提升辅助驾驶安全的游戏化增强现实导航设计

万旻阳

（武汉理工大学 艺术与设计学院，湖北 武汉430070）

1 背景研究

自动驾驶技术的发展使辅助驾驶系统步入商业应用阶段，进入人们的生活。2017 年，第四代奥迪A8 进入商业市场，宣称可以达到SAE 3 级自动驾驶，是迄今为止比较成熟的自动驾驶技术应用范例。美国汽车工程师协会（简称SAE）将车辆的自动化水平划分为0 级（无自动化）～5 级（完全自动化）6 个等级[1]。SAE 3 级自动化则意味着车辆可以在特定情况下完成驾驶任务，而无需驾驶员操作。目前大多数商用自动驾驶汽车处于SAE 2 级——部分自动驾驶，例如特斯拉Model 系列车型，这意味着车辆可以接管驾驶员的部分驾驶任务，人类驾驶员只需要监视路况。但是，人们可以完全依靠辅助驾驶系统了吗？答案暂时是否定的。美国加州机动车管理局报告了一些与自动驾驶相关的事故，这12 起事故归因于人类手动驾驶决策机制与自动驾驶决策机制之间的差异[2]，道路上其他车辆的驾驶员错误地预测了自动驾驶汽车的行为。这一事实表明，在自动驾驶技术成熟之前，对于驾驶员而言始终注视前方道路并及时处理一些难以预料的交通状况十分重要。因此，无论是SAE 2 级或3 级自动驾驶，在系统遇见无法应对的情况或出现安全方面的潜在故障时，驾驶员都必须立即接管车辆。

本研究提出的设计构想，建议利用基于平视显示器（Head-Up Display，简称HUD）和全系光学元件构建游戏化增强现实导航系统。以无缝体验的方式鼓励驾驶员集中驾驶，提高辅助驾驶的行驶安全。笔者利用PACTs 框架对该系统进行阐述，即从People（人）、Activities（活动）、Context（情境）、Technologies（技术）以及Success Factors（成功要素）的角度全方位地描述一个完整的故事：利益相关者在何种情境下通过哪些技术进行了哪些活动，并分析该系统成功的因素。

2 相关概念

2.1 无缝性设计与有缝性设计

WEISER 在其1991 年的著作“The Computer for the 21st Century”中提出了无缝技术（Seamless Technology）的概念。他认为对人类影响最深远的技术应该是无形的，可以使人们去关注所要完成的任务，而不是关注技术本身[3]。这种无形的体验已经集成在人们的日常生活中，例如通过集成手机虚拟助手、智能音响和智能家电等部件，创造出一个“隐形”的、无缝体验的居家生态系统。

但WEISER 在其1994 年和1995 年的研究中指出了无缝性体验的局限性——让所有的科技应用都打造无缝性体验等同于创造是一切都相同的体验[4-6]。所以，他倡导有缝性设计（Seamful design）。但这并不意味着制造分裂的用户体验，而是设计具有“漂亮的裂缝”的系统体验：有缝性的设计理念可以提升技术的灵活性，刻意利用并向用户展示“接缝”，使用户意识到某种技术所具有的局限性，以便更好地适应它。

2.2 增强现实技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是一种将虚拟信息或图像与真实世界无缝叠合，使用户可以实时获得信息辅助并与之交互的技术[7]。纵向回顾几十年间AR 技术的发展，目前该技术已经在医疗、交通、航天、通信、教育以及工业维修领域发挥着重要的作用，成为人类个体与信息世界沟通的重要枢纽。

1997 年AZUMA 调查发现，在早期的研究中AR 图像的视觉定位主要基于头戴式显示器[7-9]。20 1 0 年在KREVENLEN 的报告中则出现了更多便携的显示方式，例如AR 眼镜、手机中的嵌入式应用程序以及全息投影显示器[9]。随着AR 显示载体的不断优化，AR 式导航在驾驶场景中的重要性逐渐凸显，且应用得越来越普遍。WayRay 公司于2017 年推出了“Navion”，其是一款基于全息HUD 的汽车AR 导航系统。虚拟导航信息与道路相叠合，降低了驾驶员视觉分心的概率，且驾驶员无需将传统二维地图导航经过大脑处理再映射到真实世界的道路上，减小了驾驶员的认知负荷。

应用AR 技术时最大的挑战和局限是计算机图像配准和检测错误的问题[7-9]。传感器精度随着技术的发展有了很大提高，限制虽然很小但仍然存在。AZUMA 指出，出于安全考虑，如果AR 技术没有达到很高的图像配准率，则无法应用于例如医学等要求高的领域。技术局限可能就是应用增强现实需要考虑的“接缝”。

2.3 游戏化驾驶体验

游戏化的定义是“将游戏设计应用到非游戏领域”[10]。游戏化体验使得某项任务变得更有趣，以激发用户更加积极主动地参与到任务中。在辅助驾驶场景利用风窗作为AR 显示技术的载体将虚拟的游戏化信息与现实世界叠合，驾驶员能够与游戏化系统进行交互，并以一种愉悦而自然的方式将注意力集中在道路上，无需任何穿戴媒介。

SCHROETER 等人针对SAE 2级和3 级的辅助驾驶提出了“口袋妖怪驾驶（Pokemon Drive）”的设计概念[11]。将路面上的潜在危险用虚拟的黄色皮卡丘图片标注出来，当危险靠近时，驾驶员轻扫方向盘则代表他们注意到了这个危险，虚拟图像随之消失，游戏化系统会依照驾驶员面对危险的反应时间奖励他们相应的分数，刺激驾驶员持续关注路况。WayRay 公司在2018 年推出一款车辆定位配件“Element”和其配套的智能手机应用程序“Autoyoga”，通过游戏化奖励鼓励驾驶员用户节能驾驶、安全驾驶。这些游戏化体验可以与AR 导航结合起来，形成更具有吸引力的系统。

3 系统设计

具体设计概念将通过PACTs 框架阐述，即“用户使用某种技术在特定环境中进行某项活动[12]。”因此，本研究中设计概念的使用体验可总结为“驾驶员使用游戏化AR 导航系统在城市道路上进行导航，以及处理在SAE 2 级和3 级自动驾驶中的接管请求”。本节将阐述与设计概念相关的人、活动、情境、技术，以及设计概念的成功需要具备哪些因素。

3.1 People（人）

该系统的目标用户是装配有辅助驾驶系统（具有2 级或3 级自动化能力）的智能驾驶汽车的驾驶员。在考虑目标用户时，年龄差异是一个需要考虑的因素，例如游戏化设计对青年驾驶员、中年驾驶员和老年人驾驶员的影响力差异，以及接受度差异。

3.2 Activities（活动）

在该设计概念中，活动包含导航以及出于严肃目的和娱乐活动，例如通过游戏化策略评估并奖励驾驶员的安全驾驶行为。AR 虚拟信息会叠加在汽车风窗上，向驾驶员展示导航信息以及接管信息等。每当驾驶员成功识别出一项可能会对形式造成威胁的潜在危险，并即时接管车辆（即在系统的提示下由辅助驾驶模式切换到手动控制时，游戏化系统就会向驾驶员提供虚拟分数奖励）。

在考虑驾驶员玩家需要执行什么样的活动或任务时，除了虚拟分数奖励，还可以考虑一些物理的游戏性交互输入和反馈方式。

3.3 Context（情境）

DIXIT 等人的研究显示，在2014-09—2016-02 发生的与自动驾驶相关的事故均发生在城市街道十字路口附近低速行驶的区域[2]。因此，本研究中的系统设计概念考虑以城市道路为主。与高速公路路况单一的特点相比，城市道路的交通状况和路况更为复杂多变，有更多不可预测的因素，例如行人、自行车和路标等。这些不可预测的因素都可以成为游戏化设计利用的元素。

系统界面由AR 导航提示和AR 游戏元素组成。当驾驶员开启辅助驾驶模式遵循挡风玻璃上的导航提示并以低速沿着城市道路行驶时，一位骑行者突然从后面超车，驾驶员立即接管驾驶任务并及时踩下刹车，游戏化系统会根据驾驶员接管车辆的时间奖励他们相应的分数，累计获得的分数越多，玩家游戏级别就越高。引入排行榜机制，可以在驾驶员到达目的地时将他们本次行程的得分与其他使用该系统的驾驶员玩家进行比较。

MAYER 的双通道理论认为，在手动驾驶过程中虚拟信息有可能会引起驾驶员视觉分散或视觉通道中的信息过载[13]。为了减少这种潜在的危险行为，笔者认为在驾驶员玩家由辅助驾驶模式转向手动驾驶模式后应当隐藏或简化游戏化虚拟信息，以减少其对驾驶员的视觉干扰。

3.4 Technology（技术）

为了在该系统中实现流畅无缝的用户体验，需要利用全息投影式HUD 将虚拟信息与道路整合起来使其精准地与道路叠合，而无需任何驾驶员可以明显感知到的AR 媒介（例如可穿戴设备或视频屏幕）。将精准的定位和跟踪传感器以及深度感知摄像头等硬件嵌入到全息投影中[11]。

3.5 Success（成功因素）

为了在增强现实技术本身“隐形”的情况下（即让用户关注系统体验，而不是关注技术本身）使用户能够本能且直观地与之交互，该系统需要谨慎设计一些对驾驶员显示的功能可见性（Affordance）。尤其是对于首次驾车的驾驶员，会得到一个线索来开始游戏化导航，驾驶员可以选择自己喜欢的交互方式，也可以选择呈现或隐藏起这些虚拟信息。语音命令是与系统交互相对自然的方式。车辆起步时，AR 导航图像将显示5 s，随后消失，使驾驶员基本了解该系统能够提供的功能。与此同时，语音指令将引导驾驶员选择他们喜欢的模式（纯导航模式VS 游戏化导航模式）。这两种模式的图标将显示在驾驶员一侧的界面，图标点亮表示相应的模式已开启。

尽管游戏化AR 导航系统是一种新颖的应用程序，但该系统的用户学习成本很低。系统可清楚地向驾驶员玩家介绍其使用机制，驾驶员也可以从他们通常玩的游戏以及平时使用的导航软件中汲取经验。

有缝性设计理念用于处理那些不可避免的局限性问题，以提高用户对系统的适应力和响应能力。在游戏化AR 导航系统中，当增强现实技术出现滞后情况或传感错误时，系统将通过提醒驾驶员并隐藏不正确的虚拟信息以防止误导驾驶员，并为他们提供更灵活的人为决策空间。对于这种车载系统，可以轻松实现软件版本的更新，但硬件升级的成本相对较高。

除了具有导航功能外，该系统还旨在吸引驾驶员的视觉注意力，因此是否对驾驶员具有吸引力是该系统成功的重要因素。游戏化AR 导航系统利用排行榜、等级、分数等游戏元素来营造愉悦的驾驶体验，提升驾驶员参与度[10]。驾驶员会觉得自己在现实世界中玩驾驶游戏，对于具有SAE 2 级和3 级自动化的车辆来说是一种新的车载娱乐方式和设计机会点。

4 设计思考

尽管WERSER 后来提倡“有缝性”的设计理念[4-6]，但这并不意味着他之前提出的无缝性设计理念具有误导性。实现无缝的流畅体验对驾驶导航系统依然十分重要。游戏化AR 导航系统的优势在于，它可以在驾驶时为驾驶员提供自然、流畅的导航和游戏体验。

在风窗上使用全息投射式HUD 意味着驾驶员可以不依赖任何可穿戴设备即可与系统进行交互。游戏化AR 导航系统基于准确的定位生态系统，以感知汽车的实时环境并在不引起驾驶员感知的情况下访问基于位置的服务[14]将游戏化AR 导航信息无缝集成到现实世界中，至此驾驶员可以专注于驾驶任务而不是技术本身。

然而，技术“接缝”在增强现实中是不可避免的。如果研究者们过分追求系统的无缝性，则驾驶员可能不会意识到技术问题的存在，并可能导致交通事故。与其强行避开技术问题而获得无缝的系统体验，不如正确地利用“接缝”[4]。例如，在游戏化AR 导航系统可能出现感测错误时提醒驾驶员游戏化导航可能不准确，并切换到简洁模式，使驾驶员意识到这个“接缝”，从而赋予驾驶员更多做决策的空间。

在将来，这种游戏化系统可能会形成一个大型社区，以实现在线多人游戏的效果。越多人参与，系统就越有吸引力。总而言之，以无缝理念设计驾驶员与实时路况之间的交互可以提供更流畅的驾驶体验。但是当出现不可避免的技术局限（例如感应错误）时，有缝性设计的理念则可以赋予驾驶员更多做决策的空间，帮助驾驶员预估和处理当下的交通状况，保障驾驶的安全。