AI加持下的汽车HMI有多酷？本文告诉你~
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在一个由物联网主导的世界里，人机界面（HMI）系统是一种提供无缝连接的设备，是未来自动化的关键因素，它允许机器和人类相互作用，使我们的工作更容易、更快速地完成。在实际应用中，HMI通过数据交换将非结构化和无价值的数据转换为有价值和可操作的信息。
随着技术的进步，现在的HMI已经从触摸板和操纵杆等触觉传感器发展到在多样化和复杂的设备中准确检测灵巧的身体运动。如今，基于语音的HMI正在兴起，它允许用户仅仅使用语音就可与计算机进行交互，这种方式对在键盘和鼠标上打字有困难的人特别有帮助。
37.1 亿美元
2020年
72.4 亿美元
2026年
市场分析表明，到2020年，我们与计算机的互动有80%是非视觉的。可以说，语音识别、手势控制、增强现实等当下的热门技术有力拓宽了HMI的应用范畴。高度自适应机器学习技术、神经接口和神经形态传感的进步更是为下一代HMI应用提供了经济可行的解决方案。据Statista的预测，2020年，全球HMI的市场价值达到37.1亿美元，该市场预计将以10.3%的复合年增长率增长，到2026年将增长至72.4亿美元。
人机界面的四个发展方向
人机界面（HMI）的未来将朝着四个关键方向发展，即：更直观的控制面板、利用人工智能（AI）实现新功能、集成更强大的智能连接和控制能力,以及提供更广泛的HMI接口。
更直观的控制面板
HMI真正需要的是一种将应用程序和信息模块化的方法。操作员应该立即读懂他们面前的屏幕，知道他们有什么选择，并采取相应的行动。因此，直观易懂的控制面板是HMI发挥效力的关键。
利用边缘AI实现新功能
新一代HMI设计将依靠边缘人工智能（AI）实现新功能。例如，机器视觉可以让我们通过面部识别实现对机器的受控访问，或者通过手势识别实现无接触操作。此外，将机器视觉等边缘人工智能功能添加到HMI设计中，可以更准确地分析当前系统状态并采取预测性维护。
集成更强大的智能连接和控制能力
越来越多的现场设备和传感器以及新兴的实时工业通信协议对新的HMI应用提出了挑战，这一点主要体现在系统的连接和控制能力上。比如，在智能工厂环境中，HMI需要与其他设备和机器进行通信，这意味着HMI设计将需要更多的连接和控制功能。而制造商也希望HMI能够连接到更多种类的设备，在任何地方都能方便地与设备和机器进行通信，而不仅仅是在终端。
更广泛的HMI接口
HMI的未来将包括比目前想象的更广泛的接口。如今，平板电脑和手机已经完成了过去在机器和独立终端上完成的大部分工作。接下来，这些接口可能会演变成手表、可穿戴设备或其他类型如语音控制、手势识别等新兴技术。
为未来的车辆设计人机界面
汽车人机界面（HMI）的设计目标是让驾驶员的驾乘体验更加舒适和轻松，人与车辆的通信方式不再局限于旋钮和触控这些通常的方式。抬头显示系统、无钥匙进入、电动座椅控制和乘客检测都可以看作是当前流行的汽车HMI技术。随着新兴技术的采用，现在的汽车HMI已经发展到驾驶员可以在驾驶时实时地与汽车系统交互而不会分心的地步。HMI接口还可以将驾驶员连接到车辆和外部环境，以便为驾驶员提供有关周围环境的信息，如天气和交通状况等。
由于强调了安全、定制和无干扰接触，新兴的汽车HMI技术深受高端客户的喜欢，随着成本的下降，这一技术已经逐步用在中端车型上，市场规模迅速扩大。根据Verified Market Research的分析，2021年，全球汽车HMI市场规模为265.4亿美元，预计到2030年将达到676.8亿美元，2023年至2030年的复合年增长率（ CAGR）高达10.96%。
图1：全球汽车HMI市场发展趋势
（图源：Verified Market Research）
在汽车行业，相比传统的模拟HMI，上个世纪80年代初推出的数字HMI，其主要任务是提供控制功能。数字HMI的实现方式主要有两种，一是使用模拟控件为每个功能添加一个物理按钮，再就是添加了一个包含动态内容的屏幕。
现代HMI是汽车控制中心和娱乐系统的混合体，它允许用户更改空调设置、找到前往特定目的地的路线或观看短视频。在未来，汽车内部将通过HMI和AI提供更具个性化的体验，届时驾驶员和乘客将以更自然的方式与车辆互动，所有过程可通过车内触摸屏、滑动和手势功能甚至语音控制别技术来完成，这些功能既保证了安全、无分心的驾驶，同时大幅提升看车内用户的驾乘体验。
更加令人期待的是，驾驶员和制造商还可以定制HMI软件以适应他们自己的个性化交互，利用2D和3D图形、直观的触觉按钮甚至驾驶员增强现实（AR）系统，在驾驶员和车辆之间建立即时的协同作用。这些新兴的HMI技术不仅使最终用户受益，汽车制造商也能够借此在竞争日益激烈的市场中展示独特的优势。
汽车HMI通过将驾驶员连接到汽车的关键系统成为驾驶员和车辆之间的连接纽带。随着消费者越来越多地使用智能手机和虚拟助理，汽车制造商通过HMI增强产品功能的机会前所未有。
根据Capgemini Research Institute 的一项研究，到2022年，约有73%的驾驶员希望将内置在车内的语音助手用于一个或多个目的。如今的汽车HMI系统变得比以往任何时候都重要。当然，对于车辆HMI系统的设计者来说，设计难度直线上升，有许多需要克服的挑战。
1 当其冲的是安全问题。安全是汽车产品设计的重中之重。世界卫生组织指出，在全球范围内，道路事故每年造成135多万人死亡。一个安全的HMI必须保证驾驶员在使用这个功能时不必分心，只需采取极小的动作即可实现应有的控制功能，语音识别和人工智能的介入非常有利于达成这个目标。
2 次，创建用户友好的车辆HMI是汽车HMI设计和开发的另一个重点。如果没有易用性，HMI的应用将受到影响。一款真正用户友好的HMI应该具备这样的特征：当驾驶员需要时，它就在那里。而当他们不需要时，它就不在那里。
接下来，让我们看看HMI在汽车行业的一些具体应用，以及它们如何增强驾驶员和乘客的体验。
数字仪表盘
仪表盘里面有位于方向盘后面的各种仪表和指示灯，可以帮助驾驶员跟踪车辆的状态。通过数字仪表盘可以访问现代汽车驾驶舱的全部电子功能，包括车辆驾驶信息，如速度、汽油或充电量、行程计算器、路线规划图等。当数字仪表盘与车辆的娱乐系统连接，还可以控制多媒体、浏览电话簿、拨打电话和选择导航目的地。
抬头显示器（HUD）
HUD是安装在车内的透明显示器，用于显示重要的信息和数据。将车内传感器与先进的HMI平台相结合，通过HUD能够为驾驶员提供实时AR体验。HUD在提供可视化信息时，不会将驾驶员的注意力从正常观看位置移开，且无需额外的仪表板和显示屏或按钮。
语音操作系统
现代的语音识别系统能够与车辆进行非常自然的通信，并在必要时要求提供更多信息，这主要得益于人工智能和机器学习的结合以及自然语言处理和认知计算的技术进步。植入车辆HMI的语音应用程序将允许用户导航、发送和接收消息、打电话、播放音乐以及收听播客或有声读物。
后排座椅娱乐系统
后座娱乐（RSE）是一种快速发展的汽车娱乐系统，该功能严重依赖图形、视频和音频处理。该系统安装了无线互联网连接，后座乘客可以随时上网、管理播放列表、与社交媒体平台互动等。在未来的汽车HMI设计中，RSE将是整体方案中的重要组成部分。
汽车HMI的未来及其设计工具链
联网、自动驾驶、共享和电动汽车（CASE）等新兴发展趋势迫使原始设备制造商（OEM）和分级供应商开始重新审视汽车应具备的功能，人与车辆的互动方式随之发生了巨大变化。新一代的车辆HMI将使驾驶变得更容易、更安全、更有趣，车辆很可能变成我们的另一个生活空间。
汽车HMI是一组功能组件如主机、仪表盘和HUD以及交互介质如触摸、语音和触觉的集合，在创建下一代汽车HMI过程中，半导体技术的支持功不可没。这些技术被用于支持车内AR、语音处理和手势识别、高级仪表盘和HUD的开发。
TI Sitara AM62处理器
以在HMI设计中所需的处理器为例，Texas Instruments（TI）的Sitara AM62处理器非常适合这种应用。该系列中的AM625和AM623处理器专为低功耗和许多工业外围设备而设计，具有基于Arm Cortex-A53的边缘AI和全高清双显示的人机交互SoC，为双显示器和小型应用带来了节能的边缘AI处理，并充分考虑了下一代汽车HMI的需求。
AM62处理器通过可扩展的单核至四核Arm Cortex-A53和支持TensorFlow的主线Linux增强了边缘AI功能的实现。软件和开箱即用的演示简化了在AM62处理器上评估边缘AI应用程序的过程，节省了设计工作量和时间。该器件支持多种显示接口，包括经济高效的RGB888和支持2K和全高清显示器的低电压差分信号接口，这是AM62处理器的另一大优势。
图2：新一代Sitara AM62处理器
专为创新人机交互而设计
（图源：Texas Instruments）
语音AI在未来的汽车HMI 开发中具有重要作用。所有汽车驾驶员都知道，开车时禁止发短信和接打电话。美国国家公路交通安全管理局报告称，仅在2020年，分心驾驶就导致3,000多人死亡。
对于汽车驾驶员来说，拥有语音控制功能不仅仅是为了方便，而是提高道路驾驶安全性的重要手段。在汽车HMI开发中，借助语音AI，驾驶员可以拨打电话或发短信，更高级的系统还可以将导航、空调系统等控制功能集成进来。
根据Tractica的一份研究报告，用于汽车控制、信息娱乐等语音智能助理很可能成为未来联网汽车时代的引领HMI，到2025年，全球人工智能汽车HMI软件市场将从2018年的4.628亿美元增至46亿美元，这一收入的绝大多数将来自语音和语音识别应用。
随着驾驶员和乘客监控和监管需求的上升，情绪识别和手势识别亦将成为未来汽车HMI中的重要元素。越来越复杂的计算机视觉算法、车载计算能力以及下一代挡风玻璃和其他显示技术、3D增强现实（AR）等技术都将成为联网汽车体验的一个组成部分。
NXP车辆智能HMI解决方案
为此，NXP设计了一整套的车辆智能HMI解决方案。其中，恩智浦EdgeReady智能人机界面（SMHMI）解决方案利用i.MX RT117H跨界微处理器，使开发人员能够在其产品中快速轻松地启用多模式的智能免提功能，包括机器学习（ML）、人脸识别、手势识别、远场语音控制和2D图形用户界面（GUI），这些功能可以混合和自由搭配。该解决方案中的开发套件SLN-TLHMI-IOT具有多种功能，集成的全包式软件、硬件参考设计可以很大程度上加速产品上市，减少开发工作量。
图3：SMHMI 开发套件硬件框图
（图源：NXP）
在活体检测和3D人脸识别设计中，恩智浦全包式解决方案使用了3D结构光摄像头模块（SLM）进行人脸识别，即使在极具挑战性的照明条件下也能进行活体检测，也能够识别和抵御使用照片或3D模型的欺诈。
借助i.MX RT117H，人脸/手势识别和语音控制功能均可以离线执行，从而消除了对云的需求以及随之而来的隐私和延迟问题。
本文小结
随着新技术的不断应用，人们对车辆的期望比以往任何时候都高，现在许多人更加关心车辆丰富的HMI功能，而不是外观漂亮与否或发动机功率大小。大多数人都希望拥有一辆能让他们的生活更轻松并支持他们极喜欢的智能手机应用程序的汽车。先进的数字HMI最近才成为一项大众市场技术，就在几年前，它还是豪华汽车的特权。
随着我们朝着智能、互联和自主移动的方向发展，车辆和人之间的界面发生了变化。如今的HMI解决方案不仅提高了车内的舒适性和便利性，还提供了个性化的体验。这些智能HMI解决方案传达了需要驾驶员注意的关键信息，减少了分心，提高了车辆安全性。
用于汽车的HMI解决方案是汽车硬件和软件的重要功能和组件，它们将车辆变成一个由相互连接的部件组成的生态系统，这些部件协同工作，使驾驶更加个性化、自适应、方便、安全和愉快。
根据Allied market Research的报告，到2025年，全球汽车HMI市场规模预计将达到335.9亿美元，增长率为9.90%。现代HMI正在改变我们与车辆互动的方式，在自动驾驶汽车时代，人类将彻底成为乘客，车辆将成为移动的娱乐中心，基于AI的汽车HMI技术将被证明是非常有前景的技术，届时将会演变出更多的用例。
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