沉浸式体验

1 背景分析

随着通信技术和人工智能信息技术的迅猛发展，工业4.0时代已经来临。在此背景下，汽车体验需求日益提高。人们不仅把交通工具当作代步工具，更重视乘坐舒适度的极致追求。同时，企业也重视满足用户需求，努力打造特色亮点，设计吸引人的客户旅程，适应不同场景下的乘车体验。它们结合汽车特点和用户深需求，创新和强调自身品牌形象。此外，工信部《“十四五”智能制造发展规划》提出，到2025年，重点行业骨干企业将初步实现智能化，制造企业将基本普及数字化。这涉及数字孪生、元宇宙等探索，旨在实现体验场景的数字化和轻量化。

本文针对企业和用户需求，提出了一种虚实结合的方案。我们探讨了在智能化体验需求高涨的背景下，如何实现高感知的沉浸式体验和操作，让用户深度感知多场景、多功能的人机交互，并为设计方案提供更深层次的用户体验指导。此外，我们对虚拟环境搭建、XR设备、动作捕捉系统、虚拟人引导等体验和使用场景进行了详细的行业扫描，使本研究具有创新性和高效性。

针对汽车数字化和虚拟技术的快速发展，介绍了一种XR 汽车体验验证系统，能够对未上市车型进行系统性的体验测试。通过运用虚实结合的方案，满足在智能化趋势下用户对于汽车体验的深度需求。致力于实现高感知的沉浸式体验和操作，让用户深度感知多场景、多功能的人机交互。此外，本文对虚拟环境搭建、XR设备、动作捕捉系统、虚拟人引导等体验和使用场景做了详细的行业扫描，保证项目的创新性和高效性。

2 设计目标

在汽车应用领域，为了满足用户对汽车体验的不断提高需求，核心目标是打造全场景及全维度的体验调研刺激物，并为前瞻设计方案提供一个全面的搭载平台。

通过软件环境为基础，开发数字样机评审和产品编辑平台，让设计师能快速创建和修改虚拟汽车模型。这种数字化的创作环境能加快设计迭代的速度，并提供更灵活的操作空间。然后，以实物为主体，在真实的汽车台架上做体验验证。通过引入XR混合现实技术，用户戴上XR/VR眼镜，进入沉浸式的虚拟场景，与虚拟汽车互动。这种虚实结合的方式让用户能真实地感受汽车的外饰、内饰和驾驶感受，从而更好地评估设计方案的效果。此外，用动作捕捉技术，实时跟踪用户的眼动和肢体动作。通过分析用户关注不同位置的次数和时间，以及身体舒适度的反馈，能量化评估体验者对汽车设计的认知和感受。

为了实现全场景和全维度的体验调研刺激物，让用户体验多种场景，并提供沉浸式的人机交互。比如，在虚拟环境中，用户可以在不同的路况下做驾驶模拟，感受不同速度和路况对驾驶舒适度的影响。还可以模拟不同的气候条件，让用户体验开车时的温度、湿度和风速等因素的变化。通过这种多场景的体验，可以更全面地评估设计方案在不同情况下的表现，并为设计迭代提供科学依据。

最后，本文是为前瞻设计方案提供一个完整的搭载平台。通过建立这个多方式体验感知体系，能够深入了解用户对不同场景下的汽车体验的需求和偏好。通过收集和分析用户的反馈意见和感受，能够提供科学、客观的数据支持，为设计方案的迭代改进提供指导。

3 设计方案

经过全面、多维的市场调研和技术沟通分析，虚拟现实仿真验证平台是实现核心目标的最佳技术手段。它由软件和硬件两部分构成。

软件环境中，数字样机评审、产品编辑平台、人机交互等是主要的功能。数字样机评审让设计人员快速创建和修改虚拟汽车模型，并做设计验证。产品编辑平台提供了一个灵活的操作环境，让设计人员做各种设计调整和优化。

硬件环境提供多通道立体显示和人机交互数据采集。多通道立体显示让用户用高质量的显示设备，在虚拟环境中得到逼真的视觉体验。人机交互数据采集用动作捕捉技术、眼动追踪等方法，实时跟踪用户的视线、肢体动作和姿态，以便更精确地分析其行为和感受。

基于前期定义的总体系统架构框图，设计方案可以具体分为以下四个实施路径：（1）视觉虚拟数据库及编辑平台；（2）用户体验设计方案搭载工具；（3）设计方案验证体系；（4）刺激物体系应用规范。

3.1 视觉虚拟数据库及编辑平台

通过建立对虚拟汽车模型和相关数据的数据库，为设计人员提供便捷的访问和编辑功能。这个平台支持虚拟场景的构建和设计评估，提供多种视角的可视化展示。

3.1.1 数据库搭建

设计并创建一个虚拟汽车模型和相关数据的数据库。该数据库应包含汽车参数、外观设计、内饰布局以及与设计相关的信息。

3.1.2 数据导入和编辑功能

开发相应的软件功能，使设计人员方便地导入和编辑虚拟汽车模型及相关数据。这包括模型导入、纹理贴图编辑、部件替换等操作。编辑平台共3种模式：编辑模式、展示模式、模拟驾驶模式。

3.1.3 虚拟场景构建

根据需求确定要构建的场景类型，例如：城市道路、乡村环境、沙漠、海边等。收集现实世界中相关场景的数据和参考资料，如街道布局、建筑物外观、交通标志等。利用三维建模软件，根据收集到的数据和参考资料，进行场景建模。根据实际场景来设置材质和纹理，使其更逼真。调整光照效果和渲染参数，使场景具有适当的亮度、阴影和反射效果。

在场景中添加道路，并设置车辆和行人的运动规律，模拟真实的交通流量。对场景进行优化，包括减少多边形数量、合并网格等，提高性能和流畅度。场景验证工作，通过与实际驾驶情境进行对比和评估，调整细节和元素，确保其准确反映仿真驾驶情境。

3.1.4 可视化展示

确定可视化需求，根据设计人员的需求，确定需要展示的视角。虚拟相机设置，使用图形渲染引擎创建一个虚拟相机，并设置位置、旋转和视野等参数。视角切换功能，实现视角切换的功能，允许设计人员在编辑平台中轻松切换不同的视角。交互控制，可添加交互控制功能，例如使用鼠标或手势控制旋转缩放和开关门等。可视化效果增强，考虑添加额外的可视化效果，如光照和阴影、环境反射和折射等效果，提升展示的逼真度和质感。

3.2 用户体验设计方案搭载工具

3.2.1 硬件选择和集成

XR设备名称为Varjo XR3，主要特点是沉浸度高，通过高广角使其虚拟感受真实。定位设备名称为ART TRACK5，主要特点是精准手部追踪；刷新率最高300Hz；感应器分辨率1.3兆像素；测量原理为光学六自由度，被动和主动标记点追踪；定位精度2mm。手部动作捕捉设备，通过光学定位在虚拟环境中与真实手部状态同步；虚拟空间下抓握位置与真实位置一致，误差小于2mm。

3.2.2 用户体验测试

为改进测试车的功能和性能，进行了虚实结合调研刺激物的用户体验测试，收集用户的反馈和意见。为了更准确地获取用户对测试车的体验感受，用户通过使用刺激物感受测试车的内外饰设计、HMI设计、易用性、CMF五感设计等方面进行满意度调研。并与用户进行个别或小组访谈，记录他们对虚拟测试车的设计喜好、交互控制、五感体验等感受和建议。

3.3 设计方案验证体系

为了建立科学有效的设计方案验证体系，可以按照以下步骤进行设计和实施：

眼动追踪数据处理和解读（见图2）。

肢体动作数据处理和解读（见图3）。

3.4 刺激物体系应用规范

为确保刺激物体系的稳定性和可靠性，合理规范软件平台和硬件系统的使用规范，操作人员需按照应用规范实施操作。

4 设计应用

4.1 快速验证设计方案，用于敏捷开发

设计师可通过相应设备快速制作测试demo，导入测试，通过模拟仿真系统对设计方案有初步的体验认知，再通过客观验证方法，快速反馈验证方案，辅佐设计方案决策，同时也可以进行迭代与二次启发。

4.1.1 设备选择和制作测试Demo

选择适合项目需求的硬件设备，如XR设备、交互控制器等，并制作相关的测试Demo。

4.1.2 模拟仿真系统体验认知

将设计师制作的测试Demo导入到模拟仿真系统中，方便设计师通过虚拟现实环境对设计方案进行初步体验认知和评估。

使用Unity3D或UE及虚实结合定位插件进行开发和集成。

4.1.3 客观验证方法与反馈

建立台架搭建，用于测试不同设计方案，控制测试变量以对方案进行测试和比较。

结合客观数据和用户访谈，对方案进行全面分析和评估。

4.2 设计指导

对于项目中存在争议或设计师无法判断的方案时，通过台架搭建不同方案，控制测试变量对方案进行测试，综合记录用户模拟驾驶过程中的客观数据和用户访谈的主观数据，对方案进行更全面的分析。同时，台架搭建将设计方案更直观的展示，更易于对体验进行描述，具有更广泛的说服力和更具影响的驱动力。

4.3 全维度的体验与感知

从可达性、可视性、可读性三个维度，利用测量数据分析注视点、操控效率、安全性等，全面检测用户对车辆HMI设计方案的接受认可情况，从而改进车辆内饰设计，合理布置车载电器操作装置，改善车辆信息显示。

5 结论和展望

通过建立全方面深层次交互的设计平台，可以把核心体验场景、人机交互、内饰氛围、零部件等多方面体验维度进行搭载，让用户沉浸式参与汽车设计测评与研究，以便深入剖析用户，挖掘其更高层级体验需求。此外，还讨论了该系统的创新性和学术性，以及XR和动作捕捉技术的优势和局限性。未来的研究可以进一步改进该系统，并探索更广阔的应用前景。

在汽车设计领域，利用XR技术可以让设计师和用户在虚拟或增强的空间中驾驶、体验、评估不同的汽车模型和功能，同时通过传感器、摄像头、脑电波等设备，实时采集用户的心率、血压、眼动、脑活动等生理数据，以及表情、语音、姿态等行为数据，通过AI来分析用户的情绪、偏好、满意度等指标，从而为汽车设计提供更加客观和有效的反馈和优化建议 。

未来将结合人工智能技术，实现对用户生理数据的定量采集和分析，从而提高用户体验的质量和效果。这将为各个领域和行业带来更多的创新机会和竞争优势。我们有理由相信，在不久的将来，这种技术将成为人机交互的新标准和新趋势。

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