摘" 要：增强现实抬头显示器（AR-HUD）作为一种新兴的车载信息交互方式，在提升驾驶安全性和信息呈现效率方面显示出显著优势。然而，当前的AR-HUD界面设计往往过于注重功能性，忽视了驾驶员的行为特征及其情感需求，导致信息层次与交互体验单一等问题。本研究基于用户体验理论，从战略层、范围层、结构层、框架层、表现层五个维度构建AR-HUD设计要素模型，并分析高速驾驶、城市驾驶、停车、长途驾驶、紧急驾驶五种典型驾驶情境中的驾驶员行为模式和功能需求，提炼各类情境下的驾驶任务优先级与信息设计需求，提出实际界面视觉设计中的应用策略。研究结果为未来AR-HUD交互界面的设计提供了系统化的理论支持和实践指导。
关键词：交互设计；用户体验；体验设计；AR-HUD
随着科技的不断进步，增强现实（AR）技术逐渐渗透到汽车领域，AR-HUD作为一种新型车载信息显示交互方式，吸引了广泛的关注。AR-HUD将虚拟信息与现实道路场景无缝结合，为驾驶员提供了更直观、丰富的驾驶信息，同时减少了驾驶员视线离开道路的时间，从而提升了驾驶安全性和驾驶体验。然而，现有AR-HUD界面在设计上过于关注技术实现和功能性，而忽视了用户的实际驾驶行为与情感体验。尽管AR-HUD的技术优势明显，但目前的界面设计往往存在信息呈现单一、用户交互体验不足等问题。本研究基于用户体验理论，探索AR-HUD界面的设计策略。通过构建一个涵盖战略层、范围层、结构层、框架层、表面层的五维设计要素模型，分析不同情境下的用户驾驶任务需求和信息设计优先级，进而提出创新的界面设计策略，以提升AR-HUD界面的用户体验和交互效率。
一、车载信息显示现状
增强现实（AR）技术近年来逐渐融入汽车工业，尤其是在车载显示系统中的应用，引起了学术界和工业界的广泛关注。驾驶任务本质上是视觉任务，大多数信息（例如视觉流、相对于前方车辆的速度、导航提示、道路危险等）都是通过视觉传达给驾驶员的[1]。增强现实技术与平视显示技术的结合，使汽车可以同时承载自然显示和人工显示两种方式[2]。作为下一代车载智能平台，AR-HUD将车辆状态、安全、导航、通信/信息娱乐和外部环境信息与真实道路融为一体[3]。这使得驾驶员可以在不降低视线的情况下接收信息，从而避免由于低头看仪表盘上的信息而导致的注意力间隙，大大提高驾驶安全性。现有研究表明，AR-HUD在执行主要和次要驾驶任务方面都具有积极影响[4]，可以将认知资源均衡地分配到中央驾驶区域、速度模块、导航信息和危险警告等，从而提高驾驶员的认知效率[5]，也可以减少驾驶者的心理工作负荷[6]。AR-HUD的视觉提示与静态平视显示器（S-HUD）相比，显著缩短了行人的识别时间，并鼓励人类操作员对自动干预表现出更好的感知[7]。尤其是在复杂道路以及不利天气条件下，使用AR-HUD可以增强驾驶体验，帮助提高行驶的安全性[8]。
尽管AR-HUD在技术性能方面的研究较多，然而关于如何根据驾驶员行为特征与情感需求来优化界面设计的研究相对较少。现有设计通常集中于功能的实现，而忽视了用户的体验和交互需求，这使得一些界面难以在复杂驾驶情境中为用户提供最佳的体验。首先，现有AR-HUD界面设计中信息的层次化不足，使得界面在不同驾驶情境下缺乏灵活性和适应性。例如，白天高速行驶时，驾驶员需要快速获取导航信息，而夜间驾驶时则需要更多关于前方障碍物或行人警示的信息。其次，现有界面多以信息堆积为主，导致驾驶员在不同情境下无法高效过滤信息。再者，现有界面设计更多关注功能性需求，如准确导航和速度提醒，但对用户的情感需求关注不足。用户情感和体验对驾驶行为具有重要影响，特别是在高压和复杂的驾驶情境下。驾驶员不仅仅是被动的信息接收者，他们的行为与情感状态对界面设计有重要影响。设计时应综合考虑驾驶员在不同情境下的情感反应，如在拥堵时的焦虑感，或在长途驾驶中的疲劳感，这些都对界面设计提出了新的要求。因此，未来的AR-HUD界面设计需要更好地融入用户体验理论，不仅要优化信息传递的效率，还要提升驾驶员的舒适感和愉悦感。
二、基于用户体验的交互界面设计要素
（一）用户体验要素概述
用户体验是指用户在使用产品、服务或系统时产生的感知和感受，它是以用户为中心的设计理念的核心原则之一，是以用户为中心的设计理念的重要设计原则[9]。Norman的《情感化设计》一书中提出了用户体验的三个层次：本能层、行为层和反思层，是用户体验设计原则的代表。本能层是用户对产品外观和第一印象的感知，主要涉及视觉和感官层面的体验；行为层则与产品的功能性和易用性相关，强调产品在使用过程中满足用户需求并带来乐趣；反思层则关注用户对产品的长期感受和情感层面的反思，涉及产品对用户的深层次情感和思想的影响[10]。此外，Jesse James Garrett在《用户体验要素》一书中进一步扩展了用户体验的框架，提出了战略层、范围层、结构层、框架层和表现层五个层次[11]。设计过程应从底层的战略目标开始，到界面表现层逐步构建，确保各个层次之间的连贯性与一致性。每个层次都是基于其下层次的决定，在设计中，底层处理的是抽象的概念，随着层级的上升，内容变得越来越具体[12]。其中，战略层的设计关注的是界面设计的总体目标和核心任务；范围层则定义了界面的功能边界和用户需求；结构层涉及信息架构和交互流程，确保信息层次分明，优先级清晰；框架层则负责界面元素的布局和交互设计；表现层最终决定了视觉设计的呈现效果。
（二）AR-HUD交互界面中用户体验要素应用
本研究将用户体验的五要素模型映射到AR-HUD交互界面的设计中，形成了五个关键设计层级，分别对应战略层、范围层、结构层、框架层和表现层（如图1）。
1.战略层。战略层是设计的基础，决定了界面设计的整体目标。（1）用户需求：界面设计应始终以满足用户需求为核心，特别是在安全性、操作简便性和愉悦感等方面。（2）场景目标：除了满足用户需求外，AR-HUD的界面设计还应与整体产品战略一致，帮助提升品牌形象，增强用户对汽车产品的信任感。（3）用户情感：界面设计应在功能满足的基础上，关注用户的情感体验。驾驶过程中的愉悦感和舒适感是用户长期使用产品的重要因素。通过减少认知负担、提升视觉愉悦性和操作流畅性，增强用户的情感连接和满意度。
2.范围层。范围层涉及界面功能和内容的定义，确保所设计的AR-HUD功能符合驾驶员的实际需求。（1）功能定义：界面功能应围绕核心需求进行定义，确保为驾驶员提供包括导航、速度显示、障碍物提醒等必要功能。AR-HUD系统应适应不同情境下的功能需求，如提供专门的夜间驾驶模式或长途行驶模式。（2）内容匹配：不同的驾驶情境要求界面显示内容有所差异。
3.结构层。结构层负责信息的组织和交互流程的设计，以确保驾驶员能够快速、准确地获取所需信息。（1）信息层次：基于不同驾驶任务的需求，将信息进行层次化展示。（2）信息优先级：AR-HUD界面需根据当前驾驶环境（如高速、城市、夜间）动态调整信息显示的优先级。在高速驾驶时，重要的道路信息和障碍物提醒应突出显示；而在城市驾驶时，交通标志和行人警告则更为重要。（3）流程设计：确保交互操作流畅且高效。
4.框架层。框架层包含界面元素的具体布局和交互设计，确保信息合理组织并且操作简单直观。（1）信息布局：驾驶员的视线焦点应集中在核心驾驶任务上，重要信息如路线导航、速度提示应置于视野正前方，而诸如天气、时间等辅助信息则应放置在边缘区域，减少干扰。（2）交互反馈：设计应提供及时的交互反馈，尤其是导航调整、速度变化或障碍物提醒等高优先级信息。
5.表现层。表现层是用户看到的界面最终呈现效果，包括视觉设计和交互方式。表现层是用户直接看到和操作的界面部分，决定了视觉设计的最终呈现效果，包括色彩、字体等方面。（1）视觉美学：色彩、字体、图标等元素的设计应确保信息传达的清晰度和一致性。例如，使用高对比度的颜色区分关键信息和辅助信息，以减少驾驶员的认知负担。（2）可用性：在不同的环境光线（如白天、夜晚或雾天）条件下，界面设计应具备良好的适应性，确保信息易读易识别。清晰的导航箭头、速度显示、危险提示等应始终保持可视。（3）视觉层次：通过大小、颜色对比等设计手段，突出驾驶过程中最重要的信息。导航和车速应优先显示，次要信息如温度和时间应放置于不显眼位置，以避免信息过载。
三、不同情境下AR-HUD交互界面设计
（一）主次要驾驶任务
在驾驶过程中，驾驶员的任务可分为主要任务和次要任务[13]。这些任务直接影响驾驶员的行为模式及信息设计。主要任务通常与驾驶安全和核心操作密切相关，要求驾驶员高度集中注意力并快速反应，因此这些信息应优先显示在驾驶员的核心视野中。而次要任务则是辅助性或非紧急任务，尽管它们影响驾驶体验，但优先级相对较低，其信息可以显示在次要视野中，以减少对主要任务的干扰。
主要任务是驾驶员在驾驶过程中必须集中注意力完成的任务，通常直接影响驾驶安全和车辆的基本操作。主要任务一般包括：保持车速和车道，确保车辆在设定的速度范围内稳定行驶，避免超速或偏离车道；避免碰撞，驾驶员需实时监控前方道路，及时应对出现的障碍物或其他车辆；遵循交通信号和标志，特别是在城市驾驶中，遵守交通信号灯、标志及限速提示是确保驾驶安全的关键；导航和路线选择，确保驾驶员按规划路线行驶，避免迷路或延误。尤其在陌生路段，导航指引是核心任务。
次要任务虽然也与驾驶相关，但其紧迫性较低，通常不会立即影响驾驶安全。次要任务一般包括：监控车辆状态，例如燃油水平、胎压、发动机健康状态等信息是次要任务，驾驶员只需在特定时间检查这些数据；调整车内舒适度，包括调节空调、音乐、座椅等，虽然这些会影响驾驶体验，但并不需要驾驶员持续关注；接收环境信息，如天气、时间、温度等外部条件信息，可以为驾驶员提供参考，但不直接影响驾驶操作。
（二）不同驾驶场景下任务需求优先级与视觉要求
不同驾驶情境下，驾驶员的主要和次要任务需求存在显著差异，这直接影响交互界面中信息呈现的优先级及视觉设计要求。AR-HUD界面应根据驾驶任务的重要性动态调整信息展示的优先级，并通过优化视觉设计，确保驾驶员能够快速、准确地获取关键信息。本文将从五个典型的驾驶场景出发，分别探讨各场景下的任务需求优先级及其对视觉设计的具体要求（如表1）。
1.高速驾驶场景
高速驾驶环境中的任务需求具有高度的紧迫性和集中性。驾驶员需持续保持高速下的车辆稳定性，及时应对潜在的道路威胁。因此，在高速驾驶情境下，驾驶员的主要任务需求围绕车速保持、障碍物识别和车道偏离提醒展开。（1）车速保持。车辆速度控制是高速驾驶的关键因素。驾驶员必须随时掌握当前车速，以确保不超速行驶或过于低速而影响道路安全。（2）障碍物提醒。高速行驶时，前方出现的障碍物需要快速识别和处理。任何迟延的反应都会带来严重后果。（3）车道保持。高速行驶时的车道偏离提示非常重要，尤其是在超车或转弯时，车道偏离提醒能有效降低事故风险。次要任务需求：（1）导航提示。高速公路通常线路相对简单，驾驶员对导航的需求不如城市道路复杂。因此，导航提示可作为次要任务，信息显示的优先级低于车速和障碍物提示，但仍应在适当的时间（如即将到达出口时）提供明确指引。（2）环境信息。在高速驾驶中，天气和路况信息通常不会立即影响驾驶决策，但在恶劣天气条件下（如大雾、暴雨），该类信息的重要性会提高。
视觉要求：（1）高对比度显示。驾驶员的认知负荷较高，因此速度和障碍物提示应使用高对比度的色彩，如红色警告或绿色/蓝色的速度显示，以确保驾驶员能够快速读取信息。（2）简化信息展示。应减少屏幕上的不必要信息，以降低驾驶员的认知负担。主要任务信息（如车速和障碍物提醒）应位于驾驶员的正前方，而次要信息（如导航和天气）则应置于视线边缘。
2.城市驾驶场景
城市驾驶场景相较高速驾驶更加复杂，充满了动态的环境因素，如交通信号灯、行人、非机动车和其他车辆。驾驶员在城市道路上必须频繁做出决策，因此信息优先级应侧重于实时环境信息和导航提示，以确保驾驶员能够快速应对不断变化的交通状况。主要任务需求：（1）交通信号和路标提示。城市驾驶中，遵守交通信号和路标是驾驶员的首要任务，驾驶员必须依赖这些信息来决定是否停车或变更车道。（2）行人和其他车辆预警。城市道路上的行人、骑行者及其他车辆带来了高度的动态性，驾驶员必须持续警惕这些潜在的碰撞风险。（3）路线导航。由于城市道路复杂多变，驾驶员对导航的依赖程度较高，导航指示应精确且易读。导航信息应包括即将转弯的提示、交通流量信息等，确保驾驶员不会错过重要路口或出口。次要任务需求：（1）车速监控。在城市道路中，车速受限于较低的限速要求，因此车速信息在此场景中的优先级较低，驾驶员更多关注交通信号和周围环境。（2）环境信息。如天气和时间等信息在城市驾驶中的作用较小，除非特定环境条件（如大雨、结冰路面）影响驾驶操作，环境信息通常作为次要参考。
视觉要求：（1）动态信息强调。AR-HUD应采用动态高亮设计（如颜色变化或闪烁），以突出显示行人、车辆和信号灯等动态信息，确保驾驶员迅速察觉到周围环境的变化。（2）分层信息布局。导航、交通标志等重要信息应位于视野中央，确保驾驶员能够实时获取关键数据。而车速等次要信息则应使用较小的字体显示在视野的边缘，避免干扰驾驶员的核心任务。
3.停车和低速操作场景
在停车和低速行驶的场景中，驾驶员的关注点主要在于精确控制车辆和避免碰撞。因此，距离感知和停车引导成为最重要的任务需求。相比之下，导航等信息在这一场景下的重要性大大降低。主要任务需求：（1）近距离障碍物提示。停车时，驾驶员必须密切注意车辆周围的障碍物，以避免低速碰撞事故。（2）停车引导与倒车摄像头提示。停车的精确控制要求AR-HUD提供实时的停车引导，包括倒车摄像头信息和车位边界显示，以帮助驾驶员轻松完成停车操作。次要任务需求：（1）导航信息。在低速驾驶或停车时，导航信息的优先级下降，驾驶员此时主要关注障碍物和车辆位置，因此导航信息可以缩小或暂时隐藏。（2）车辆状态监控。在停车或低速行驶中，燃油量和发动机温度等信息属于次要任务，可以减少对这些信息的持续关注。
视觉要求：（1）增强现实标记。使用增强现实技术标记停车位边界、障碍物位置及倒车路径，帮助驾驶员准确完成停车任务。（2）精确的距离指示。通过颜色变化或条形图显示车辆与障碍物之间的实时距离，使驾驶员能够清晰判断剩余停车空间。
4.长途驾驶场景
长途驾驶过程中，驾驶员主要面临的是驾驶疲劳问题，因此信息设计应更加简洁、直观，以确保驾驶员能够在长时间驾驶中保持清醒和专注。主要任务需求：（1）车辆状态监控。长途驾驶时，驾驶员需要定期检查车辆状态（如燃油水平、胎压等）以确保长时间驾驶的安全。（2）导航和路线调整。长途驾驶中的路线导航依然重要，尤其在多路口或高速出口时，AR-HUD应高亮显示即将到来的路线变化，帮助驾驶员在疲劳状态下快速做出反应。次要任务需求：（1）天气和环境信息。尽管天气和环境信息在长途驾驶中具有一定参考价值，但其优先级低于车辆状态和导航信息。（2）娱乐系统调控。长途驾驶中，驾驶员可能会调整车内的娱乐系统，但这类信息可以作为次要任务，避免分散注意力。
视觉要求：（1）简洁的状态监控。车辆状态信息应通过简明的图标或图形呈现，避免占用过多的屏幕空间，同时减少驾驶员的认知负荷。（2）导航路线高亮显示。车辆状态信息应通过简明的图标或图形呈现，避免占用过多的屏幕空间，同时减少驾驶员的认知负荷。
5.紧急驾驶场景
在紧急驾驶场景下（如突发障碍物或事故），驾驶员必须迅速采取行动避免危险。因此，AR-HUD的核心任务是确保紧急信息被优先展示，同时减少其他信息的干扰。主要任务需求：（1）碰撞预警和避险提示。碰撞预警和避险信息应通过高亮动态警告显示，确保驾驶员在第一时间获得关键信息，并根据系统提示采取相应措施。（2）紧急制动或加速提示。在某些情况下，驾驶员需要迅速制动或加速以避免危险，AR-HUD应提供明确的视觉提示，帮助驾驶员做出快速决策。次要任务需求：（1）导航信息。在紧急情况下，导航信息应暂时降低优先级，驾驶员的首要任务是处理当前危机。（2）车速显示。车速信息仍需可见，以协助驾驶员判断加速或减速的幅度，但其视觉设计应保持简洁，与核心任务信息互不干扰。
视觉要求：（1）高亮动态警告。所有紧急信息应采用闪烁或红色警告等动态效果，确保驾驶员迅速察觉到危险。（2）简化界面。紧急情况下应暂时隐藏次要信息，只保留核心的避险提示，减少驾驶员的认知干扰。
四、结语
该研究基于用户体验理论，深入探讨了增强现实抬头显示器（AR-HUD）在不同驾驶情境下的交互界面设计。通过构建涵盖战略层、范围层、结构层、框架层和表现层的五维设计要素模型，本文不仅分析了驾驶员在高速驾驶、城市驾驶、停车和低速操作、长途驾驶及紧急驾驶五种典型情境下的任务需求优先级，还提出了针对不同情境的信息展示策略和视觉设计要求。
研究表明，AR-HUD界面设计不仅应当满足基本的功能需求，还应充分考虑用户的行为模式和情感需求。不同情境下的主要和次要任务需要灵活调整信息的优先级和展示方式，以减少驾驶员的认知负荷，提升驾驶安全性和操作便捷性。同时，视觉设计要注重信息的可读性和可视性，尤其在高速驾驶和紧急情境中，关键信息必须通过高对比度、动态视觉效果来迅速引导驾驶员的注意力。
未来的AR-HUD界面设计应更加关注用户体验，不仅需要通过技术手段优化信息传递，还应增强驾驶过程中的舒适感和愉悦感，从而提升驾驶员的整体体验。随着技术的不断进步，AR-HUD系统将会成为智能车载系统的核心组成部分，其界面设计也需要进一步结合用户行为研究和情感反应，为驾驶员提供更加智能化、个性化的驾驶体验。
参考文献：
[1]Wittmann M，Kiss M，Gugg P，et al.Effects of display position of a visual in-vehicle task on simulated driving[J].Applied ergonomics，2006（2）：187-199.
[2]Cheng Y，Zhong X，Tian L.Does the AR-HUD system affect driving behaviour？ An eye-tracking experiment study[J].Transportation research interdisciplinary perspectives，2023，18：100767.
[3]Zhou C，Qiao W，Hua J，et al. Automotive augmented reality head-up displays[J].Micromachines，2024（4）：442.
[4]Obeidat M S，Rababa M M，Tyfour W R. Effects of vehicles human machine interface devices on driving distractions[J].Theoretical Issues in Ergonomics Science，2022（4）：414-434.
[5]Ma X，Hong Z，Huang J，et al. The impact of AR-HUD intelligent driving on the allocation of cognitive resources under the breakthrough of 5G technology[C]//Journal of Physics：Conference Series.IOP Publishing，2021（1）：012024.
[6]Tonnis M，Lange C，Klinker G.Visual longitudinal and lateral driving assistance in the head-up display of cars[C]//2007 6th IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality.IEEE，2007：91-94.
[7]Karatas N，Tanaka T，Fujikakc K，et al.Evaluation of AR-HUD interface during an automated intervention in manual driving[C]//2020 IEEE Intelligent Vehicles Symposium（IV）.IEEE，2020：2158-2164.
[8]Park H，Kim K.Efficient information representation method for driver-centered AR-HUD system[C]//Design，User Experience，and Usability.User Experience in Novel Technological Environments：Second International Conference，DUXU 2013，Held as Part of HCI International 2013，Las Vegas，NV，USA，July 21-26，2013，Proceedings，Part III 2. Springer Berlin Heidelberg，2013：393-400.
[9]孙宁，姜敏慧，王媛麟.基于用户体验的绿植品牌服务设计[J].美与时代（上），2024（7）：25-29.
[10]石峻川.文创产品的情感化设计与表达[J].包装工程，2024（16）：359-361+389.
[11]杰西·詹姆斯·加勒特.用户体验要素：以用户为中心的产品设计[M].范晓燕，译.北京：机械工业出版社，2011：28-30.
[12]唐瑛.基于用户体验要素的高校图书馆APP交互设计研究[J].美与时代（上），2024（1）：18-23.
[13]Obeidat M S，Rababa M M，Tyfour W R. Effe cts of vehicles human machine interface devices on driving distractions[J].Theoretical Issues in Ergonomics Science，2022（4）：414-434.
作者简介：
顾颖，上海工程技术大学硕士研究生。研究方向：智能产品交互与体验设计研究。
高瞩，上海工程技术大学教授。研究方向：载运工具及其数字座舱设计研究。
