01 簡(jiǎn)介本研究針對(duì)人機(jī)觸覺交互體驗(yàn)評(píng)價(jià)的問題，提出了一種基于腦電信號(hào)與主觀評(píng)分相結(jié)合的方法。通過建立的模擬駕駛環(huán)境，收集了不同模式下被試在汽車觸控板交互過程中的腦電信號(hào)，通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和分析，然后結(jié)合用戶的主觀評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了定量分析和定性分析的有效結(jié)合。研究結(jié)果表明，不同模式的觸覺交互系統(tǒng)會(huì)影響用戶產(chǎn)生具有不同特征的腦電圖信號(hào)。而主客觀結(jié)合的方法可以使人機(jī)觸覺交互體驗(yàn)的評(píng)價(jià)更加全面。
01introduction 引言目前，汽車不僅在動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式和駕駛體驗(yàn)上發(fā)生了變化，駕駛艙也告別了傳統(tǒng)的枯燥機(jī)械和電子空間，智能化水平飆升，成為繼家庭和辦公室以外人們生活之后的“第三空間”。通過人臉、指紋識(shí)別、語音、手勢(shì)交互、多屏聯(lián)動(dòng)等高新技術(shù)，使當(dāng)今汽車智能座艙在環(huán)境感知、信息采集和處理方面的能力顯著增強(qiáng)，成為人類駕駛的“智能助手”。
駕駛艙中的交互設(shè)計(jì)智能化體現(xiàn)在汽車的智商和情商兩個(gè)方面，汽車智商指的是汽車智能技術(shù)的先進(jìn)程度，汽車情商指的是在交互過程中汽車帶給用戶的情感體驗(yàn)。而影響駕駛員的體驗(yàn)關(guān)鍵因素之一就是與智能座艙之間交互方式設(shè)計(jì)。通過調(diào)查用戶的主觀感受，可以衡量交互方式的設(shè)計(jì)是否符合用戶需求與偏好。而隨著生理和心理測(cè)試工具應(yīng)用的普及，為深入探索智能座艙中交互方式的用戶體驗(yàn)提供了有效的定量分析手段。通過駕駛員與座艙進(jìn)行交互過程時(shí)的心理行為指標(biāo)，例如通過腦電信號(hào)分析可以客觀衡量駕駛員情緒變化情況，認(rèn)知負(fù)荷以及心理壓力水平，進(jìn)而評(píng)估交互方式的設(shè)計(jì)是否達(dá)到滿足駕駛員情感需求、提高操作效率以及保證駕駛安全的目的。
ergolab v3.0人機(jī)環(huán)境同步平臺(tái)可同步多維度生理、行為、眼動(dòng)、主觀等指標(biāo)采集分析，例如將ergolab 生理模塊（如ergolab hrv、ergolab eeg）、ergolab 眼動(dòng)模塊、ergolab 行為模塊等多通道數(shù)據(jù)采集和分析模塊，與ergosim智能座艙模擬器相結(jié)合，能夠同步采集模擬駕駛場(chǎng)景下駕駛?cè)说纳砼c行為數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，定量分析不同交互設(shè)計(jì)狀況下駕駛?cè)说那榫w變化，喜好偏向，認(rèn)知負(fù)荷等心理狀態(tài)變化，進(jìn)而從駕駛行為角度測(cè)評(píng)智能座艙設(shè)計(jì)體現(xiàn)的“汽車情商”。
下面請(qǐng)閱讀基于ergolabv3.0人機(jī)環(huán)境同步平臺(tái)在駕駛領(lǐng)域中對(duì)座艙中交互方式設(shè)計(jì)評(píng)估的應(yīng)用案例。02research case 研究案例題目：evaluation method of human-vehicle tactile interaction experience based on eeg
作者：shuhang han，yaohui kong，zhigao lei，qijie zhao
期刊：ihmsc
doi: 10.1109/ihmsc49165.2020.10095
01 研究背景用戶體驗(yàn)一般是指用戶在使用產(chǎn)品過程中的主觀感受，定義了用戶在特定環(huán)境中與系統(tǒng)交互的整體作用。在汽車領(lǐng)域，面對(duì)座艙內(nèi)各種互動(dòng)方式，用戶體驗(yàn)評(píng)估可以幫助制造商選擇更好地滿足用戶需求的設(shè)計(jì)方案，對(duì)提高用戶滿意度和降低制造商投資風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。然而，用戶體驗(yàn)的不確定性和模糊性也成為該領(lǐng)域研究人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。通過客觀數(shù)據(jù)對(duì)用戶主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行分析已逐漸成為用戶體驗(yàn)研究的主流。近年來，個(gè)體的生理信號(hào)（包括腦電信號(hào)、心電信號(hào)、肌電信號(hào)等）在評(píng)估人體工程學(xué)和其他領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用，例如，在汽車駕駛中，利用生理信號(hào)反饋改進(jìn)人機(jī)交互設(shè)備，提高駕駛安全性。此外，在汽車舒適性、汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)、儀表接口設(shè)計(jì)等方面，生理信號(hào)的評(píng)測(cè)應(yīng)用也在增加。
02 研究目的在用戶進(jìn)行交互體驗(yàn)的過程中收集其腦電信號(hào)，關(guān)聯(lián)其主觀評(píng)價(jià)，并且使用一種新的分析方法，結(jié)合主觀和客觀、定性和定量等多個(gè)角度搭建一個(gè)更完整的用戶體驗(yàn)評(píng)估，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供更科學(xué)的依據(jù)。
03 研究方法與流程3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
被試通過觸覺交互模塊在人機(jī)界面中選擇相應(yīng)的功能。在被試感覺和生理信號(hào)收集模塊中，分別收集存在和不存在振動(dòng)模式下被試的腦電圖信號(hào)和主觀評(píng)價(jià)。在信號(hào)處理模塊中，經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理、特征命名和信號(hào)分析后，將腦電圖信號(hào)與主觀、客觀融合判斷模塊的主觀體驗(yàn)進(jìn)行綜合比較，從而獲得有/無振動(dòng)模式的汽車用戶體驗(yàn)。
圖1 實(shí)驗(yàn)過程示意圖3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
為了獲得更接近實(shí)際駕駛情況的腦電圖信號(hào)，我們構(gòu)建了一個(gè)如圖2所示的模擬駕駛環(huán)境。觸覺交互模塊位于座椅右側(cè)，主顯示器在實(shí)驗(yàn)過程中播放駕駛畫面。該筆記本與觸覺交互模塊相連接，顯示交互界面。被試通過觸覺交互模塊控制界面中的光標(biāo)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)選擇相應(yīng)的功能。實(shí)驗(yàn)采用ergolab人機(jī)環(huán)境同步平臺(tái) v3.0 采集腦電信號(hào)。
圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)選取22名不同駕駛年齡的受試者。向被試解釋如何使用本實(shí)驗(yàn)的操作對(duì)象（觸覺交互模塊），并練習(xí)用食指移動(dòng)光標(biāo)，直到其可以順利進(jìn)行。然后為被試佩戴腦電帽，確保設(shè)備正常運(yùn)行，在正式實(shí)驗(yàn)開始前被試靜坐1-2分鐘以排除情緒干擾。
圖3 交互界面圖正式實(shí)驗(yàn)分為兩組進(jìn)行，第一組是無振動(dòng)的反饋模式。被試進(jìn)入駕駛狀態(tài)，如圖a所示，當(dāng)主屏幕提示“點(diǎn)擊進(jìn)入radio界面”時(shí)，被試操作觸覺交互模塊，按圖b的順序移動(dòng)人機(jī)界面中的紅色光標(biāo)，進(jìn)入“radio”，按下進(jìn)入圖c所示的界面。當(dāng)主屏幕出現(xiàn)“返回主界面”提示時(shí)，被試應(yīng)按圖3中d中的home鍵返回主界面，重復(fù)兩遍。第二組開啟振動(dòng)反饋模式，其余任務(wù)與第一組的相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集所有被試對(duì)兩種不同的有無振動(dòng)模式的主觀評(píng)價(jià)，作為定性調(diào)查的分析基礎(chǔ)。04 研究結(jié)果4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
計(jì)算并整理出22名被試在任務(wù)期間的平均功率譜密度，得到兩組實(shí)驗(yàn)的平均值，得到22個(gè)不同頻段的腦電圖信號(hào)的平均功率譜密度。對(duì)振動(dòng)模式和非振動(dòng)模式的結(jié)果進(jìn)行劃分，并計(jì)算兩種模式下所有被試的主觀評(píng)價(jià)。
表1 腦電圖信號(hào)的平均功率譜密度4.2 數(shù)據(jù)分類
根據(jù)主觀評(píng)價(jià)，對(duì)被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。1表示對(duì)振動(dòng)的偏好，2表示對(duì)非振動(dòng)的偏好。計(jì)算了各類的平均值，兩種模態(tài)的結(jié)果如圖3所示。
表2 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證
基于第1類（對(duì)振動(dòng)的偏好）的綜合觀測(cè)結(jié)果，提出了一個(gè)假設(shè)：當(dāng)用戶對(duì)某一模式有相對(duì)偏好時(shí)，該模式下其α、β、θ、δ、γ波段的功率譜密度較小。在第2類（無振動(dòng)偏好）中，無振動(dòng)模式下α、β、θ、γ四個(gè)波段的平均功率譜密度小于有振動(dòng)時(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述假設(shè)中四個(gè)波段規(guī)律的正確性。
計(jì)算滿足假設(shè)被試的數(shù)量，并驗(yàn)證一致性。如表4所示，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)每個(gè)波段滿足假設(shè)的被試數(shù)量。表3 每個(gè)波段滿足假設(shè)的被試數(shù)量4.4 數(shù)據(jù)分析和總結(jié)
根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，θ和γ波段符合假設(shè)的被試數(shù)量最多，而δ波的數(shù)量最小。雖然有很多受試者的γ波符合規(guī)律，但根據(jù)實(shí)際測(cè)量和計(jì)算，在有振動(dòng)和無振動(dòng)的兩種模式下，γ波段的平均功率譜密度沒有顯著差異。因此，本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是，在人車觸覺交互體驗(yàn)中，有無振動(dòng)的交互設(shè)計(jì)的腦電信號(hào)的平均功率存在差異，當(dāng)α、β、θ、γ波段的平均功率譜密度較小時(shí)，表明該模式存在相對(duì)偏好。在本實(shí)驗(yàn)中，θ波的差異很明顯，精度較高（72.7%）。
05 研究結(jié)論本文通過分析人車觸覺交互過程中用戶的腦電信號(hào)與主觀感受之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了主觀評(píng)價(jià)和客觀數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括模擬駕駛場(chǎng)景的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、腦電圖信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理、特征提取與分析等方面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的交互作用經(jīng)驗(yàn)下，腦電信號(hào)各波段的功率譜密度都會(huì)有一定程度的變化。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用戶對(duì)某種交互模式有相對(duì)偏好時(shí)，腦電圖信號(hào)的α、β、θ、γ波段的功率譜密度會(huì)有一定程度的降低，其中θ波段最為明顯。因此，在對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，采用本文中的評(píng)價(jià)方法，結(jié)合用戶的腦電信號(hào)特征和主觀評(píng)價(jià)，可以為評(píng)價(jià)用戶的互動(dòng)體驗(yàn)提供更科學(xué)的依據(jù)。
06 參考文獻(xiàn)【1】王鐳,龐有俊 & 王亞芳.(2021).智能座艙hmi人機(jī)交互界面體驗(yàn)及未來趨勢(shì)淺析. 時(shí)代汽車(03),15-17+20.【2】mikhail a. lebedev, miguel a. l. nicolelis. brain-machine interfaces: from basic science to neuroprosthesis and neurorehabilitation[j]. physiological reviews,2017,97(2):767-837
【3】robinson j, lanius c, weber r. the past, present, and future of ux empirical research[j]. communication design quarterly review, 2018, 5(3):10-23.
03further study 研究拓展本研究利用腦電圖信號(hào)特征與主觀感受的結(jié)合，對(duì)智能座艙交互設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，該方法在提高駕駛安全性和舒適性方面具有良好的應(yīng)用前景。除此之外，還可以與眼動(dòng)追蹤儀、心電采集、皮電采集等設(shè)備收集的數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)一步研究不同交互設(shè)備對(duì)駕駛員的影響，發(fā)現(xiàn)用戶的潛在需求，改善駕駛員的人機(jī)交互體驗(yàn)。在未來的研究中，可以利用ergolab simulator 模擬仿真同步模塊，將ergosim環(huán)境模擬技術(shù)與ergovr原型同步模塊相結(jié)合，在一個(gè)舒適度較高的物理環(huán)境中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建場(chǎng)景，充分控制實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)的無關(guān)變量，使得研究結(jié)果更加精確。
04extended reading 引申閱讀【1】human-machine interface evaluation of cnc machine control panel through multidimensional experimental data synchronous testing analysis method.
作者：dou, j., zhang, l., zhao, q., pei, q., & qin, j.
期刊：international journal of performability engineering
doi：10.23940/ijpe.17.08.p3.11951205
【2】research on driving workload characteristics of drivers under various dangerous scenarios based on eeg.
作者： feng, s., & sheng, b
期刊：ingreen, smart and connected transportation systems
doi：10.1007/978-981-15-0644-4_87
【3】impact of driver age and experience in software usage on driving safety and usability of car-sharing software.
作者：jing, c., zhi, j., yang, s., & wang, w.
期刊：journal of advanced transportation
doi：10.1155/2021/6633379
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