關(guān)于增強現實(shí)技術(shù)在汽車(chē)內飾中的應用研究的論文
摘要：
本文通過(guò)對增強現實(shí)技術(shù)的解讀，結合國內外前沿技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，對其在汽車(chē)內飾設計中的應用方式進(jìn)行初步研究，著(zhù)重介紹汽車(chē)內飾中使用增強現實(shí)技術(shù)的目的，以及具體的搭建方式，從而為后續研究提供參考依據。
關(guān)鍵詞：
增強現實(shí) 交互駕駛 HUD 汽車(chē)內飾
一、增強現實(shí)技術(shù)背景
增強現實(shí)技術(shù)（Augmented Reality Technique，簡(jiǎn)稱(chēng)AR），是在虛擬現實(shí)基礎上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，通過(guò)計算機系統提供的信息增加用戶(hù)對現實(shí)世界感知的技術(shù)，并將計算機生成的虛擬物體、場(chǎng)景或系統提示信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現對現實(shí)世界的增強。這是一種結合虛擬化技術(shù)再來(lái)觀(guān)察世界的方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將計算機生成的二維或三維信息覆蓋在現實(shí)世界之上，實(shí)現對現實(shí)世界的補充。
增強現實(shí)技術(shù)并不高深，比如3D全息投影技術(shù)就是增強現實(shí)的一種。日本的創(chuàng )意應用I-Butterfly、寶馬旗下mini品牌的GETAWAY-STOCKHOLM，這兩個(gè)營(yíng)銷(xiāo)行業(yè)經(jīng)典的案例也都是利用基于增強現實(shí)技術(shù)的APP應用。2014年6月清華美院研究生畢業(yè)展上的交通工具設計專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)作品也全部應用了此技術(shù)（如圖1）實(shí)現了虛擬的全尺寸實(shí)時(shí)互動(dòng)展示。
增強現實(shí)人機交互不僅僅停留在電影《007》詹姆斯?邦德的駕駛的寶馬概念車(chē)中。擋風(fēng)玻璃，正在以一種比車(chē)載顯示屏更炫更酷的尺寸發(fā)展，在行進(jìn)過(guò)程中充當手機屏幕的延伸――全屏映射、多點(diǎn)觸摸、支持視頻通話(huà)，在玻璃上比畫(huà)幾下就能導航、顯示路況、查詢(xún)天氣和附近美食、閱讀電子書(shū)、回復郵件等。
汽車(chē)互聯(lián)，整個(gè)城市會(huì )有一個(gè)互動(dòng)主管，而自動(dòng)交通指揮的概念也不再是紅燈停綠燈行。我們甚至不再需要交通信號燈。所有交通工具的速度、方向，將由計算中心決定完成，交通將成為一個(gè)持續不斷的流概念，它流動(dòng)的速率足以使一個(gè)正常的人類(lèi)司機無(wú)法操作。
在汽車(chē)剛剛誕生的時(shí)代，汽車(chē)幾乎沒(méi)有什么儀表：速度、油位、油壓，發(fā)動(dòng)機溫度，或者發(fā)動(dòng)機轉速。我們現在在電子時(shí)代，需要越來(lái)越多的數據來(lái)協(xié)助我們：衛星導航方向；警告司機超速、一個(gè)特定的安全帶沒(méi)有扣或一個(gè)特定的門(mén)沒(méi)有完全關(guān)閉，通知關(guān)于燃油經(jīng)濟性；傳入的電話(huà)警告；輪胎壓力信息；和電子控制加熱、冷卻和車(chē)內Wi-Fi等。
因為司機不相信使用HuD就可以不用看其他儀表，這樣就還會(huì )有不看路況的時(shí)刻，為了改善安全狀況，汽車(chē)制造商還必須意識到要覆蓋足夠多的數據在車(chē)載顯示系統中。早在2003年，德國大陸集團就首次批量生產(chǎn)了汽車(chē)彩色HuD。憑借如今已達到批量生產(chǎn)水平的HUD，大陸已掌握先進(jìn)的人體工程學(xué)顯示技術(shù)。作為信息過(guò)濾器，HuD將精選的、與駕駛直接相關(guān)的信息全彩投映到擋風(fēng)玻璃上，駕駛員從而可以舒適獲取信息，眼睛不必離開(kāi)路面。HUD作為人機界面的一部分為無(wú)事故駕駛做出貢獻。
二、國內外研究動(dòng)態(tài)
2.1虛擬透明現實(shí)系統原型――捷豹路虎公司
捷豹路虎新技術(shù)360虛擬城市風(fēng)擋。利用增強現實(shí)技術(shù)，讓A柱處于透明狀態(tài)，從而極大減少司機的視野盲區。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，捷豹路虎借助了汽車(chē)外部攝像頭來(lái)捕獲實(shí)時(shí)視頻流，并將視頻信息通過(guò)嵌入在A(yíng)柱中的顯示屏呈現給用戶(hù)。如此一來(lái)，司機便能看到原本由汽車(chē)A柱造成的視野盲區。捷豹路虎表示，這項技術(shù)能讓司機看清汽車(chē)周?chē)啡�、騎行者、其他汽車(chē)�；谙嗤脑�，不僅A柱，B柱、C柱一樣可以變?yōu)橥该鳡顟B(tài)。不過(guò)捷豹路虎并未透露360虛擬城市風(fēng)擋技術(shù)何時(shí)應用于量產(chǎn)車(chē)。
捷豹路虎2014年初展示的Transparent Bonnet（透明罩）系統與360虛擬城市風(fēng)擋效用相似。前者借助攝像頭和投影儀，可以將車(chē)頭遮擋的區域通過(guò)HuD投射到擋風(fēng)玻璃的下部。也就是說(shuō)從視覺(jué)上，仿佛車(chē)頭變成了透明的。這樣便能看到車(chē)頭下方的障礙物和地形，同時(shí)還能看清車(chē)輛前輪的具體位置。這兩項指標對車(chē)輛的越野體驗幫助極大。
2.2透明風(fēng)擋玻璃顯示系統――通用公司
早在2010年，通用汽車(chē)就聯(lián)合美國兩所大學(xué)開(kāi)發(fā)了增強視覺(jué)系統G.M.Tinkers，幫助駕駛者應對困難的駕駛情況。通過(guò)在車(chē)內安裝傳感器及攝像頭，G.M.Tinkers可以監視司機的眼球和頭部運動(dòng)，并在前擋風(fēng)玻璃上及時(shí)顯示相關(guān)路況信息，提醒司機避免可能的危險。該系統還可以監控街上玩耍的兒童，過(guò)馬路的動(dòng)物，以及各種盲點(diǎn)。顯示路面邊界提示盲點(diǎn)。
開(kāi)發(fā)該系統的目的就是幫助駕駛者應對各種困難的駕駛情況，比如大霧或者夜間行駛時(shí)，還可以標注道路邊緣，避免事故發(fā)生。在過(guò)去的三年中，G.M.Tinkers并沒(méi)有太大動(dòng)靜，而根據相關(guān)研究人員的說(shuō)法，這一系統投入市場(chǎng)最早要到2016-2018年，通用旗下的各款車(chē)型都將配備G.M.Tinkers系統，不過(guò)按照目前技術(shù)的發(fā)展速度來(lái)看，僅僅提供上述應用體驗似乎不夠吸引人啊。而且在中國的路面上，這個(gè)系統似乎不太實(shí)用，面對亂竄的行人，每一個(gè)都彈出提示，那擋風(fēng)玻璃還不跟彈幕一樣，讓司機眼花繚亂，精神崩潰。
2.3透明汽車(chē)玻璃顯示器――豐田公司
豐田汽車(chē)對增強現實(shí)技術(shù)的研究更為極致，而且他們的研究，更讓人心動(dòng)。豐田哥本哈根交互設計研究院開(kāi)發(fā)了一種交互式汽車(chē)玻璃，它看上去是普通玻璃，但實(shí)際上是一個(gè)透明觸摸屏。它可以記錄一路經(jīng)過(guò)的風(fēng)景，乘客還可以用手指縮放觀(guān)看。在夜間，這種車(chē)玻璃還可以定位天上的星星，顯示星座等天文知識。搭配超大全景天窗，到郊區看看星星什么的簡(jiǎn)直太精彩了。
2.4全息影像技術(shù)透明內飾――日本慶應大學(xué)
日本慶應大學(xué)的師生利用全息影像技術(shù)，車(chē)外攝像頭外設的景象被投射在汽車(chē)前座中間的反射屏上。當司機向后方看時(shí)，感官上，汽車(chē)后座變成了透明的，座椅和座椅下方遮擋的圖像都無(wú)比真實(shí)的展現出來(lái)。慶應大學(xué)教授們的目標不僅僅是讓后座透明，他們希望將整個(gè)汽車(chē)都透明化，為司機提供360°全方位視野，預計在未來(lái)的五年內完成這項技術(shù)。 三、汽車(chē)內飾應用增強現實(shí)技術(shù)的目的
大數據開(kāi)始成為傳統工業(yè)、制造巨頭的熱詞。它們開(kāi)頭高談闊論大數據提供的各種可能性、試圖向消費者及合作伙伴描述大數據下呈現的未來(lái)各類(lèi)場(chǎng)景。其背后是畫(huà)大餅的營(yíng)銷(xiāo)噱頭也好，潛心打造生態(tài)系統也罷，無(wú)可厚非；另―方面，大數據、互聯(lián)網(wǎng)正在為工業(yè)巨頭的變革提供前所未有的動(dòng)力，這一點(diǎn)，應該沒(méi)有人會(huì )質(zhì)疑。
已然有大數據武裝下的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)闖入汽車(chē)領(lǐng)域分羹。眾所周知，Google在無(wú)人駕駛汽車(chē)領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)騷，正是基于大數據的采集與分析，這也是Google所擅長(cháng)之處。眾車(chē)企欲開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛技術(shù)，繞不開(kāi)與Google的合作。這不禁令人聯(lián)想到智能手機時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)反撲下昔日風(fēng)光的終端廠(chǎng)商逐步淪為代工的命運。
不甘心受到牽制的傳統汽車(chē)行業(yè)，通用、福特、豐田、大眾等各大品牌汽車(chē)制造商正在馬不停蹄的加大對無(wú)人駕駛汽車(chē)的研發(fā)與測試力度，包括相關(guān)數據的采集、分析。福特、通用更是以結盟、贊助編程馬拉松等形式，頻繁拉攏APP開(kāi)發(fā)者，令其開(kāi)發(fā)適配性車(chē)載應用。在不久的將來(lái)，“開(kāi)放平臺”這個(gè)詞兒或許并非互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域BAT的專(zhuān)利。
對于未來(lái)的城市交通，增強現實(shí)技術(shù)可以在以下幾個(gè)重點(diǎn)方向得到拓展應用：
無(wú)人駕駛將釋放駕駛者的雙手。
呆在駕駛倉中的人們將享受與家中相同的娛樂(lè )休閑體驗，車(chē)載應用盡在云端。
未來(lái)的城市交通，將是人與車(chē)、車(chē)與路、路與環(huán)境和用戶(hù)體驗的系統工程。
最大的挑戰是車(chē)聯(lián)網(wǎng)的安全。
假設前三點(diǎn)實(shí)現商用的話(huà)，這將意味著(zhù)汽車(chē)駕駛艙內發(fā)生了巨大的變革：遍布傳感器和嵌入式CPU的車(chē)身，攝像頭與GPS對接，實(shí)時(shí)捕捉車(chē)內信息及車(chē)輛之間的信息，生成海量數據，源源不斷地傳輸至智能交道網(wǎng)絡(luò )，從而對整個(gè)交通流進(jìn)行低能耗、高效率的調度；另一方面，數據傳輸至汽車(chē)生產(chǎn)商總部，制造者通過(guò)對大數據的.收集、分析及決策，制造出更聰明的汽車(chē)，為消費者創(chuàng )造更安全、更舒適的駕駛體驗。
四、汽車(chē)內飾應用增強現實(shí)技術(shù)的分類(lèi)
4.1增強現實(shí)信息顯示
當然在霧霾遍布的年代，輔以車(chē)載雷達和紅外感應技術(shù)，在屏幕上全方位顯示車(chē)外信息也是完全有必要實(shí)現的，這樣的話(huà)在大霧和暴雨天氣的出行也就能增加不少安全系數了。當我們實(shí)現了這些功能后，我們就可以在擋風(fēng)玻璃上顯示道路信息了。比如在沒(méi)有路燈的夜路上，可以將路面邊界投射在屏幕上，以免駕駛員不小心開(kāi)下路基的情況發(fā)生。相信這項技術(shù)的實(shí)現可以讓常年奔波于危險路段的駕駛員們感受到一些安全感。
4.2增強現實(shí)輔助駕駛系統
在真實(shí)外景的基礎上投射導航指示。駕駛員從而知道，他必須在哪里拐彎，而不必在導航畫(huà)面和真實(shí)世界之間來(lái)回轉換，能夠使汽車(chē)的人機交互系統的溝通質(zhì)量產(chǎn)生決定性的變化，與駕駛有關(guān)的重要信息會(huì )出現在駕駛員憑直覺(jué)第一眼看到的地方，與行駛方向相同，與現實(shí)路況相結合，這樣不僅使信息會(huì )更好地被接受，更在極大程度上提高了交通安全。
可顯示虛擬圖像的擋風(fēng)玻璃，除了提供一般的道路信息，還能夠通過(guò)增強現實(shí)的方式與現實(shí)道路指示線(xiàn)進(jìn)行圖像疊加，高亮顯示正確的行駛路線(xiàn)、剎車(chē)位置、路線(xiàn)規劃以及自己曾經(jīng)在相同道路行駛過(guò)的“鬼影車(chē)”，為駕駛者提供更豐富的信息并對現有的駕駛體驗進(jìn)行提升，帶來(lái)游戲一般的體驗。
4.3增強現實(shí)體感交互系統
智能汽車(chē)，不但能夠與駕駛者進(jìn)行交流，還能夠與周邊環(huán)境互動(dòng)，甚至是維護社交關(guān)系。集合眾多功能，包括導航、音樂(lè )、社交等幾大類(lèi)別。實(shí)現無(wú)人駕駛后此功能才能真正發(fā)揮作用。駕駛員需要揮著(zhù)手來(lái)操控車(chē)載系統，希望未來(lái)能夠通過(guò)手勢來(lái)控制車(chē)內的天窗、遮陽(yáng)簾和雨刷等附屬駕駛系統，駕駛員也就完全沒(méi)功夫去管駕駛汽車(chē)了。（圖2）
五、增強現實(shí)圖像現實(shí)系統的搭建
AR-HUD中的主角當然是增強投影面。它的投影距離在駕駛員前方7.5米，可將增強的顯示符號直接投射在道路上，與當前交通狀況相融合。從成像屏幕正面看，接下來(lái)的光學(xué)路徑類(lèi)似于傳統的抬頭顯示器的光學(xué)路徑：成像幕上的圖像通過(guò)第一個(gè)鏡子（反射鏡）反射到第二個(gè)更大的鏡子（AR-HUD鏡）上，從那里反射向擋風(fēng)玻璃。增強光學(xué)系統的出射面積幾乎達到A4尺寸。由此形成視域尺寸為10度×4.8度的增強投影面，相當于直接視野內有幾何寬度130厘米和高度63厘米的可增強視域。如要讀取這個(gè)遠投影面中的信息，駕駛員的視野可稍稍下調2.4度。（如圖3）兩個(gè)投影面（行駛狀態(tài)和增強投影面）的成像單元能夠配合環(huán)境亮度調整顯示亮度，光密度可達到10000cd/平方米以上。因此，幾乎在任何強烈的環(huán)境光條件下都能清晰顯示。
除去汽車(chē)增強現實(shí)硬件方面最難的顯示部分，剩下的就是通過(guò)車(chē)內的傳感器及攝像頭監視司機的眼球和頭部位置，然后在擋風(fēng)玻璃上顯示對應的信息。對于交互這一塊，其實(shí)像多數觸摸屏幕那樣接觸式設計交互，用手去觸摸屏幕絕對不是一個(gè)最好的選擇。
先不用考慮將擋風(fēng)玻璃弄得像手機一樣滿(mǎn)屏的手印會(huì )影響到駕駛得視線(xiàn)，光是乘客在系著(zhù)安全帶的時(shí)候想伸手觸摸風(fēng)擋玻璃屏幕就是一件非常痛苦的事情，再加上屏幕的傾斜角度，這種交互絕對是非常糟糕的，而且還容易影響駕駛員增加交通事故的發(fā)生概率。所以，在這里使用體感技術(shù)會(huì )是一個(gè)更加合理的實(shí)現方案，就像微軟的家用游戲機Xbox一樣，在未來(lái)的汽車(chē)里面實(shí)現這個(gè)功能后的駕駛員乘客的體驗一定會(huì )變得非常的人性化。
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