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在一個由物聯(lián)網(wǎng)主導(dǎo)的世界里，人機界面（HMI）系統(tǒng)是一種提供無縫連接的設(shè)備，是未來自動化的關(guān)鍵因素，它允許機器和人類相互作用，使我們的工作更容易、更快速地完成。在實際應(yīng)用中，HMI通過數(shù)據(jù)交換將非結(jié)構(gòu)化和無價值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有價值和可操作的信息。

隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)在的HMI已經(jīng)從觸摸板和操縱桿等觸覺傳感器發(fā)展到在多樣化和復(fù)雜的設(shè)備中準(zhǔn)確檢測靈巧的身體運動。如今，基于語音的HMI正在興起，它允許用戶僅僅使用語音就可與計算機進行交互，這種方式對在鍵盤和鼠標(biāo)上打字有困難的人特別有幫助。

37.1億美元

2020年

72.4億美元

2026年

市場分析表明，到2020年，我們與計算機的互動有80%是非視覺的?？梢哉f，語音識別、手勢控制、增強現(xiàn)實等當(dāng)下的熱門技術(shù)有力拓寬了HMI的應(yīng)用范疇。高度自適應(yīng)機器學(xué)習(xí)技術(shù)、神經(jīng)接口和神經(jīng)形態(tài)傳感的進步更是為下一代HMI應(yīng)用提供了經(jīng)濟可行的解決方案。據(jù)Statista的預(yù)測，2020年，全球HMI的市場價值達到37.1億美元，該市場預(yù)計將以10.3%的復(fù)合年增長率增長，到2026年將增長至72.4億美元。

人機界面的四個發(fā)展方向

人機界面（HMI）的未來將朝著四個關(guān)鍵方向發(fā)展，即：更直觀的控制面板、利用人工智能（AI）實現(xiàn)新功能、集成更強大的智能連接和控制能力,以及提供更廣泛的HMI接口。

更直觀的控制面板

HMI真正需要的是一種將應(yīng)用程序和信息模塊化的方法。操作員應(yīng)該立即讀懂他們面前的屏幕，知道他們有什么選擇，并采取相應(yīng)的行動。因此，直觀易懂的控制面板是HMI發(fā)揮效力的關(guān)鍵。

利用邊緣AI實現(xiàn)新功能

新一代HMI設(shè)計將依靠邊緣人工智能（AI）實現(xiàn)新功能。例如，機器視覺可以讓我們通過面部識別實現(xiàn)對機器的受控訪問，或者通過手勢識別實現(xiàn)無接觸操作。此外，將機器視覺等邊緣人工智能功能添加到HMI設(shè)計中，可以更準(zhǔn)確地分析當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)并采取預(yù)測性維護。

集成更強大的智能連接和控制能力

越來越多的現(xiàn)場設(shè)備和傳感器以及新興的實時工業(yè)通信協(xié)議對新的HMI應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，這一點主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的連接和控制能力上。比如，在智能工廠環(huán)境中，HMI需要與其他設(shè)備和機器進行通信，這意味著HMI設(shè)計將需要更多的連接和控制功能。而制造商也希望HMI能夠連接到更多種類的設(shè)備，在任何地方都能方便地與設(shè)備和機器進行通信，而不僅僅是在終端。

更廣泛的HMI接口

HMI的未來將包括比目前想象的更廣泛的接口。如今，平板電腦和手機已經(jīng)完成了過去在機器和獨立終端上完成的大部分工作。接下來，這些接口可能會演變成手表、可穿戴設(shè)備或其他類型如語音控制、手勢識別等新興技術(shù)。

為未來的車輛設(shè)計人機界面

汽車人機界面（HMI）的設(shè)計目標(biāo)是讓駕駛員的駕乘體驗更加舒適和輕松，人與車輛的通信方式不再局限于旋鈕和觸控這些通常的方式。抬頭顯示系統(tǒng)、無鑰匙進入、電動座椅控制和乘客檢測都可以看作是當(dāng)前流行的汽車HMI技術(shù)。隨著新興技術(shù)的采用，現(xiàn)在的汽車HMI已經(jīng)發(fā)展到駕駛員可以在駕駛時實時地與汽車系統(tǒng)交互而不會分心的地步。HMI接口還可以將駕駛員連接到車輛和外部環(huán)境，以便為駕駛員提供有關(guān)周圍環(huán)境的信息，如天氣和交通狀況等。

由于強調(diào)了安全、定制和無干擾接觸，新興的汽車HMI技術(shù)深受高端客戶的喜歡，隨著成本的下降，這一技術(shù)已經(jīng)逐步用在中端車型上，市場規(guī)模迅速擴大。根據(jù)Verified Market Research的分析，2021年，全球汽車HMI市場規(guī)模為265.4億美元，預(yù)計到2030年將達到676.8億美元，2023年至2030年的復(fù)合年增長率（ CAGR）高達10.96%。

圖1：全球汽車HMI市場發(fā)展趨勢

（圖源：Verified Market Research）

在汽車行業(yè)，相比傳統(tǒng)的模擬HMI，上個世紀(jì)80年代初推出的數(shù)字HMI，其主要任務(wù)是提供控制功能。數(shù)字HMI的實現(xiàn)方式主要有兩種，一是使用模擬控件為每個功能添加一個物理按鈕，再就是添加了一個包含動態(tài)內(nèi)容的屏幕。

現(xiàn)代HMI是汽車控制中心和娛樂系統(tǒng)的混合體，它允許用戶更改空調(diào)設(shè)置、找到前往特定目的地的路線或觀看短視頻。在未來，汽車內(nèi)部將通過HMI和AI提供更具個性化的體驗，屆時駕駛員和乘客將以更自然的方式與車輛互動，所有過程可通過車內(nèi)觸摸屏、滑動和手勢功能甚至語音控制別技術(shù)來完成，這些功能既保證了安全、無分心的駕駛，同時大幅提升看車內(nèi)用戶的駕乘體驗。

更加令人期待的是，駕駛員和制造商還可以定制HMI軟件以適應(yīng)他們自己的個性化交互，利用2D和3D圖形、直觀的觸覺按鈕甚至駕駛員增強現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)，在駕駛員和車輛之間建立即時的協(xié)同作用。這些新興的HMI技術(shù)不僅使最終用戶受益，汽車制造商也能夠借此在競爭日益激烈的市場中展示獨特的優(yōu)勢。

汽車HMI通過將駕駛員連接到汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)成為駕駛員和車輛之間的連接紐帶。隨著消費者越來越多地使用智能手機和虛擬助理，汽車制造商通過HMI增強產(chǎn)品功能的機會前所未有。

根據(jù)Capgemini Research Institute 的一項研究，到2022年，約有73%的駕駛員希望將內(nèi)置在車內(nèi)的語音助手用于一個或多個目的。如今的汽車HMI系統(tǒng)變得比以往任何時候都重要。當(dāng)然，對于車輛HMI系統(tǒng)的設(shè)計者來說，設(shè)計難度直線上升，有許多需要克服的挑戰(zhàn)。

#1

首當(dāng)其沖的是安全問題。安全是汽車產(chǎn)品設(shè)計的重中之重。世界衛(wèi)生組織指出，在全球范圍內(nèi)，道路事故每年造成135多萬人死亡。一個安全的HMI必須保證駕駛員在使用這個功能時不必分心，只需采取極小的動作即可實現(xiàn)應(yīng)有的控制功能，語音識別和人工智能的介入非常有利于達成這個目標(biāo)。

#2

其次，創(chuàng)建用戶友好的車輛HMI是汽車HMI設(shè)計和開發(fā)的另一個重點。如果沒有易用性，HMI的應(yīng)用將受到影響。一款真正用戶友好的HMI應(yīng)該具備這樣的特征：當(dāng)駕駛員需要時，它就在那里。而當(dāng)他們不需要時，它就不在那里。

接下來，讓我們看看HMI在汽車行業(yè)的一些具體應(yīng)用，以及它們?nèi)绾卧鰪婑{駛員和乘客的體驗。

數(shù)字儀表盤

儀表盤里面有位于方向盤后面的各種儀表和指示燈，可以幫助駕駛員跟蹤車輛的狀態(tài)。通過數(shù)字儀表盤可以訪問現(xiàn)代汽車駕駛艙的全部電子功能，包括車輛駕駛信息，如速度、汽油或充電量、行程計算器、路線規(guī)劃圖等。當(dāng)數(shù)字儀表盤與車輛的娛樂系統(tǒng)連接，還可以控制多媒體、瀏覽電話簿、撥打電話和選擇導(dǎo)航目的地。

抬頭顯示器（HUD）

HUD是安裝在車內(nèi)的透明顯示器，用于顯示重要的信息和數(shù)據(jù)。將車內(nèi)傳感器與先進的HMI平臺相結(jié)合，通過HUD能夠為駕駛員提供實時AR體驗。HUD在提供可視化信息時，不會將駕駛員的注意力從正常觀看位置移開，且無需額外的儀表板和顯示屏或按鈕。

語音操作系統(tǒng)

現(xiàn)代的語音識別系統(tǒng)能夠與車輛進行非常自然的通信，并在必要時要求提供更多信息，這主要得益于人工智能和機器學(xué)習(xí)的結(jié)合以及自然語言處理和認(rèn)知計算的技術(shù)進步。植入車輛HMI的語音應(yīng)用程序?qū)⒃试S用戶導(dǎo)航、發(fā)送和接收消息、打電話、播放音樂以及收聽播客或有聲讀物。

后排座椅娛樂系統(tǒng)

后座娛樂（RSE）是一種快速發(fā)展的汽車娛樂系統(tǒng)，該功能嚴(yán)重依賴圖形、視頻和音頻處理。該系統(tǒng)安裝了無線互聯(lián)網(wǎng)連接，后座乘客可以隨時上網(wǎng)、管理播放列表、與社交媒體平臺互動等。在未來的汽車HMI設(shè)計中，RSE將是整體方案中的重要組成部分。

汽車HMI的未來及其設(shè)計工具鏈

聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、共享和電動汽車（CASE）等新興發(fā)展趨勢迫使原始設(shè)備制造商（OEM）和分級供應(yīng)商開始重新審視汽車應(yīng)具備的功能，人與車輛的互動方式隨之發(fā)生了巨大變化。新一代的車輛HMI將使駕駛變得更容易、更安全、更有趣，車輛很可能變成我們的另一個生活空間。

汽車HMI是一組功能組件如主機、儀表盤和HUD以及交互介質(zhì)如觸摸、語音和觸覺的集合，在創(chuàng)建下一代汽車HMI過程中，半導(dǎo)體技術(shù)的支持功不可沒。這些技術(shù)被用于支持車內(nèi)AR、語音處理和手勢識別、高級儀表盤和HUD的開發(fā)。

TI Sitara AM62處理器

以在HMI設(shè)計中所需的處理器為例，Texas Instruments（TI）的Sitara AM62處理器非常適合這種應(yīng)用。該系列中的AM625和AM623處理器專為低功耗和許多工業(yè)外圍設(shè)備而設(shè)計，具有基于Arm Cortex-A53的邊緣AI和全高清雙顯示的人機交互SoC，為雙顯示器和小型應(yīng)用帶來了節(jié)能的邊緣AI處理，并充分考慮了下一代汽車HMI的需求。

AM62處理器通過可擴展的單核至四核Arm Cortex-A53和支持TensorFlow的主線Linux增強了邊緣AI功能的實現(xiàn)。軟件和開箱即用的演示簡化了在AM62處理器上評估邊緣AI應(yīng)用程序的過程，節(jié)省了設(shè)計工作量和時間。該器件支持多種顯示接口，包括經(jīng)濟高效的RGB888和支持2K和全高清顯示器的低電壓差分信號接口，這是AM62處理器的另一大優(yōu)勢。

語音AI在未來的汽車HMI 開發(fā)中具有重要作用。所有汽車駕駛員都知道，開車時禁止發(fā)短信和接打電話。美國國家公路交通安全管理局報告稱，僅在2020年，分心駕駛就導(dǎo)致3,000多人死亡。

對于汽車駕駛員來說，擁有語音控制功能不僅僅是為了方便，而是提高道路駕駛安全性的重要手段。在汽車HMI開發(fā)中，借助語音AI，駕駛員可以撥打電話或發(fā)短信，更高級的系統(tǒng)還可以將導(dǎo)航、空調(diào)系統(tǒng)等控制功能集成進來。

根據(jù)Tractica的一份研究報告，用于汽車控制、信息娛樂等語音智能助理很可能成為未來聯(lián)網(wǎng)汽車時代的引領(lǐng)HMI，到2025年，全球人工智能汽車HMI軟件市場將從2018年的4.628億美元增至46億美元，這一收入的絕大多數(shù)將來自語音和語音識別應(yīng)用。

隨著駕駛員和乘客監(jiān)控和監(jiān)管需求的上升，情緒識別和手勢識別亦將成為未來汽車HMI中的重要元素。越來越復(fù)雜的計算機視覺算法、車載計算能力以及下一代擋風(fēng)玻璃和其他顯示技術(shù)、3D增強現(xiàn)實（AR）等技術(shù)都將成為聯(lián)網(wǎng)汽車體驗的一個組成部分。

NXP車輛智能HMI解決方案

為此，NXP設(shè)計了一整套的車輛智能HMI解決方案。其中，恩智浦EdgeReady智能人機界面（SMHMI）解決方案利用i.MX RT117H跨界微處理器，使開發(fā)人員能夠在其產(chǎn)品中快速輕松地啟用多模式的智能免提功能，包括機器學(xué)習(xí)（ML）、人臉識別、手勢識別、遠(yuǎn)場語音控制和2D圖形用戶界面（GUI），這些功能可以混合和自由搭配。該解決方案中的開發(fā)套件SLN-TLHMI-IOT具有多種功能，集成的全包式軟件、硬件參考設(shè)計可以很大程度上加速產(chǎn)品上市，減少開發(fā)工作量。

圖3：SMHMI 開發(fā)套件硬件框圖

（圖源：NXP）

在活體檢測和3D人臉識別設(shè)計中，恩智浦全包式解決方案使用了3D結(jié)構(gòu)光攝像頭模塊（SLM）進行人臉識別，即使在極具挑戰(zhàn)性的照明條件下也能進行活體檢測，也能夠識別和抵御使用照片或3D模型的欺詐。

借助i.MX RT117H，人臉/手勢識別和語音控制功能均可以離線執(zhí)行，從而消除了對云的需求以及隨之而來的隱私和延遲問題。

本文小結(jié)

隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，人們對車輛的期望比以往任何時候都高，現(xiàn)在許多人更加關(guān)心車輛豐富的HMI功能，而不是外觀漂亮與否或發(fā)動機功率大小。大多數(shù)人都希望擁有一輛能讓他們的生活更輕松并支持他們極喜歡的智能手機應(yīng)用程序的汽車。先進的數(shù)字HMI最近才成為一項大眾市場技術(shù)，就在幾年前，它還是豪華汽車的特權(quán)。

隨著我們朝著智能、互聯(lián)和自主移動的方向發(fā)展，車輛和人之間的界面發(fā)生了變化。如今的HMI解決方案不僅提高了車內(nèi)的舒適性和便利性，還提供了個性化的體驗。這些智能HMI解決方案傳達了需要駕駛員注意的關(guān)鍵信息，減少了分心，提高了車輛安全性。

用于汽車的HMI解決方案是汽車硬件和軟件的重要功能和組件，它們將車輛變成一個由相互連接的部件組成的生態(tài)系統(tǒng)，這些部件協(xié)同工作，使駕駛更加個性化、自適應(yīng)、方便、安全和愉快。

根據(jù)Allied market Research的報告，到2025年，全球汽車HMI市場規(guī)模預(yù)計將達到335.9億美元，增長率為9.90%?，F(xiàn)代HMI正在改變我們與車輛互動的方式，在自動駕駛汽車時代，人類將徹底成為乘客，車輛將成為移動的娛樂中心，基于AI的汽車HMI技術(shù)將被證明是非常有前景的技術(shù)，屆時將會演變出更多的用例。

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