第一节 人机交互概述
一、人机交互发展概述
随着智能交互技术的导入，汽车人机交互正在不断升级和变革。从最初的“人适应汽车交互系统”渐渐转向“汽车交互系统适应人”，其发展过程主要经历了如下几个阶段。
1.物理用户界面操控阶段
汽车发明的早期阶段，汽车只有基本的驾驶操控，人机交互仅停留在机械结构的反馈上。随着微型单片机在汽车上的应用，汽车各个子系统才有了“大脑”。但汽车的人机交互方式仍然采用开关按键、拨杆等物理界面形式。
2.图形用户界面流行阶段
随着车载电子显示屏幕、仪表的普及应用，结合人机交互的内容与功能，图形用户界面逐步出现并流行。图形用户界面的使用使人机交互方式发生了巨大变化。它简单易用，减少了实物按键操作，使复杂多样化的车载功能得以简易使用，拓展了人机交互的运用范围。
3.多通道用户界面融合阶段
当前，虚拟现实、移动计算等技术的飞速发展，对人机交互技术提出了新的挑战和更高的要求，同时也提供了新的机遇。这一阶段，自然和谐的人机交互方式在汽车交互系统的应用中得到了一定的发展。基于语音、手势、视线追踪等多通道输入交互是其主要特点，其目的是使人能以声音、动作等自然方式进行交互操作。
二、人机交互基本概念
1.人机交互
人机交互，是指人与机器之间的交互。广义地说，机器可以是各种各样的机械与电子集成部件，也可以专指计算机化的系统和软件。人机交互的主要内容包含人到机器和机器到人的两部分信息交换。
2.人机交互界面
人机交互界面（Human-Machine Interface，HMI），主要是指人与机器之间的通信媒介，主要基于人机双向信息交换的软件和硬件实现。
人机交互过程中，人机交互界面是联系人与机器的纽带和媒介，如图3-1所示。人机交互界面通常是指用户可见的部分，小至收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板或是发电厂的控制室。用户通过人机交互界面与机器交流并进行操作。人机交互界面设计是人机交互设计中的重点。
图3-1 人机交互界面示意图
三、交互过程与认知机制
1.交互过程
人机交互过程中主要的对象是人和机器，如图3-2所示。人和机器通过人机交互界面实现信息的传递和交互。
图3-2 人机交互过程与认知机制
从人的角度看，人的输出端和输入端主要包括眼睛、耳朵、四肢及皮肤等。人的指令可以经过手的点击、手势或者语音等形式进行输出，通过人机交互界面输入机器中。机器经过计算处理后，再通过人机交互界面输出信息，经过人的输入端进入大脑感知层进行处理。
从机器的角度看，人机交互界面的载体包括屏幕、物理按键、红外传感器、超声波雷达、摄像头、传声器、投影模块、灯、扬声器、振动组件等。通过屏幕软开关、物理按键、红外传感器、超声波雷达、摄像头、传声器，可以将人的点击、手势、语音等信息输入系统；通过屏幕、投影模块、灯、扬声器、振动组件，分别向界面输出图形、文字、灯光、声音及语音、力的反馈、振动等信息。
2.认知机制
人的认知机制是由特定的生理特征决定的，机制是固定不变的。在认知机制不变的情况下，人机交互界面的设计优化可以提高人机交互的效率，改善用户体验。
人类认知是由感官感知外界刺激信息，经过感知处理器和思维处理器进行信息处理，由短时记忆器和长时记忆器进行信息存储的过程，如图3-3所示。在短时记忆器和长时记忆器起作用之前，首先是被人感知的视觉、听觉、触觉、嗅觉等信息被感知处理器处理。在感知处理器中进行的理解通常只限于模式识别和上下文理解，信息处理的层次是相当表面化的。
图3-3 认知过程
感知处理器处理结束后，信息会有选择地被传送到短时记忆器中。短时记忆器的储存容量小，仅可以同时记忆若干个内容单元，保持时间也相对较短，一般仅几秒时间。短时记忆器将信息传递给长时记忆器或思维处理器后，将不再保留该信息。例如短时记忆器处理完一段话中各个词的发音后，将不再记忆这些发音信息，转而处理后续对话的发音信息。此外，短时记忆器的效率和能力比较容易受到噪声和其他分散注意力因素的影响。
短时记忆器存储信息后，将信息传递到思维处理器中。思维处理器在与短时记忆器交互的过程中，可以进行各种复杂的思维操作，如处理各种信息的内在含义、推理及逻辑关系等，其操作水平远远高于感知处理器。
同时，长时记忆器也会接收到短时记忆器有选择发出的部分信息。长时记忆器的特点是容量大，储存时间长，并且主要以结构化联系的方式储存内容。长时记忆器的内容和提取能力就是人们平常所说的记忆力。长时记忆器具有“用进废退”的特点，也就是说，经常用到的内容记忆更加准确，同时也越容易被提取，很少被用到的内容容易在记忆中“变形”或丢失，这就是人们平时所说的遗忘。同时，某内容在记忆中与其他内容联系越丰富，其特征越明显，表现方式越形象，就越容易保持和提取。长时记忆器中的内容与人所感知的信息吻合越完全，这些内容也越容易被发现和提取。长时记忆器中的信息通过思维处理器提取，进而传递到短时记忆器中。这些信息与感知处理器提供的内容一同在短时记忆器进行处理，以便对感知内容进行比对。
人类短时记忆器和长时记忆器的特点为人机系统设计提供了一些设计指导，具体如下：
1）应当尽量将信息按照相互关系进行分类组织。例如，在中控屏幕的界面中，将汽车相关功能控制界面分为车身控制、娱乐、导航等几个部分；在车身控制子界面中，又将所有灯光控制界面划为一整块。这样用户在使用相关功能时，短时记忆器在任何时刻只需要处理总体信息的一小部分。这种“分块”的方法也适用于没有明显关联的独立信息的记忆。
2）应当通过简单明了的人机交互设计提高长时记忆器信息存储和提取的效率，避免在用户面前显示与任务无关的信息导致注意力分散。较复杂的用户界面功能可以考虑拆分为不同的部分或步骤来实现，这样可以减轻短时记忆器的负荷，使用户获取关键信息更快捷。个性化的设计也能够显著增强用户对于设计细节的印象，便于长期记忆和信息提取。
四、人机交互界面
狭义地划分，汽车人机交互界面包括物理用户界面和图形用户界面两类。广义地划分，还应包括语音交互、手势交互、声音交互、灯光交互等界面。尤其是语音交互，已经成为汽车上成熟使用的交互界面。
1.物理用户界面
物理用户界面（Physical User Interface，PUI）指与用户交互的实体元素，包括机械按钮、滚轮、旋钮以及触控按键等，是传统的人机交互通道，其优势是操作简单、安全感强。机械按钮、滚轮和旋钮都属于传统物理用户界面，常见的有转向盘开关、座椅开关、中控开关、顶控开关和换挡旋钮等。近几年，随着智能表面技术的出现，触控按键被大量应用，成为新一代的物理用户界面。常见的界面载体有触控饰板、车载屏幕等。
2.图形用户界面
图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）是指采用图形方式显示的人机交互界面，通过显示窗口、图标、菜单等图形表示不同功能，用户通过触控屏进行点击操作。图形用户界面是电子化、信息化时代人机交互的主要通道，其优势主要体现在：
1）通过视觉通道，感知文本和图形信息，直观清晰。
2）可长时间显示，且能平铺多层级架构信息，是复杂信息交互的有效途径。
3）结合按键、触控等技术，使人机交互更加简单快捷。
目前，车辆常规的图形用户界面主要集中在组合仪表、屏幕以及抬头显示等。通过直观的文字或图形，实现信息的显示与交互。随着智能表面技术的迅速发展，未来车内的每一个表面都可以是智能表面。智能表面将变成人机交互的主界面，为图形用户界面提供更大的发展空间。
如图3-4所示，上汽荣威Vision-i概念车门饰板上的智能表面就是未来图形用户界面应用的典型案例。该图形用户界面可以为乘员显示旅途进程以及舱内操控界面。
近几年，随着电动汽车的发展，格栅功能逐渐弱化，取而代之的是贯穿式车灯、Smart Led或屏幕等，可给用户带来更直观的交互和更友好的体验。这一发展趋势进一步拓宽了图形用户界面的应用前景，车外的每一个表面也将会是图形用户界面的载体，推动着人、车、环境之间的交互发展。
图3-4 上汽荣威Vision-i概念车门饰板智能表面
3.语音用户界面
语音用户界面（Voice User Interface，VUI），是通过声音或语音实现人与机器之间交互的界面。语音交互有诸多优势，主要包括：
1）释放乘员双手。
2）学习门槛低，贴近人的本能。
3）无界面界限，可直接操作。
4）具有同理心，通过语气、音量、语调、语速等就可以获知用户情绪变化。
语音交互作为最自然、最亲切的交互方式，将会成为未来主流的交互方式之一。
语音交互主要包含自动语音识别、自然语言理解、自然语言生成与文字转语音等技术，如同真人在进行对话时的“聆听”、“理解”与“回复”三种能力。因为是基于人类的听学系统，这样的交互方式也被定义为对话式人机交互界面（Con-versational User Interface，CUI）。
目前，实时语音识别技术日趋成熟，语音识别在较好的环境中正确率可达97%。但是基于自然语言理解、声音语调和说话内容，对情绪的识别分析还在研究中。相信通过大量的训练以及算法的改进和创新，语音交互会变得更加自然，语音交互界面也将会在汽车上得到更广泛的应用。
4.其他用户界面
其他用户界面主要包括通过提示音、灯光、手势等方式进行人机交互。一般通过扬声器、蜂鸣器等可以完成提示音的反馈；通过按键背光、氛围灯、提示灯的灯光实现信息的传递；通过红外传感器、雷达、摄像头实现手势识别交互。
在众多用户界面中，手势交互符合人类自然心智模型，已具备成熟的技术基础，无论是单独使用还是多模态交互，都将是未来具有较大潜力的一种交互方式。该交互方式是基于手势检测与识别技术之上的新兴交互方式。手势交互设备更多地基于传统内外饰顶控制台进行开发，布置在前排顶控上，用于前排驾乘人员的交互操作。目前，基于汽车环境下常见的手势交互主要应用于控制环境系统、调节座椅位置、开关车窗以及选择立体声播放和音量大小等，代替以传统按钮式操作和触控屏操作为主流的交互操作模式。手势交互能够让驾驶人在开车时减少分心，创造全新的交互体验，实现人车互动的全新驾驶体验，提高行驶的安全性。