隨著社會媒體的發(fā)展，都市信息集成和普適計算的廣泛應用，各種汽車服務應用集成度不斷增高，操作層級日趨復雜。本文主要針對面向信息娛樂系統(tǒng)的車內(nèi)眼動交互研究進行了一些論述，文章是一篇交通標準化投稿的論文范文。
　　摘 要：隨著社會媒體的廣泛應用和普適計算技術的開發(fā)，車載信息娛樂系統(tǒng)功能與操作層級不斷增加。為了滿足駕駛員與車載信息娛樂系統(tǒng)中各項功能安全交互的要求，自然人機交互方式和直覺性交互方式得以迅速發(fā)展。研究分析了現(xiàn)有的和正在開發(fā)的人車交互模式，分析其優(yōu)劣性，在此基礎上提出了基于車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的直覺性駕駛交互方式――眼動交互，開發(fā)了眼動交互原型和交互界面。經(jīng)過原型測試驗證了基于抬頭顯示器(Head-Up Display，HUD)的人車眼動交互的兩個關鍵因素。

　　關鍵詞：汽車,信息娛樂系統(tǒng),眼動交互,界面,直覺化

　　Abstract：The development of social media and ubiquitous computing technology brings rapid growth of in-vehicle infotainment systems. In order to meet the requirements of interaction efficiency and driving safety， the means of interaction including natural and intuitive interactions have been studied and developed constantly.The paper analyzed the new developments and on going studies of human-vehicle interaction models， presented the first eye movement-based interaction model based on the HUD (Head-up Display)， and developed a prototype and a user interface. The prototype testing results show the key factors in eye movement-based interaction are eye movement mechanism and the user interface.

　　Key words：vehicle; infotainment system; eye-movement interaction; interface; intuitive

　　目前人車交互的信息集成可以歸為三個層次：人與社交網(wǎng)的信息集成、車與地理網(wǎng)的信息集成以及技術集成[1]。人車交互行為主要集中于前兩個層次：單純的駕駛行為交互轉(zhuǎn)變?yōu)轳{駛及娛樂和信息交流的綜合交互。因此傳統(tǒng)人車交互方式已滿足不了人在駕駛過程中接收并處理信息的需要，比如讀寫信息、打電話、操作導航系統(tǒng)、社群系統(tǒng)以及在功能列表中選擇娛樂系統(tǒng)。針對以上問題，各種新交互方式逐漸滲入汽車交互模式中，面向信息娛樂系統(tǒng)的人車交互方式也逐步被開發(fā)。

　　綜合目前各種交互模式分析，車載信息娛樂系統(tǒng)中各種功能的不斷擴展，駕駛員在駕駛行為中與各種信息交互操作增加，駕駛?cè)蝿蘸托畔⒔换フ加昧笋{駛員的手、眼、腳、聽覺等通道。盡管各種新興的自然交互方式力圖有效降低駕駛分心和認知負荷，但是多通道的占用不可避免地干擾駕駛。比如手勢操作或多或少會占用視覺通道，使駕駛員視線離開路面[2];語音對話在一定程度上會影響視覺判斷[3]，引起潛在的危險。相比之下，眼通道交互不僅在人的信息獲取和輸出上比較閑置，眨眼和掃視行為本身也是一種直覺性操作方式，因此基于以往的交互經(jīng)驗不需要額外學習和適應[4]。眼動交互在這個層面上說是更貼近自然交互的操作方式。

　　本文列舉了目前人車交互的多種模式，分析其交互方式的瓶頸，并在此基礎上提出了車內(nèi)眼動交互模型，并且開發(fā)了眼動交互設計原型，進行了原型測試，為下一步的電子原型開發(fā)和實際應用做了基礎研究。

　　隨著各種信息在車中集成，駕駛員除主要駕駛?cè)蝿胀�，對于信息娛樂的交互使駕駛?cè)蝿樟鞑粩嘧儚碗s，駕駛負荷不斷加重，比如駕駛過程中使用電話會嚴重影響當下信息條目的認知記憶[2]。通過有效的交互模式設計降低行為負荷和認知負荷是亟待解決的問題。

　　從交互界面角度來看，傳統(tǒng)的信息娛樂交互界面為物理界面，主要集中在中控臺，交互方式主要是物理按鍵操作。但是傳統(tǒng)的室內(nèi)人機交互界面不能滿足不斷增長的交互需求[5]。近年來物理界面逐漸向空間界面發(fā)展，觸屏操作方式逐漸普及。盡管如此，操作功能的有限性與日益增多的信息和操作要求的沖突，多信息交互所引起的駕駛負荷(Drive Work-Load)和駕駛分心(Drive Distraction)挑戰(zhàn)著對駕駛安全的要求[6]。這種情況下各種新的人機交互方式不斷被開發(fā)，以求在確保駕駛安全的情況下為用戶提供更加自然的交互方式(圖1)。

　　在自然人機交互模式中，體感交互、語音交互和多通道交互是目前主要的人機交互模式，也是人車系統(tǒng)中解決當前人與多級信息交互的主要模式。汽車中體感交互方式主要為手勢交互，交互瓶頸在于手勢操作誤判的、沒有信息反饋和難以撤銷操作等。此外，現(xiàn)有的車載手勢交互被認為沒有很好地遵循統(tǒng)一的交互方式和原則，并且某些組合手勢難以被用戶發(fā)覺和使用，因此會帶來一定程度的用戶體驗問題。

　　語音交互是指基于語音識別技術，在撥號、導航、控制等應用中開發(fā)的交互方式。車載語音交互主要應用于語音輔助駕駛[7]、導航應用等[8]。語音識別的交互障礙在于沒有視覺反饋，容易造成認知困惑，還在于難以撤銷命令，造成駕駛?cè)蝿找酝獾念~外負擔。 　　多通道交互技術綜合集成了語音交互、體感交互、視覺交互等交互模式。車載信息娛樂系統(tǒng)的多通道交互應用很多集成于方向盤控制上，位于方向盤上的多點觸摸屏能有效降低駕駛員的視覺負荷[9]，避免單通道交互引起的認知負荷過重和無法克服的缺陷。例如斯圖加特大學開發(fā)的語音和手勢相結(jié)合的駕駛輔助系統(tǒng)[10]，但是該種方式處于實驗室研發(fā)階段，成本大且難以普及。

　　綜上所述，人車交互模式需要在駕駛?cè)蝿�、認知負荷和用戶體驗方面尋求平衡的交互之路�；�于車載信息娛樂系統(tǒng)的直覺性的交互方式有待開發(fā)。

　　1 眼動交互模式研究

　　在汽車工程中關于眼動機制的研究主要在于測量眼動模式并分析其對于駕駛行為的影響。同時，在人機交互領域眼動機制也早有研究和實踐，多為殘疾人交互設備和其它技術輔助設備，比如史蒂芬・霍金的“說話的眼睛”[11]。最新的眼控設備開始轉(zhuǎn)向眼動交互研究，并且融入我們的日常生活。比如TobiiPCEye Go動交通過眼動進行人機交互的電腦[12]，智能手機中的眼動翻頁[13]，眼動操作的視頻游戲等等[14]。但是沒有一種眼動交互模式適應復雜的駕駛環(huán)境，而眼動特征對于汽車駕駛行為有至關重要的作用。眼注視對于前方駕駛區(qū)域的集中度保證駕駛員的道路控制能力，影響著駕駛安全[15]。而傳統(tǒng)儀表板所提供的信息造成駕駛過程中頻繁的視覺切換，將導致潛在的駕駛危險。

　　HUD作為眼動交互的載體，其抬頭顯示技術已較成熟地用于飛機駕駛艙、海洋電子導航設備等[16]。

　　汽車中信息顯示也由傳統(tǒng)的中控臺顯示轉(zhuǎn)移到更加安全直觀的HUD上。較之傳統(tǒng)的低頭顯示器(Head-Down Display，HDD)，在配備有HUD的汽車中駕駛員保持恒定速度表現(xiàn)有顯著提高，對于緊急事件的響應時間明顯縮短[17]。但是目前HUD僅僅用于呈現(xiàn)信息，卻無法使駕駛員與各種信息進行交互操作。因此我們在對各種交互方式的研究和比較的基礎上，開發(fā)了基于車載HUD的眼動交互應用原型�，F(xiàn)階段原型設計中選取了常見的車載娛樂功能即音樂控制信息結(jié)合HUD，駕駛員在駕駛過程中看信息并利用正常的眼睛運動如掃視、注視、眼移動發(fā)出相應命令控制音樂的播放、暫停和音量。

　　2 研究方法

　　基于眼動交互模式研究，我們假設眼動機制和交互界面是人車直覺性交互的關鍵因素。我們開發(fā)了兩套交互原型，邀請6名被試者進行原型測試來驗證這一假設。為驗證以上兩個假設，首先設計了兩套不同的操作界面原型。原型測試期間使用駕駛模擬器模擬駕駛環(huán)境，并使用電腦播放操作界面。索尼高清小型數(shù)碼攝像機HDR-HC1用來視頻記錄全過程，以便后續(xù)的用戶分析，便于操作的原型改進。我們采用以下3種方法來輔助眼動交互研究和交互原型設計迭代。

　　2.1 觀察法和主觀過程記錄

　　測試過程全程視頻記錄并且由輔助測試人員主觀記錄被試表現(xiàn)。為方便記錄和分析我們設計了記錄工具PMI(procedure-motion-interface recording)記錄表(圖2)。表中測試過程包括兩個任務，每個任務劃分為若干階段，每個階段包含兩部分：眼運動(即相應的交互動作)和其相應的交互界面。主試者負責測試流程，輔助測試人員根據(jù)主觀觀察記錄測試過程、話語、誤操作以及記錄主觀言論。PMI記錄表極大地幫助分析用戶表現(xiàn)和原型設計迭代。詳細信息將在文章測試分析部分提到。

　　2.2 有聲思維研究方法

　　根據(jù)有聲思維研究方法(think-aloud method)[18]，被試者在操作的同時被要求描述他們的動作。主試者播放相應的界面原型配合被試者操作并且提供給被試者相應的反饋。在這一過程中我們可以清晰地知道被試者的交互流程、操作過程和他們的誤操作，找到原型設計中的問題點。

　　2.3 焦點小組和參與式設計

　　測試完成后，被試者與所有試驗者(原型開發(fā)人員)進行焦點小組訪談和參與設計活動[19]。在有聲思維階段我們可以了解和觀察被試者的表現(xiàn)、想法和操作流程，但這種表現(xiàn)是通過預先設計的任務流程而觸發(fā)的。原型測試后，被試者對眼動交互應用已經(jīng)有情感認知。我們鼓勵被試者通過焦點小組自由地談論他們的意見和評估原型。在參與式設計階段，邀請被試者與開發(fā)人員一起改進方案，并一同進行原型設計迭代。另一方面，通過參與式設計能更好地理解用戶需求，發(fā)現(xiàn)隱藏的問題。

　　3 設計原型和用戶原型測試

　　基于上述兩個假設――眼動機制和交互界面，當前研究階段致力于交互流程的開發(fā)和用戶界面的設計。所以，我們使用駕駛模擬器和筆記本電腦來模擬電子原型，以便快速高效地進行原型迭代。

　　人的眼動主要分為兩類：有意識的運動和無意識的運動。最常規(guī)的眼球運動屬于無意識動作，它們是直覺性自發(fā)的運動。比如瀏覽、看路、跟隨移動的物體等。根據(jù)人體的自然眼睛典型動作――掃視、注視和眨眼[20]，我們?yōu)檠蹌咏换ハ到y(tǒng)定義了4種基本動作：掃視、凝視、眨眼和移動。

　　(1)掃視：當駕駛員在駕駛行為中觀察路況時，他們的眼睛注視位置會時不時落在HUD上的熱點區(qū)域中。在此情況下，以微弱的閃爍作為反饋，但它不會啟動任何操作。

　　(2)凝視：當用戶短暫的凝視熱點區(qū)域，功能被激活，并且另一個反饋將提供給用戶，告知他們現(xiàn)在可以控制音樂。

　　(3)眨眼：執(zhí)行相應的命令。

　　(4)移動：允許用戶用眼移動控制HUD上的對象移動，如調(diào)整音量球。

　　當前的研究專注于如何讓駕駛員通過直覺性的眼動與車內(nèi)的信息娛樂系統(tǒng)自然、高效地交互。因此提出兩套界面原型，分別為不同的交互機制和界面(圖3)。圖3右為眨眼操控界面，即用戶通過眨眼和界面反饋來改變音量。圖3左為移動控制界面，即用戶需要眼移動來改變音量�；�于這兩種類型的接口框架，我們設計了兩個高保真界面(圖4)。

　　3.1 測試流程 　　原型測試地點在湖南大學人機交互實驗室。6位被試者為湖南大學師生，其中4人為有經(jīng)驗駕駛者，2人為駕駛新手，被試者年齡范圍為20～35歲，4名男性，2名女性。研究重點是開發(fā)直覺性交互的新方式，因此選擇用戶最熟悉的音樂應用來做測試。其一，簡單交互模型便于初期開發(fā)，有助于了解眼運動的交互機制。其二，簡單的操作使我們更容易觀察交互過程和用戶表現(xiàn)。整個測試包括兩個任務：播放和暫停音樂任務，調(diào)節(jié)音量任務。駕駛模擬器用來模擬駕駛環(huán)境，筆記本電腦播放高保真原型(圖5)。

　　所有被試者都沒有預先的眼動經(jīng)驗和有關的眼動交互操作，沒有心理模型以符合當前環(huán)境和做交互參考。然而直覺性的人機交互方式要求符合用戶以往的經(jīng)驗和體驗[15]。因此首先進行10 min原型介紹和操作示范，直到用戶對于測試過程和眼動交互模式有初步認知之后才開始進行相關音樂播放的任務流程。

　　第一項任務要求被試者使用模擬駕駛器駕駛，同時操作音樂播放模式和音樂暫停模式。我們不能主觀區(qū)分用戶自然的眼動和有意識的眼動操作，因此這一階段的用戶使用有聲思維方法報告他們正在進行的操作。我們錄制下整個測試過程和用戶表現(xiàn)，輔助測試員進行主觀記錄。第二項任務要求被試者在駕駛過程中眼動調(diào)整音樂的音量。我們向用戶做簡單的情景描述，然后讓用戶實踐音量調(diào)整模式。用戶原型測試的最后階段是焦點小組訪談和參與式設計。

　　3.2 焦點小組訪談

　　在完成以上兩項任務后，用戶已經(jīng)完全熟悉原型和理解眼動交互機制，所以在這個階段首先與被試者自由交談。由于被試者并沒有參與前期的原型開發(fā)，沒有早先的經(jīng)驗干涉，因此相對于開發(fā)人員更容易找到隱藏問題。通過焦點小組訪談，我們總結(jié)出一系列設計關鍵點，比如“開車時無法區(qū)分HUD上的指示性圖標和操作性圖標，及“開車時要求系統(tǒng)有中斷處理功能，在處理完交通情況時它能記住我當前操作。”

　　3.3 參與式設計――評估和迭代

　　在評估階段，不僅要求被試者評價原型a，同時將原型b呈現(xiàn)給被試者。因為有了之前的測試經(jīng)驗，被試者很容易通過移情作用[21]體會原型b的操作模式。此階段被試者對比兩套原型，找出更加符合用戶心理模型的操作方式。在這一階段用戶和開發(fā)人員共同改進了早期模型，并且提出了更加容易接受的直覺性眼動交互模型。此外，原型操作實時性的問題被用戶質(zhì)疑，這一部分將在后期的電子原型中加以探討。

　　4 測試分析

　　4.1 基本情況介紹和定性定量分析

　　在原型測試中，整個工作流的完成沒有明顯的認知障礙和操作困難。任務1可以流暢準確地完成。任務2中6名被試者中有3人出現(xiàn)界面識別困惑，誤操作也多集中于此。6名被試中5人明顯傾向于原型a并且對眨眼操控界面有很高的評價。另一人對于任何交互界面沒有明顯的偏向。在結(jié)果探討中我們采用定性與定量相結(jié)合的方法分析和評價原型。由于重點在于直覺性的交互方式探索，簡單的定量分析工具無法完全反映用戶體驗結(jié)果，因此采用了兩者相結(jié)合的方法，從以下4個角度探討眼動機制和交互界面對于眼動交互的影響：交互評價、品質(zhì)評價、工作流評價和界面評價。

　　4.2 交互評價

　　在原型測試中，用戶困難點和誤操作點主要集中在任務1，階段5和任務2，階段a、b、c、e中;交互問題集中于階段a和階段c。其中一位被試者反映說在駕駛過程中他無法區(qū)分任務1，階段1和任務2，階段a，因為兩個階段視覺反饋沒有任何差異。針對這個問題，在接下來的參與式設計中被試者與我們共同提出改進。在階段b中被試者通常忘記眨眼動作代表開始調(diào)節(jié)音量，原因是他們在上一個階段中沒有這樣的操作，因此將上一個階段的經(jīng)驗自然地推廣到當前階段的操作中。從這里我們看出在做直覺性交互開發(fā)時過分地簡化操作無益于用戶的認知，要確保操作范式前后一致。

　　界面困惑主要發(fā)生在任務2，階段b中。6名被試者中5人反映說他們在駕駛時無法快速找準和快速定位到音量調(diào)節(jié)熱區(qū)。盡管“volume”操作圖標明顯提示熱區(qū)位置，但是這個功能圖標更具有指示性特征，而非操作圖標特征。綜上所述，初始原型與用戶的心理模型并不完全一致，自覺性的交互方式必須來源于熟悉的范式或者早先的知識[22]。正因如此，這一部分也被包含在參與式設計過程中。

　　然而另一個原因也造成誤操作。6名被試者中2人認為略有滯后的模擬操作界面影響了他們的判斷，3人認為有聲思維方法降低了他們的操作效率，但同時他們對于后期的電子原型和測試表現(xiàn)有信心。另外根據(jù)基本駕駛信息統(tǒng)計，有駕駛經(jīng)驗的駕駛員(駕齡大于7年)比駕駛新手(駕齡小于3年)更不容易出現(xiàn)誤操作。因此駕駛經(jīng)驗對于眼動交互也是重要因素之一。

　　4.3 品質(zhì)評價

　　評價量表用來定義被試者對眼動交互模型的主觀評價，并且為電子原型和產(chǎn)品開發(fā)提供參考(圖6)。在原型品質(zhì)評價中，6名被試者中5人更加傾向于第1套原型。經(jīng)過測試，被試者普遍認為駕駛過程中用眼動控制移動會占用過多視覺通道從而引起駕駛危險。通過量表統(tǒng)計，我們得出結(jié)論“安全性”是所有被試者最關心的因素。“Easy to operate”是負評價，因為所有被試者沒有眼動交互的早先經(jīng)驗可供借鑒。盡管眼動交互模型在工作流、交互界面等方面符合用戶的產(chǎn)品認知，但是早先眼動交互模式知識的欠缺仍舊造成相當?shù)恼J知困難和誤操作。除此之外，產(chǎn)品實時性能是被試者普遍關注的另一個問題。“操作速度”，“緊張度/精力集中度”和“習慣符合度”的評估為正評價，因此電子原型具有開發(fā)價值。

　　4.4 工作流評價

　　通過圖7(a)可以看出原型中出現(xiàn)兩個明顯的工作流程問題。第一，中斷操作沒有很好地設計。兩名被試者在自由談和參與式設計中提出關于緊急情況出現(xiàn)后視線移開與操作中斷的問題。第二，操作流程中有不必要的過程重復。比如從初始狀態(tài)開始的音樂播放操作流程為“注視―注視―眨眼”。如果用戶試圖暫停音樂播放，必須要重復“注視―注視”流程才可進行暫停操作(圖7a)，這使操作流程冗余低效。在用戶參與式設計過程中我們與用戶一起改進了工作流程。 　　5 用戶參與式設計和設計迭代

　　原型測試之后6名被試者對于駕駛過程中眼動交互模型有所熟悉，并且對于直覺性交互設計有所期待。我們鼓勵被試者表達出音樂播放和眼動交互的心理模型，同時共同繪制改進的框圖和操作流程。6人中有5人明顯更傾向于原型1，因此改進模型在原型1的基礎上進行。

　　5.1 工作流迭代

　　基于參與式設計改進和精簡了交互式工作流程。首先，精簡了音樂暫停工作流，刪除重復的“注視―注視”步驟，在初始界面以雙眨眼方式來暫停音樂，這樣就使用戶在任何緊急情況下都能暫停音樂。第二，在新工作流中共同增加開發(fā)設計了中斷操作以便在音樂操作過程中應對復雜的交通事件。在這種情況下駕駛員必然會放下當前的操作任務轉(zhuǎn)而去處理交通問題。如果在操作過程中用戶沒有進行任何操作的時間超過3 s，音樂界面會自動隱去以方便駕駛員處理交通問題，等待時間需要在電子原型開發(fā)后下一個試驗階段進行試驗和驗證。最終改進的電子原型工作流如圖7(b)所示。

　　5.2 界面迭代

　　基于測試結(jié)果和用戶參與式設計，邀請用戶評估界面原型(圖8)，第一排初始界面引導兩種界面框圖所衍生的方案。每個高保真原型有10個評級，通過用戶打分選出最終電子原型開發(fā)的界面方案(圖9)。

　　6 結(jié)論和未來研究

　　本文提出了新的直覺性人車交互模型――眼動交互模型。研究的最終目的是在車載娛樂信息系統(tǒng)操作下降低駕駛員的駕駛負荷;同車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)交互時防止視覺切換造成的駕駛危險。提出了影響人車眼動交互的兩個關鍵因素的假設，設計了眼動原型和一系列高保真界面，并且在此基礎上開展原型測試，驗證了眼動操作機制和交互界面是眼動交互直覺性操作的兩個關鍵因素。

　　研究的重點在于眼動的交互機制，所以目前階段只是開發(fā)初期設計原型。未來將基于當前眼動機制和高保真界面的研究開發(fā)電子原型，交互實時性能和魯棒性需要在后期試驗中得到驗證。同時眼動交互是否能降低駕駛負荷，防止視覺切換帶來的駕駛危險也將在后期試驗中進行驗證。作為初期開發(fā)，眼動交互的應用操作和交互機制有所局限，在今后的研究中會結(jié)合多種實際駕駛情況拓展眼動機制交互模式，并且逐步拓展到其它車載娛樂信息系統(tǒng)的應用中。

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　　相關期刊簡介：《交通標準化》雜志（國內(nèi)統(tǒng)一刊號：11-2815/U，國際標準刊號：1002-4786）是交通部主管、交通部科學研究院主辦、國內(nèi)外發(fā)行的中央級期 刊，是交通系統(tǒng)唯一以將標準化理念與質(zhì)量和市場融為一體為主旨的專業(yè)化刊物。其涉及交通行業(yè)的規(guī)劃與戰(zhàn)略，公路、水運工程與運輸，交通與安全，汽車與船 舶，物流與信息以及智能交通等領域，是政府交通主管部門和交通行業(yè)企事業(yè)單位領導及相關人員的必讀刊物，也是發(fā)表科技論文的理想園地。

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