体验思维驱动:车载 HMI 3D 交互的工程化实践¶

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源视频信息
本文内容基于 FaceCar CEO 朱佳明在 UFSH2025 的演讲《体验思维驱动HMI落地》整理而成。
视频链接:https://www.bilibili.com/video/BV1n7mzBcEQr
本文由 AI 辅助生成,结合视频字幕与关键截图,力求还原演讲的技术要点与工程实践经验。
导读¶
在智能座舱领域,3D HMI 正在从概念验证走向量产落地。本文将深入剖析 FaceCar 团队在车载 3D 交互系统开发中的完整工程实践,涵盖从创意设计、引擎优化到芯片适配的全流程技术方案。
核心观点: - 车载 HMI 正在从平面交互向立体化、游戏化的多维空间演进 - 基于 Unreal Engine 的延迟渲染管线可在车规芯片上实现高品质 3D 场景 - 通过定制化着色器、独立动画线程等技术手段,可在有限算力下平衡视觉效果与性能开销
前置知识:了解 Unreal Engine 基础、车载芯片平台(如高通 8295/825)、实时渲染管线
背景与痛点:为什么车载 HMI 需要 3D 化?¶
行业趋势:从功能性到体验性¶

FaceCar 作为一家专注于车载 HMI 开发的公司,团队规模超过 100 人,总部位于上海。他们与多家自主品牌、新势力以及合资品牌展开合作,积累了丰富的量产项目经验。

团队曾联合客户申请多项国际设计奖项,这些成果的背后是对 3D HMI 技术的深度探索。
传统 HMI 的局限性¶
传统车载人机交互界面主要以 2D 平面设计为主,功能布局相对固化。随着用户对娱乐化、多元化体验需求的提升,单纯的平面交互已无法满足"第三空间"的沉浸式需求。
核心痛点: - 交互维度单一:传统 2D 界面缺乏空间层次感,难以营造沉浸式体验 - 功能扩展受限:平面布局限制了功能的无限拓展可能 - 情感连接不足:缺乏游戏化、场景化的互动元素,用户粘性较弱
3D HMI 的价值主张¶

FaceCar 的 3D HMI 开发流程涵盖从前期创意设计、3D 场景制作、美术效果实现、引擎开发到测试集成打包的全链路。这种端到端的能力保证了设计意图能够高保真地还原到车机端。
3D HMI 的核心优势: - 多维空间拓展:通过 3D 世界构建,将传统功能模块转化为独立的虚拟空间(如数字影院、游戏大厅、休息空间) - 游戏化交互:引入虚拟形象、动态场景等元素,提升用户参与感 - 情感化设计:通过光影、天气、昼夜联动等细节,营造真实感与陪伴感
案例一:第三空间的游戏化 3D 交互¶
设计理念:从功能到场景的转变¶

FaceCar 提出的"第三空间"概念,旨在将车内功能娱乐化、多元化。他们希望通过游戏化的创意功能,让用户感受到多维世界和立体场景的还原。

在前期创意阶段,团队进行了大量的灵感板探索,追求具有未来感和探索精神的设计语言。

通过原画创意探索,团队为每个功能模块赋予了独特的 3D 场景设定。
核心功能架构¶

在这个方案中,每个功能被设计为一个独立的"元事空间": - 3D 数字影院:用户可以进入虚拟影院,选择虚拟形象陪伴观影 - 3D 休息空间:提供放松、冥想等场景化功能 - 3D 游戏大厅:集成游戏化交互元素

点击中间的数字影院,用户可以从外围世界进入 3D 影院内部,完成多元化的游戏化交互。

用户可以选择虚拟形象陪伴观影,打破了传统 HMI 的单向交互方式。
技术实现:延迟渲染管线¶

为了在车规芯片(如高通 8295/825)上实现高品质的 3D 场景,团队采用了 Unreal Engine 的延迟渲染(Deferred Rendering) 方案。
延迟渲染的核心优势: - 高光感处理:通过 G-Buffer 存储材质信息,可以在后处理阶段精确计算高光反射 - 动态阴影精度调整:支持级联阴影贴图(CSM),在保证视觉质量的同时优化性能 - 自然光照反射:基于物理的光照模型(PBR),实现真实的环境光反射效果
关键代码逻辑(基于 Unreal Engine):
// [AI补充] 延迟渲染管线的核心配置
void FDeferredShadingSceneRenderer::Render(FRHICommandListImmediate& RHICmdList)
{
// 1. 几何通道:渲染场景几何到 G-Buffer
RenderBasePass(RHICmdList);
// 2. 光照通道:基于 G-Buffer 计算光照
RenderLights(RHICmdList);
// 3. 后处理:应用 Bloom、色调映射等效果
RenderPostProcessing(RHICmdList);
}
// 动态阴影精度调整
FProjectedShadowInfo::SetupProjection()
{
// 根据距离动态调整阴影贴图分辨率
float ShadowResolutionScale = FMath::Clamp(
1.0f / (Distance * 0.01f),
MinResolutionScale,
MaxResolutionScale
);
}
透明度排序问题的解决¶

在多层半透明材质(如玻璃、UI 元素)叠加时,传统的透明度混合会出现排序错误,导致视觉混乱。
解决方案:定制玻璃着色器
团队开发了专用的玻璃着色器,通过 UI 渲染管线进行优化,额外的 GPU 开销仅增加 0.3 毫秒。
// [AI补充] 玻璃着色器的核心逻辑
float4 GlassShader(FMaterialPixelParameters Parameters)
{
// 1. 获取场景深度
float SceneDepth = CalcSceneDepth(Parameters.ScreenPosition);
// 2. 计算折射偏移
float2 RefractionOffset = Parameters.WorldNormal.xy * RefractionStrength;
float2 RefractUV = Parameters.ScreenPosition.xy + RefractionOffset;
// 3. 采样场景颜色
float3 SceneColor = SceneTextureLookup(RefractUV, SceneDepth);
// 4. 混合玻璃颜色
float3 FinalColor = lerp(SceneColor, GlassColor, GlassOpacity);
return float4(FinalColor, 1.0);
}
色彩压缩与智能调色¶

在高品质效果下,团队发现强光下会出现色阶断层、暗光下阴影细节丢失等问题。

解决方案:智能调色器 + 光影联动
// [AI补充] 智能调色器的实现逻辑
float3 AdaptiveToneMapping(float3 HDRColor, float AmbientLight)
{
// 1. 根据环境光强度动态调整曝光
float Exposure = lerp(MinExposure, MaxExposure, AmbientLight);
// 2. 应用 ACES 色调映射
float3 ACESColor = ACESFilm(HDRColor * Exposure);
// 3. 增强暗部细节
float3 ShadowBoost = pow(ACESColor, 1.0 / ShadowGamma);
return lerp(ACESColor, ShadowBoost, ShadowBoostStrength);
}
团队通过车身传感器实时读取环境光数据,动态调整渲染参数,在关键指标上实现了大幅提升。
粒子系统热管理¶

复杂的天气特效(如雨雪粒子)会导致芯片温度飙升,触发降频保护。
解决方案:粒子系统热力学模型优化
- 动态 LOD:根据芯片温度动态调整粒子数量
- 脚本控制:通过 Blueprint 脚本监控温度,自动降级特效
// [AI补充] 粒子系统热管理脚本
void UParticleThermalManager::Tick(float DeltaTime)
{
// 1. 读取芯片温度
float ChipTemperature = GetChipTemperature();
// 2. 根据温度调整粒子数量
if (ChipTemperature > HighTempThreshold)
{
ParticleSystem->SetSpawnRate(LowSpawnRate);
}
else if (ChipTemperature < NormalTempThreshold)
{
ParticleSystem->SetSpawnRate(NormalSpawnRate);
}
}
实机演示效果¶

这是基于高通 825 芯片开发的实际演示效果,可以看到细腻的光照反射。

场景中的光照反射效果非常细腻,尽管视频有压缩,但实际效果更加出色。

团队实现了自然光照的实时渲染反射,根据早中晚的阳光变化以及阴晴雨雪的天气变化,呈现真实的光影效果。
案例二:高端品牌的 3D 车模交互系统¶
设计定位:神秘感与外太空美学¶

这是一个为自主品牌开发的 3D 车模交互系统,基于高通 825 芯片,是一个量产项目。

FaceCar 团队从前期创意到 3D 开发保持一致性,在前期做了大量的灵感探索。

因为这是一个高端品牌,团队希望营造神秘感和来自外太空世界的还原感。

在 3D 桌面上,设计了来自外太空的 3D 浪尺效果,围绕车模进行多种操作。

基于高精度车模,可以进行车辆相关的控制操作。
核心技术:高精度车模优化¶

高精度车模的优化策略:
- 手工拓扑优化:对车模进行专业的拓扑重建,确保面片流向合理
- 高质量减面:在保持视觉质量的前提下,大幅减少多边形数量
- 法线贴图:在低模上使用高精度法线贴图,模拟曲面细节
- 视差遮蔽贴图(Parallax Occlusion Mapping):在特定角度下模拟真实的凹凸感
法线贴图与视差贴图的实现:
// [AI补充] 视差遮蔽贴图的着色器实现
float2 ParallaxOcclusionMapping(float2 UV, float3 ViewDir, sampler2D HeightMap)
{
// 1. 设置采样层数
const int NumLayers = 32;
float LayerDepth = 1.0 / NumLayers;
// 2. 计算每层的 UV 偏移
float2 DeltaUV = ViewDir.xy * HeightScale / (ViewDir.z * NumLayers);
// 3. 迭代查找交点
float CurrentLayerDepth = 0.0;
float2 CurrentUV = UV;
float CurrentHeight = tex2D(HeightMap, CurrentUV).r;
while(CurrentLayerDepth < CurrentHeight)
{
CurrentUV -= DeltaUV;
CurrentHeight = tex2D(HeightMap, CurrentUV).r;
CurrentLayerDepth += LayerDepth;
}
return CurrentUV;
}
车漆金属闪粉效果¶

在车模漆面上,团队实现了金属器闪粉效果。

使用法线贴图模拟金属颗粒感,结合天气变化(如雨滴)实现细腻的视觉效果。

雨滴采用动态模拟的方式,更加还原细节品质。
地形材质优化¶

多材质混合的性能优化:
在移动端,多材质混合会显著增加性能开销。团队采用 基于权重的混合方案:
- 顶点颜色存储权重:通过顶点颜色的 RGBA 通道存储各层材质的权重,减少实时计算
- 简化混合公式:优化混合算法,降低 Shader 复杂度
// [AI补充] 地形材质混合的优化实现
float3 BlendTerrainMaterials(float4 VertexColor, float2 UV)
{
// 1. 从顶点颜色读取权重
float WeightGrass = VertexColor.r;
float WeightRock = VertexColor.g;
float WeightSand = VertexColor.b;
float WeightSnow = VertexColor.a;
// 2. 采样各层材质
float3 ColorGrass = tex2D(GrassTexture, UV).rgb;
float3 ColorRock = tex2D(RockTexture, UV).rgb;
float3 ColorSand = tex2D(SandTexture, UV).rgb;
float3 ColorSnow = tex2D(SnowTexture, UV).rgb;
// 3. 线性混合(优化后的公式)
float3 FinalColor = ColorGrass * WeightGrass +
ColorRock * WeightRock +
ColorSand * WeightSand +
ColorSnow * WeightSnow;
return FinalColor;
}
纹理压缩与虚拟纹理:
为了解决纹理采样与内存限制的问题,团队采用了 虚拟纹理(Virtual Texture) 技术,按需流式加载纹理数据。
实机演示¶

这是在台架上实际操作的录屏效果,展示了高精度车模的渲染质量。

项目中涉及大量与车模相关的 3D 场景,包括泊车场景、情景模式场景以及车辆智能控制相关的场景。
案例三:中国风水墨美学的 3D HMI¶
设计理念:轻量化与中国元素¶

这是与另一个高端品牌合作的 3D HMI 项目,同样是量产落地项目。

团队希望这套设计更加轻量化,同时融入中国意境的元素。

将中国山水水墨的感受与 3D 化设计语言融合,营造沉浸式的中国化体验。

在 UI 设计和 3D 场景设计中,大量使用水墨、墨迹的元素。

3D 场景的创意设计充分体现了中国风格。
3D 入场仪式感¶

团队设计了 3D 入场仪式感,通过车模进入 3D 世界。

在 3D 世界中,可以进行旋转展示等交互操作。
技术挑战:复杂转场动画¶

在复杂转场动画的制作中,团队遇到了主线程调度压力的问题。
解决方案:独立动画线程
传统方案中,动画逻辑在主线程(Game Thread)中执行,会增加主线程压力。团队实现了 独立的动画线程,将动画计算从主线程剥离。
// [AI补充] 独立动画线程的实现
class FAnimationWorkerThread : public FRunnable
{
public:
virtual uint32 Run() override
{
while (!bShouldStop)
{
// 1. 从队列获取动画任务
FAnimationTask Task;
if (TaskQueue.Dequeue(Task))
{
// 2. 在独立线程计算动画
Task.AnimInstance->UpdateAnimation(DeltaTime);
// 3. 将结果同步回主线程
FinalPoseQueue.Enqueue(Task.AnimInstance->GetFinalPose());
}
}
return 0;
}
};
材质表现:模拟水的效果¶

团队采用顶点动画模拟水的波动效果。

使用 Gerstner 波(Gerstner Wave)进行顶点偏移,模拟真实的水面波动。
// [AI补充] Gerstner 波的顶点着色器实现
float3 GerstnerWave(float3 Position, float Time)
{
float3 Offset = float3(0, 0, 0);
// 多个波的叠加
for (int i = 0; i < NumWaves; i++)
{
float Frequency = Waves[i].Frequency;
float Amplitude = Waves[i].Amplitude;
float2 Direction = Waves[i].Direction;
float Phase = dot(Direction, Position.xy) * Frequency + Time;
Offset.x += Direction.x * Amplitude * cos(Phase);
Offset.y += Direction.y * Amplitude * cos(Phase);
Offset.z += Amplitude * sin(Phase);
}
return Position + Offset;
}
高精度反射方案¶

在车规芯片上实现高精度反射是一个挑战,因为 8295 芯片只能提供部分算力。

解决方案:创新的探针混合技术
团队采用 反射探针(Reflection Probe)混合技术 配合 屏幕空间反射(SSR) 优化。
// [AI补充] 探针混合反射的实现
float3 BlendedReflection(float3 WorldPosition, float3 ViewDir)
{
// 1. 查找最近的反射探针
FReflectionProbe Probe1 = FindNearestProbe(WorldPosition);
FReflectionProbe Probe2 = FindSecondNearestProbe(WorldPosition);
// 2. 采样探针立方体贴图
float3 Reflection1 = texCUBE(Probe1.CubemapTexture, ViewDir).rgb;
float3 Reflection2 = texCUBE(Probe2.CubemapTexture, ViewDir).rgb;
// 3. 根据距离混合
float BlendWeight = saturate(distance(WorldPosition, Probe1.Position) / BlendRadius);
float3 ProbeReflection = lerp(Reflection1, Reflection2, BlendWeight);
// 4. 与屏幕空间反射混合
float3 SSRReflection = ScreenSpaceReflection(WorldPosition, ViewDir);
float SSRMask = GetSSRMask(WorldPosition);
return lerp(ProbeReflection, SSRReflection, SSRMask);
}

高精度反射方案增强了车身与周围环境光的反射效果,实现了自然界非常真实的效果呈现。
开发流程¶

这是团队在开发过程中实际制作的流程,从设计到开发再到台架效果的完整链路。
案例四:高精地图的 3D 化探索¶
创新方向:从平面到立体的地图¶

FaceCar 团队进行了内部创新 Demo 的探索,研究如何将高精地图做得更加真实。

传统高精地图都是平面的,未来结合高精地图可以变成立体化的设计方式。
3D 组件化趋势¶

未来传统的 2D 组件会向 3D 组件发展。

可以看到 2D 组件向 3D 组件的转场变化。
高精地图的立体化实现¶

团队将高精地图变成更加立体的形式,可以完成导航、地图以及与泊车的操作。

进入地图的局部,与泊车功能完成相关的操作和联动。

拓展出与泊车模式相关的 3D 场景创意设计。
技术实现:程序化道路生成¶

程序化生成的核心技术:
- 基于地图数据实时生成道路:读取高精地图的矢量数据
- 样条线定义路径:使用 Spline 定义道路的曲线路径
- Difference 节点清除障碍物:通过布尔运算清除道路上的重叠物体
// [AI补充] 程序化道路生成的实现
void UProceduralRoadGenerator::GenerateRoad(const FMapData& MapData)
{
// 1. 从地图数据创建样条线
USplineComponent* RoadSpline = CreateSplineFromMapData(MapData);
// 2. 沿样条线生成道路网格
for (float Distance = 0; Distance < RoadSpline->GetSplineLength(); Distance += SegmentLength)
{
FVector Location = RoadSpline->GetLocationAtDistanceAlongSpline(Distance, ESplineCoordinateSpace::World);
FRotator Rotation = RoadSpline->GetRotationAtDistanceAlongSpline(Distance, ESplineCoordinateSpace::World);
// 生成道路片段
UStaticMeshComponent* RoadSegment = CreateRoadSegment(Location, Rotation);
// 清除与道路重叠的物体
RemoveOverlappingObjects(RoadSegment);
}
// 3. 随机分布路边装饰物
DistributeRoadsideObjects(RoadSpline);
}
// 随机分布装饰物
void UProceduralRoadGenerator::DistributeRoadsideObjects(USplineComponent* Spline)
{
for (int i = 0; i < NumObjects; i++)
{
float Distance = FMath::RandRange(0.0f, Spline->GetSplineLength());
FVector Location = Spline->GetLocationAtDistanceAlongSpline(Distance, ESplineCoordinateSpace::World);
// 随机偏移、旋转和缩放
Location += FMath::VRand() * RandomOffset;
FRotator Rotation = FRotator(0, FMath::RandRange(0.0f, 360.0f), 0);
float Scale = FMath::RandRange(MinScale, MaxScale);
SpawnDecoration(Location, Rotation, Scale);
}
}

团队制作了大量局部细节,通过 3D 建模构建高精地图的细腻效果。
实战总结与建议¶
技术方案对比¶
方案 A:延迟渲染(Deferred Rendering) - 🟢 优势:支持大量动态光源,高光反射效果出色,适合复杂光照场景 - 🔴 劣势:透明物体处理复杂,带宽占用较高 - 🎯 适用场景:车内 3D 场景、数字影院等需要高品质光照的场景
方案 B:前向渲染(Forward Rendering) - 🟢 优势:透明物体处理简单,带宽占用低,适合移动平台 - 🔴 劣势:光源数量受限,多光源场景性能下降明显 - 🎯 适用场景:简单的 UI 元素、2D 界面
方案 C:混合渲染管线 - 🟢 优势:结合两者优点,灵活性高 - 🔴 劣势:实现复杂度高,需要精细的渲染路径管理 - 🎯 适用场景:大型项目,需要同时兼顾 3D 场景和 UI 元素
避坑指南¶
1. 芯片算力评估不足
在项目初期,务必在目标芯片平台上进行性能基准测试。不要依赖 PC 端的性能表现,车规芯片的 GPU 算力通常只有桌面级显卡的 1/10。
配置建议: - 高通 8295:建议 3D 场景面数控制在 50 万三角形以内 - 高通 825:建议控制在 30 万三角形以内 - 动态光源数量:不超过 4 个 - 阴影贴图分辨率:1024x1024 或 2048x2048
2. 透明度排序问题
多层透明物体的渲染顺序问题是常见的视觉 Bug。建议: - 为玻璃等透明材质单独开发着色器 - 使用深度剥离(Depth Peeling)或 Order-Independent Transparency(OIT)技术 - 避免在同一视角下叠加超过 3 层透明物体
3. 热管理失控
复杂特效(如粒子系统、后处理)会导致芯片温度飙升。建议: - 实现动态 LOD 系统,根据温度自动降级 - 监控芯片温度,设置温度阈值触发保护机制 - 粒子系统使用 GPU Sprite 而非 Mesh Particle
4. 内存泄漏
车机系统需要长时间稳定运行,内存泄漏会导致系统崩溃。建议: - 使用 Unreal Engine 的对象池(Object Pool)管理频繁创建销毁的对象 - 定期进行 Garbage Collection - 使用智能指针(TSharedPtr、TWeakPtr)管理资源生命周期
5. 纹理压缩格式选择
不同平台支持的纹理压缩格式不同: - Android 平台:优先使用 ASTC 格式(高质量、低内存) - 如果不支持 ASTC,使用 ETC2 - 避免使用未压缩的纹理,会占用大量内存
最佳实践¶
性能优化清单:
- 几何优化
- 使用 LOD 系统,远处物体使用低模
- 启用遮挡剔除(Occlusion Culling)
-
合并静态网格(Mesh Merging)
-
材质优化
- 减少材质复杂度,避免过多的纹理采样
- 使用材质实例(Material Instance)而非材质资产
-
启用材质质量等级(Material Quality Level)
-
光照优化
- 使用烘焙光照(Baked Lighting)处理静态物体
- 动态光源使用阴影距离限制
-
启用光照通道(Lighting Channels)精确控制光源影响范围
-
后处理优化
- 降低后处理分辨率(使用 Screen Percentage)
- 禁用不必要的后处理效果(如景深、运动模糊)
- 使用移动端优化的后处理管线
开发流程建议:
- 前期验证:在目标平台上尽早进行技术验证,避免后期推翻重做
- 迭代开发:采用敏捷开发模式,每周进行一次台架测试
- 性能监控:集成性能分析工具(如 Unreal Insights),实时监控帧率、内存、温度
- 自动化测试:编写自动化测试脚本,覆盖核心功能和性能指标
未来趋势与展望¶

标准化的 3D 引擎开发流程:未来会有更加标准化的车载 3D 引擎开发流程,降低开发门槛。

更加动态的实时渲染:包括场景化的自适应以及更加个性化的服务延伸和生态结合。

多元化的数据融合:高效的 OTA 升级机制,让 3D HMI 可以持续迭代。

动态界面结构:未来的 HMI 会实现更加动态的界面结构,高性能高效的处理引擎方式,以及按需流式的加载方式,更加灵动和平台化的拓展性。
结语¶
FaceCar 团队在车载 3D HMI 领域的工程实践,展示了从创意设计到量产落地的完整技术链路。通过延迟渲染管线、定制化着色器、独立动画线程、程序化生成等技术手段,他们在车规芯片的有限算力下实现了高品质的 3D 交互体验。
核心要点回顾: - 体验优先:3D HMI 的核心价值在于提升用户的沉浸式体验和情感连接 - 技术平衡:在视觉效果与性能开销之间找到最佳平衡点 - 工程化思维:从设计到开发到测试的全流程标准化,确保量产质量 - 持续优化:通过 OTA 升级和数据驱动,让 HMI 系统持续进化
随着车规芯片算力的提升和引擎技术的成熟,3D HMI 将从高端车型逐步普及到更多车型,成为智能座舱的标配。对于开发者而言,掌握 Unreal Engine 的移动端优化技术、理解车规芯片的特性、具备全栈的开发能力,将是未来的核心竞争力。
致谢:感谢 FaceCar 团队在 UFSH2025 上的精彩分享,为行业提供了宝贵的工程实践经验。
参考资源: - Unreal Engine 官方文档:https://docs.unrealengine.com/ - 高通骁龙汽车平台:https://www.qualcomm.com/products/automotive - Real-Time Rendering 第四版(实时渲染经典教材)
本文由 AI 辅助生成,内容基于视频演讲整理。如有技术细节需要进一步探讨,欢迎加入 UE5 技术交流群交流。