汽车HUD界面原型评估： 通过VR模拟测试驾驶员的对焦能力

摘要 

当代汽车，导航和制造信息娱乐要求已经演变成传统仪表板变成一个复杂的设备，往往可以分散注意力驱动程序。平视显示器（HUD）最近吸引了人们在汽车研究领域的重视，推动减少驾驶员的反应时间并改善空间意识。拟议的HUD界面的能力在于在驾驶者对HUD界面的对焦能力和实际的流量。本文分析了其性能行为通过用户测试使用不同的焦点级别全挡风玻璃HUD界面的投影。为了这目的，一个VR驾驶模拟器已经被开发来测试驾驶时HUD的不同的景深配置在各种天气和交通条件下有无HUD。我们的仿真结果揭示了用户的偏好关于叠加界面的焦点和对不同的重点层面进行比较评估及其对驾驶员行为和表现的影响。

一.引言

汽车电子技术的进步与发展实时应用程序，如板载导航和娱乐系统，引起了很多新的关注用于表示重要信息的方式和界面驱动程序[1]。由于客舱空间有限特别是在驾驶员部分，信息娱乐设备负担了仪表板区域，分散驾驶员[2，3]。挡风玻璃利用率提供了一个解决方案将信息直接投射到司机的领域视图。平视显示器（HUD）显示独特如投影的无限组合等特点信息没有任何固定的拨号位置。

在我们的研究中，我们选择了一个完整的挡风玻璃平视显示器因为它提供了比较改进的响应时间仅部分地使用所提供的玻璃/透明空间[4，5]。进一步的实验和现场试验令人信服地证明叠加至关重要一个完整的挡风玻璃平视显示器的信息结果相比之下响应速度的提高响应时间提供使用传统的无头灯显示器（HDD）[6,7]。但是，投影HUD

接口产生了一些实现问题和人机交互（HMI）误解。该主要源于视觉的认知捕捉效应投影信息的混乱已成为大多数以前的HUD尝试的主要问题[8]。在建议的界面，简化的视觉线索告知关于可能障碍的重要信息的驱动程序交通情况和道路情况，尤其是在低能见度的情况。第二个执行问题是投影HUD的焦距，例如，感知两个符号显示的距离直接投射到挡风玻璃上或使用特殊的光学。以前的研究与现实生活实验有关据称理想的距离将近似于（1.6m - 2.5m）[9]。不过呢仍然不清楚是否具有创新的特点所提出的HUD界面将有效地运作这个距离;因此我们开发了一个VR驾驶模拟器来评估HUD的最佳操作距离。

本文的其余部分安排如下。 下一个部分简要介绍了所提议的HMI设计为全挡风玻璃HUD系统并且概述它的主要组件（符号表示）。 成功部分讨论有效深度的模拟要求场地，天气和事故场景对焦点重新不作为距离实验。 随后，第四节载有实验的基本原理和简要说明描述系统评估的方法。最后的部分介绍和讨论的结果调查。 我们通过概述实验结束成果和未来工作的初步计划。

二.HUD人机界面

拟议的HUD界面已经被设计使用在低能见度的条件下，如大雾和大雨，在高速公路环境[10]。 投影的图形符号已经过广泛的测试和开发为了给司机提供唯一的重要信息用于避免在机动或制动中的碰撞即将发生的碰撞情况。 因此，考虑到性质和信息的格式（实际大小的车辆，建筑物和其他障碍），它认为更适合于使用全面的设计来增加驾驶员的空间意识。 此外，为了增强人的感官 - 视觉特别 - 符号出现与五颜六色视觉线索坚持SAE颜色编码标准。另外，他们改变他们的维度在视觉上和按比例上是他们的客体代表。

在HUD显示器的开发过程中，四件信息主要被认为是最重要的在高速公路上避免碰撞。 这个信息是通过对实际物体的图标表示进行可视化产生四个符号，即车道/路径识别，领导车辆检测，交通警示和急转弯通知（符号如图1所示）。 简要提出的HUD符号系统的描述是进一步提供。

Figure 1 HUD Design

A. Lane符号/路径：路径显示的概念最初是为航空HUD设计和开发的[11,12]。我们的标志是一个简化的版本，重新设计和调整为汽车使用。它看起来像一个组成会聚线叠加在实际道路上标记。由于这个现实生活中的图像复制，驱动程序不断通知车辆在车上的位置并最终阻止他/她意外车道偏离。

地带的颜色编码提供了一个障碍警告。在红色的车道条上指示一侧的物体该车辆，另一车辆或车道障碍物，而绿色表示通畅的车道。B.领导车辆符号：这类符号是用于指示领先的车辆，因此作为后方碰撞预警系统。这个功能被考虑了对于提升驾驶员的空间和情境至关重要意识，特别是指示距离的距离前方车辆。

在同一车道上行驶的引导车辆已经过了在顶部添加一个倒三角突出显示符号，如图1所示，以进一步改善对情况的意识。通过视觉避免混淆杂乱无章，只有领先车辆的第一排由界面叠加。符号“跟随”了车辆按比例分配并带有四种颜色状态距离/风险等级：蓝色→绿色→黄色→红色。此外，领导车辆的相对位置符号和车道/通道符号可以提高驾驶员的驾驶空间意识显着，进一步肯定了质量的信息[13]。

C.转动符号：此导航功能依赖于GPS和道路测绘软件，为早期提供信息高速公路路段的识别和警告有限的能见度，如路口，交叉路口和发夹转，这可能是特别棘手的遍历。箭头指向即将到来的道路转弯的方向，通过颜色编码的条纹指示距离。它最初出现在浅蓝色和明显的绿色，黄色和蓝色条纹红色是根据潜在的距离而添加的危险的道路转弯。这个功能与之无关这里提供的用户测试，并没有在实施这个阶段。

D.交通标志：领先的快速减速接近交通瓶颈的车辆是典型的高速公路上的事故情景[14]。交通标志表示拥塞是出现的HUD特征逐渐显示出形成的位置和距离交通拥堵。警告急速减速由于交通拥堵导致车辆大大减少后方碰撞的风险。另外还有一个流量通知符号可以在阻碍交通情况时有用对驾驶员的视野是隐藏的（即在角落附近，在桥下，低能见度条件下）。对符号的设计与理解进行深入分析HUD界面中的功能已经在[15，10。

三.模拟R的设备

测试HUD可变焦距的影响符号，一个沉浸式的虚拟现实驾驶模拟发达。该系统必须提供一个合理的令人信服的驾驶体验和复制效果不同的HUD配置。特别是，它不得不提供不同深度的准确感觉刺激焦点配置。

A.驾驶模拟器系统用来测试HUD的模拟器是一个扩展版本如[16]所介绍的VR模拟系统。它是最初是为了评估校准要求而开发的扩展了这个评估对互动驾驶模拟和仪器状态记录和场景管理。

1）软件

驾驶模拟器软件是使用Multigen构建的VEGA Prime虚拟现实开发工具包。 VEGA

Prime提供了模拟框架和实时图形和音频渲染支持，包括立体渲染提供深度的印象。 VEGA Prime还提供了包括大气效应的模拟时间，云，雾，雨，雪。该软件模拟驾驶在一个平直的高速公路与温和交通。

驾驶模拟实现了简单的驾驶模型提供逼真的加速度，减速度和阻力取决于速度。它不模拟任何进一步的影响如打滑或响应崩溃。我们发现这样一个简单的模型对于给定的测试就足够了情景（如第四节所述）。

高速公路上的其他车辆实施为具有基本避免碰撞的自主代理超越逻辑。他们试图达到他们的个人目标速度和开关车道，如果前面的车比较慢，而同时通过调整速度避免碰撞并避免阻塞车道。他们的目标速度不一在25m / s和40m / s之间。

2）HUD模拟

HUD模拟使用具有透明度的纹理在这个位置上呈现为广告牌的频道由驾驶员头部的光线交叉确定到相应的汽车和虚拟平面（HUD平面）即是平行于挡风玻璃（见图2）。 位置（与驾驶员的距离）取决于测试情景并定义焦距，从而定义立体声在符号呈现的不一致。

Figure 2. Side view of driver and car to illustrate the position and distances of the HUD plane.

3）硬件

用户舒适地坐在驾驶座上，方向盘与力量反馈和脚踏板为加速器和制动器连接（见图3）。 汽车内部和环境显示1.8米宽通过使用有源立体声的1.2米高的背投屏幕CRT投影机。 屏幕位于1.3米的距离用户。 用户佩戴分离的无线立体护目镜分别为左/右眼的图像。 所有软件使用两个Intel Xeon 3.6GHz处理器在一台PC上运行和高端显卡（nVidia Quadro FX4400）。该系统保持40至60Hz的稳定帧频，提供顺畅的体验。

四.实验课程

确定HUD的最佳焦深界面是这个实验的主要目的。在此期间所提议的HUD设计的评估的第一阶段[13]在非沉浸式驾驶模拟器，它变得清晰尽管HUD表现良好，但我们不得不这样做进一步调查的感知和人体工程学的影响投影距离来验证以前的结果。由于

与试验相关的高昂成本和风险在真实的汽车中，我们选择实施仿真系统首先使用虚拟现实技术。

以前，我们的假设是HUD界面只有在低能见度条件下才有用，通常不到50米。目前还不清楚用户会对投影的附加信息作出反应挡风玻璃在良好的能见度情况下，因此，设计是否可以超越其原来的可转换性设计指标。

为了测试这个假设，一些测试场景是（第IV.B节），并使用虚拟现实车进行测试模拟器系统在第三节中介绍。所有情况包括在直线高速公路上行驶，避免其他交通。交通堵塞发生在一个确定的距离。一旦司机达到了障碍（或撞上了），情况结束，操作员切换到下一个场景测试对象准备就绪。

Figure 3. User on the simulator.

A.立体渲染的景深模拟

VR投影中使用的立体渲染环境可以精确地模拟物体的不一致性如由于不同的视角所引起的感知眼睛之间的距离（眼间距离）。另一个人类深度认知的两个主要组成部分。

距离估计，运动视差和眼睛对焦等在我们的测试中忽略。只有微小的运动视差以物理头部运动在驾驶情况下所致坐姿受限制的运动。缺乏使用传统的有效的景深模拟投影技术将影响测试结果在一定程度上，最终需要一个决赛使用真实车的验证。开车时绝大多数的人可以毫不费力地重新聚焦远处的物体（例如其他汽车）和汽车的仪表;因此我们假设我们的模拟结果是合理的可转换的。

B.评估情景

设计了一套八个测试场景来评估各种HUD的效果和人体工程学能见度条件和焦距（见表1）。该测试操作员手动选择场景并指示用户开始驾驶。

方案1到3被设计为复制和验证以前的结果通过二维模拟[13]得出在极低的能见度下模拟驾驶。 他们也测试用户是否注意到不同焦点之间的差异低能见度下的距离。 他们测试了这个假设HUD和汽车之间的焦距不同在极低的能见度下不会造成困难条件。

Figure 4. Screenshots of different scenarios.

场景4到7测试HUD设计是否会尽管原来是有效的，但仍然具有良好的知名度专为低能见度的情况而设计。 他们挑战焦点存在较大差异的假设HUD接口与其对应的距离真实的物体可能会混淆司机。

情景8再次模拟了非常低的能见度情况通过检查学习或验证来验证场景1至3熟悉效果。

所有的情景都包括一个交通堵塞之后的模拟开始后1500米到4000米之间变化的距离的情况。 这个障碍的引入使我们受益匪浅检查交通警示标志的有效性。方案0被定义为让用户熟悉模拟器及其控制。 测试操作员只会用户感觉舒适后开始以下场景驾驶模拟器。

C.评估数据

该系统的评估是基于三个不同的数据源的类型。测试对象被要求填写一个测试前和测试后的问卷。问卷是旨在提供与早期测试系列[13，12];还有新的问题明确地处理焦距

并增加了模拟器疾病问题。在此期间测试，操作员激励测试对象报告一般情况印象，并提出有关影响的具体问题和不同焦距的偏好（例如“你是不是注意HUD与之前相比的差异情景？“，”你把重点放在汽车的仪表盘上还是车上？HUD？“等）。最后，模拟器软件创建了一个日志文件为每个测试主题。这个日志包括信息关于运行状态（当前时间，位置，速度，加速）和个人事件（场景开始，很难刹车，碰撞）。

D.测试主题

本文提出的结果是基于12个用户试验。所有考试科目都是大学生或工作人员有不同的教育和文化背景，有7名女性五男，年龄介乎二十五至五十七岁由于急性模拟病症而中止。

V.估价结果

测试结果基于三个数据来源进行分析：测试前和测试后问卷，记录状态数据和考试科目的意见。

A.问卷分析

测试后的问卷大多证实了口头考试期间提供的考试科目评论。茫茫大多数人喜欢在恶劣天气下使用平视显示器，而大多数人认为这太过于分散注意力天气。他们通常偏好较长的焦距（见表2和图5）。

作为一个有趣的异常，将需要进一步调查，大部分考试科目认为他们是在平视显示器的情况下，驾驶的速度更快不管HUD如何，速度几乎是恒定的配置（见V.B节）。

问卷涉及其他领域，如任务负载评估和驱动程序的背景信息。该结果与先前测试的数据一致[参考文献2D测试]，并不在本文进一步讨论。

B.日志数据分析

记录数据的分析提供了一些洞察力司机的行为。平均驾驶速度和从记录的数据中提取最大速度。

最高的速度提供了一个洞察如何舒适的用户感受到了天气条件。它是在很大程度上独立于测试之间不同的因素和诸如其他交通的主题。最高速度也清楚地揭示了一个测试对象是否将测试视为一个测试电子游戏。

而最大速度之间差别很大考试科目（标准差在5.2和场景之间7.9米/秒），平均最大速度受试者出乎意料地在各种情况下保持不变，对于所有低能见度场景，约为30m / s（1-3,8），对于那些情况良好的情况下约为35m / s能见度（4-7）。 HUD的焦距设置对行车速度没有显着影响。它确实有一个尽管对事故发生概率的重大影响，在场景1中大多数司机都撞上了交通堵塞。一般来说，司机变得更加小心（慢）的方向测试系列结束，但都明显超过了什么由于能见度极低，因此被认为是安全的速度。

每个场景的平均速度分析显示与最大速度分析一样的趋势。该然而，测量包括更大的误差，造成测试对象未立即加速后情况开始了，由于显着的不同情景的持续时间，影响的影响初始加速阶段（汽车在开始时静止不动每个测试）。

C. HUD焦距的影响

HUD距离的不同配置没有对平均或最高驾驶速度产生可衡量的影响。然而，测试科目报告非常一致驾驶期间的主观印象。

在低能见度的情况下，所有的用户都依赖于HUD识别其他车。大部分用户都在关注路

但是，保持车道标记。场景2,3之间和8，大多数用户评论缺乏对比黄色和绿色图标之间的灰色背景（白天雾），但只注意到了明确要求后不同的焦距。没有测试对象在短焦距上有负面评价场景2.这支持原始设计假设由于能见度极低，近距离聚焦HUD不会分散司机，因为它成为主要的方向来源很少有可用的外部视觉线索。

然而，焦距在场景中确实成了一个问题5-7。所有用户在情况5中报告立即不适。

困难的重点或者在远处的汽车或挡风玻璃上的各个HUD符号位于焦点处距离只有0.7米。所有的用户首选驾驶没有一个HUD良好的知名度。改变HUD焦点在场景6中的距离为2.5米被认为是非常的除了一个之外，所有人都有显着的改善（见第VI.A节）测试科目，尽管用户仍然报告一些分心由于符号和汽车的深度不匹配。考虑在方案7中切换到5米焦距大部分的进一步改善，虽然大约一半用户只报告了一个微小的差异。

可以得出结论，用户一般偏好较长焦距以减轻眼睛重新聚焦的压力。但是，这一点在最低的情况下并不明显能见度条件，测试主体完全依赖HUD，这是符合原设计意图的[13]。

大多数用户报告了一个非常有意识的决定侧重于外部车辆或HUD，类似于切换传统硬盘之间的关系仪器和外部的交通。有良好的知名度条件下，目前形式的HUD可以分散注意力驱动程序通过引入视觉混乱进入关键的领域注意。一套经过修改的符号，专为常规而设计能见度条件应该被考虑。此修订应该只呈现通常不可见的信息通过定期的角度;包括现有的符号和提高他们的精力（例如双线图标代理作为盲点汽车的警示标志）。

五.讨论

测试结果的分析证实了原文假设。特别是焦距下的效果低能见度条件鼓励原来的设计将在实践中工作。正如预期的那样，结果表明HUD设计需要进一步优化减少视觉混乱和分散注意力条件。

A.数据的统计相关性和一致性

测试结果基于12个测试对象。一套由于晕车导致数据不完整;另外两套由于超速超速而相关性降低（参与者将这些试验视为游戏）或过于谨慎驾驶。加上一定程度的随机性其他车的模拟，速度的测量，反应时间和崩溃次数涉及太多变化作出最终的判断

HUD的有效性。不过，我们的主要兴趣对于这一系列的测试是在人体工程学方面不同的对焦距离。 HUD的有效性界面在低能见度下传达重要信息条件在以前的研究中已经过测试和验证已经[10,13]。定性访谈评论是一致的。所有测试科目首选类似的HUD焦点配置和遇到类似的重点困难。只有没有注意到显着差异的单个主题在不同的HUD焦距之间。靠近检查发现这个人一般都有由于斜视严重限制了立体视觉充分说明不同的测试结果。

B.模拟副作用

几个测试对象提到了模拟器的轻微影响疾病。这些是由感觉冲突造成的信息到大脑，大多是由于缺乏加速度力和不完整的深度信息，有限的分辨率和立体感的轻微模糊

投影系统使用。就像VR驾驶模拟器一样正在开发中，用户对其质量的反馈模拟为研究团队提供了宝贵的资料信息和建议进一步改进。 。该由这些实验引起的模拟病的数量是这种类型的虚拟现实仿真在我们的典型经验。

C.结果的可转移性到现实世界

鉴于模拟系统的不完善性，特别是不能模拟景深效应使用当前的VR投影技术，很显然进一步的测试使用HUD系统的物理原型在真正的汽车将被要求充分验证结果。尽管如此，我们相信所发现的问题通过模拟将保持有效。

五.结论

本文提出了一个适用性的调查三个HUD界面投影距离（0.7m，2.5m和5M）。通过基于实际的八个模拟场景，现场审判的发生，我们已经证明最多首选和舒适的投影是最远的一个（5米在前面），提供更一致的对齐眼睛之间存在的物理对象。此外，我们确定并分析了最大之间的联系达到的速度和驾驶员的聚焦能力。

但是，这个实验突出了一些潜力源于非真实而虚拟的问题通过VR驾驶来表现景深模拟器，可以通过进一步发展来处理系统的硬件和软件功能利用用户对当前实验的反馈。在里面未来我们的目标是衡量一些驾驶员的表现斯特拉斯克莱德警方提供的新的碰撞情景英国格拉斯哥系。最后，我们也在更多的验证我们的模拟结果的过程要求驾驶场景和环境，最后在现实生活中的HUD界面中验证我们的结论原型安装在实际车辆上。

 来自：V.Charissis, M. Naef 

University of Glasgow / Glasgow School of Art

来自普修设计