基于直覺化交互理論的汽車人機交互設計研究

鐘世文 徐娟芳

關鍵詞：直覺化；汽車人機交互；認知心理學；多感官；隱喻

引言

得益于車聯網相關技術的迅速發展，汽車已經從純粹的運輸工具轉化為一個集合信息獲取、傳遞、交流和娛樂的交互式空間。汽車的內部空間、人機界面、操作以及交互過程正在發生革命性變化[1]，人機交互與用戶體驗的情感化設計在汽車設計中占據越來越重要的作用。面對日益復雜的車載信息系統，汽車交互設計的核心是構建車機與用戶認知之間的協調匹配關系。有必要從用戶的認知機制出發研究人機交互，為汽車交互設計提供指導。本文將結合直覺化交互理論相關研究，針對車載信息系統的界面交互設計，提出與用戶認知模型高度匹配的直覺化交互設計原則。

一、復雜汽車人機交互情境與認知

（一）汽車人機交互的定義

汽車人機交互是研究用車場景下用戶與車以及車內各種設備相互作用和信息交換的過程，其核心要素是車、用戶以及兩者之間的界面。汽車人機交互界面是人機雙向信息交流的承載媒介，是人機交互的至關重要的一環，因此，汽車交互界面的設計也成為汽車人機交互領域的重要內容之一。

（二）汽車人機交互的復雜性問題

駕駛行為本身就是一項非常復雜的任務，在行車過程中用戶需要保持高度的專注，持續分配注意力資源。與此同時，受到變化的社會和技術語境影響，汽車內部的信息模型逐漸由單一的行車和車況信息擴展為包含駕駛、導航、娛樂、社交等信息在內的多維度復雜信息系統[2]。車內交互信息和交互行為的增加必然會導致駕駛過程中操控的復雜度以及安全風險的增加。諾曼[3] 提出滿足用戶對于產品功能和情感的需求的產品是較為復雜的，設計師的任務就是通過設計來進行良好的復雜管理，為用戶提供復雜而易用的產品。面對日益復雜的人車交互情境，如何在確保安全和效率的前提下將各類復雜信息呈現給用戶以確保駕駛安全性成為汽車人機界面設計的核心問題。除此之外設計師還需要關注如何讓用戶在與汽車交互過程中獲得良好的交互體驗，交互體驗更多涉及人的主觀感受以及情感因素，屬于認知層次中的另一方面。體驗與易用性是緊密相關的兩個概念，因此，交互體驗問題以及安全問題成為汽車人機交互設計的兩個方面。

（三）汽車交互中的用戶認知研究

復雜駕駛情境下，影響駕駛員行車安全的主要涉及分心以及認知負荷兩方面，前者是注意力資源分配問題，后者是認知資源有限性問題，兩者都涉及人的認知層面，因此，針對駕駛員的認知機制進行研究逐漸成為汽車交互領域的研究熱點，國內學者在該領域展開相關研究。徐娟芳[4] 基于SEEV 注意力模型，形成了全液晶汽車儀表信息顯示界面的設計策略。劉翔等人[5] 結合眼動追蹤設計技術探討不同年齡層用戶的視覺認知特性，提出汽車人機界面設計應考慮不同年齡層的用戶視覺認知習慣。李洋[6] 等建立了機車司機的綜合認知模型與行為動態模型，將司機的認知與行為共性特征作為約束條件提出了機車駕駛界面設計的原則。辛向陽[7] 曾提出交互設計的本質是對人行為的設計，而人的一切行為均是人腦認知加工的結果。因此，從人的認知模式角度研究有助于從更深層次挖掘設計機會點，為用戶提供了易用性和良好體驗相統一的產品體驗。

二、直覺化交互理論概述

（一）直覺化交互定義

關于直覺一詞，不同學科對其有著不同的定義。Blackler[8] 的研究提出直覺交互是基于過去經驗知識的無意識運用。在認知過程中由于先驗經驗知識的存在，人類會完成無意識的“原型匹配”[9]，這種匹配某種意義上就可以形成直覺，這個過程發生的交互就是直覺交互。該定義強調了以往經驗知識以及直覺化交互無意識兩個重點，接下來將對這兩點進行詳細分析，以厘清直覺化交互的具體內涵。

（二）以往經驗知識

正如上文強調實現直覺化交互的一個重要特征就是以往“經驗知識”的運用，對于“經驗知識”這個概念需要進一步定義。康德[10]提出“知識”這個概念可以分為先天知識和后天知識兩類，前者是指由人類遺傳物質所決定的，獨立于經驗，是人出生之前就擁有的知識；后者屬于人類的經驗層，是人類后天習得的經驗知識。先天知識范疇比較廣泛，本文語境中的先天知識主要指人類的先天性認知能力，即先天知覺的組織加工規律。后天知識包括感覺運動知識、專業知識以及文化背景知識等。感覺運動知識主要是指人類成長初期通過身體與物理世界互動獲得的感知覺和運動經驗。具身認知視角下[11]，感覺運動知識源于身體和周圍環境的互動過程，且這類知識的習得過程是無意識的。專業知識以及社會文化背景知識是某一群體在特定生活環境中所逐漸積累的最豐富的知識層。Reason 等人[12] 提出社會文化背景知識、專業知識感知覺知識以及先天知識四類的知識復雜程度呈遞減趨勢，其被人類提取編碼難度也呈遞減趨勢。

（三）無意識認知加工

根據認知心理學理論[13]，人的思維活動是與計算機系統相似的一種信息加工系統（圖1）。人對外界信息進行加工處理時，存在意識認知和無意識認知兩種加工過程。前者是需要經過主體分析判斷并作出決策的意識控制過程；后者則是一種直接的、快速的、無需加以思考的、情感化的自動加工過程。涉及無意識加工的認知過程都能夠讓主體不需要消耗額外的認知資源，同時高效處理信息的特點。此外根據研究表明[14]，無意識認知加工與人的情感發生相關，能給用戶帶來神秘而令人愉悅的印象。根據直覺化交互的定義，直覺化交互的大多數認知成分也具有無意識的性質，其交互過程中對于信息的加工處理也是一種自動加工過程，可以讓主體高效獲取信息，同時也能滿足用戶的情感體驗，這為構建可用性與用戶體驗相統一的理論模型奠定理論基礎。

（四）直覺化交互理論模型

通過整合認知心理學以及直覺化交互的研究成果，構建直覺化交互理論模型圖（圖2）。該模型的理論基礎在于認知心理學中所稱的隱喻聯結，即通過不斷重復的感知行為和認知體驗來建立用戶的認知模型。當類似的刺激再次出現時，人們會自動地聯想到之前的認知經驗，并進行高效的認知匹配，從而降低了認知摩擦，提高了認知效率。直覺化交互設計的關鍵在于如何有效地對用戶的認知模型中的經驗和知識進行編碼和提取，以便將其應用于界面設計中，從而提高了界面元素與用戶認知模型的匹配度。根據上文提到的知識的類型，用戶認知模型的構成分為先天本能層與后天經驗層兩個部分。先天本能層主要是指人的先天知覺組織加工，界面設計元素需要匹配人的知覺加工規律，引導用戶啟用先天組織加工機制進行無意識認知加工，進而實現直覺化交互。在人的整個知覺系統中，大腦接受的感覺信息80% 以上來自視覺，因此，本文側重于對于視知覺的認知加工特性研究，其特性即模型應用原則。根據一系列實驗研究表明[15、16、17]，非文字的圖形、信息復雜度低的以及具有整體性的材料在人的視知覺無意識認知加工過程中具有強烈的優勢效應，因此，直覺化交互界面的設計需要盡可能提供更多的圖形化、簡單化以及整體化的元素，并通過隱喻映射的方式運用在設計中。

用戶認知模型的后天經驗層包括感官運動知識、專業知識以及文化背景知識。其中，專業及文化習俗類的知識領域細分且專業化程度高，在人的認知過程中很難進行無意識的自動化編碼和提取。因此，對于該類知識的應用原則主要是通過提取相關知識的熟悉特征進行再現和重復，來降低知識的專業化程度。同時，在這個過程中隱喻也發揮著重要的作用，可以將用戶熟悉的知識經驗在不同領域間轉移，從而提高陌生領域的直覺化交互認知成分。在設計中通過借用熟悉特征或者隱喻的方式讓用戶進行高效的人機交互，以降低用戶認知成本[18]。

對于后天經驗層中的另一部分感覺運動知識而言，其習得本身就是無意識的，因此，在設計過程中需要充分地考量身體交互、感官體驗和環境對于用戶的影響，充分挖掘多種交互方式，通過保留用戶日常的身體行為特征的方式隱喻運用到設計中，引導用戶更自然地完成整個交互過程。

三、直覺化汽車人機交互設計原則

提升信息的可讀性，降低駕駛員的認知負荷，并給駕駛員帶來愉悅感成為車載交互設計的關鍵問題。從人的認知角度，直覺本質是用戶對于以往經驗知識的無意識運用的過程，而無意識運用的外在表現就是高效且情感化。因此，將直覺化交互理論運用到車載界面設計中，可以為用戶提供更加自然、高效的、愉悅的交互體驗。結合直覺化交互理論并將其應用到車載交互設計中，概括總結直覺化車載交互設計基本原則。基于上文中對于認知模型構成的分類，設計原則也分為本能原則和經驗原則兩大類來論述：

（一）本能原則

上述模型中提到，非文字圖形、信息復雜度低以及具有整體性的信息范式更有利于視知覺無意識認知思維的發揮，因此，需要界面設計元素符合信息范式要求，才能引導人們啟用先天知覺組織的無意識加工機制，實現與界面的直覺化交互。

1．格式塔組織原則。

格式塔組織原則指車機界面的視覺元素的設計范式需要符合人的視知覺的組織本能，以提高其可識讀性和互動性。模型中提到信息的復雜度以及整體性是影響視知覺的無意識認知加工的重要因素，根據認知理論研究[19]，人的視覺具有整體化、簡化處理圖形的傾向，以此來提升認知效率。簡化是指視覺捕捉到的任何一個刺激樣式大腦都傾向于處理成可理解范圍內的最簡樣式；整體化是指人的視覺系統傾向于對視覺元素進行整體組織而不是分析單個元素，通過物體間的視覺距離來判斷視覺單元是否歸為一類。因此，在車載交互界面的設計中，一方面需要注意需要簡化視覺元素形態，保證元素和內容有著清晰直觀的表達效果；另一方面車載界面上的視覺信息的組織形式需要契合接近原則，即通過距離的對比讓用戶快速區分不同操作功能的同時保持頁面的視覺一致性，提升頁面的可讀性，給用戶帶來舒適感。

例如，Tesla 空調界面設計（圖3），將頁面中的與空調有關的各種功能信息根據某些屬性的關聯性分區塊進行顯示，這將有助于用戶更容易地建立信息位置記憶，用極少量的時間查看車輛狀態，減少搜索信息帶來的注意力分散，保障駕駛安全。同時，將大部分的功能信息用非常簡單的線性圖標來進行展示，降低信息的復雜度，讓用戶一目了然，容易記憶。

2．圖形優先化原則

圖形優先化原則即是在設計過程中盡量用形狀或者色彩來傳達信息。在行車過程中呈現給駕駛員的顯示信息不能過于復雜，因此，在界面設計中需要優化視覺元素的組織結構，視覺信息的呈現優先級要符合人的視覺特征。模型中提到非文字的圖形有助于啟用視知覺的直覺思維，有關研究表明[20]，人對于圖形以及色彩等非文字材料的識別加工效率遠高于文字材料，有利于用戶無意識思維的發揮。因此，在界面設計中可以盡量使用圖形以及色彩來傳達信息，充分發揮了圖形的優勢效應，引導用戶與界面進行高效交互。

例如，小鵬汽車車輛設置頁（圖4）關于自動駕駛設置的相關闡述，其所涉及的概念都比較抽象復雜，僅憑文字材料會讓用戶難以理解，通過圖文結合的可視化方式進行相關功能的解釋，可以極大地降低用戶的認知障礙，讓用戶快速學習掌握新功能。

（二）經驗原則

上述模型中提到，熟悉特征在專業化程度較高的知識、經驗的無意識認知加工中扮演重要的作用，同時對于某些復雜設計問題可以通過隱喻工具來幫助用戶實現熟悉特征的不同領域切換和轉移，以此來完成與界面的高效交互，因此，在界面設計中要充分利用熟悉特征以及隱喻這兩個關鍵要素。除此之外，設計中需要重視本身具有無意識隱喻聯結屬性的多感官認知。

1. 熟悉性原則

熟悉性原則是指在界面設計中要延續用戶以往的知識經驗和操作習慣，遵循行業規范或標準。一項有關內隱學習的實驗研究[21] 發現，被試的學習成績不受學習材料形式特征的變化影響，反而受到學習材料表達特征變化的影響，這說明高熟悉度的客體形式與人類大腦記憶中的原型高度匹配，符合人腦的無意識認知加工特性，極大降低了人的認知難度和認知資源的消耗。這也就意味如果界面具有用戶認知的熟悉特征，即可滿足用戶認知過程中自動匹配的要求，可以無意識地引導用戶完成直覺化交互。因此，在界面設計中遵循熟悉性原則可以降低用戶的學習成本，減少用戶的認知障礙，為用戶提供一種流暢的、愉悅的交互體驗。

設計師需要在用戶的經驗知識和車機的交互界面之間建立聯系，即在界面設計中遵循標準或者慣例，例如，在車載界面的布局上、使用邏輯和操作流程上保持一致性，引導用戶認知的無意識加工。例如，HarmonyOS 的車機交互與手機端保持一致，讓用戶更容易上手。其控制屏幕首頁的Dock 欄類似于蘋果手機的底部Dock 欄，用戶可以固定常用應用和卡片，并輕松點擊快速訪問導航、音樂、電話等服務。這種Dock 欄設計模式在移動設備中非常普遍，符合用戶認知習慣，讓新手用戶掌握界面交互規則時更加容易，避免費時費力的意識學習過程，如圖5。

2．真實世界隱喻原則

真實世界的隱喻原則即直覺化交互界面需要提供貼近用戶的日常生活界面，設計師需要通過構建數字世界的真實性來實現與物理世界的有效映射。正如模型中提到的隱喻工具，在界面的直覺化交互方面起到重要作用，例如window 的桌面系統把圖形界面元素比擬成文件夾、垃圾桶等現實生活中常見的樣式，有助于用戶學習和理解界面。但是目前車載電子信息系統交互界面設計尚存在一些問題：基于當前的圖形界面更多是以窗口以及卡片為核心的2D 交互界面，僅是通過色彩、形態、材質來進行擬物化設計，缺少真實物理環境的空間感，與用戶的自然認知模型還是存在一定的距離，物理世界與信息世界的隔離必然會讓用戶存在認知的轉譯過程，消耗用戶認知資源；其次，2D 交互界面的屏幕利用率太低，大量的屏幕空間被界面組件而非應用工作區所占據。2D 交互界面存在的局限性對設計提出新的需求，如何在屏幕內構建一個具有真實感的完全虛擬立體三維世界，減少屏內外的認知壁壘成為亟須解決的問題。

李太然等人[22] 提出基于真實世界交互的SOOM 范式，其中包括情境空間、三維對象、菜單以及多通道交互等要素特征，其中情境空間主要指構建一個符合用戶認知的特定環境；三維對象主要指在三維立體空間可以交互的對象。三維交互直接將人們在現實生活中和物體的交互動作映射為與信息空間的交互過程，空間次序的視覺理解和感知將變得非常具體、形象，極大地提高了界面的可讀性和易用性。例如小鵬G9 的中控區域（圖6），在車載界面上創建一個與真實世界狀態相同的世界和車輛，用戶通過觸控屏幕就能完成車窗的升降、調整后視鏡角度、打開后備箱等操作，實現“可見即可觸”的交互體驗，讓用戶一目了然，快速、直觀地獲取信息，幫助用戶實現高效、直覺的交互。

3．多感官交互原則

多感官交互指的是一種通過多種通道與計算機進行信息交換的交互方式。通道指的是人的信息輸入與輸出的感知通道。具身認知視角下，身體上的生理體驗在人的認知過程中有著關鍵性的作用，人們在環境中的生理感知體驗會不斷重復，生成大量的具身經驗并與身體的感知覺系統形成關聯匹配，當再次遇到相似的情境和任務時，就會無意識地誘發身體激活與認知模型相匹配的感知覺記憶。生理體驗的來源是多通道的，其中包括視、聽、觸等多通道感官，感知覺認知系統的外在表現就是多感官交互。在日常生活中，我們也是通過多感官方式與整個物理世界進行信息交流的，通過多種感官媒介的交互可以更好地擬合用戶的日常習慣，喚醒更深層次的知覺記憶。同時，當前車載交互設計的重點在于提升視覺信息的可讀性，但是考慮到行車情境下呈現給駕駛員的視覺信息有限，需要調用其他通道的認知資源來緩解視覺通道的認知負荷。

多模態交互的方式現有最常見的有觸控、語音、手勢等，但在車載系統的設計中，這些交互方式必須緊扣實際場景下的交互方式與用戶需求來設計。語音交互被認為是車內場景下最自然的交互方式，而手勢交互是對語音交互、觸控交互的很好補充。這兩者能夠讓車主通過簡單的手勢和語音就能完成車內的交互任務，也是能夠增加交互趣味性、表達情感、傳達情緒的自然交互方式。

結語

受技術語境影響，車載信息系統愈發復雜多元，為了滿足駕駛員與車載信息系統的安全交互需求，自然人機交互方式和直覺性交互方式得以迅速發展，通過更加自然高效的交互方式降低駕駛員的認知負荷，成為車載交互設計的新趨勢。通過對于直覺化交互的分析探討和研究，以期為基于直覺化交互理念的車載交互設計的相關研究提供進一步思路。