增强现实技术在智能汽车中的应用前景探析

1 汽车智能化的发展趋势

当今汽车产业的三个突出趋势是“电动化、智能化、网联化”。随着自动驾驶和车联网技术的快速发展，城市交通将变得更加智能，汽车产业将迎来全新的变革。智能汽车的快速发展也将带给使用者们安全、高效、节能、经济的驾乘体验。近年来，各大互联网公司纷纷进军汽车产业，它们都将目标锁定在了智能汽车上。特斯拉自2014年开始推出Autopilot无人驾驶功能，2016年推出首款无人驾驶超级概念车LeSEE。丰田汽车则在2017年CES展上全球首发新款概念车Concept-i。该款车搭载了名为“Yui”的人工智能系统。

近年来，随着信息技术、智能系统和网络技术在交通工具领域的广泛应用和车载信息技术的发展，汽车的内部空间、人机界面、操作和交互过程开始逐渐颠覆传统模式，这些改变为使用者们带来了全新的驾乘体验，并引领了新型的交互与出行方式。然而，随着汽车智能化的发展趋势，车内设备的数字化更替，新技术、新系统不断地集成到车辆中，车内人机交互变得越来越复杂。其中，交互界面的信息显示包含的内容很多，如：基于前方路况自然显示、辅助驾驶显示、车内外信息交互与娱乐显示、移动设备与汽车的整合显示等。不同的显示方式、各部分的显示内容与多维度的信息显示也增加了人机交互的复杂性。

在传统驾驶行为模式下，驾驶员必须将注意力集中于驾驶行为，这导致能够显示给驾驶员的视觉显示信息很有限。但是随着自动驾驶和车联网技术的快速发展，汽车人机交互界面显示方式随之呈现出了多维度的发展趋势，驾驶员也将逐渐从主驾驶任务中解放出来，有能力接受更多的信息，随着娱乐、通讯、网络等功能比重渐渐增加，汽车的内部空间、人机界面、操作和交互过程将迎来全新的变革。

2 增强现实技术的定义与发展

增强现实 (Augmented Reality，简称AR)，是在虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术的基础上发展起来的新技术，是种虚实融合和混合现实(Mixed Reality，简称MR)的技术。增强现实是一种通过计算机系统提供的辅助信息来增加用户对现实世界的感知和认识的技术，它将虚拟的信息应用到真实世界，即将计算机生成的虚拟场景或提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强[ 1]。

Azuma在1997年对增强现实系统及其使用的基本技术作了详尽的综述[2]，并提出AR系统有3个特点：

（1）真实世界和虚拟世界的合并显示；
（2）实时交互性；
（3）虚实配准（三维配准）。

增强现实是近年来国内外众多知名大学和研究机构的研究热点之一。在最近几年举办的国际消费电子展（简称CES）上，也展出了多种A R以及V R方面的产品。A R技术与V R 技术的应用领域虽然十分相似，但是A R技术可以与真实世界的环境相结合，所以AR技术在各个领域中其实比VR技术更具优势与发展潜力[3 ][ 4] [5 ]。

汽车是较早整合了增强现实技术的行业之一，不过为了避免分散驾驶员的注意力，保证汽车行驶安全，车内显示的内容不能过于复杂，因此运用增强现实技术所显示的内容较为单一。

3 增强现实在汽车中实现的几种方式

（1 ）在手动驾驶模式下，增强现实显示主要用于辅助驾驶；目前，在有人驾驶的汽车中，增强现实技术一般应用于辅助驾驶。为了简化驾驶操作，避免驾驶员视线转移，很多汽车厂商在车内显示系统中使用了增强现实显示系统。增强现实显示可以用于驾驶员视觉增强系统，在不利于出行的恶劣天气及环境下，拓展驾驶员的视野，保证出行安全。另外，目前在量产汽车中比较常见的倒车可见功能，这种功能可以帮助驾驶员在倒车时参考真实影像上叠加的参考线，从而顺利完成倒车，这是一个较为简单的过程。

随着增强现实技术的发展，汽车行业开始尝试将增强现实显示与导航功能相结合。在这个过程中，车辆可以提取道路环境信息并对其进行增强显示，即把导航信息以及标识叠加在真实道路之上，使驾驶员的注意力更加集中，带来良好的驾驶体验。同时，导航时的信息显示还可以配合声音提示，有效指示路线，辅助驾驶员安全驾驶。

（2 ）在自动驾驶模式下，增强现实技术有望创造全新的驾乘体验；在自动驾驶模式下，人们从驾驶任务中脱离出来，使用者的行为模式也由驾驶转化为出行，可以提供给使用者的信息急速增加，增强现实技术有望创造全新的驾乘体验。但如何整理车辆信息、车辆间信息、车辆和其他信息载体交互的信息在内的复杂信息体系，并有效呈现给使用者，迎合使用者的心理需求，尚需进一步探讨及研究。

在汽车智能化的趋势下，无人驾驶技术对用户的乘驾体验将产生极大的影响，用户的心理感受是研究过程中需要关注的重点。当自动驾驶在技术上几乎不存在问题时，用户对智能汽车的接受度和使用信心可能还落后很多。在手动驾驶状态下与自动驾驶状态下用户安全感的差异是无法忽视的。当汽车转为自动驾驶模式时，驾驶员将失去对汽车的控制权，从而产生危险的感觉。比如，当使用者能清楚的看见危险时，怎样去说服他相信一辆自动驾驶的车自主地对周围环境做出的操作反应，而胜过人自身？汽车智能化后，其承载的传感器增多，如何合理的向用户展示系统信息状态，让用户产生信任感？引入增强现实的显示方式，也许可以有效促进人与车之间的交流，有助于进一步探讨以上问题的解决方法。

另外，在技术方面，自动驾驶和增强现实都需要运用传感器，实现场景识别、信息分析等过程。在技术与硬件方面的重合更有利于将两种概念结合在一起。
为了实现车内的增强现实显示，主要有以下几种方式：

（1 ）可移动设备的显示器
汽车的人机交互界面与显示技术密切相关，显示设备是交互界面的基础与前提。最早的汽车交互界面依托于机械和数字的表达方式，今天，电子显示取代机械显示已经成为了新的主流趋势，手机、平板电脑等移动设备在车内的使用引领了移动设备与汽车的结合，引起了车载界面和汽车内饰的新一轮变化。另外，显示屏的形态也在不断变化，不仅限于平板。它们可以用于内饰中的任何地方，比如作为曲面融入整个形态，或用于细节。可移动设备的显示器与汽车内饰的融合创造了新的乘坐体验。

（2 ）平视显示技术
平视显示是通过投影的方法将光线投影在挡风玻璃上来实现信息显示目的，通常会和增强现实进行整合。平视显示避免了仪表板显示带来的扫视问题。目前主要应用于手动驾驶，因此平视显示的内容不会于复杂，为避免造成驾驶员分心和驾驶负荷，虽然具有保持驾驶员视线平视的优势，一般在此状况下还是只显示简单的车速等信息。

平视显示器最早应用于军用飞机。汽车平视显示器也早在1988年的通用汽车上便已实现，可以带给驾驶者更直观的信息显示，防止交通意外发生。宝马5系汽车的平视显示系统见图1，信息显示只有3个：速度、前方掉头、离掉头点距离。


图1 宝马5系汽车的平视显示

（3 ）可穿戴设备
目前，AR与VR技术的实现经常以头部设备、眼镜等可穿戴设备为基础，应用十分广泛。在镜片上显示图形等信息可以为使用者带来良好的浸入式体验。在2018年的CES展会上，Skully公司研发的智能摩托车头盔将摩托车头盔与眼镜相结合，可以实现显示速度、导航等功能。此头盔在人眼前方放置了一个光学显示器，在头盔后方设置了一个摄像头，使用时此头盔可以将后方的情况投射到使用者的眼前，见图2。


图2 Skully公司研发的智能摩托车头盔

（4 ）前挡风玻璃与车窗显示
现在，随着增强现实技术的演进，越来越多的汽车生产商和研究人员都希望能够为使用者提供不一样的驾乘体验。奔驰、通用、丰田在内的多家汽车生产商都已经展示过自己的“增强现实”技术雏形，提出了增强显示的概念。汽车挡风玻璃以及车窗显示便是一个非常具有前景的应用形式。驾驶可以通过挡风玻璃直接看到叠加的信息，如仪表盘等内容，甚至还有望集成红外扫描、智能预测等功能，将汽车传感器收集的数据实时反馈在挡风玻璃上。近年来，各大汽车厂商已经提出了很多新颖的概念，展现了增强现实应用于智能汽车的美好前景：

丰田交互式车窗玻璃W i nd o w t o t h eWorld：在一个概念项目中，丰田欧洲公司和哥本哈根交互设计研究所将汽车车窗设想为触摸屏，允许乘客通过它与车外的风景进行互动。丰田称这一理念为“W i n d o w t othe World（通向世界的窗口）”，车窗玻璃就像一个画板，乘客们可以追踪他们看到的外部风景进行绘图，还能够放大远处的风景，或者衡量其与汽车之间的距离。在夜间，这种车玻璃还可以定位天上的星星，显示天文知识。

宝马vision Next100概念车：宝马visionNext100概念车可以自动运行。为实现这个目标，这款车用两种不同的驾驶模式。B o o s t 模式为有趣的手动驾驶模式，east模式为放松的自动驾驶模式。在boost模式下，这款车会显示驾驶路线，速度信息和其他类似的运行数据。这些都能帮助驾驶员在驾驶兴致高的时候更自信更安全地驾驶。在这个概念设计中设定了一种增强现实的模式来在挡风玻璃上直接投射其他车辆的信息，增进了车与车之间的交流。


图3 宝马vision Next100概念车

BMW i Vision Future Interaction：配有平视显示系统、带三维视图显示的组合仪表以及一个几乎扩展到整个前乘客侧的21英寸全景式显示器。诸如车速、限速或导航信息等最重要的数据将投射到前风挡玻璃上，而组合仪表就布置在方向盘后面；在人工驾驶时，车辆的显示器会提供常规数据，而在高度自动驾驶模式（h i g h l y a u t o -mated mode）下，这些显示器可以化身为娱乐、互联系统。


图4 BMW i Vision Future Interaction

Rinspeed概念车Oasis：在概念车Oasi的信息娱乐系统上应用了增强现实和全息技术。Oasis的挡风玻璃可以作为虚拟现实和增强现实信息的巨大显示屏，在哈曼技术的基础上添加了俄罗斯初创公司WayRay的全息增强现实导航仪。

WayRay的全息技术利用了比常规显示器更大的显示面积。该技术会在道路上呈现虚拟指标，提示驾驶员所需获知的信息，让其可专注于道路驾驶。同时，系统中的AR、语音和手势控制会显示实时信息，提示使用在驾驶时所遇到的重要事情，如人、物体、狗等等。它还会显示具体的地点，当车辆静止或在自动驾驶时，驾驶员还可以接收消息和进行社交更新。另外，Oasis拥有超大的侧窗玻璃与透明的侧滑门，车内所有控制均由触摸屏进行交互。


图5 Rinspeed概念车Oasis

在2018年的CES展会上，Realfiction公司展示了64英寸的Deepframe显示器，将玻璃显示的概念转化为了现实。此显示器可以将高分辨率的图像及视频在透明玻璃上放大。此显示器是运用了通常用于深空望远镜的高精确光学层进行偏移光，从而实现了几乎全息的效果[6 ][ 7]。


图6 Realfiction公司推出的Deepframe显示器

四 结语

如何以用户为中心，迎合人们追求更的驾驶体验的追求，确实提升用户的驾乘感受是值得深入研究的问题。本文中探讨的将增强现实技术引入智能汽车中的方法除了可以有效的解决交互复杂化问题，还能够帮助使用者形成固定的认知方式，有效减少用户的学习时间，提高用户的反应速度，保证人机界面的使用效率。探讨以增强现实为基础的智能汽车人机交互界面，可以为进一步探究未来智能汽车交互设计的趋势与发展方向打下坚实的基础。探究增强现实与智能汽车相结合的方法，对提升我国自主设计能力、促进智能汽车的研发与推广，都将起到非常积极的作用。