提升輔助駕駛安全的游戲化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航設(shè)計(jì)

萬(wàn)旻陽(yáng)

（武漢理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 背景研究

自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展使輔助駕駛系統(tǒng)步入商業(yè)應(yīng)用階段，進(jìn)入人們的生活。2017 年，第四代奧迪A8 進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，宣稱(chēng)可以達(dá)到SAE 3 級(jí)自動(dòng)駕駛，是迄今為止比較成熟的自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用范例。美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)SAE）將車(chē)輛的自動(dòng)化水平劃分為0 級(jí)（無(wú)自動(dòng)化）～5 級(jí)（完全自動(dòng)化）6 個(gè)等級(jí)[1]。SAE 3 級(jí)自動(dòng)化則意味著車(chē)輛可以在特定情況下完成駕駛?cè)蝿?wù)，而無(wú)需駕駛員操作。目前大多數(shù)商用自動(dòng)駕駛汽車(chē)處于SAE 2 級(jí)——部分自動(dòng)駕駛，例如特斯拉Model 系列車(chē)型，這意味著車(chē)輛可以接管駕駛員的部分駕駛?cè)蝿?wù)，人類(lèi)駕駛員只需要監(jiān)視路況。但是，人們可以完全依靠輔助駕駛系統(tǒng)了嗎？答案暫時(shí)是否定的。美國(guó)加州機(jī)動(dòng)車(chē)管理局報(bào)告了一些與自動(dòng)駕駛相關(guān)的事故，這12 起事故歸因于人類(lèi)手動(dòng)駕駛決策機(jī)制與自動(dòng)駕駛決策機(jī)制之間的差異[2]，道路上其他車(chē)輛的駕駛員錯(cuò)誤地預(yù)測(cè)了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的行為。這一事實(shí)表明，在自動(dòng)駕駛技術(shù)成熟之前，對(duì)于駕駛員而言始終注視前方道路并及時(shí)處理一些難以預(yù)料的交通狀況十分重要。因此，無(wú)論是SAE 2 級(jí)或3 級(jí)自動(dòng)駕駛，在系統(tǒng)遇見(jiàn)無(wú)法應(yīng)對(duì)的情況或出現(xiàn)安全方面的潛在故障時(shí)，駕駛員都必須立即接管車(chē)輛。

本研究提出的設(shè)計(jì)構(gòu)想，建議利用基于平視顯示器（Head-Up Display，簡(jiǎn)稱(chēng)HUD）和全系光學(xué)元件構(gòu)建游戲化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)。以無(wú)縫體驗(yàn)的方式鼓勵(lì)駕駛員集中駕駛，提高輔助駕駛的行駛安全。筆者利用PACTs 框架對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行闡述，即從People（人）、Activities（活動(dòng)）、Context（情境）、Technologies（技術(shù)）以及Success Factors（成功要素）的角度全方位地描述一個(gè)完整的故事：利益相關(guān)者在何種情境下通過(guò)哪些技術(shù)進(jìn)行了哪些活動(dòng)，并分析該系統(tǒng)成功的因素。

2 相關(guān)概念

2.1 無(wú)縫性設(shè)計(jì)與有縫性設(shè)計(jì)

WEISER 在其1991 年的著作“The Computer for the 21st Century”中提出了無(wú)縫技術(shù)（Seamless Technology）的概念。他認(rèn)為對(duì)人類(lèi)影響最深遠(yuǎn)的技術(shù)應(yīng)該是無(wú)形的，可以使人們?nèi)リP(guān)注所要完成的任務(wù)，而不是關(guān)注技術(shù)本身[3]。這種無(wú)形的體驗(yàn)已經(jīng)集成在人們的日常生活中，例如通過(guò)集成手機(jī)虛擬助手、智能音響和智能家電等部件，創(chuàng)造出一個(gè)“隱形”的、無(wú)縫體驗(yàn)的居家生態(tài)系統(tǒng)。

但WEISER 在其1994 年和1995 年的研究中指出了無(wú)縫性體驗(yàn)的局限性——讓所有的科技應(yīng)用都打造無(wú)縫性體驗(yàn)等同于創(chuàng)造是一切都相同的體驗(yàn)[4-6]。所以，他倡導(dǎo)有縫性設(shè)計(jì)（Seamful design）。但這并不意味著制造分裂的用戶(hù)體驗(yàn)，而是設(shè)計(jì)具有“漂亮的裂縫”的系統(tǒng)體驗(yàn)：有縫性的設(shè)計(jì)理念可以提升技術(shù)的靈活性，刻意利用并向用戶(hù)展示“接縫”，使用戶(hù)意識(shí)到某種技術(shù)所具有的局限性，以便更好地適應(yīng)它。

2.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR）是一種將虛擬信息或圖像與真實(shí)世界無(wú)縫疊合，使用戶(hù)可以實(shí)時(shí)獲得信息輔助并與之交互的技術(shù)[7]。縱向回顧幾十年間AR 技術(shù)的發(fā)展，目前該技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療、交通、航天、通信、教育以及工業(yè)維修領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，成為人類(lèi)個(gè)體與信息世界溝通的重要樞紐。

1997 年AZUMA 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在早期的研究中AR 圖像的視覺(jué)定位主要基于頭戴式顯示器[7-9]。20 1 0 年在KREVENLEN 的報(bào)告中則出現(xiàn)了更多便攜的顯示方式，例如AR 眼鏡、手機(jī)中的嵌入式應(yīng)用程序以及全息投影顯示器[9]。隨著AR 顯示載體的不斷優(yōu)化，AR 式導(dǎo)航在駕駛場(chǎng)景中的重要性逐漸凸顯，且應(yīng)用得越來(lái)越普遍。WayRay 公司于2017 年推出了“Navion”，其是一款基于全息HUD 的汽車(chē)AR 導(dǎo)航系統(tǒng)。虛擬導(dǎo)航信息與道路相疊合，降低了駕駛員視覺(jué)分心的概率，且駕駛員無(wú)需將傳統(tǒng)二維地圖導(dǎo)航經(jīng)過(guò)大腦處理再映射到真實(shí)世界的道路上，減小了駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷。

應(yīng)用AR 技術(shù)時(shí)最大的挑戰(zhàn)和局限是計(jì)算機(jī)圖像配準(zhǔn)和檢測(cè)錯(cuò)誤的問(wèn)題[7-9]。傳感器精度隨著技術(shù)的發(fā)展有了很大提高，限制雖然很小但仍然存在。AZUMA 指出，出于安全考慮，如果AR 技術(shù)沒(méi)有達(dá)到很高的圖像配準(zhǔn)率，則無(wú)法應(yīng)用于例如醫(yī)學(xué)等要求高的領(lǐng)域。技術(shù)局限可能就是應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)需要考慮的“接縫”。

2.3 游戲化駕駛體驗(yàn)

游戲化的定義是“將游戲設(shè)計(jì)應(yīng)用到非游戲領(lǐng)域”[10]。游戲化體驗(yàn)使得某項(xiàng)任務(wù)變得更有趣，以激發(fā)用戶(hù)更加積極主動(dòng)地參與到任務(wù)中。在輔助駕駛場(chǎng)景利用風(fēng)窗作為AR 顯示技術(shù)的載體將虛擬的游戲化信息與現(xiàn)實(shí)世界疊合，駕駛員能夠與游戲化系統(tǒng)進(jìn)行交互，并以一種愉悅而自然的方式將注意力集中在道路上，無(wú)需任何穿戴媒介。

SCHROETER 等人針對(duì)SAE 2級(jí)和3 級(jí)的輔助駕駛提出了“口袋妖怪駕駛（Pokemon Drive）”的設(shè)計(jì)概念[11]。將路面上的潛在危險(xiǎn)用虛擬的黃色皮卡丘圖片標(biāo)注出來(lái)，當(dāng)危險(xiǎn)靠近時(shí)，駕駛員輕掃方向盤(pán)則代表他們注意到了這個(gè)危險(xiǎn)，虛擬圖像隨之消失，游戲化系統(tǒng)會(huì)依照駕駛員面對(duì)危險(xiǎn)的反應(yīng)時(shí)間獎(jiǎng)勵(lì)他們相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，刺激駕駛員持續(xù)關(guān)注路況。WayRay 公司在2018 年推出一款車(chē)輛定位配件“Element”和其配套的智能手機(jī)應(yīng)用程序“Autoyoga”，通過(guò)游戲化獎(jiǎng)勵(lì)鼓勵(lì)駕駛員用戶(hù)節(jié)能駕駛、安全駕駛。這些游戲化體驗(yàn)可以與AR 導(dǎo)航結(jié)合起來(lái)，形成更具有吸引力的系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)概念將通過(guò)PACTs 框架闡述，即“用戶(hù)使用某種技術(shù)在特定環(huán)境中進(jìn)行某項(xiàng)活動(dòng)[12]。”因此，本研究中設(shè)計(jì)概念的使用體驗(yàn)可總結(jié)為“駕駛員使用游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)在城市道路上進(jìn)行導(dǎo)航，以及處理在SAE 2 級(jí)和3 級(jí)自動(dòng)駕駛中的接管請(qǐng)求”。本節(jié)將闡述與設(shè)計(jì)概念相關(guān)的人、活動(dòng)、情境、技術(shù)，以及設(shè)計(jì)概念的成功需要具備哪些因素。

3.1 People（人）

該系統(tǒng)的目標(biāo)用戶(hù)是裝配有輔助駕駛系統(tǒng)（具有2 級(jí)或3 級(jí)自動(dòng)化能力）的智能駕駛汽車(chē)的駕駛員。在考慮目標(biāo)用戶(hù)時(shí)，年齡差異是一個(gè)需要考慮的因素，例如游戲化設(shè)計(jì)對(duì)青年駕駛員、中年駕駛員和老年人駕駛員的影響力差異，以及接受度差異。

3.2 Activities（活動(dòng)）

在該設(shè)計(jì)概念中，活動(dòng)包含導(dǎo)航以及出于嚴(yán)肅目的和娛樂(lè)活動(dòng)，例如通過(guò)游戲化策略評(píng)估并獎(jiǎng)勵(lì)駕駛員的安全駕駛行為。AR 虛擬信息會(huì)疊加在汽車(chē)風(fēng)窗上，向駕駛員展示導(dǎo)航信息以及接管信息等。每當(dāng)駕駛員成功識(shí)別出一項(xiàng)可能會(huì)對(duì)形式造成威脅的潛在危險(xiǎn)，并即時(shí)接管車(chē)輛（即在系統(tǒng)的提示下由輔助駕駛模式切換到手動(dòng)控制時(shí)，游戲化系統(tǒng)就會(huì)向駕駛員提供虛擬分?jǐn)?shù)獎(jiǎng)勵(lì)）。

在考慮駕駛員玩家需要執(zhí)行什么樣的活動(dòng)或任務(wù)時(shí)，除了虛擬分?jǐn)?shù)獎(jiǎng)勵(lì)，還可以考慮一些物理的游戲性交互輸入和反饋方式。

3.3 Context（情境）

DIXIT 等人的研究顯示，在2014-09—2016-02 發(fā)生的與自動(dòng)駕駛相關(guān)的事故均發(fā)生在城市街道十字路口附近低速行駛的區(qū)域[2]。因此，本研究中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念考慮以城市道路為主。與高速公路路況單一的特點(diǎn)相比，城市道路的交通狀況和路況更為復(fù)雜多變，有更多不可預(yù)測(cè)的因素，例如行人、自行車(chē)和路標(biāo)等。這些不可預(yù)測(cè)的因素都可以成為游戲化設(shè)計(jì)利用的元素。

系統(tǒng)界面由AR 導(dǎo)航提示和AR 游戲元素組成。當(dāng)駕駛員開(kāi)啟輔助駕駛模式遵循擋風(fēng)玻璃上的導(dǎo)航提示并以低速沿著城市道路行駛時(shí)，一位騎行者突然從后面超車(chē)，駕駛員立即接管駕駛?cè)蝿?wù)并及時(shí)踩下剎車(chē)，游戲化系統(tǒng)會(huì)根據(jù)駕駛員接管車(chē)輛的時(shí)間獎(jiǎng)勵(lì)他們相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，累計(jì)獲得的分?jǐn)?shù)越多，玩家游戲級(jí)別就越高。引入排行榜機(jī)制，可以在駕駛員到達(dá)目的地時(shí)將他們本次行程的得分與其他使用該系統(tǒng)的駕駛員玩家進(jìn)行比較。

MAYER 的雙通道理論認(rèn)為，在手動(dòng)駕駛過(guò)程中虛擬信息有可能會(huì)引起駕駛員視覺(jué)分散或視覺(jué)通道中的信息過(guò)載[13]。為了減少這種潛在的危險(xiǎn)行為，筆者認(rèn)為在駕駛員玩家由輔助駕駛模式轉(zhuǎn)向手動(dòng)駕駛模式后應(yīng)當(dāng)隱藏或簡(jiǎn)化游戲化虛擬信息，以減少其對(duì)駕駛員的視覺(jué)干擾。

3.4 Technology（技術(shù)）

為了在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)流暢無(wú)縫的用戶(hù)體驗(yàn)，需要利用全息投影式HUD 將虛擬信息與道路整合起來(lái)使其精準(zhǔn)地與道路疊合，而無(wú)需任何駕駛員可以明顯感知到的AR 媒介（例如可穿戴設(shè)備或視頻屏幕）。將精準(zhǔn)的定位和跟蹤傳感器以及深度感知攝像頭等硬件嵌入到全息投影中[11]。

3.5 Success（成功因素）

為了在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身“隱形”的情況下（即讓用戶(hù)關(guān)注系統(tǒng)體驗(yàn)，而不是關(guān)注技術(shù)本身）使用戶(hù)能夠本能且直觀(guān)地與之交互，該系統(tǒng)需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)一些對(duì)駕駛員顯示的功能可見(jiàn)性（Affordance）。尤其是對(duì)于首次駕車(chē)的駕駛員，會(huì)得到一個(gè)線(xiàn)索來(lái)開(kāi)始游戲化導(dǎo)航，駕駛員可以選擇自己喜歡的交互方式，也可以選擇呈現(xiàn)或隱藏起這些虛擬信息。語(yǔ)音命令是與系統(tǒng)交互相對(duì)自然的方式。車(chē)輛起步時(shí)，AR 導(dǎo)航圖像將顯示5 s，隨后消失，使駕駛員基本了解該系統(tǒng)能夠提供的功能。與此同時(shí)，語(yǔ)音指令將引導(dǎo)駕駛員選擇他們喜歡的模式（純導(dǎo)航模式VS 游戲化導(dǎo)航模式）。這兩種模式的圖標(biāo)將顯示在駕駛員一側(cè)的界面，圖標(biāo)點(diǎn)亮表示相應(yīng)的模式已開(kāi)啟。

盡管游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)是一種新穎的應(yīng)用程序，但該系統(tǒng)的用戶(hù)學(xué)習(xí)成本很低。系統(tǒng)可清楚地向駕駛員玩家介紹其使用機(jī)制，駕駛員也可以從他們通常玩的游戲以及平時(shí)使用的導(dǎo)航軟件中汲取經(jīng)驗(yàn)。

有縫性設(shè)計(jì)理念用于處理那些不可避免的局限性問(wèn)題，以提高用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的適應(yīng)力和響應(yīng)能力。在游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)中，當(dāng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)滯后情況或傳感錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)提醒駕駛員并隱藏不正確的虛擬信息以防止誤導(dǎo)駕駛員，并為他們提供更靈活的人為決策空間。對(duì)于這種車(chē)載系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)軟件版本的更新，但硬件升級(jí)的成本相對(duì)較高。

除了具有導(dǎo)航功能外，該系統(tǒng)還旨在吸引駕駛員的視覺(jué)注意力，因此是否對(duì)駕駛員具有吸引力是該系統(tǒng)成功的重要因素。游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)利用排行榜、等級(jí)、分?jǐn)?shù)等游戲元素來(lái)營(yíng)造愉悅的駕駛體驗(yàn)，提升駕駛員參與度[10]。駕駛員會(huì)覺(jué)得自己在現(xiàn)實(shí)世界中玩駕駛游戲，對(duì)于具有SAE 2 級(jí)和3 級(jí)自動(dòng)化的車(chē)輛來(lái)說(shuō)是一種新的車(chē)載娛樂(lè)方式和設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)思考

盡管WERSER 后來(lái)提倡“有縫性”的設(shè)計(jì)理念[4-6]，但這并不意味著他之前提出的無(wú)縫性設(shè)計(jì)理念具有誤導(dǎo)性。實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的流暢體驗(yàn)對(duì)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)依然十分重要。游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，它可以在駕駛時(shí)為駕駛員提供自然、流暢的導(dǎo)航和游戲體驗(yàn)。

在風(fēng)窗上使用全息投射式HUD 意味著駕駛員可以不依賴(lài)任何可穿戴設(shè)備即可與系統(tǒng)進(jìn)行交互。游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)基于準(zhǔn)確的定位生態(tài)系統(tǒng)，以感知汽車(chē)的實(shí)時(shí)環(huán)境并在不引起駕駛員感知的情況下訪(fǎng)問(wèn)基于位置的服務(wù)[14]將游戲化AR 導(dǎo)航信息無(wú)縫集成到現(xiàn)實(shí)世界中，至此駕駛員可以專(zhuān)注于駕駛?cè)蝿?wù)而不是技術(shù)本身。

然而，技術(shù)“接縫”在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中是不可避免的。如果研究者們過(guò)分追求系統(tǒng)的無(wú)縫性，則駕駛員可能不會(huì)意識(shí)到技術(shù)問(wèn)題的存在，并可能導(dǎo)致交通事故。與其強(qiáng)行避開(kāi)技術(shù)問(wèn)題而獲得無(wú)縫的系統(tǒng)體驗(yàn)，不如正確地利用“接縫”[4]。例如，在游戲化AR 導(dǎo)航系統(tǒng)可能出現(xiàn)感測(cè)錯(cuò)誤時(shí)提醒駕駛員游戲化導(dǎo)航可能不準(zhǔn)確，并切換到簡(jiǎn)潔模式，使駕駛員意識(shí)到這個(gè)“接縫”，從而賦予駕駛員更多做決策的空間。

在將來(lái)，這種游戲化系統(tǒng)可能會(huì)形成一個(gè)大型社區(qū)，以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)多人游戲的效果。越多人參與，系統(tǒng)就越有吸引力。總而言之，以無(wú)縫理念設(shè)計(jì)駕駛員與實(shí)時(shí)路況之間的交互可以提供更流暢的駕駛體驗(yàn)。但是當(dāng)出現(xiàn)不可避免的技術(shù)局限（例如感應(yīng)錯(cuò)誤）時(shí)，有縫性設(shè)計(jì)的理念則可以賦予駕駛員更多做決策的空間，幫助駕駛員預(yù)估和處理當(dāng)下的交通狀況，保障駕駛的安全。