UE5驱动的汽车HMI革命：Smart精灵5号3D座舱技术深度解析¶
加入 UE5 技术交流群¶
如果您对虚幻引擎5的图形渲染技术感兴趣,欢迎加入我们的 UE5 技术交流群!
扫描上方二维码添加个人微信 wlxklyh,备注"UE5技术交流",我会拉您进群。
在技术交流群中,您可以: - 与其他UE开发者交流渲染技术经验 - 获取最新的GDC技术分享和解读 - 讨论图形编程、性能优化、构建工具流、动画系统等话题 - 分享引擎架构、基建工具等项目经验和技术难题
视频来源: https://www.bilibili.com/video/BV1W5mzBAEFD
生成时间: 2026-01-11
视频时长: 27分45秒
本文由 AI 基于视频内容生成
导读¶
核心观点: - 3D HMI 不是装饰性设计,而是交互逻辑的升维,标志着汽车从机械产品向智能终端的转型 - 车机端 3D 方案的核心在于效果、性能与用户体验的三方平衡,而非单纯追求参数拉满 - 一镜到底的镜头转场系统是串联多场景的关键,需要解决跨图层同步、动态路径规划和精确控制三大技术挑战
阅读本文需要的前置知识: - 虚幻引擎 (Unreal Engine) 基础概念 - 车机 HMI (Human-Machine Interface) 交互设计基础 - 实时渲染与性能优化基本原理
背景与痛点：为什么车机需要 3D HMI¶
传统汽车 HMI 以 2D 界面为主,交互体验扁平化,难以营造沉浸感。随着新能源汽车智能化浪潮的到来,用户对座舱体验的期待已从"功能可用"升级到"情感化连接"。Smart 品牌自 1972 年诞生以来,始终以城市交通解决方案为愿景,在 2019 年与吉利合资后,推出了全新电动化车型。精灵5号作为该系列最新车型,首次采用 Unreal Engine 5 打造全 3D HMI,将"灵感星球"概念从精灵1号延续并升级为"城市赛博朋克风格",结合水晶冷峻设计理念,大幅提升光影渲染和材质表现。
核心痛点: 1. 设计复杂度指数级增长：精灵5号 HMI 包含星球桌面、地图桌面、壁纸桌面、实况车桌面共 4 种桌面形态,搭配 5 种驾驶模式,总计需要实现 113 个镜头转场,每个转场都有专属动画曲线。 2. 性能约束严苛：车机端硬件算力有限 (高通骁龙 SA8295P 芯片,GPU 仅 1.4T,分辨率 2.5K@60Hz),需要在保证 60fps 流畅度的前提下实现高质量渲染。 3. 跨图层渲染同步难题：3D 应用与原生 UI 分属不同渲染图层,难以做到百分百同步,用户易看到残影或画面错位。
核心原理解析：从设计理念到技术落地¶
一、视觉设计哲学：灵感星球的赛博朋克进化¶
Smart 精灵5号的 HMI 设计延续了"灵感星球"世界观,但在视觉表现上进行了全面升级。设计团队采用 水晶冷峻 (Crystal Coldness) 设计语言,强化了光影渲染和材质质感,让 HMI 不再是简单的信息展示面板,而是一个具有空间深度和物理真实感的虚拟世界。
设计亮点: - 多桌面形态：星球桌面（主场景）、地图桌面、壁纸桌面、实况车桌面（3D 车模展示）,满足千人千面的定制需求 - Avatar 虚拟助手 "Six"：延续 Smart Elf IP,采用"重灵失阻王"形象,MBTI 人格为 ISFP（冒险家/艺术家）,上线时集成 26 个动作,通过 UE5 的角色骨骼绑定实现自然协调的动画表现 - 驾驶模式联动：5 种驾驶模式与 3D 场景环境色匹配,实现氛围灯、场景光照、星球状态的一体化变化
二、硬件平台与性能基线¶
精灵5号搭载 高通骁龙 SA8295P 平台 (基于 SA8.6 架构),核心配置如下:
硬件规格: - CPU: 6 核心 (其中 2 核分配给仪表盘,HMI 可用 4 核) - GPU: 1.4T 算力 (车机端可用) - 屏幕: 2.5K 分辨率,60Hz 刷新率
性能目标 (60fps 稳定运行): - 星球桌面/实况车桌面 (渲染负载最高): - CPU: ~10K 左右指标 - GPU: 385K / 478 GFlops - 其他场景 (平均数据): - CPU: 7K - GPU: 400 GFlops - 常驻内存: 660MB
工程启示: 车机端 3D 方案不能单纯追求参数拉满,而是需要在美术效果、应用性能、用户体验之间反复权衡。这与游戏或影视渲染的优化思路截然不同——车机需要在严格的功耗和散热约束下,保证长时间稳定运行。
深度进阶：三大技术攻坚战¶
技术挑战 1：渲染性能与视觉质量的平衡¶
常规优化手段¶
除了标准的纹理优化策略 (严格控制贴图尺寸、压缩格式去除不必要的 Alpha 通道和 MipMap、尽量使用 16 位图取代 32 位图),团队还实施了一系列 动态配置策略:
动态分辨率 (Dynamic Resolution Scaling) - 前台模式: 检测到用户操作时,立即提升到原生分辨率,保证交互流畅 - 后台模式: 渐进式降帧策略 - 前 3 秒: 保持原帧率,确保切换界面依旧流畅 - 3-8 秒: 逐步降帧到最低值,节省 GPU 开销
抗锯齿方案动态调整 - 根据场景复杂度自动切换 TAA (Temporal Anti-Aliasing) 或 MSAA,在性能与画质之间取得平衡
实况车桌面的特殊处理 - 使用 平面反射 (Planar Reflection) 技术渲染车模倒影,相比传统 SSR (Screen Space Reflection) 性能开销更低,但视觉效果更真实
技术挑战 2：车辆配置的工程化管理¶
精灵5号为用户提供丰富的车身配置选择 (多种轮毂、车门、车身颜色、饰标/文字等),这对工程来说意味着需要处理 大量复杂的信号和组合关系。
配置管理架构¶
团队通过 泛化设计 实现了灵活的配置系统,核心思路是"减少代码变动,建立数据驱动的映射体系":
1. 车漆系统配置 - 控制车漆的基础属性: 金属度 (Metallic)、粗糙度 (Roughness)、清漆 (Clear Coat) 等 PBR 材质参数
2. 车型配置文档 - 总结差异部件 (轮毂、车门等),拆分模型进行独立控制
3. 车身细节控制 - 饰标/文字: 使用 单一材质管理 + UV 空间四等分 + 遮罩 的方案,通过材质参数控制显示内容,避免创建多个材质实例 - 保险杠颜色变化: 采用 顶点色 (Vertex Color) 进行分区控制,在建模阶段预先绘制顶点色 Map,运行时根据配置动态调整材质
实现方式总结: 1. 定义规则: 为每个组件配置映射规则 2. 查询接口: 实现各组件选项信息查询接口 3. 统一处理: 提供统一的车辆配置信息处理和应用接口
最佳实践: 在车机 HMI 项目中,配置管理的核心是"数据与代码分离"。通过配置文件驱动材质、模型、光照的动态切换,可以大幅降低后期迭代成本,同时避免因硬编码导致的维护噩梦。
技术挑战 3：一镜到底 (One-Take Camera) 转场系统¶
"一镜到底"是精灵5号 HMI 的设计点睛之笔——通过连续的镜头运动串联起每个场景,形成流畅的空间叙事。但要实现它,需要解决以下三个棘手问题:
问题 1：跨图层渲染同步¶
背景: - 3D 应用渲染处于图层底层 - 上层渲染了其他原生应用 (如导航、音乐界面) - 即使两个图层,也很难做到百分百同步刷新 (就像两个人翻书,总有一个人可能会快一拍)
后果: - 用户会看到恼人的 残影 (Ghosting) 或 画面错位 (Tearing)
解决方案: - 一镜到底设计恰好是这个问题的解药——在转场过程中,通过连续的相机运动和景深虚化,将用户注意力集中在主体上,弱化背景的细微不同步问题
问题 2：背景遮罩与车身突显¶
需求: - 在星球桌面切换到其他场景时,需要让车身始终处于画面中心,背景逐渐虚化或遮罩
技术方案: - 使用 后处理材质 (Post-Process Material) 结合 Depth Mask - 针对不同场景模型,制作了不同的 3D Mask 模型,用于精确控制背景遮罩区域
问题 3：一镜到底系统的架构设计¶
Smart 对一镜到底系统提出了严苛的需求:
核心需求: 1. 高频打断不出错: 用户快速切换界面时,转场不能卡顿或出现异常 2. 运镜路径动态生成: 无法预设所有转场路径,需要根据当前状态实时规划 3. 上手简单无负担: 美术同学能够轻松配置和调试 4. 强反馈调试: 数据清晰、格式化,配合定制调试工具,支持运行时修改数据和曲线并实时反馈
架构设计：化繁为简的"技能树"思路¶
团队借鉴游戏中"点亮技能树"的思路,将系统分为 核心层 和 功能层:
核心层 (Core Layer): - Global Manager: 负责管理多元镜头数据、运镜模式、消息通知 - 动态差值算法: 包括多曲线独立插值、动态采样密度匹配 - 外部数据依赖: 必需的配置和状态数据
即使不加任何功能层技能点,核心层也能跑通简单路径的一镜到底,非常适合做 Tech Demo 验证。
功能层 (Feature Layer):
经过多轮迭代和重构,核心层已经做到"开箱即用",具备高鲁棒性、无卡顿、高响应的状态。但要还原设计的完整效果,需要点亮多个功能技能点:
技能 1: 复杂路径规划 - 路径工厂 (Path Factory): 核心能力包括动态平滑路径生成、较准插值的预生成 - 所有路径规划都托管于这个工厂,核心层的插值算法只需根据动态采样密度,获取下一帧的 Pose 数据即可,剩下的交给 UE5 的 Sequencer 去搞定
技能 2: 场景控制 Notify - 提供多类事件流,包括: - 进度百分比事件: 用于精确控制灯光、遮罩、模型显隐等渲染参数的插值 - 打断回滚事件: 是回滚机制的核心,确保转场被打断时能正确恢复状态
技能 3: 打断与回滚机制
举个实际案例:在从"车模桌面"切换到"导航界面"的转场中,镜头推进过程中会发生: 1. 遮罩渐显出现 2. 主车隐藏 3. 导航的主建显示
如果用户突然切回原场景,打断机制会立即生效: - 已执行的操作回退: 例如主车重新显示,遮罩消失 - 未执行的操作将不再继续: 例如导航界面不再加载
关键技术点: 进度百分比的数据准确性
精确控制渲染画面的核心是 进度百分比事件的数据准确性。举个例子: - 主车遮罩需要在转场进度 50% 时隐藏 - 遮罩在 40% 开始渐现
这些都依靠进度百分比事件来实现。但问题是:
场景: 在转场过程中,用户突然操作跳转到别的页面,打断了当前运动,系统会立即生成一条新的运动路径。
问题: 如果百分比数据每次都被强制清零,或者复用当前时的灯光、遮罩透明度等渲染参数,这些基于插值的效果就完全不合理了。
想象一下,在两个界面之间不断快速切换,镜头无论停在哪,遮罩透明度都会从零开始增加——这完全违背了设计预期,也是用户无法接受的。
解决方案: 动态路径与标准路径的映射校准
团队的方案是:把 动态生成的路径 和 模拟两个场景完整运动过程的标准路径 之间建立映射关系,通过一系列规则和算法,低开销地完成数值校准。
关键点: 1. 提前中止计算规则: 在运动过程中根据实时状态动态调整计算逻辑,避免不必要的计算开销 2. 细分预级别任务处理: 将复杂路径的计算分解为多个子任务,提前进行预计算
工程启示: 车机端 HMI 的转场系统不同于游戏或影视的镜头动画——它需要应对高频的用户打断,且每次打断都不能出现视觉异常。这要求系统在架构设计上就必须支持"随时回滚,随时重新规划路径",而不是简单地播放预制动画。
用户体验至上：物理仿真的交互设计¶
Smart 团队对用户交互有这样一个理念: 与真实世界越接近,越容易引起用户在感官上的共鸣。
星球的"弹簧+粘稠液体"物理仿真¶
在星球桌面中,用户的滑动操作不是在"选择卡片",而是在 拉动星球——星球就像被一个弹簧悬着,泡在有点粘稠的水里。
物理规则: 1. 推力: 你滑动得越快,给星球的推力就越大 2. 弹簧回弹力: 内部弹簧总会把它拉回中心,你把它拽得越远,回弹的力就越强 3. 粘稠液体阻力: 因为它在有粘性的水里,运动时总会有一个阻力让它慢慢减速,最后停下来
所以星球就是在 推力、回弹力、液体阻力 三者的拔河比赛中,产生了我们现在看到的灵活而自然的效果。
设计启示: 在车机 HMI 中引入物理仿真,不仅仅是为了"炫技",而是为了让交互更符合人类的直觉——用户无需学习,就能凭借日常生活中的经验预测界面的反馈。
实战总结与建议¶
方案对比¶
方案 A: 传统 2D HMI - 🟢 优势: 开发成本低,性能开销小,兼容性好 - 🔴 劣势: 视觉表现力弱,难以营造沉浸感,缺乏空间深度 - 🎯 适用场景: 入门级车型,对视觉体验要求不高的场景
方案 B: 基于 UE5 的 3D HMI - 🟢 优势: 视觉表现力强,支持复杂光影和材质,易于实现一镜到底等高级交互 - 🔴 劣势: 开发成本高,性能优化难度大,需要专业的美术和引擎团队 - 🎯 适用场景: 中高端车型,追求极致用户体验的场景
方案 C: 混合方案 (3D 桌面 + 2D 应用) - 🟢 优势: 兼顾视觉表现和开发成本,可复用现有原生应用 - 🔴 劣势: 需要解决跨图层同步问题,转场一致性难以保证 - 🎯 适用场景: 精灵5号的实际选择,适合大部分量产项目
避坑指南¶
- 不要单纯追求参数拉满
- 车机端 GPU 算力有限,散热和功耗约束严格,盲目拉高分辨率和特效会导致掉帧或过热
-
建议: 建立 动态配置策略,根据前后台状态自动调整渲染质量
-
配置管理务必数据驱动
- 硬编码的车型配置会让后期迭代成为噩梦
-
建议: 建立 统一的配置文件格式,通过脚本或工具生成材质实例和模型组合
-
一镜到底系统需支持高频打断
- 用户在车机上的操作往往快速且随机,转场系统必须能随时中断和重新规划路径
-
建议: 在架构设计阶段就要考虑 回滚机制 和 动态路径规划,而不是依赖预制动画
-
跨图层渲染同步是隐藏的大坑
- 3D 应用和原生 UI 分属不同渲染管线,同步刷新几乎不可能做到完美
-
建议: 通过 视觉设计 (如景深虚化、遮罩) 来弱化同步问题,而不是纯技术手段
-
性能分析工具必须到位
- 车机端没有 PC 或移动端那么便利的 Profiler,调试性能问题极为困难
- 建议: 提前开发 定制化的性能监控工具,支持实时查看 CPU/GPU/内存占用,并导出日志
未来展望¶
Smart 精灵5号的 3D HMI 只是一个开始。通过 OTA 升级,团队计划持续迭代: - 为 Avatar 虚拟助手 "Six" 增加更多动作和表情,满足不同场景下的情感需求 - 优化转场系统的性能,支持更复杂的场景组合 - 探索 AR-HUD (增强现实抬头显示) 与 3D HMI 的联动,实现虚实融合的沉浸式体验
最后,引用 Smart 设计团队的观点作为结尾:
**3D 不是噱头,而是交互逻辑的升维。**通过 3D 在汽车 HMI 中的应用,标志着汽车从机械产品转换成智能终端的重要转型。通过更直观、更沉浸、更具情感化的连接交互方式,满足用户的出行需求。未来希望通过设计需求方和技术解决方一起,将 3D 元素从装饰性的设计彻底转换成功能性的核心,让 3D 定义智能汽车的体验,成为新的基准。
技术要点速查¶
关键技术栈: - 引擎: Unreal Engine 5 - 硬件平台: 高通骁龙 SA8295P (SA8.6 架构) - GPU 算力: 1.4T (车机端可用) - 分辨率: 2.5K@60Hz - 核心技术: - 动态分辨率缩放 (Dynamic Resolution Scaling) - 动态帧率调整 (渐进式降帧) - 平面反射 (Planar Reflection) - 顶点色分区控制 (Vertex Color Masking) - 一镜到底转场系统 (One-Take Camera Transition) - 物理仿真交互 (Physics-Based Interaction)
性能指标: - 高负载场景 (星球桌面/实况车桌面): CPU ~10K, GPU 385K/478GFlops - 一般场景: CPU ~7K, GPU ~400GFlops - 常驻内存: ~660MB
开发团队: - 设计方: Smart 汽车全球设计团队 - 技术方: 杭州新知物联 (专注 3D HMI 解决方案) - 引擎支持: Epic Games Unreal Engine 团队
参考资料¶
致谢
感谢 Smart 汽车团队和新知物联团队的技术分享,让我们有机会深入了解车机 3D HMI 的量产实践。感谢 Unreal Engine 社区的技术支持,为汽车行业数字化转型提供了强大的工具链。