展望未来：设计车载人机界面
上一部分我们考察了汽车交互的现在和过去 - 在本节中，我们展望未来。
软硬性交互
在讨论关于车内交互的最佳方法的想法之前，我们将涉及车内环境中存在的交互类型。
车内交互可以分为两种不同的类型：硬性交互和软性交互。
硬性交互可以被定义为驾驶员进行的有意操纵的动作。 例如：使用按钮更改驾驶位置，通过GUI使用信息娱乐系统或将位置数据输入到卫星导航中。
软性交互可以被定义为由机器执行的动作，作为用户提供的非故意输入。自取消转向信号是软交互的一个例子 - 机器自动完成一系列操作，而无需用户输入。
特别是后一种类型的互动，随着嵌入式内部传感器的出现和连接汽车的概念而变得突出。 一些可能性已经利用HUD（平视显示器）中显示的上下文信息，内部照明的自动调光，甚至对闭合的眼睑进行实验跟踪。 顺便说一句，我们觉得软性交互需要在执行过程中保持最大的关怀和适当性，因为在辅助驾驶和增加分心之间只有一线之隔。
我们相信， 有意义、有效的硬性和软性交互的结合是使汽车中的HMI发挥最大作用的关键。
软硬性交互
在上面的草图中，我们已经列出了可能的交互范式集合。 这概括了我们自己对使用当前技术的近期交互可能性的一些研究。 交互范式是通过我们对目前汽车领域的一些研究以及如下面的“Gartner Hype-Cycle”等预测分析得到的。
新兴技术的技术成熟度曲线来源：Gartner（2013年7月）
当机器清晰易读，机器形式描述机器是如何工作时，机器是美丽的。 不仅仅是用外壳覆盖技术部件，而是在机器的体系结构之间找到正确的平衡，以及与使用对象的人交互的想法所产生的表达方式。 Konstantin Grcic（2007） - 通过 www.elasticspace.com
现在我们将深入到上面的每个交互范式
A.具有嵌入式触摸表面的触觉控制器：混合接口
让我们仔细看一下宝马2000年代末采用的i-Drive控制器 。
早期的宝马i-Drive Touch，2000年末
在上面的视频中，注意模式的问题 - 可供性和将圆形运动映射到屏幕上的线性输出。 宝马继续在2013年推出改进的i-Drive Touch，通过在控制旋钮上引入一个触摸界面（如下面的视频所示）来缓解其中的一些问题。
混合交互的这种形式呈现出显着的改进，因为它允许更加活跃和有形的GUI控制。
B.触摸反馈的触摸屏
触摸屏作为汽车人机界面的独特的控制模式被提出来，正如保时捷918和特斯拉模型S的大屏幕迭代所展示的那样。
虽然他们似乎提供了一个简单的替代方案，但事实上，他们在易学性性方面存在问题，，因为这种交互本身很可能带来分心等认知障碍，因为驾驶员必须始终依靠视觉反馈，并且不能随着时间的推移形成肌肉记忆或控制图。迪士尼研究中心进行的一组有趣的实验指出了前进的方向，触觉渲染算法被用来模拟触摸屏表面上丰富的三维几何特征（如凸块，脊，边缘，凸起和纹理）。
如果应用有意义的话，这可以允许肌肉记忆或对于控制的“感觉”随着时间的推移而发展 。 该技术可以在触摸表面上的3D特征的触觉渲染中看到。
C. 3D视觉和听觉触觉反馈回路的手势控制
使用手势来控制HMI的某些方面是一个令人兴奋的概念。 这主要是因为它提供了一个早期汽车存在的直接控制和反馈的机会，尽管这并非没有问题。
3D手势数据的感测越来越容易，不仅因为低成本的传感器和处理器，而且由于更好的算法变得可用，这项技术基本成熟了。由于像Leap Motion和Kinect控制器这样的小工具，3D手势控制作为一个概念也在人们的头脑中扎根。
我们不仅可以检测身体特征的宏观变化，如点头，脸部姿势和手势，还可以检测眼部运动等微小变化。 然而，从低成本计算机视觉出现的新的交互模式尚未完全编目和理解，这在绘制和学习手势界面时提出了挑战。
有几百个3D手势是可能的，需要花时间来学习和理解一个设置的模式，因此在目前的状态不能作为一个纯粹的交互 - 特别是在驾驶安全方面。
这在我们最初使用Leap Motion控制器和Kinect作为车内控制的主要模式的实验中那样，确实是一个关键问题。 我们发现，与任何新控件一样，手势交互不一定是直观的。 物理交互的丰富反馈 - 点击按钮，手柄的运动，齿轮的落位 - 还没有很好地转化为模糊的数字空间。 “少数派报告”风格界面仍然是一个谬误（“少数派报告”风格界面的谬误）。
也可以使用 Denso和Chaoticmoon 的Leap运动控制器，如下所示 。 没有按钮 - 只有视觉反馈被采用 - 这引入了细粒度控制和易学习性的问题。
这个细粒度控制的问题一直是研究机构在过去几年的重点，我们发现迪士尼研究的这种探索是有趣的 - “Aireal - 自由空气中的交互式触觉体验” 。
AIREAL装置向用户的手发出一个称为涡流的空气环。 涡流可以在使用者的手上施加力量，从而实现一定范围的动态自由空气感觉。在这里，他们创造了一种新的低成本，高度可扩展的触觉技术，在半空中提供富有表现力的触觉感受，作为创造大规模增强环境的长期愿景的一部分，从而可以随时随地提供引人入胜的交互式体验。
D.语音控制接口
自流行文化接触到同名HAL 9000以来，基于语音的界面已经占据了很大的想象空间，最近又出现在电影“Her”中。 尽管我们离机器人类的交谈还很遥远，但由于自然语言处理和识别的不断进步，近几年来，一些高保真的消费类应用程序看到了未来（本质上这是一种人工智能虽然有些人可能会认为这不是“AI效应”的很好例子）。
在移动操作系统中，Siri和Google Now也在与像Nuance这样的公司进行车内互动方面发挥了强大的作用，他们将他们的软件专业知识提供给福特等制造商。
语音控制的前景主要在于两个因素，一个是取代物理和数字控制进入没有用户界面的地方，一个可以与HMI自由交谈，二是最小化HMI手动操作产生的干扰，增加安全性。
声音交互设计 - 一个新的挑战
很容易说下一代用户界面的话音可能是一个明智的选择，但是在设计相同的设计之前，我们需要认真地理解其意义。 在我们的研究中，我们发现以下因素（很多）是相当重要的考虑因素;
1.离散和连续控制：这是按钮的开启和关闭状态与旋钮的连续旋转之间的差异。 语音在作为一种有效的离散控制（例如“打开收音机”或“收音机”）方面起着重要的作用，但在改变音量时可能不如连续控制那样有效，其在一定范围内操作，例如“增加音量...使其更高...更高......“，因为它是一个抽象的，类似的，不精确的概念。
然后，我们进入实际允许用户设置预设的模糊区域，使得计算机理解他/她正尝试实现什么或基于时间的学习，其中计算机通过测量过去的交互来理解意图。 如“更高”可能意味着增加20％。 如果不仔细处理，这种模糊性可能会导致更多的混乱和失望。 （在这里可以找到一个有关语音交互和分心的有趣的元研究）
2.“字符串”和“列表”的问题 ：在处理输入的字符串（字母数字数据输入如Sat-Nav）和它在驾驶员身上产生的认知负荷方面存在挑战。 虽然人们会认为这是语音输入可能是理想的，通过消除通过键盘输入文本的需要，但研究结果正相反。 在麻省理工学院AGELAB和新英格兰运输中心进行的研究指出，语音的分心和参与程度与手动操作的程度相当，研究的主题将语音界面的这些部分评估为使用旋钮和按钮。
“目的地输入任务是最耗时的，在前两项研究中平均需要111秒才能完成。 任务完成时间不是问题语音识别的问题，因为大多数情况下，系统在解读司机的声音时没有什么麻烦。 相反，这是一个界面设计的问题。“ - 看到声音
界面设计的复杂性来源于该技术带来的多种多样的需求。 其中包括必须记住界面上列出的信息列表。 其中之一是一种称为“定向响应”的行为 - 当驾驶员对人机界面进行交谈时，这种行为通常采取微妙的看似无意识的姿势转变。 一个技术化身的案例。
有效处理研究发现的上述问题的关键在于确认视觉和听觉的交互方式。 把人当作一个整体来对待，而不是只关注耳朵和声音。
定向响应通常依赖驾驶员对语言输入的视觉反馈。 例如苹果与CarPlay就试图通过尽可能地停用用户界面来解决这个问题。 但这些自动行为模式对界面部分的影响还没有被详细研究。
3.认识到声音中的情感：这似乎是自然语言处理中的下一步 - 情绪和情感变化是车内反应的触发器。（Google和Nuance正在采取措施）
E.通过计算机视觉辅助的软交互
相机跟踪像素数据中的微动的能力允许汽车内部的传感器检测驾驶员的生理数据。 这可以产生同步（实时）和异步反应（有意的时间延迟）。
通过同步反应，我们指的是对生理变化的即时和实时反应，如驾驶员眼皮的移动或对注视检测的反应。
频繁的移动可能意味着疲倦的司机，因此，汽车可能会促使司机休息或提供司机指示最近的高速公路服务。
异步反应是基于时间的。 例如，跟踪驾驶员在旅程中的心率，并向他们展示数据尖峰处的热点。 就像一辆汽车在旅途中的油耗如何被绘制和研究一样，我们可以从生理数据中学习和学习。
新的“Kinect”能够检测生理数据中的微小波动
通过无创手段检测心率
Kinect One和“欧拉视频放大”都被用于在研究背景下无创测量心率（BPM）。 令人高兴的是，当涉及到这样的个人指标时，消费者信任已经是一个重要因素 - 思科公司进行的一项调查显示，有60％的车主愿意共享生物识别技术，如指纹，甚至DNA样本等 。
F.软交互 - 由眼睛/凝视追踪支持的次要显示器上的上下文信息
我们可以打破中央控制台的视觉强调，并根据何时需要数据（时间）以及何时需要（空间）来为驾驶员提供显示。
例如，可以将信息分解成多个显示，以便在驾驶员需要时提供转弯的导航数据，或许使用HUD。 这些信息也可以通过凝视检测技术显示在驾驶员正在看的地方。
我们到目前为止看到了哪些技术实现呢？
第一个主要的实施方式是使用汽车中的辅助显示器，例如HUD，从20世纪80年代后期以来，在驾驶员视线附近提供信息。
越野车透明的显示（类似于hud）
LandRover Discovery隐形引擎概念是一个更近期的想法，通过HUD可以观察情境路况信息和格栅摄像机的实际非道路图像的组合。 通过使用摄像头进行数字化沉浸式操作是我们期望在车载HMI中看到的，主要用于增强现实。
与此类似，宝马的“ 未来视觉豪华 ”（ Vision Future Luxury ）展示了驾驶者的“接触模拟”HUD，通过直接在视线内投射信息来增强现实世界观。 建筑物，交通标志和危险可以直接在现实环境中突出显示，有选择地引导驾驶员注意特定的信息。
然后我们有注视检测或眼睛跟踪显示，其中GUI的特定部分根据驾驶员或乘客正在看的位置（空间反应）而变得活跃。 这有可能使分心最小化，再加上时间反应，可以是相当强大的。
尽管技术现在还不成熟，但是有不少公司正在努力将追踪器整合到驾驶辅助系统中，解决驾驶员疲劳等问题，尤其是大型商用车。 例如Caterpillar和Seeing Machines协作。 这些系统是使用软件（面部和凝视追踪算法）和硬件（照相机和处理单元与车载辅助系统集成）的组合来构建的。
与此类似， Tobii也有在汽车和游戏中进行实验的眼动追踪系统。
情境移情
我们仍然处于车载用户界面空间的黎明之时，值得一提的是，如前所述，除了基于触摸屏的GUI以外，还有更多与用户交互的方式。
虽然我们确实看到触摸屏的未来，并通过使用汽车体验中的智能设备来增强这种体验。车内空间需要成熟到与智能手机一样精巧定义和制作，与智能手机和应用程序设计一样，情境感知和用户需求处于车载HMI设计的最前端研究，但它们往往被忽视。 驾驶车辆的人与在家中坐在沙发上的人的情况完全不同。
以地图为例。 地图和导航在汽车领域显然是有用的，但这并不意味着简单地将像谷歌地图这样的无处不在的服务放到屏幕上。 驾驶员消化地图的时间比行人少得多，所以选择何时显示哪些信息必须仔细考虑，可能不需要显示不属于通往目的地的路线的道路。
安全性当然是一个非常重要的考虑因素，使得车载HMI的设计对于其他用户界面来说是独一无二的。 许多最近的文章提出了汽车屏幕的安全问题，即潜在的驾驶员分心（如Matthaeus Krenn的优秀的新车用户界面概念 ）。 安全是最重要的，但这些文章集中在一个驾驶场景——司机在开车的时候。 除了驾驶员之外，车内的体验还有比驾驶更多的东西，而不仅仅只是驾驶本身。
令人鼓舞的是，在2014年CES建设大会上，微软承认在驱动器与固定环境下驾驶员的交流应该有所不同。 虽然只是一个原型，微软似乎已经做了一些坚实的现场测试与他们的车内概念。
车内的体验将主要涉及司机，但不只是驾驶行为本身， 还包括进出汽车的情境、等车情境等多种情境，包括与 乘客座位上的人、后面的小孩的交流，甚至包括与车后面的狗的交流情境等等。 一个安全，愉快和漂亮的汽车人机界面将迎合所有这些故事和更多情境。
雷诺在2013年法兰克福车展上推出Initiale Paris模型时，其人机界面（HMI）安装了一个后座触摸屏，使乘客成为导航或“旅程探索”过程的一部分。 LandRover最近的“发现愿景”概念也简要提到了移情用户的设计，为乘客提供了不同的体验。
一个视觉平台，即屏幕或平视显示器是最好的沟通方式，即使可能会带来或多或少的安全问题。有许多技术上和实用上的方法来满足这个要求，从每个乘客的多个屏幕到更多抽象的方法，比如驾驶员和乘客看到不同信息的立体屏幕（以及视线追踪检测谁在看屏幕，司机有较大的权重，这些只是很多的一些想法）。
所以，从用户体验和用户界面的角度来看，我们已经可以看到车内情境需要新的思维和设计，这就是当前方法中出现如此多问题的地方。 将（触摸）屏幕重新归为一种新的情境，这样确失去了这种转化的“同理心”。 用户界面可以帮助解决这些实际和功能问题，但是解决与车载HMI相关的一些情绪问题仍然有很长的路要走。
设计可以既实用又美观
一辆伟大的汽车应该既实用又美观，并且应该在两方面都很出色。
美观是汽车设计中的重要因素，这种因素在当代营销活动中非常明显，通常汽车营销以汽车的美观和生活方式为基础。 事实上，汽车的美丽往往比它的功能更受青睐。
我们建立功能性，可理解性和可用性的产品是不够的，我们也需要建立带给人们生活的喜悦和兴奋，快乐和乐趣，也是美感的产品。 唐诺曼
我们觉得所有的设计都应该像功能一样美丽 - 在功能的纯度上存在固有的美。 Dieter Ram为布劳恩所做的工作就是一个很好的例子。
TP 1收音机/唱机组合，1959年由Dieter Rams为Braun提供
为什么不把汽车的美感带入人机界面，主动消除将汽车外部和内部设计与界面之间的界限，从而创造出一个统一的设计呢？ UI可以是整个车型的一部分，而不仅仅是一个简单的模块或内部交互中心。
这种方法会存在一些挑战。 从汽车概念产生到上市生产的周期往往是五年或更长，因此逻辑上可能难以保持贯穿不同部门的设计线程完好无损。这也一定程度解释了汽车智能设备的突然出现，正如我们前面所讨论的。
但是，我们相信，如果外观造型，内外饰和UI设计团队从一开始就一起工作，这种统一的愿望是可以实现的。
实际上，得知梅赛德斯研发部门已经在设计师和研究人员团队中使用了艺术，设计，用户体验，工程，心理学和软件等背景的设计师和研究人员，以统一的方式（ 来源 ）构思新的功能和设计，真的非常令人鼓舞的。
互联的汽车模式采用了软件集成的方法，但是仍然依赖具有某些物理特性的HMI支持，虽然为特定的车辆或一系列车辆定制设计HMI有其挑战性，但它确实保证了设计不会在汽车的生产周期内出现问题。 在项目期间由其他团队进行更改，设计团队可以迅速作出反应和适应 - 这适用于功能、物理反馈和视觉设计。
我们看到可以促进这一进程的三个主要途径：
在常规系统更新中设计 。 这可以帮助支持但不应该依赖UI的软件。 即使车辆定期可靠地访问互联网以使得OS / UI具有系统更新（移动设备连接车型的益处），也不能依靠用户对此进行操作甚至理解和处理。 此外，软件的突然变化，可能会造成严重的安全问题。
从一开始就以模板化方式设计HMI和UI ，以便随着项目的进展可以重新设计，这也可以帮助重新定位或更换其他车型的某些设计，就像许多物理控制已经是这样，而且汽车音响系统已经工作了多年。
不要为趋势设计，而是为功能和情境而设计，以便美观不会严重过时，甚至根本不会过时。 提前五年预测趋势是不可能的，也不应该尝试。 此外，驾驶员必须在汽车的使用周期内与人机界面和用户界面一起生活和成长，远远超出车辆的投入。
设计如果屈服于一个趋势会很容易过时。 相反，将汽车与它的时代联系在一起是一件令人愉快的事，可以说是汽车体验和汽车继承的固有组成部分。HMI应该是其中的一部分，只要它与整个汽车的设计始终保持一致。
最佳实践应该是对影响设计的整体关注，其中可能包括无障碍标准和汽车专用标准，将情境背景归类为传统设计，如布局和交互层次结构等。 将一些真正的想法和承诺带入车载用户界面的美感本身就是一个进步，也是我们特别兴奋的事情。
那么，如何才能在汽车HMI / UI中实现功能性和美观性呢？
我们将在下一部分详谈！
Looking ahead: Designing for in-car HMI By Tim Smith, Harsha Vardhan and David Mingay.
汽车HMI进化圈拥有来自欧美及国内同济大学、清华大学、湖南大学、澳门科技大学等高校教授、国内外多个主机厂汽车HMI设计主管及设计供应商负责人坐镇嘉宾，以“高质量、去中心化、知识沉淀、知识分享”为核心理念，致力于打造高品质的汽车HMI知识分享社群，输出更多优质内容。
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