增强现实技术在汽车内饰中的应用研究

    黄博渊

    

    摘要：

    本文通过对增强现实技术的解读，结合国内外前沿技术发展动态，对其在汽车内饰设计中的应用方式进行初步研究，着重介绍汽车内饰中使用增强现实技术的目的，以及具体的搭建方式，从而为后续研究提供参考依据。

    关键词：

    增强现实 交互驾驶 HUD 汽车内饰

    一、增强现实技术背景

    增强现实技术（Augmented Reality Technique，简称AR），是在虚拟现实基础上发展起来的新技术，通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实世界的增强。这是一种结合虚拟化技术再来观察世界的方式。简单来说，就是将计算机生成的二维或三维信息覆盖在现实世界之上，实现对现实世界的补充。

    增强现实技术并不高深，比如3D全息投影技术就是增强现实的一种。日本的创意应用I-Butterfly、宝马旗下mini品牌的GETAWAY-STOCKHOLM，这两个营销行业经典的案例也都是利用基于增强现实技术的APP应用。2014年6月清华美院研究生毕业展上的交通工具设计专业的毕业作品也全部应用了此技术（如图1）实现了虚拟的全尺寸实时互动展示。

    增强现实人机交互不仅仅停留在电影《007》詹姆斯·邦德的驾驶的宝马概念车中。挡风玻璃，正在以一种比车载显示屏更炫更酷的尺寸发展，在行进过程中充当手机屏幕的延伸——全屏映射、多点触摸、支持视频通话，在玻璃上比画几下就能导航、显示路况、查询天气和附近美食、阅读电子书、回复邮件等。

    汽车互联，整个城市会有一个互动主管，而自动交通指挥的概念也不再是红灯停绿灯行。我们甚至不再需要交通信号灯。所有交通工具的速度、方向，将由计算中心决定完成，交通将成为一个持续不断的流概念，它流动的速率足以使一个正常的人类司机无法操作。

    在汽车刚刚诞生的时代，汽车几乎没有什么仪表：速度、油位、油压，发动机温度，或者发动机转速。我们现在在电子时代，需要越来越多的数据来协助我们：卫星导航方向；警告司机超速、一个特定的安全带没有扣或一个特定的门没有完全关闭，通知关于燃油经济性；传入的电话警告；轮胎压力信息；和电子控制加热、冷却和车内Wi-Fi等。

    因为司机不相信使用HuD就可以不用看其他仪表，这样就还会有不看路况的时刻，为了改善安全状况，汽车制造商还必须意识到要覆盖足够多的数据在车载显示系统中。早在2003年，德国大陆集团就首次批量生产了汽车彩色HuD。凭借如今已达到批量生产水平的HUD，大陆已掌握先进的人体工程学显示技术。作为信息过滤器，HuD将精选的、与驾驶直接相关的信息全彩投映到挡风玻璃上，驾驶员从而可以舒适获取信息，眼睛不必离开路面。HUD作为人机界面的一部分为无事故驾驶做出贡献。

    二、国内外研究动态

    2.1虚拟透明现实系统原型——捷豹路虎公司

    捷豹路虎新技术360虚拟城市风挡。利用增强现实技术，让A柱处于透明状态，从而极大减少司机的视野盲区。简单来说，捷豹路虎借助了汽车外部摄像头来捕获实时视频流，并将视频信息通过嵌入在A柱中的显示屏呈现给用户。如此一来，司机便能看到原本由汽车A柱造成的视野盲区。捷豹路虎表示，这项技术能让司机看清汽车周围路人、骑行者、其他汽车。基于相同的原理，不仅A柱，B柱、C柱一样可以变为透明状态。不过捷豹路虎并未透露360虚拟城市风挡技术何时应用于量产车。

    捷豹路虎2014年初展示的Transparent Bonnet（透明罩）系统与360虚拟城市风挡效用相似。前者借助摄像头和投影仪，可以将车头遮挡的区域通过HuD投射到挡风玻璃的下部。也就是说从视觉上，仿佛车头变成了透明的。这样便能看到车头下方的障碍物和地形，同时还能看清车辆前轮的具体位置。这两项指标对车辆的越野体验帮助极大。

    2.2透明风挡玻璃显示系统——通用公司

    早在2010年，通用汽车就联合美国两所大学开发了增强视觉系统G.M.Tinkers，帮助驾驶者应对困难的驾驶情况。通过在车内安装传感器及摄像头，G.M.Tinkers可以监视司机的眼球和头部运动，并在前挡风玻璃上及时显示相关路况信息，提醒司机避免可能的危险。该系统还可以监控街上玩耍的儿童，过马路的动物，以及各种盲点。显示路面边界提示盲点。

    开发该系统的目的就是帮助驾驶者应对各种困难的驾驶情况，比如大雾或者夜间行驶时，还可以标注道路边缘，避免事故发生。在过去的三年中，G.M.Tinkers并没有太大动静，而根据相关研究人员的说法，这一系统投入市场最早要到2016-2018年，通用旗下的各款车型都将配备G.M.Tinkers系统，不过按照目前技术的发展速度来看，仅仅提供上述应用体验似乎不够吸引人啊。而且在中国的路面上，这个系统似乎不太实用，面对乱窜的行人，每一个都弹出提示，那挡风玻璃还不跟弹幕一样，让司机眼花缭乱，精神崩溃。

    2.3透明汽车玻璃显示器——丰田公司

    丰田汽车对增强现实技术的研究更为极致，而且他们的研究，更让人心动。丰田哥本哈根交互设计研究院开发了一种交互式汽车玻璃，它看上去是普通玻璃，但实际上是一个透明触摸屏。它可以记录一路经过的风景，乘客还可以用手指缩放观看。在夜间，这种车玻璃还可以定位天上的星星，显示星座等天文知识。搭配超大全景天窗，到郊区看看星星什么的简直太精彩了。

    2.4全息影像技术透明内饰——日本庆应大学

    日本庆应大学的师生利用全息影像技术，车外摄像头外设的景象被投射在汽车前座中间的反射屏上。当司机向后方看时，感官上，汽车后座变成了透明的，座椅和座椅下方遮挡的图像都无比真实的展现出来。庆应大学教授们的目标不仅仅是让后座透明，他们希望将整个汽车都透明化，为司机提供360°全方位视野，预计在未来的五年内完成这项技术。

    三、汽车内饰应用增强现实技术的目的

    大数据开始成为传统工业、制造巨头的热词。它们开头高谈阔论大数据提供的各种可能性、试图向消费者及合作伙伴描述大数据下呈现的未来各类场景。其背后是画大饼的营销噱头也好，潜心打造生态系统也罢，无可厚非；另—方面，大数据、互联网正在为工业巨头的变革提供前所未有的动力，这一点，应该没有人会质疑。

    已然有大数据武装下的互联网企业闯入汽车领域分羹。众所周知，Google在无人驾驶汽车领域独领风骚，正是基于大数据的采集与分析，这也是Google所擅长之处。众车企欲开发无人驾驶技术，绕不开与Google的合作。这不禁令人联想到智能手机时代互联网企业反扑下昔日风光的终端厂商逐步沦为代工的命运。

    不甘心受到牵制的传统汽车行业，通用、福特、丰田、大众等各大品牌汽车制造商正在马不停蹄的加大对无人驾驶汽车的研发与测试力度，包括相关数据的采集、分析。福特、通用更是以结盟、赞助编程马拉松等形式，频繁拉拢APP开发者，令其开发适配性车载应用。在不久的将来，“开放平台”这个词儿或许并非互联网领域BAT的专利。

    对于未来的城市交通，增强现实技术可以在以下几个重点方向得到拓展应用：

    无人驾驶将释放驾驶者的双手。

    呆在驾驶仓中的人们将享受与家中相同的娱乐休闲体验，车载应用尽在云端。

    未来的城市交通，将是人与车、车与路、路与环境和用户体验的系统工程。

    最大的挑战是车联网的安全。

    假设前三点实现商用的话，这将意味着汽车驾驶舱内发生了巨大的变革：遍布传感器和嵌入式CPU的车身，摄像头与GPS对接，实时捕捉车内信息及车辆之间的信息，生成海量数据，源源不断地传输至智能交道网络，从而对整个交通流进行低能耗、高效率的调度；另一方面，数据传输至汽车生产商总部，制造者通过对大数据的收集、分析及决策，制造出更聪明的汽车，为消费者创造更安全、更舒适的驾驶体验。

    四、汽车内饰应用增强现实技术的分类

    4.1增强现实信息显示

    当然在雾霾遍布的年代，辅以车载雷达和红外感应技术，在屏幕上全方位显示车外信息也是完全有必要实现的，这样的话在大雾和暴雨天气的出行也就能增加不少安全系数了。当我们实现了这些功能后，我们就可以在挡风玻璃上显示道路信息了。比如在没有路灯的夜路上，可以将路面边界投射在屏幕上，以免驾驶员不小心开下路基的情况发生。相信这项技术的实现可以让常年奔波于危险路段的驾驶员们感受到一些安全感。

    4.2增强现实辅助驾驶系统

    在真实外景的基础上投射导航指示。驾驶员从而知道，他必须在哪里拐弯，而不必在导航画面和真实世界之间来回转换，能够使汽车的人机交互系统的沟通质量产生决定性的变化，与驾驶有关的重要信息会出现在驾驶员凭直觉第一眼看到的地方，与行驶方向相同，与现实路况相结合，这样不仅使信息会更好地被接受，更在极大程度上提高了交通安全。

    可显示虚拟图像的挡风玻璃，除了提供一般的道路信息，还能够通过增强现实的方式与现实道路指示线进行图像叠加，高亮显示正确的行驶路线、刹车位置、路线规划以及自己曾经在相同道路行驶过的“鬼影车”，为驾驶者提供更丰富的信息并对现有的驾驶体验进行提升，带来游戏一般的体验。

    4.3增强现实体感交互系统

    智能汽车，不但能够与驾驶者进行交流，还能够与周边环境互动，甚至是维护社交关系。集合众多功能，包括导航、音乐、社交等几大类别。实现无人驾驶后此功能才能真正发挥作用。驾驶员需要挥着手来操控车载系统，希望未来能够通过手势来控制车内的天窗、遮阳帘和雨刷等附属驾驶系统，驾驶员也就完全没功夫去管驾驶汽车了。（图2）

    五、增强现实图像现实系统的搭建

    AR-HUD中的主角当然是增强投影面。它的投影距离在驾驶员前方7.5米，可将增强的显示符号直接投射在道路上，与当前交通状况相融合。从成像屏幕正面看，接下来的光学路径类似于传统的抬头显示器的光学路径：成像幕上的图像通过第一个镜子（反射镜）反射到第二个更大的镜子（AR-HUD镜）上，从那里反射向挡风玻璃。增强光学系统的出射面积几乎达到A4尺寸。由此形成视域尺寸为10度×4.8度的增强投影面，相当于直接视野内有几何宽度130厘米和高度63厘米的可增强视域。如要读取这个远投影面中的信息，驾驶员的视野可稍稍下调2.4度。（如图3）两个投影面（行驶状态和增强投影面）的成像单元能够配合环境亮度调整显示亮度，光密度可达到10000cd/平方米以上。因此，几乎在任何强烈的环境光条件下都能清晰显示。

    除去汽车增强现实硬件方面最难的显示部分，剩下的就是通过车内的传感器及摄像头监视司机的眼球和头部位置，然后在挡风玻璃上显示对应的信息。对于交互这一块，其实像多数触摸屏幕那样接触式设计交互，用手去触摸屏幕绝对不是一个最好的选择。

    先不用考虑将挡风玻璃弄得像手机一样满屏的手印会影响到驾驶得视线，光是乘客在系着安全带的时候想伸手触摸风挡玻璃屏幕就是一件非常痛苦的事情，再加上屏幕的倾斜角度，这种交互绝对是非常糟糕的，而且还容易影响驾驶员增加交通事故的发生概率。所以，在这里使用体感技术会是一个更加合理的实现方案，就像微软的家用游戏机Xbox一样，在未来的汽车里面实现这个功能后的驾驶员乘客的体验一定会变得非常的人性化。