基于多模态交互的汽车人机交互设计研究

刘 聪，朱兰芹

（1.上海禾骋科技有限公司，上海 201805；2.长城汽车产品数字化中心，上海 200335）

随着智能化、网联化的趋势演进，汽车功能的复杂度不断提升，同时不断有新的功能被引入。如何更好地承接功能设计需求，进行详细的人机交互系统设计，并满足用户个性化、情感化、智能化的交互需求，是汽车电子电气开发的一个重要课题。多模态交互将视觉、听觉、触觉、嗅觉等多种交互方式进行融合，在车载环境下，多模态交互将有越来越大的应用空间。本文重点论述基于多模态交互的汽车人机交互系统的设计原则、开发流程及开发方式。

1 多模态人机交互特性及设计原则

1.1 多模态人机交互方式

传统汽车人机交互方式包括：开关操控、屏幕触控、仪表提醒、声音提醒等，而随着技术的发展，越来越多的交互方式被引入汽车，多模态交互方式成为主流，可极大提升用户交互体验。

1.1.1 语音交互

语音交互方式随着声源定位、声纹识别、自然语音交互、主动式交互、智能语音提示等技术的引入，增强了人机交互的安全性、趣味性、互动性。语音交互主要包括语音唤醒、语音播报、语音控制、语音提醒等不同应用类型，不同的应用类型包括不同的设计要素。

1）语音唤醒类：唤醒定义、语音唤醒词定义、唤醒方式定义、中断退出机制等。

2）语音播报类：播报逻辑定义、播报方式定义、中断退出机制等。

3）语音控制类：交互逻辑定义、中断退出机制、关键词定义等。

4）语音提醒类：激活条件定义、优先级定义、中断退出机制等。

1.1.2 手势交互

手势控制中静态手势可用于应用快捷开启、自定义功能应用等；动态手势可用于动态调整类场景，例如通过单指顺时针旋转以调整娱乐系统音量。

手势的定义需要结合手势识别摄像头的布置位置及性能，以保证整体性能指标；同时需考虑车型市场的文化差异性，例如同一手势在不同地区可能代表不同含义，因此可对不同的车型进行差异化定义。

1.1.3 灯光交互

灯光是汽车与车内及车外交互的重要载体，智能驾驶场景下，灯光将承担更多的交互职责。对应车外交互，可以将智能驾驶行驶意图传递给车外人员；对应车内交互，可以通过调整灯光亮度、颜色、模式等提示、警告驾驶员。

1.2 人机交互方式特性分析

多模态交互每种方式均有各自的特性和适用场景，应结合交互方式的特性来设计交互方案。

各个交互方式的特点及适用的场景分析如下。

1）视觉：信息提示最直观，便于描述警告内容，给出指示操作；多用于仪表、HUD、氛围灯、双闪灯、后视镜指示灯、门把手、车外显示屏。

2）听觉：语音的特征（频率、响度）可表明危险的性质；同时基于声源定位、音效增强等技术，可以对不同的区域播放不同的报警声音；多用于报警声、语音播报。

3）触觉：提醒效果较为强烈，一般在紧急情况下使用，包括座椅振动、方向盘振动、安全带收紧、点刹、冷空气等。

4）嗅觉：配合其他模式共同出现，目前在疲劳场景下有应用；包括香氛、刺激性气味等。

1.3 汽车人机交互设计原则

在汽车人机交互设计过程中，应考虑汽车特殊的应用场景，以保证驾驶员执行驾驶任务为主，并遵循以下主要设计原则。

1）减少注意转移：操作简洁，无不必要的额外操作步骤；允许用户单手完成所有交互操作，尽量采用非接触式交互方式；简化语音交互，声音报警避免分散驾驶员注意力。

2）关键信息优先：操作热区设置合理，即高频操作区域位于用户容易操作的区域内；与驾驶任务无关的信息不需驾驶员进行过多操作。

3）易学习性：交互方式易于学习，操控方式与使用习惯一致；整车类似功能交互策略协调一致。

4）及时反馈：操控反馈无明显延时，如果反馈时间超过2s应增加“正在响应”指示；语音交互、手势交互等均能及时得到状态反馈。

5）易发现性：操控位置易被发现、无视线遮挡；工作指示或亮度符合人眼识别需求，不应刺眼或太暗，影响功能识别。

2 汽车人机交互系统设计

在传统的开发方式下，汽车人机交互设计与汽车电子电气功能开发是独立的，即在电子电气功能开发完成后，汽车人机交互设计团队才能拿到人机交互相关的设计需求。而随着功能复杂度的逐渐提升、各种新功能的逐渐引入，传统的开发方式会导致汽车人机交互设计团队无法正确理解电子电气功能，进而无法设计出合理的方案。因此，应将人机交互系统需求设计作为整车电子电气架构设计流程的一部分，在整车电子电气功能开发阶段整体考虑人机交互的相关需求。人机交互设计的主要流程如图1所示。

图1 TOS系统对接测试场景

图1 人机交互系统设计流程

2.1 需求分析

需求分析阶段，主要工作是结合车型的功能配置清单，整理开发约束信息，如法律法规要求、标准要求等；同时结合车型定位、关键用户群体、主要竞品车信息等，形成人机交互设计总体方案。

2.1.1 开发约束信息收集

开发约束信息主要是指与功能交互相关的法律法规、标准等，作为人机交互设计的依据。在设计前期，应当基于功能定义校核相关的法律法规、标准，从中梳理出对于人机交互设计的需求，输出人机交互法律法规分析报告，并在项目开发过程中作为设计参考。

2.1.2 功能配置分析

基于开发项目的功能配置定义、电子电气件配置定义、不同车型的造型风格定义等，分析整体人机交互设计交付内容，包括需要完成的人机交互设计方案数量、应用场景及整体风格定义等。例如，同一个车型可能需要完成运动、舒适、经济等3种不同的人机交互设计主题。

2.2 交互用例设计

依据功能开发团队的电子电气功能定义文档，进行功能解读，梳理出与人机交互相关的以功能为颗粒度的交互场景，并定义初步交互方案。输出文档体现功能、应用场景、交互类型、需求描述、交互载体、交互内容等。以ACC（Adaptive Cruise Control，自适应巡航）功能为例，结合功能定义，将ACC功能分为功能开启、功能激活、定速控制、跟车控制、驾驶员超控、功能退出、故障报警等场景，这些场景都需要和驾驶员进行交互，在交互用例梳理阶段，梳理出与功能场景相关的交互需求，如表1所示。

表1 ACC功能交互需求梳理

2.3 交互方案设计

以用户交互为主视角，结合功能实现的详细步骤，从中梳理出与人机交互相关的具体需求，并对交互方案进行定义，如表2所示。

表2 功能交互需求梳理示例

基于驾驶人应激反应时间，针对分级的提醒类方式，例如驾驶辅助功能提醒，可按照视觉（1级提醒）、视觉+听觉（2级提醒）、视觉放大+听觉变强+触觉（3级提醒）逐级增加的策略。

对于安全性相关的功能，可提供多个同时激活的信号以提供冗余信息，提升驾驶员接收警告的可能性。

2.4 交互详细设计

此阶段进行人机交互详细设计，包括UX设计、UI设计、声音音源设计等，需要完成交互原型设计方案、交互详细设计方案，并进行多轮设计评审。本文不对交互详细设计阶段详细展开。

2.5 验证评价

人机交互详细设计后，需要基于开发展板、台架、原型车进行验证评价。

可用性测评采用原型测试，验证交互设计体验，挖掘优点及问题，并通过数据分析得出具体优化建议。可用性测评保证了设计方案在经过初步设计和对标后，具备可用性、易用性、高效性。

3 结束语

以语音、触控、手势等为代表的交互方式将在智能网联汽车场景下得到更多应用，多模态融合的交互方式将成为汽车人机交互的发展重点。同时，随着汽车智能化等级的不断提升、场景化设计的不断引入，汽车人机交互需要在考虑安全性、可靠性的基础上，着力提升用户体验，满足用户需求。