基于触觉语音反馈机制对汽车交互操控界面设计研究

刘建军，宋明亮，孙元

（大连理工大学 建筑与艺术学院，辽宁 大连 116024）

基于触觉语音反馈机制对汽车交互操控界面设计研究

刘建军，宋明亮，孙元

（大连理工大学 建筑与艺术学院，辽宁 大连 116024）

随着人工智能的到来，越来越多的行业开始涉及人工智能技术，汽车室内设计便是其中的热门领域，未来汽车内部的用户界面、操作系统等与传统设计有很大的不同。文章基于人机交互背景下的触觉语音反馈机制，通过模拟实际车辆环境中的通信场景，研究汽车触觉语音反馈的用户体验以及相应的应用潜力。实验结果表明，触觉语音反馈可能为安全和社会交流提供支持，最终提出了内饰触觉反馈的设计原则。

触觉语音反馈；用户体验；操控界面

一、研究背景

随着人民生活水平的不断提高，人们越来越关注与驾驶体验直接相关的汽车内饰。汽车的内饰和外饰不同，在内饰设计中，汽车操控界面是最核心的部件。在安全和社会交流两项要求下，汽车内饰的创新设计成为汽车制造商实现产品差异化的重要手段。通常对汽车制造公司来说，60%以上的造型设计工作量用在内设系统上，远超汽车外形，是车身最重要的部分之一。而操控界面作为内设的核心部位，自然是汽车设计的重中之重。在2004年，消费者把内饰作为购车首要原因的仅占4%，而到了2008年，这一比例上升到9%，而且还有不断升高的趋势，而且国内来说这一比例普遍比国外高，这说明国人对舒适温馨实用的内饰设计还是很看重的。

二、相关研究与设计趋势

（一）研究文献

关于汽车室内交互相关研究集中在测量信息呈现模式（例如视觉、听觉和触觉）对主要驾驶任务或辅助交互任务的性能的影响，从而使参与者完成对交互的主观评估。研究经常被控制在实验室进行实验，研究的环境关联可以揭示用户需求和设计要求的新见解，并对汽车中的触觉反馈已经以多种形式进行了探索。研究表明汽车各部分的触觉反馈，如汽车座椅，方向盘，踏板，中控台屏幕等操控部件，可以产生有希望的效果。在车研究的触觉反馈的类型主要是振动触觉和力的反馈，但是关于语音反馈的研究很少。大多数车载触觉研究集中于安全问题，如警告信号的触觉，但也有研究把触觉作为导航线索以及如何用环境噪声感知振动触觉反馈。研究考虑了汽车环境中的气动反馈，它重点研究的是对刺激的反应时间。目前，中控区域设计普遍趋于采用大尺寸屏幕，如10.4寸竖置触摸屏，除了几个必要的功能采用实体按键外，包括空调、娱乐系统等功能都被集合在了中控大屏中。但对于触摸屏的位置、大小研究相对较少，尤其是大屏幕的使用效率、用户体验以及心理感受等方面的定性分析较少。而未来智能汽车室内在做到安全舒适的同时，将会更加注重为车主和乘员带来主观感受，如舒畅的心情、轻松愉悦的交流空间。总之，车载互动和汽车用户界面是很有前途的研究领域，本文将采用定性分析的方法，深入调查确定汽车的触摸屏位置以及各种触觉反馈体验。

（二）汽车操控界面的设计趋向

图1 毕加索作品《公牛》

图2 在LATS原型中，中控台平板电脑触摸屏提供振动触觉反馈

图3 接受调研的司机驾驶行为状况分析

图4 测试有效视觉范围

汽车内饰中的操作界面主要包括方向盘、仪表盘系统、门内护板系统、声学系统等类子系统。在智能驾驶发展的过程之中，设计师对汽车操控界面设计的思考从未停止，在既有驾驶界面形态和功能上进行不断探索。主要有几个发展趋势：

1.控制界面视觉弱化：汽车科技正在使操控变得简单。除了利用手势识别技术，人们的更多感官也在被调用。控制界面的视觉正在以各种手段被弱化，操纵界面的过多的视觉元素是造成无法专注驾驶的重要原因，未来，汽车在交互方式上将出现更多变化。

2.手势控制：有不少高档车推出了手势交互系统，如宝马7系已经能够实现双手协同手势操作。驾驶者在界面输入操作更加符合他的日常经验：比如将手指指向虚拟按钮，向前推进就可完成选择和确认指令。

3.惯性操作：汽车越来越专注于以用户为中心的设计研究。有的操控界面的设计主旨就是以“去视觉”作为引导，界面由简单的四个旋钮组成。可在不用注视的状态下完成多媒体或温度等功能的操控调节，并逐渐形成习惯性的操作。这符合人的操作习惯。所以说，屏幕化、扁平化并不是惟一的趋势。

4.视觉追踪：电装公司Denso则是推出了使用视觉跟踪技术的操控界面。同样减弱了操控的复杂性，向眼动仪一样，它通过摄像头追踪驾驶者的注视区域（导航、信息、温度调节等），并将其需要关注的信息显示在横向仪表界面中。

在智能互联大潮下，技术和设计更迭速度加快，智能化操作界面是大趋势。这将极大程度地优化驾驶的安全性，以往的功能实现将更加贴近人的日常习惯。

三、触觉反馈机制分析

汽车操控界面的触觉反馈机制，实质上是人与操控界面进行信息交换。用户通过手指点触摸屏进行输入操作，操控界面系统对输入信息进行处理和存储，凭借显示屏呈现给用户。而信息的传递是借助图形信息这个媒介，经由人的视觉感知系统完成对视觉信息的识别和再加工，并对信息进行分类别处理，如空间、时间、颜色、形状等．而视觉大脑皮层对相匹配的视觉信息加工，会在人的脑海里形成短期和长期记忆，最终对人的操作形成触觉反馈机制。上述的整个信息处理过程就是人机交互过程，它是人行为对大脑里的视觉和触觉信息的反馈过程。（图1）

现阶段，人机界面信息交互主要是通过手指点击触摸屏方式进行指令输入，这种触觉交互在智能汽车设计中很有潜力，可将驾驶员的视觉注意力集中在交通情况上。而且这种汽车操控界面交互模式为用户提供了几个潜在的行为优势。其中之一是并行操控行为，它能使用户通过最适合当前使用环境和任务的方式与汽车系统进行交互。一般认为，在驾驶员观察某一目标物时，其注视时间受车速影响的程度很大。从人的生理角度来看，车速越快，驾驶员的视野越窄，看不清视野以外的情况，情绪和中枢神经系统都处于相对紧张状态，导致驾驶员需要较长的时间去判读目标物的信息。

因此，本文的目标是探究用户体验和汽车触觉反馈机制间的操控行为潜力。这里发表的用户研究调查了车内触觉的用户体验和用户期望。为了对这种汽车室内交互设计进行指导，本文尝试进行了一个有固定情景的实验，主要侧重于得到参与者在汽车中使用触觉反馈的期望和经验，更具体地说，是涉及车内通信方面。所得到的实验结论，可对基于触觉反馈机制的汽车内室系统设计提供有益参考。

四、研究实验

（一）实验设备

采用荣威RX5紧凑车型，以线性触动屏幕（LATS）为原型设备进行改装。此设备为最常见的触摸屏装置，它可创建大多数常用触摸屏设备所产生的振动触觉反馈，并通过安装在汽车中控台上的触摸屏进行控制。不同于使用偏心旋转质量（ERM）振动电机的传统触觉反馈设备，LATS原型设计能使在触摸屏本身具有较大质量的情况下，产生较高频率反馈（图2），同时通过内置的语音设备在发出震动后，进行语音输出。

（二）实验人员

研究人员首先调研了80位司机，有效问卷77份。他们的驾驶行为状况如图3，其中开车中出现打电话、微信语音这两项人数占绝大多数，且77位驾驶者中绝大多数在驾车过程中存在多种通讯行为。这77位人员中自愿参加本次实验的共15名志愿者，12名男性和3名女性，平均年龄27.3岁。测试有效视觉范围如4所示，A、B、C分别为被试人员所认为的有效视域，D为三种结果的交集部分。34位被访者反映屏幕过大会给驾驶员的操作带来不便，有时手不经意碰到屏幕后总有一种怕划伤屏幕的想法。

（三）实验过程

研究人员对实际的使用环境（荣威RX5）进行分析，以获得用户对触觉反馈更真实的反应。因安全考虑车为静止状态，参与者坐在司机座位上，研究员坐在前排乘客的座位上。每位被试者先梳洗触觉设备，随后进行车载通信场景评估。每个参与者的学习期持续约40分钟。实验数据以定性的形式体现。

研究情景设计：以车内通讯场景为主题，用于说明由设备展示的触觉反馈的各种潜在交互。被试者在汽车行进中接到电话、email或其他通讯信息，需及时处理，且交通繁忙。在他身后的一辆汽车不断靠近、催促按喇叭，此时要求被试者向后面司机发送一个消息。他用两根手指触摸中央控制台，并向下滑动，接受振动触觉的反馈。情景描述如下：

情景1 - 早上工作通勤过程中收到电子邮件。这种情景的重点在于：将最先进的技术用于车载通信中。

情景2 - 在下午交通堵塞时附近的司机。关键：与另一个驱动程序进行通信，同时显示消息发送的反馈信息。播放友好的语音信息提醒司机安全距离。

情景3 - 通过淘宝接收购物清单。关键：时时接收到的社交媒体的信息和通知要适应驾驶环境。

实验目的：旨在研究用户在并行通讯交流情况下（不同交流同时发生），探索车内触觉语音反馈系统为驾驶员提供的潜在行为以及怎样的用户体验。

（四）实验结果

根据上述调研我们得出结论1）参与者对车内通信场景的感知情况；2）用户对汽车中触觉装置的体验。下列三个表为触觉语音振动反馈设备的用户体验：

表1 触觉反馈的使用经验评价

表2 触摸屏上的语音反馈评价

表3 触摸屏位置评价

五、讨论与结论

虽然被试者对触觉反馈的评价多样，但大多数人还是对语音振动反馈感到熟悉、愉快且容易理解。研究主要是考虑用户的体验，这说明语音振动反馈比其他单一反馈类型传达的信息要准确，不易让人误解，给被试者安全感。被试者可根据丰富的车内环境信息，以及振动语音反馈信息判断指令执行情况，从而解放更多的视觉注意力。这可能会增加安全性，为未来汽车室内界面设计提供有益的设计原则。基于这项研究，我们建议在设计汽车中触觉反馈的形式交互方式时，应考虑以下问题：

1．简单。在汽车背景下，触觉反馈应该简单明了，避免一大串长长的说明需要解释和集中。

2．位置。触摸屏位置应该保持在驾驶员可方便触及的位置。触觉反馈可以针对潜意识层面的行为进行设计，主要让驾驶员在下意识情况下就能读取部分信息。另外如果出车祸，大屏幕的屏幕碎片也会给驾驶员带来不可预测的伤害，所以屏幕不是越大越好。

3．适当使用触觉+语音。用户可能会过度地使用触觉刺激或者过度的声音干扰，给驾驶带来不便。触觉语音反馈只能用于特定和不频繁的动作。

专门用于车载通信的目的时，触觉语音反馈具有很大的潜力，可以通知驾驶员有关进入信息的优先级。他们可以进一步支持微妙的沟通任务，结合简单的按键或驾驶员的声音。但实验中汽车未行驶的事实可能影响了一些被试者的感知，下一步将考虑实际驾驶条件下的用户研究。

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Research of Vehicle Interactive Interface Based on Perception and Tactile Speech Feedback Technology

LIU Jian-jun, SONG Ming-liang, SUN Yuan
（School of Architecture amp; Fine Arts, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China）

With the advent of artificial intelligence, more and more industries begin to involve artificial intelligence technology.Driverless car is one of the hot areas, and the user interface and operating system of unmanned vehicles are compared very different with traditional car. This paper studies the user experience of automotive tactile speech feedback, based on the haptic feedback mechanism in human-computer interaction. Experimental results show that tactile speech feedback may provide support for security and social communication. Finally, the design principle of interior tactile feedback is put forward.

tactile speech feedback; user experience; manipulation interface

检索:www.artdesign.org.cn

TP18;U461.99

A

1008-2832（2017）10-0112-03

Internet :www.artdesign.org.cn

2014年教育部人文社科一般项目“基于可供性理论的北方养老建筑无障碍设计方法研究”（项目批准号：14YJCZH096）；2015年中央高校基本科研业务费人文社科科研专题“辽宁新型城镇社区智能养老建筑空间的设计研究”（项目批准号: 851028）