基于虛實(shí)結(jié)合平臺(tái)的汽車體驗(yàn)聯(lián)動(dòng)評(píng)測(cè)體系系統(tǒng)研究

李亞蘭　丁瑋　陳迪雯　吳林青　張銘

摘 要：文章研究了一種基于XR技術(shù)的汽車體驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，能夠?qū)⑻摂M場(chǎng)景與實(shí)際汽車臺(tái)架相結(jié)合，讓用戶沉浸式地體驗(yàn)虛擬汽車。XR技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)將真實(shí)與虛擬相結(jié)合，打造一個(gè)可人機(jī)交互的虛擬環(huán)境。它能讓體驗(yàn)者在虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界之間無縫轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生“沉浸感”。同時(shí)，利用自動(dòng)化的眼動(dòng)和肢體測(cè)評(píng)方法，跟蹤并分析體驗(yàn)者對(duì)不同位置的關(guān)注度和人體舒適度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能有效測(cè)量用戶關(guān)注度和舒適度，并為汽車設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合 動(dòng)作捕捉 體驗(yàn)測(cè)評(píng) 汽車體驗(yàn) XR汽車體驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng) 人機(jī)工程 XR 高感知沉浸式體驗(yàn)

1 背景分析

隨著通信技術(shù)和人工智能信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)4.0時(shí)代已經(jīng)來臨。在此背景下，汽車體驗(yàn)需求日益提高。人們不僅把交通工具當(dāng)作代步工具，更重視乘坐舒適度的極致追求。同時(shí)，企業(yè)也重視滿足用戶需求，努力打造特色亮點(diǎn)，設(shè)計(jì)吸引人的客戶旅程，適應(yīng)不同場(chǎng)景下的乘車體驗(yàn)。它們結(jié)合汽車特點(diǎn)和用戶深需求，創(chuàng)新和強(qiáng)調(diào)自身品牌形象。此外，工信部《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年，重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)將初步實(shí)現(xiàn)智能化，制造企業(yè)將基本普及數(shù)字化。這涉及數(shù)字孿生、元宇宙等探索，旨在實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)場(chǎng)景的數(shù)字化和輕量化。

本文針對(duì)企業(yè)和用戶需求，提出了一種虛實(shí)結(jié)合的方案。我們探討了在智能化體驗(yàn)需求高漲的背景下，如何實(shí)現(xiàn)高感知的沉浸式體驗(yàn)和操作，讓用戶深度感知多場(chǎng)景、多功能的人機(jī)交互，并為設(shè)計(jì)方案提供更深層次的用戶體驗(yàn)指導(dǎo)。此外，我們對(duì)虛擬環(huán)境搭建、XR設(shè)備、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、虛擬人引導(dǎo)等體驗(yàn)和使用場(chǎng)景進(jìn)行了詳細(xì)的行業(yè)掃描，使本研究具有創(chuàng)新性和高效性。

針對(duì)汽車數(shù)字化和虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，介紹了一種XR 汽車體驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，能夠?qū)ξ瓷鲜熊囆瓦M(jìn)行系統(tǒng)性的體驗(yàn)測(cè)試。通過運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合的方案，滿足在智能化趨勢(shì)下用戶對(duì)于汽車體驗(yàn)的深度需求。致力于實(shí)現(xiàn)高感知的沉浸式體驗(yàn)和操作，讓用戶深度感知多場(chǎng)景、多功能的人機(jī)交互。此外，本文對(duì)虛擬環(huán)境搭建、XR設(shè)備、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、虛擬人引導(dǎo)等體驗(yàn)和使用場(chǎng)景做了詳細(xì)的行業(yè)掃描，保證項(xiàng)目的創(chuàng)新性和高效性。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，為了滿足用戶對(duì)汽車體驗(yàn)的不斷提高需求，核心目標(biāo)是打造全場(chǎng)景及全維度的體驗(yàn)調(diào)研刺激物，并為前瞻設(shè)計(jì)方案提供一個(gè)全面的搭載平臺(tái)。

通過軟件環(huán)境為基礎(chǔ)，開發(fā)數(shù)字樣機(jī)評(píng)審和產(chǎn)品編輯平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)師能快速創(chuàng)建和修改虛擬汽車模型。這種數(shù)字化的創(chuàng)作環(huán)境能加快設(shè)計(jì)迭代的速度，并提供更靈活的操作空間。然后，以實(shí)物為主體，在真實(shí)的汽車臺(tái)架上做體驗(yàn)驗(yàn)證。通過引入XR混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶戴上XR/VR眼鏡，進(jìn)入沉浸式的虛擬場(chǎng)景，與虛擬汽車互動(dòng)。這種虛實(shí)結(jié)合的方式讓用戶能真實(shí)地感受汽車的外飾、內(nèi)飾和駕駛感受，從而更好地評(píng)估設(shè)計(jì)方案的效果。此外，用動(dòng)作捕捉技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤用戶的眼動(dòng)和肢體動(dòng)作。通過分析用戶關(guān)注不同位置的次數(shù)和時(shí)間，以及身體舒適度的反饋，能量化評(píng)估體驗(yàn)者對(duì)汽車設(shè)計(jì)的認(rèn)知和感受。

為了實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景和全維度的體驗(yàn)調(diào)研刺激物，讓用戶體驗(yàn)多種場(chǎng)景，并提供沉浸式的人機(jī)交互。比如，在虛擬環(huán)境中，用戶可以在不同的路況下做駕駛模擬，感受不同速度和路況對(duì)駕駛舒適度的影響。還可以模擬不同的氣候條件，讓用戶體驗(yàn)開車時(shí)的溫度、濕度和風(fēng)速等因素的變化。通過這種多場(chǎng)景的體驗(yàn)，可以更全面地評(píng)估設(shè)計(jì)方案在不同情況下的表現(xiàn)，并為設(shè)計(jì)迭代提供科學(xué)依據(jù)。

最后，本文是為前瞻設(shè)計(jì)方案提供一個(gè)完整的搭載平臺(tái)。通過建立這個(gè)多方式體驗(yàn)感知體系，能夠深入了解用戶對(duì)不同場(chǎng)景下的汽車體驗(yàn)的需求和偏好。通過收集和分析用戶的反饋意見和感受，能夠提供科學(xué)、客觀的數(shù)據(jù)支持，為設(shè)計(jì)方案的迭代改進(jìn)提供指導(dǎo)。

3 設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過全面、多維的市場(chǎng)調(diào)研和技術(shù)溝通分析，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真驗(yàn)證平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)核心目標(biāo)的最佳技術(shù)手段。它由軟件和硬件兩部分構(gòu)成。

軟件環(huán)境中，數(shù)字樣機(jī)評(píng)審、產(chǎn)品編輯平臺(tái)、人機(jī)交互等是主要的功能。數(shù)字樣機(jī)評(píng)審讓設(shè)計(jì)人員快速創(chuàng)建和修改虛擬汽車模型，并做設(shè)計(jì)驗(yàn)證。產(chǎn)品編輯平臺(tái)提供了一個(gè)靈活的操作環(huán)境，讓設(shè)計(jì)人員做各種設(shè)計(jì)調(diào)整和優(yōu)化。

硬件環(huán)境提供多通道立體顯示和人機(jī)交互數(shù)據(jù)采集。多通道立體顯示讓用戶用高質(zhì)量的顯示設(shè)備，在虛擬環(huán)境中得到逼真的視覺體驗(yàn)。人機(jī)交互數(shù)據(jù)采集用動(dòng)作捕捉技術(shù)、眼動(dòng)追蹤等方法，實(shí)時(shí)跟蹤用戶的視線、肢體動(dòng)作和姿態(tài)，以便更精確地分析其行為和感受。

基于前期定義的總體系統(tǒng)架構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)方案可以具體分為以下四個(gè)實(shí)施路徑：（1）視覺虛擬數(shù)據(jù)庫及編輯平臺(tái)；（2）用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案搭載工具；（3）設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證體系；（4）刺激物體系應(yīng)用規(guī)范。

3.1 視覺虛擬數(shù)據(jù)庫及編輯平臺(tái)

通過建立對(duì)虛擬汽車模型和相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，為設(shè)計(jì)人員提供便捷的訪問和編輯功能。這個(gè)平臺(tái)支持虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建和設(shè)計(jì)評(píng)估，提供多種視角的可視化展示。

3.1.1 數(shù)據(jù)庫搭建

設(shè)計(jì)并創(chuàng)建一個(gè)虛擬汽車模型和相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含汽車參數(shù)、外觀設(shè)計(jì)、內(nèi)飾布局以及與設(shè)計(jì)相關(guān)的信息。

3.1.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入和編輯功能

開發(fā)相應(yīng)的軟件功能，使設(shè)計(jì)人員方便地導(dǎo)入和編輯虛擬汽車模型及相關(guān)數(shù)據(jù)。這包括模型導(dǎo)入、紋理貼圖編輯、部件替換等操作。編輯平臺(tái)共3種模式：編輯模式、展示模式、模擬駕駛模式。

3.1.3 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

根據(jù)需求確定要構(gòu)建的場(chǎng)景類型，例如：城市道路、鄉(xiāng)村環(huán)境、沙漠、海邊等。收集現(xiàn)實(shí)世界中相關(guān)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)和參考資料，如街道布局、建筑物外觀、交通標(biāo)志等。利用三維建模軟件，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)和參考資料，進(jìn)行場(chǎng)景建模。根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景來設(shè)置材質(zhì)和紋理，使其更逼真。調(diào)整光照效果和渲染參數(shù)，使場(chǎng)景具有適當(dāng)?shù)牧炼取㈥幱昂头瓷湫Ч?/p>

在場(chǎng)景中添加道路，并設(shè)置車輛和行人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬真實(shí)的交通流量。對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，包括減少多邊形數(shù)量、合并網(wǎng)格等，提高性能和流暢度。場(chǎng)景驗(yàn)證工作，通過與實(shí)際駕駛情境進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，調(diào)整細(xì)節(jié)和元素，確保其準(zhǔn)確反映仿真駕駛情境。

3.1.4 可視化展示

確定可視化需求，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需求，確定需要展示的視角。虛擬相機(jī)設(shè)置，使用圖形渲染引擎創(chuàng)建一個(gè)虛擬相機(jī)，并設(shè)置位置、旋轉(zhuǎn)和視野等參數(shù)。視角切換功能，實(shí)現(xiàn)視角切換的功能，允許設(shè)計(jì)人員在編輯平臺(tái)中輕松切換不同的視角。交互控制，可添加交互控制功能，例如使用鼠標(biāo)或手勢(shì)控制旋轉(zhuǎn)縮放和開關(guān)門等。可視化效果增強(qiáng)，考慮添加額外的可視化效果，如光照和陰影、環(huán)境反射和折射等效果，提升展示的逼真度和質(zhì)感。

3.2 用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)方案搭載工具

3.2.1 硬件選擇和集成

XR設(shè)備名稱為Varjo XR3，主要特點(diǎn)是沉浸度高，通過高廣角使其虛擬感受真實(shí)。定位設(shè)備名稱為ART TRACK5，主要特點(diǎn)是精準(zhǔn)手部追蹤；刷新率最高300Hz；感應(yīng)器分辨率1.3兆像素；測(cè)量原理為光學(xué)六自由度，被動(dòng)和主動(dòng)標(biāo)記點(diǎn)追蹤；定位精度2mm。手部動(dòng)作捕捉設(shè)備，通過光學(xué)定位在虛擬環(huán)境中與真實(shí)手部狀態(tài)同步；虛擬空間下抓握位置與真實(shí)位置一致，誤差小于2mm。

3.2.2 用戶體驗(yàn)測(cè)試

為改進(jìn)測(cè)試車的功能和性能，進(jìn)行了虛實(shí)結(jié)合調(diào)研刺激物的用戶體驗(yàn)測(cè)試，收集用戶的反饋和意見。為了更準(zhǔn)確地獲取用戶對(duì)測(cè)試車的體驗(yàn)感受，用戶通過使用刺激物感受測(cè)試車的內(nèi)外飾設(shè)計(jì)、HMI設(shè)計(jì)、易用性、CMF五感設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行滿意度調(diào)研。并與用戶進(jìn)行個(gè)別或小組訪談，記錄他們對(duì)虛擬測(cè)試車的設(shè)計(jì)喜好、交互控制、五感體驗(yàn)等感受和建議。

3.3 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證體系

為了建立科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證體系，可以按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施：

眼動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)處理和解讀（見圖2）。

肢體動(dòng)作數(shù)據(jù)處理和解讀（見圖3）。

3.4 刺激物體系應(yīng)用規(guī)范

為確保刺激物體系的穩(wěn)定性和可靠性，合理規(guī)范軟件平臺(tái)和硬件系統(tǒng)的使用規(guī)范，操作人員需按照應(yīng)用規(guī)范實(shí)施操作。

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，用于敏捷開發(fā)

設(shè)計(jì)師可通過相應(yīng)設(shè)備快速制作測(cè)試demo，導(dǎo)入測(cè)試，通過模擬仿真系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)方案有初步的體驗(yàn)認(rèn)知，再通過客觀驗(yàn)證方法，快速反饋驗(yàn)證方案，輔佐設(shè)計(jì)方案決策，同時(shí)也可以進(jìn)行迭代與二次啟發(fā)。

4.1.1 設(shè)備選擇和制作測(cè)試Demo

選擇適合項(xiàng)目需求的硬件設(shè)備，如XR設(shè)備、交互控制器等，并制作相關(guān)的測(cè)試Demo。

4.1.2 模擬仿真系統(tǒng)體驗(yàn)認(rèn)知

將設(shè)計(jì)師制作的測(cè)試Demo導(dǎo)入到模擬仿真系統(tǒng)中，方便設(shè)計(jì)師通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步體驗(yàn)認(rèn)知和評(píng)估。

使用Unity3D或UE及虛實(shí)結(jié)合定位插件進(jìn)行開發(fā)和集成。

4.1.3 客觀驗(yàn)證方法與反饋

建立臺(tái)架搭建，用于測(cè)試不同設(shè)計(jì)方案，控制測(cè)試變量以對(duì)方案進(jìn)行測(cè)試和比較。

結(jié)合客觀數(shù)據(jù)和用戶訪談，對(duì)方案進(jìn)行全面分析和評(píng)估。

4.2 設(shè)計(jì)指導(dǎo)

對(duì)于項(xiàng)目中存在爭(zhēng)議或設(shè)計(jì)師無法判斷的方案時(shí)，通過臺(tái)架搭建不同方案，控制測(cè)試變量對(duì)方案進(jìn)行測(cè)試，綜合記錄用戶模擬駕駛過程中的客觀數(shù)據(jù)和用戶訪談的主觀數(shù)據(jù)，對(duì)方案進(jìn)行更全面的分析。同時(shí)，臺(tái)架搭建將設(shè)計(jì)方案更直觀的展示，更易于對(duì)體驗(yàn)進(jìn)行描述，具有更廣泛的說服力和更具影響的驅(qū)動(dòng)力。

4.3 全維度的體驗(yàn)與感知

從可達(dá)性、可視性、可讀性三個(gè)維度，利用測(cè)量數(shù)據(jù)分析注視點(diǎn)、操控效率、安全性等，全面檢測(cè)用戶對(duì)車輛HMI設(shè)計(jì)方案的接受認(rèn)可情況，從而改進(jìn)車輛內(nèi)飾設(shè)計(jì)，合理布置車載電器操作裝置，改善車輛信息顯示。

5 結(jié)論和展望

通過建立全方面深層次交互的設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以把核心體驗(yàn)場(chǎng)景、人機(jī)交互、內(nèi)飾氛圍、零部件等多方面體驗(yàn)維度進(jìn)行搭載，讓用戶沉浸式參與汽車設(shè)計(jì)測(cè)評(píng)與研究，以便深入剖析用戶，挖掘其更高層級(jí)體驗(yàn)需求。此外，還討論了該系統(tǒng)的創(chuàng)新性和學(xué)術(shù)性，以及XR和動(dòng)作捕捉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性。未來的研究可以進(jìn)一步改進(jìn)該系統(tǒng)，并探索更廣闊的應(yīng)用前景。

在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，利用XR技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)師和用戶在虛擬或增強(qiáng)的空間中駕駛、體驗(yàn)、評(píng)估不同的汽車模型和功能，同時(shí)通過傳感器、攝像頭、腦電波等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集用戶的心率、血壓、眼動(dòng)、腦活動(dòng)等生理數(shù)據(jù)，以及表情、語音、姿態(tài)等行為數(shù)據(jù)，通過AI來分析用戶的情緒、偏好、滿意度等指標(biāo)，從而為汽車設(shè)計(jì)提供更加客觀和有效的反饋和優(yōu)化建議 。

未來將結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶生理數(shù)據(jù)的定量采集和分析，從而提高用戶體驗(yàn)的質(zhì)量和效果。這將為各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)帶來更多的創(chuàng)新機(jī)會(huì)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。我們有理由相信，在不久的將來，這種技術(shù)將成為人機(jī)交互的新標(biāo)準(zhǔn)和新趨勢(shì)。

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