汽车显示器和智能表面触摸如何实现人机交互？

智驾最前沿 2022-07-22 08:30

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固态触觉技术使新型人机交互成为可能，同时带来安全效益、成本节约和多感官品牌差异化。

消费者现在生活在两个世界中——物理世界和数字世界。他们希望他们的汽车能够理解这种双重现实，并像他们的手机和其他智能设备一样无缝运行。这种对连接性的偏好是汽车内饰、触摸屏和驱动互联体验的基础技术发生重大变革的关键因素之一。

汽车连接和显示趋势

该行业正朝着互联程度更高、最终由软件定义的汽车发展，其中与云和其他无线目的地的链接是行业标准。根据 SBD Automotive 在《2030 年每英里体验报告》中引用的预测，内置车辆连接性将从 2020 年占全球所有新车的 48% 急剧增长到 2030 年的近 96% 。

为了满足驾驶员和乘客的连接需求，新型汽车显示器的尺寸正在不断增加（15 英寸及以上，甚至可以延伸到柱子之间），同时也变得越来越薄。走进任何一辆现代汽车，你可能会看到多个屏幕，以及沿着中控台和内部其他地方的弯曲显示器。

这款专属于2022 EQS的56英寸曲面玻璃仪表板，从门到门延伸，无缝融合了三个屏幕。（资料来源：梅赛德斯-奔驰）

根据麦肯锡公司(McKinsey & Company)的研究，到2030年，这些触摸屏要么完全集成到现有的内部表面，要么可以折叠和伸缩，让它们更不显眼。汽车制造商正在试验新的驾驶员和乘客屏幕设计和位置，以新的方式展示互动界面，让消费者为未来做好准备，电气化、共享和自动驾驶汽车重新定义了我们今天所知的移动性。

然而，尽管在尺寸、形状、位置和连接性方面都有诸多创新，但关于汽车触屏的话题往往是一个两极分化的话题。当司机和乘客在车内的生活体验与与日常数字设备互动的轻松和熟悉程度不相匹配时，连通性只是他们感到沮丧的一个原因。一些司机抱怨失去了熟悉的物理控制，不得不学习新的数字界面。其他的阻力来源可以在汽车杂志的头条中看到，这些头条讨论了道路安全以及与基于视觉的显示器相关的驾驶员分心。马自达甚至决定取消触摸屏，基于他们的研究，司机伸手去触屏会无意中给方向盘施加扭矩，导致车道位置漂移。

虽然音频、聊天机器人和人工智能虚拟助手确实可以使技术更易于使用，但如今智能手机中使用的多种应用程序、彩色图标和各种手势主要依赖视觉作为操作手段。鉴于智能手机界面的普及和成功，看到许多相同的方法和视觉语言被转移到车辆显示设计中也就不足为奇了。这将我们引向第二个问题——也许是更直接的问题——安全。

尽量减少驾驶员分心

对于许多驾驶员来说，调整收音机音量只需要伸出手，感受物理拨号或方向盘，并在无需将视线从道路上移开的情况下调低音量。但在转向平滑、无特色的显示和基于视觉的控件的过程中，我们失去了控件熟悉的物理感觉。按钮的消除或更换造成了触觉反馈的空白，而以前有触觉和无需眼睛的控制。

如果人机界面 (HMI) 需要额外的手眼协调来定位和操作控件，那么驾驶员的任务就会变得更加复杂。使用视觉多层菜单的信息娱乐系统增加了驾驶员的认知负担，这也可能增加风险。

根据美国国家公路交通安全协会的数据，2019年美国道路上有436096人死于机动车碰撞，比2018年下降了2%。然而，受注意力分散影响的撞车事故的死亡人数同期增加了9.9%。音频线索当然可以在这里提供帮助，特别是当它们发挥预期作用时。但缺乏标准化和技术变革的步伐，往往会导致驾驶者的体验不一致，不太理想。

从嗡嗡声到表面纹理

当大多数人想到触觉技术时，他们的智能手机的嗡嗡声或游戏机的隆隆声可能会浮现在脑海中。这种震动感是通过使用不同类型的电机（例如偏心旋转质量 (ERM) 或线性共振致动器 (LRA) 振动电机）物理移动质量而产生的。当今市场上的每种形式的振动触觉都可以追溯到振动电机。直到触觉技术的一个新分支——表面触觉被发明。

表面触觉是在物理表面上的可编程触觉纹理和效果。代替传统的振动致动器，表面触觉通过称为电粘附的现象工作。通过在触摸屏表面上产生电场，手指在触摸屏表面移动时感受到的摩擦力可以改变。

电粘附示意图：电场作用于皮肤表面，产生额外的法向力，增加附着力。V，外加电压；F、静电力。

当手指在这种摩擦中移动时，可编程软件会产生凹凸、脊和纹理的感觉——这是人们在物理物体上习惯的感觉。表面触觉是用手指直接探索表面的体验，因此如果手指不运动，就无法感受到轻触控制。

无论是在概念上还是在实践上，基于电粘连的表面触觉技术都与传统的振动触觉触觉技术有以下不同:

它是如何建造的：没有压电、电机或其他运动部件，该溶液是完全固态的。
编程方式：软件定义，高分辨率效果可以在局部区域设计。
体验方式：当手指在表面上下滑动时，就能感受到效果。

汽车触觉的关键考虑因素

汽车制造商在指定和设计车内触觉时需要考虑几个关键领域。安全问题可以通过设计控制系统来解决，驾驶员只需快速一瞥就能定位和操作，或者眼睛无需离开路面。西北大学的一项基于全车辆驾驶模拟器的研究表明，添加了表面触觉后，眼睛在路上的时间提高了30%设计师还应该尽量减少访问控件所需的菜单数量，因为这会增加认知负荷。

在成本方面，有许多短期和长期因素需要检查，包括移动部件的数量、重量以及使用基于振动的触觉的影响。随着车载屏幕变得越来越大，物理学变得更具挑战性，很难移动质量来创建基于振动的触觉。在某些情况下，在不影响触觉效果的情况下，对大质量物体进行振动并将其与车辆的其他部分隔离开来，已不再实用，也不再具有成本效益。对于弯曲、柔性和可滚动的筛管，振动甚至可能不是一个选择。

固态表面触觉解决方案消除了振动带来的大部分成本和复杂性。由于表面触觉技术不会使屏幕产生振动，因此它们避免了大型驱动器和机械安装，可以放大到更大的屏幕上。此外，触觉体验不会受到车辆运动所产生的任何额外振动的影响。

对于汽车制造商来说，考虑触觉技术如何融入现有供应链并权衡不同解决方案的相关成本也很重要。例如，一个典型的汽车开关组可能有超出模块本身的支出（例如，昂贵的电线组件、人工），而且由于空气间隙、机械故障、湿气和泄漏，可能会存在可靠性问题。

一些汽车制造商正在用可在多个汽车平台和选项包中重复使用的单个智能表面取代传统的开关组。在窗口控制位置或前后控制上添加触觉反馈，可以让司机或乘客相信他们发起的操作已经发生。软件可编程性还意味着单个硬件设计可以在现场重用、更新和升级，允许在购买后或在经销商处添加新功能。这些在线旅行社(OTA)更新是解决成本、设计和客户体验问题的高价值投资。

智能表面，例如延锋的这些数字门控，出现在许多现代室内设计中（资料来源：延锋环球汽车内饰）

为了实现长期节能，汽车制造商还必须考虑具体采用哪种触觉技术，将触觉效果放置在哪里(现在和将来)，这种技术可以支持什么表面，以及这种技术是否需要在车辆的多个表面上协调工作。集成考虑还必须包括该技术如何与音频、力传感和其他互补技术集成。

最后，在指定触觉技术时，重要的是要考虑可能的触觉效果的质量和范围。信息娱乐系统为汽车制造商提供了差异化品牌的巨大机会。那些了解触觉技术细节、编程方式以及客户偏好的原始设备制造商 (OEM) 将最有能力在快速发展的互联未来中展开竞争。

更多滑动、更少点击和多个区域

我们与数字世界互动的方式在不断演变。当你想在现实生活中感受一些东西时，你很少会走过去戳它。自然的趋势是把它拿在手里或用手指在它上面滑动来评估它的质地或感觉。表面触觉允许系统设计师利用这种自然的方法。

今天，触摸数字控制器的行为主要是通过视觉来调节的。我们看着屏幕，确定点击的位置，并确认动作的有效性。在这种情况下，手指和表面之间有短暂的接触，因此，触觉反馈的机会有限，除了偶尔的嗡嗡声。

与离散的点击不同，滑动或滑动控制主要是通过使用动态运动的触摸来实现的。这种与表面的持续接触提供了在整个运动过程中使触觉呈现的机会。通过添加纹理和运动，更多的表面效果是可能的。滑动和基于手势的交互在智能手机和平板电脑中变得越来越普遍，这使得学习曲线更快、更直观，即使在不熟悉的环境中也是如此。

由于基于振动的触觉如何移动质量的本质，触觉效果的范围通常局限于一个人在整个屏幕上。表面触觉技术的固态特性使设计师可以更自由地在同一块玻璃上的不同区域创建不同的效果和体验——让多个用户获得独特的体验。

例如，当用表面触觉激活多区域触觉时，数字表面被分成两个或更多区域。驾驶员和乘客都可以在同一个智能表面上同时操作和体验不同的触觉效果。例如，如下图所示，驾驶员可能在乘客搜索音乐的同时选择锁。每个人在同一屏幕上同时体验不同的触觉反馈。

借助多区域触觉功能，单个屏幕可以分为两个区域——一个用于驾驶员，另一个用于乘客（来源：Ran Mingwei，Car UI Concept，Behance，由 Tanvas, Inc. 提供附加渲染）

生成高分辨率触觉效果

在大的表面上产生动态触觉效果的能力意味着触觉交互的新水平是可能的。对于制造下一代人机界面的汽车制造商和人机界面设计师来说，创造触觉效果的方法也必须进行评估。

传统的基于振动的触觉解决方案可以产生一系列效果，但这些效果可能是有限的。产生效果涉及复杂的电机控制和机械调整，因为整个表面都在移动，而且这种效果可以同时在设备上的任何地方感受到。

基于电粘附的表面触觉允许更广泛的纹理，因为只有当手指在表面上移动时以及在何处移动时才会体验到这种效果。软件可编程性不仅可以加快触觉生成过程，还可以实现新颖的高分辨率效果。数字表盘的点击、拨动开关的翻转以及从颗粒到精细的任何纹理范围都可以被有意地设计。

表面触觉效果使用灰度位图图像编程，其中触觉效果的强度从零(无，最黑)到255(完整，最亮)，沿着光谱(每一个灰度之间)的强度变化。使用一个简单的图像隐喻来决定在哪里放置触觉效果以及它们的感觉有很多好处。纹理、止动线、脊线、虚拟刻度和边缘都可以使用软件和简单的基于图像的隐喻进行编程。这些特征和效果无限灵活，可以在任何时间移动到显示器的任何地方，或者被完全不同的视觉和触觉取代;它们不像机电触觉那样固定。OTA的视觉效果也可以更新，甚至在现场系统卖给客户后也可以更新。

编程显示表面触觉效果。(a) 图形图像被发送到显示器并由驾驶员或乘客查看。使用标准图形或编程软件可以轻松更新这些视觉效果。(b) 这4个图像代表使用与可见图形图像相同的软件创建的相应触觉图像的示例。更改音量旋钮的底层触觉纹理会改变手指在显示屏表面移动时的感觉（资料来源：Tanvas, Inc.）

与基于振动的触觉中使用的电机控制波形不同，表面触觉资产是易于理解并以熟悉的方式操作的图像；不需要特殊的知识或工具。触觉图像的创建与使用行业标准应用程序（如 Photoshop、Illustrator、Paint）或软件编程语言（如 OpenCV 和图形绘图库）的任何其他图形资产一样。触觉图像逐像素匹配图形图像，提供高分辨率效果，可随图形实时变化，并可根据手指移动的速度和方向而变化。

在汽车领域，这种高像素级分辨率为 HMI 设计人员提供了广泛的选择，可用于创造新的感官体验。再加上声音，这些控件可以开始模仿逼真的体验，同时让汽车制造商可以灵活地随着趋势变化和连接产品的发展调整外观和感觉。

设计触觉界面的艺术与科学

用户界面设计是艺术和科学的结合，包括驾驶员或乘客与汽车界面的所有交互。设计人员必须考虑各种控件的布局、整体设计的外观和感觉，甚至选择和完成动作的响应时间。可以设计纹理并将其绘制到屏幕上，图形对象可以是巨大的、沉重的或有弹性的。唯一的限制是设计师的想象力和对工具的掌握。

随着人机界面技术的不断发展，视觉设计标准也在不断发展。多年来，人们对图形样式的偏好一直在变化。例如，在2010年代早期，随着许多互联网巨头重新命名他们熟悉的图标，扁平图标变得流行起来。平面图标遵循“少即是多”的方法，简单地传达信息或推广产品，而浮雕和3D图像使用更多的梯度和阴影来增加图标的深度，往往使其外观更真实。

数字应用程序和界面中使用的各种图形样式（资料来源：Tanvas, Inc.）

按照交互设计基金会的定义，拟物化是指界面对象在外观或用户与它们的交互方式上模仿现实世界中的对象。为了简化智能手机的视觉界面，用户体验设计师已经从物化的图标转向了扁平化的设计。

Neumorphism 是一种新的拟物风格，其重点不一定是真实世界和数字世界之间的对比或相似性，而是调色板。在新形态论中，重点是光如何在三维空间中运动有时这些效果被称为“软设计”，各种工具帮助创建它们。

随着 HMI 技术的进步，这些设计趋势将继续发生变化。具有图形（视觉）和触觉（纹理）深度的基于电粘附的触觉可以将设计转变回更逼真的控件。结合触觉和视觉效果也可以缩短学习曲线和新技术的采用。

未来的座舱设计和触觉技术的作用

考虑到展示的所有最新概念车，毫无疑问汽车制造商将继续创新。在高度互联的汽车未来中，了解将工作重点放在哪里可能是赢家和输家之间的决定性因素。

麦肯锡的研究指出，OEM 和供应商需要关注内饰差异化的几个战略要务。排在首位的是建立关于 HMI 技术、OTA 和未来材料的大量新知识，然后降低复杂性以优化成本并使客户的生活更轻松。触觉技术可以在这些努力中发挥主导作用。

随着创造力和设计自由转移到 HMI 层，汽车制造商可以探索触觉技术作为一项创新功能，使其内饰在这个转型的移动时代脱颖而出，同时提供面向未来的技术，以支持即将到来的连通性、自动驾驶、共享和电气化需求。在触觉技术广泛实施的更广泛的战略指导方针的背景下，OEM和供应商必须牢记以下要求:

直观且易于发现；
低延迟；
和谐;
尺寸、形状和材料；
无噪声;
没有移动部件；
高带宽和分辨率；
集成的成本和易用性。

当前的汽车趋势需要对汽车的基本方面进行全面评估。汽车内饰为设计师的想象力提供了一个尚未开发的游乐场。汽车和人机界面设计师是未来的工匠，他们决定在哪里放置智能表面和控制，以及它们应该如何工作和感觉。设计具有像素点精度的高分辨率触觉的能力可能会打开汽车历史上一个新的创造性篇章。

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