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关于车载平视显示的人机交互
Vassilis Charissis，Stylianos Papanastasiou
摘 要：这项工作介绍了汽车全挡风玻璃平视显示（HUD）界面的新颖设计，其目的是在低能见度条件下提高司机的空间意识和响应时间。为了满足这些要求，我们设计并实现了人机界面（HMI）的工作原型。尤其是通过车辆传感器获得的信息的优先级和有效性，这将辅助驾驶员在低能见度条件下驾驶车辆。所提出的界面基于真实对象的扁平化视觉表示，为高速公路环境提供了一种新的互动指导形式。总体来说，这项工作讨论了这样的人机系统的设计挑战，详细介绍了界面设计理念，并介绍了用户试用的结果，将我们提出的HUD与典型的下降显示（HDD）的有效性进行了对比。
关键词：HMI；HUD；导航；低能见度；符号学
1引言
可承受的车载信息娱乐设备的出现及其在多个消费市场中的广泛应用已经导致了对车载人机界面（HMI）的研究兴趣的增长（Ross和Burnett 2001）。然而，由于这种设备的部署引起的刺激超负荷可能会使驾驶员脱离主要驾驶任务，这可能导致事故（Recarte和Nunes 2003）。近来，随着传统仪器仪表板的发展，仪表板的任务是为信息娱乐设备（如全球定位系统（GPS）导航）和其他信息提供者（Kenny et al。2004）提供空间和心灵的份额。由于这种空间的使用不断扩大，下行显示（HDD）界面可能无法有效地提供关键信息，因为司机的注意力可以沿着几个不相关的信息出口分发。
平视显示器（HUD）界面固有地增加了与附加驾驶相关信息的屏幕保护，从而补充了传统的仪表板，同时引起了人们的关注，因为它在驾驶员的视野范围内。因此，简单的设计可以提供更多有用的信息，而不向已拥挤的仪表板添加内容。通过解释通过车辆传感器获得的大量信息，HUD界面可以增强对车辆周围空间的理解，并提高驾驶员的响应时间，特别是在低可见度条件下，如图所示。
本报告详细阐述了开发HUD界面的设计决策和原型实现问题，并提出了初步用户试验的结果。此外，这项工作与之对照图在模拟低能见度条件下提出了针对当代HDD界面的HUD设计。我们已经接受了观察记录，录像，问卷调查和访谈，以衡量司机的反应和偏好。
图1 在低能见度条件下驾驶
a使用现代HDD
b使用HUD视觉辅助
2 HUD在低能见度条件下的作用
在不利的天气条件下，HUD系统将会通过促进系统和驱动程序（机器和人员）之间的有效集成和交互，成为即将发生碰撞情况下的关键信息流调节器。由于在这种情况下避免碰撞所涉及的响应时间大约为几秒钟，所以我们断言车辆和驱动器之间的直接沟通通道应在此事件之前。具体来说，该链接将由HUD界面提供。但是请注意，反应责任不能以任何方式完全授权；最近的研究表明，任何车辆界面设计的人机因素之间应该平衡地分配驾驶反应的决策过程（McCann和McCandeless 2003）。
然而，人类行为容易经受刺激和信息过载，这可能导致程序错误或以其他方式使驾驶员表现不佳。如果机器被预先设定为执行特定的动作或计算，那么它将可以以正确的顺序执行一组过程，从而大大减少错误的可能性（McCann和McCandeless 2003）。
在这项研究中，机器借助传感器和雷达设备能够识别障碍物，并通过HUD使驾驶员目视了解其位置和速度；通过遵循预定算法，可以跟踪减速车辆，并且该信息可以通过图形符号传递给驾驶员。因此，该系统能在不影响驾驶的情况下增强人的视觉。
3 交互界面设计
HMI技术应用于车辆的主要问题是创建的显示器不直观。在危险情况下，例如高速公路环境中的低能见度导航，由于无用的设计导致界面延迟或提供无关紧要的信息都可能是致命的。一般来说，界面设计和功能应遵循以人为本的方法。因此，一个成功的以人为本的界面应该增强人类的行动（使用交通标志的机动性），感觉（通过前车辆碰撞符号的视觉增强）和判断（借助车道符号的车道选择和超车决定）。此外，它应该指导和支持用户，而不是限制他/她的驾驶能力。因此，在HUD界面的设计过程中，我们特别感兴趣的是通过视觉线索来拓展驾驶员的感知和认知能力。随后，所有基本信息都以图形形式（符号）呈现，可由驾驶员快速处理。
3.1视觉数据表示
在过去几十年间，字母数字界面被用于实时导航的符号系统。这反映了HUD设计的原始军事起源，作为提高军用飞机瞄准精度的手段。尽管事实上这些界面服务于一个特定的和
在这种环境中明确界定的目的，其非调整部署在汽车领域可能是不适当的。许多测试表明，HUD超载信息，特别是使用文本输出的HUD可以产生被称为认知捕获的效果（Ward和Parkes 1995）。
特别是，只要驾驶员由于存在多个视觉刺激而分心，就会发生认知捕获。这些视觉线索占用了大量司机的注意力资源，可以将驾驶任务的重点放在首位。总体而言，认知捕获是一种扰动性的认知问题，对驾驶员的表现和安全性产生瞬时的不利影响（Ward和Parkes，1994）。
可以说，在某些情况下，字母数字表示可能比替代品更适合;例如，考虑在导航系统中表达确切的车辆位置的情况。另一方面，司机需要以这种方式处理的信息量可能会大大延迟对可能的碰撞事件的反应。 HUD中的符号和字母数字数据的比较研究结论性地证明了人类的符号被更快地解释（Shekhar等，1991）。
为了减少或甚至消除视觉混乱，已经提出了用于导航信息的保形式符号系统（Fukano等人，1994）。简而言之，适形符号系统模拟外部对象的视觉变换，给观察者认为符号系是外部场景的一部分（Gish和Staplin 1995）。以这种方式，在实际道路场景中实现投影信息与关键细节之间的最小干扰也是可行的。我们的最终设计使用简单的几何形状作为符号，以便最小化认知捕获的影响和与之相关的问题。此外，根据车辆与感兴趣对象的距离（例如道路转弯或其他车辆），符号已经被颜色编码。符号尺寸的变化也表示车辆相对于前置车辆的速度，即表示接近的速度。
用于成功进行人机协作的界面设计的另一个方面是系统被用户快速吸收的能力。尼尔森认为评估这种能力的主要标准是十分钟的规则（Nelson 1980）。该规则表明，新手用户应该能够在十分钟的最大时间范围内学习界面的功能;否则界面未能正确传达预期功能。这个问题似乎是这些系统有效使用的一个重大缺点，前提是界面本身的复杂性超过了实际输入数据的复杂性（Rubinstein和Hersh 1984）。所以我们的意图是避免混乱的字母数字数据（即与前车辆的距离）的不断外观，或将加剧视觉混乱并最终导致认知捕获效果的复杂图标。设计遵循“形式跟随功能”的口号，视觉线索以简约的方式呈现。
3.2最终提出的界面
所提出的HUD界面设计，经过几次迭代，已经定居到图1所示的形式。在设计和实施过程之前，研究在低可见度下，在可能的碰撞情景中超越物体时，检查用户在车辆中执行的任务;我们研究了司机的认知，行为，拟人化和文化特征。早期模拟阶段的经验测量和统计分析有助于进一步将界面演变为最终形式。通过开发阶段，应用了循环模式，即设计，测试，评估和分析（然后循环回设计），以实现系统所需的性能并满足驱动程序的要求。已经注意到这种方法的优点，并且已经显示导致成功的设计和实现从机器或计算机向人类代理传达信息的界面（Cacciabue 2004; Gould和Lewis 1985; Preece等人2002）。
总的来说，界面中有四种主要类型的通知元素，它们提供方向辅助和碰撞警告功能。这些是车道标志，主要车辆符号，交通拥堵符号和道路标志;现在我们再简单地概述一下。车道符号提供了一个易于识别的“虚拟路径”，即车辆在路上的位置，并有助于避免意外车道偏离。此外，车道标志还作为在车辆附近存在障碍物的警告（如超车或车道障碍物）。后一种功能通过车道符号的颜色编码来实现;车道条上的绿色表示在车辆的该侧没有障碍物，而红色着色表示存在一些障碍物。 图2 HUD元素及其功能
引导车辆符号叠加在第一排主车辆上，并作为防撞机构，通知驾驶员感兴趣的其他车辆 警告驾驶员其他车辆群体的存在，在沿着路线和附近的某一点缓慢移动或静止。此提示的存在提示驾驶员降低速度以预期流量较慢流。
道路转向指示符号，作为附近道路转弯的指标，正如顾名思义所示。转弯箭头上的褶皱条纹表示道路转弯的接近度，可预测的是箭头指向转弯方向。
请注意，所有上述符号旨在提供信息而不会分心，但也可以在需求上升时立即注意。我们以前的工作（Charissis and Papanastasiou 2006）中包含了所使用的符号设计的彻底理由，以及对符号在HUD上的定位的讨论。
4仿真设置和实验依据
本部分简要描述了用于评估HUD系统有效性的模拟器，介绍了用户试用场景的设计原理，并概述了使用的实验程序。
4.1开发模拟器设置
提出的HUD界面的效率通过使用驾驶模拟器的用户试验进行测试。模拟器的物理设置反映了中型车辆的内部，并包括大多数汽车（方向盘，脚踏板，齿轮杆等）中的驾驶仪器。用户试验的目的是为了在使用HDD时测量驾驶员的表现，使用功能正常的转速表和速度计（如现代仪表板所预期的那样），而不是使用模拟全挡风玻璃HUD界面，如图1所示。值得注意的是，在试验期间，视频镜头被两个遥控摄像机捕获，一个专注于模拟器的显示器，另一个在驱动器上。结果，除了通过记录模拟数据获得的测量之外，可以对驾驶员的警觉状态和对模拟事件的情绪反应进行主观评估。试验本身被安置在格拉斯哥卡利多尼亚大学的电动实验室，为期两周，其中40名男女和各种技能水平的参与者。有关驾驶模拟器的更多信息可以在Charissis等人（2006年）。
4.2实验设计理由
作为测试床实验的初始设计，我们考虑了基于“汽车跟随”情景的两种常见驾驶状况（Daganzo 2000，Kiefer等人1999，Smith等人2003）。图3包含了两种场景的简要概述，以及每个场景的简短描述轮廓。
第一种情况，如图所示。 3a，涉及20辆车穿越轨道，由守法驾驶人工智能带动。在开始的时候，司机的车辆被设置在两个车组之后，它们由具有不同速度特性的汽车组成。然后，并且在预定的时间情况下，前进的车辆将立即制动，迫使驾驶员停止刹车或者进行回避操作。司机成功绕制刹车组后，在距离500米处有一个制动组出现，进一步挑战司机采取回避行动。如果任一组发生崩溃，模拟器将停止，并且该场景被认为是完整的。这个设置的特定目的是为了评估驾驶员对意外事件的反应，如果要避免碰撞，这将提示立即采取行动（Kiefer等，2003）。
图3模拟情景。a突然刹车场景。 b交通拥堵情景
第二种情况，如图3b所示，重新创造了拥有20辆参与车辆的交通拥堵现象。在这种情况下，一个交通的“瓶颈”将被置于一座桥下的盲目转弯处，造成重大的事故风险。与以前的设置相反，在这种情况下，司机预计会处于一个更高的警戒状态，因为他们应该意识到，由于在轮到的可见性有限，道路转弯本来就更具危险性。请注意，驾驶员的反应是制动直到车辆达到停车状态为止，因为无法绕过交通堵塞。
还应该提到的是，格拉斯哥·斯特拉斯克莱德警察局（2004年）特别关心这两种情况，如同一份内部有关的报告，类似的情况已经显示出大多数车祸碰撞的事故。这两种情况已经在一个模拟轨道中进行了测试，这些轨迹是为了反映英国格拉斯哥和爱丁堡城市之间现有高速公路综合体的实际布局。该区域的轨道和地标被建模并导入模拟引擎。在这两种模拟中，以模拟雾形式引入了低能见度因素，允许大约5％的可见度（能够辨别前面达50米的物体）。
在试验期间，收集了几个指标来评估驾驶员的表现;收集间隔设置为0.05秒。在试运行过程中，对于给定的用户，记录了车辆速度，车道位置和与前方车辆的距离。这些测量可以很大程度上揭示驾驶行为和对特定事件的反应。在每次试运行结束时，批判性地注意到驾驶员是否设法避免碰撞。
5 HDD-HUD界面比较
根据上一节所述的情况，在用户试用期间，所提出的HUD系统与传统仪表板（HDD）形成对照。本节详细阐述了比较，并为HUD的疗效提供了有力的依据。首先，呈现了典型的用户对第一个仿真场景的反应（突然制动 - 图3）。这种检查提供了对平均驾驶反应的了解，并提供了系统优点的一些理由。然后，通过考虑在用户试验中使用HUD来增加传统仪表板时避免的碰撞次数来评估系统的实际有效性。最后，考虑了所提出的设计的有效性，通过问卷调查，要求试验参与者衡量HUD的有效性，并提供他们对拟议界面的总体印象。
5.1评估典型的用户反应
在图4的曲线图中可以观察到对第一模拟场景的常见用户反应。在该试验期间记录的数据表示对“突然制动”情况的典型反应，如图4所示。 a，下面的讨论对于一般情况下HUD界面的有效性是有启发性的。应该注意的是，该参与者首先使用HUD界面开启“突然刹车”情景，然后使用标准
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