基于AR- HUD 的人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

張藝凡

（北京金迪亞沃摩托車銷售服務(wù)有限公司，北京 100018）

在汽車智能輔助駕駛系統(tǒng)日益成熟的背景下，HUD（平視顯示器）逐漸成為現(xiàn)代汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。其原理是基于光學(xué)反射，將汽車行駛中的時(shí)速、胎壓等基本信息投射到駕駛員前方的擋風(fēng)玻璃上，在不分散注意力的前提下，讓駕駛員了解駕駛信息。但是HUD 也有諸多缺陷，例如顯示效果容易受環(huán)境光的影響，在外界光照強(qiáng)度較高的情況下，會(huì)導(dǎo)致顯示不清的問題；此外還有顯示信息單一，顯示圖像與真實(shí)路面場(chǎng)景不一致的情況。AR-HUD 技術(shù)解決了傳統(tǒng)HUD 的缺陷，但是目前尚未普及。探究AR-HUD 人機(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其緊急接管反應(yīng)速率，對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用有一定的價(jià)值。

1 自動(dòng)駕駛認(rèn)知系統(tǒng)

1.1 駕駛者認(rèn)知系統(tǒng)的組成

人機(jī)界面（HMI）是聯(lián)系駕駛員與汽車、外界之間的重要媒介。理論上車載人機(jī)界面可提供環(huán)境（如道路狀況、交通標(biāo)識(shí)）、車輛（如時(shí)速、油量）和多媒體等多方面的信息，駕駛員通過觀察、讀取人機(jī)界面上的這些信息，對(duì)車輛工況、路面情況等有基本了解，從而做出相應(yīng)的判斷，保證駕駛的安全。駕駛認(rèn)知系統(tǒng)就是駕駛員對(duì)上述信息進(jìn)行決策處理的過程，結(jié)合圖1 可知，該過程大體可分為“信息獲取- 判斷決策- 反應(yīng)執(zhí)行”三個(gè)階段。其中，由于駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)、反應(yīng)能力、實(shí)時(shí)狀態(tài)等方面存在差異，因此反應(yīng)表現(xiàn)也有明顯不同。

圖1 駕駛者認(rèn)知結(jié)構(gòu)體系示意圖

1.2 自主決策功能的實(shí)現(xiàn)

自主決策是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。自動(dòng)駕駛認(rèn)知系統(tǒng)可基于車輛前方及周圍的復(fù)雜路況，及時(shí)調(diào)節(jié)汽車的行駛狀態(tài)，從而按照駕駛員的意圖進(jìn)行安全行駛。自動(dòng)駕駛認(rèn)知系統(tǒng)利用車載激光雷達(dá)、攝像系統(tǒng)及GPS 定位裝置等，感知車輛周圍環(huán)境信息，然后結(jié)合駕駛路線，實(shí)現(xiàn)自主決策。整個(gè)決策環(huán)節(jié)分為3 層分別是基于駕駛情境認(rèn)知的認(rèn)知層、基于駕駛行為決策的任務(wù)層以及基于局部路徑優(yōu)化的規(guī)劃層。根據(jù)最終決策結(jié)果，自動(dòng)控制汽車的油門、方向，從而在復(fù)雜路況下能夠保障順暢、安全的架勢(shì)。自動(dòng)駕駛分層決策流程如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)駕駛分層決策示意圖

1.3 指令認(rèn)知行為分析

為保障行車安全，要求駕駛者認(rèn)知系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)限必須控制在3s 以內(nèi)，即“三秒交互”原則。其中，在0-1s 內(nèi)駕駛員要完成信息的獲取與識(shí)別；在1-2s 內(nèi)要完成相應(yīng)的操作；在2-3s 內(nèi)接收反饋信息，判斷操作是否成功。如果未達(dá)到駕駛員的預(yù)期，則重新調(diào)整操作。在上述過程中，駕駛員作出操作和接收反饋，可以憑借肌肉記憶和駕駛經(jīng)驗(yàn)來完成。而讀取車輛及環(huán)境信息，則成為影響駕駛認(rèn)知的關(guān)鍵因素。通過優(yōu)化人機(jī)界面的交互設(shè)計(jì)，可以縮短駕駛員用于讀取信息的時(shí)間，保證在1s 內(nèi)完成所有重要信息的獲取。為完成上述目標(biāo)，在AR-HUD 的人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理進(jìn)行界面布局，通常信息區(qū)域的數(shù)量控制在（7±2）個(gè)，既能夠保證信息的豐富度，又不會(huì)給駕駛員帶來較多的認(rèn)知負(fù)荷。

2 基于AR-HUD 的人機(jī)界面交互設(shè)計(jì)

2.1 觸覺交互設(shè)計(jì)

觸覺交互是通過座椅震動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。在車輛行駛過程中，如果AR-HUD 識(shí)別到外界有危險(xiǎn)情況（如跟車距離過近），車輛報(bào)警系統(tǒng)工作并將告警信息發(fā)送到震動(dòng)警告控制器。該控制器可以控制位于座椅內(nèi)部的震動(dòng)馬達(dá)，按照一定頻率進(jìn)行震動(dòng)，通過這種方式來提醒駕駛員保持注意力，準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)緊急情況。在一些高級(jí)汽車中，除了座椅震動(dòng)外，還會(huì)提供方向盤震動(dòng)。根據(jù)危險(xiǎn)程度的不同，震動(dòng)頻率、力度也有一定的差異。例如，對(duì)于普通的提示信息，通過執(zhí)行“NOTICE”指令，進(jìn)行單次、小幅度震動(dòng)；對(duì)于一般的注意信息，通過執(zhí)行“ATTENTION”指令，進(jìn)行多次、小幅度震動(dòng)；對(duì)于危險(xiǎn)的警示信息，通過執(zhí)行“WARNING”指令，進(jìn)行多次、大幅度的震動(dòng)。震動(dòng)幅度與提示信息等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 震動(dòng)幅度與提示信息等級(jí)對(duì)應(yīng)表

2.2 視覺交互設(shè)計(jì)

2.2.1 功能布局

基于AR-HUD 的人機(jī)界面視覺交互設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循簡(jiǎn)潔性、實(shí)用性的原則，只展示核心信息，簡(jiǎn)化功能布局。在確定界面分區(qū)之后，還要選擇AR-HUD 的具體功能進(jìn)行。根據(jù)駕駛操作需要，初步設(shè)計(jì)的功能有12 個(gè)，如啟動(dòng)信息、目的地信息、巡線導(dǎo)航、空調(diào)、多媒體等。為了避免信息要素過多，增加駕駛員的認(rèn)知負(fù)擔(dān)和注意力分散，經(jīng)過篩選之后僅保留了6 個(gè)核心信息，分別是時(shí)速、電量、導(dǎo)航、駕駛型號(hào)、信息條、巡線，具體布局如圖3 所示。

圖3 AT-HUD 界面布局示意圖

2.2.2 色彩方案

色彩能夠以直觀的形式產(chǎn)生視覺刺激，讓駕駛員以更短的時(shí)間獲取人機(jī)界面上的關(guān)鍵信息。另外，不同的顏色還會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生不一樣的心理暗示，例如綠色表示車輛工況和周圍環(huán)境良好；而黃色則起到了預(yù)警作用，紅色具有警示效果。除了紅、黃、綠三種基本顏色外，在AR-HUD 界面的色彩設(shè)計(jì)中，還添加了紫色，以便于增強(qiáng)與周邊環(huán)境的色差，避免因?yàn)轭伾煜绊戱{駛員讀取信息的情況。例如，AR-HUD 界面上選擇灰色、綠色，在實(shí)際顯示時(shí)可能會(huì)因?yàn)榕c路面顏色、綠化帶顏色重疊，而導(dǎo)致信息不明顯。選擇紫色的界面顯示效果如圖4 所示。

2.3 聽覺交互設(shè)計(jì)

聽覺交互是通過信息提示音的方式，讓駕駛員不用分散注意力即可獲取外界信息或接受反饋消息，從而減少通過視覺交互處理信息的壓力，對(duì)緩解解釋疲勞和保障行車安全有一定效果。基于聽覺交互的聲音類型有3 種，分別是普通的提示音，對(duì)應(yīng)指令為“NOTICE”；用于提醒的注意音，對(duì)應(yīng)指令為“ATTENTION”；用于警示的警告音，對(duì)應(yīng)指令為“WARNING”。除了上述3 種分別對(duì)應(yīng)不同狀況的聲音外，在聽覺交互設(shè)計(jì)中還加入了人聲提醒，例如由自動(dòng)駕駛切換到人工駕駛模式時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“即將人工接管，請(qǐng)握緊方向盤”的聲音，提醒駕駛員做好人工接管的準(zhǔn)備；之后還會(huì)出現(xiàn)“接管倒計(jì)時(shí)，3、2、1”的聲音，確保緊急接管的順利實(shí)現(xiàn)。

3 基于AR-HUD 的接管提示功能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)共挑選12 名受試者，其中8 名為男性，4 名為女性，駕齡在2-5 年，年齡在22-35 歲之間。所有受試者身體狀況良好，裸眼視力或矯正視力正常，不存在色盲、色弱等情況。采用隨機(jī)分組方式，一組為對(duì)照組，一組為實(shí)驗(yàn)組。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)中，將一臺(tái)高清投影儀固定在1 臺(tái)高度可調(diào)的三腳架上，使投影儀位于車輛中軸線，并將影像投射到車頭前2m處，布局方式如圖5。受試者按照順序，依次駕駛同一車輛按照同一路線完成30min 的駕駛，駕駛途中可遇到紅綠燈、過路行人、車輛變道等各種交通狀況。

圖5 場(chǎng)地設(shè)備布局圖

對(duì)照組為一般接管模式，駕駛員在行車途中，需要將視線轉(zhuǎn)移到位于方向盤右側(cè)的iPad 上，獲取屏幕上的相關(guān)信息。在自動(dòng)駕駛模式下，指示器顯示為綠色（正常行駛）和黃色（保持警惕），若指示器顏色變?yōu)榧t色（需要接管），則駕駛員會(huì)收到相應(yīng)的提示音或震動(dòng)，然后在提示之后的60s 內(nèi)，需要完成接管，將自動(dòng)駕駛切換為手動(dòng)駕駛。成功進(jìn)行模式切換后，等到系統(tǒng)發(fā)出“接管成功”的提示音，即完成接管。

實(shí)驗(yàn)組采用AR-HUD 接管模式，通過iPad 屏幕光折射的方式，將信息投射到駕駛員前方的擋風(fēng)玻璃上。在自動(dòng)駕駛模式下，界面線條始終保持水平。若需要接管，則界面線條會(huì)逐漸向上擺動(dòng)，并且在線條中間出現(xiàn)倒計(jì)時(shí)數(shù)字。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為“60s”時(shí)，發(fā)出“即將接管”的提示音；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為“30s”時(shí)，發(fā)出“握住方向盤”的提示音，顏色變?yōu)榧t色閃爍；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為“5s”時(shí)，對(duì)準(zhǔn)路線。之后完成接管，并出現(xiàn)“接管成功”的提示音，即切換為手動(dòng)駕駛。

2 組在30min 的駕駛中，分別接受一次正常接管操作和緊急接管操作，記錄并對(duì)比兩種情況下的反應(yīng)時(shí)間。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)12 名受試者駕駛中正常接管和緊急接管的反映時(shí)間，結(jié)果如表2 所示。

表2 兩組測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（單位：s）

根據(jù)表2 可知，使用AR-HUD 的實(shí)驗(yàn)組，正常接管的平均反應(yīng)時(shí)間為1.97s，相比于對(duì)照組的2.85s，反應(yīng)時(shí)間減少了0.88s；同樣的，在緊急接管反應(yīng)時(shí)間上，實(shí)驗(yàn)組也比對(duì)照組少用0.63s。說明在自動(dòng)駕駛模式下，有了AR-HUD 的輔助，可明顯縮短在遇到緊急情況時(shí)駕駛模式從自動(dòng)向手動(dòng)切換的反應(yīng)時(shí)間，從而顯著提升了駕駛的安全性。

另外，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS18.0，對(duì)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)。設(shè)置顯著水平α=0.05，正常接管顯著性sig 值為0.34，緊急接管顯著性sig 值為0.02，在95%置信區(qū)間內(nèi)，駕駛者使用AR-HUD 接管自動(dòng)駕駛的反應(yīng)速度更快，因此AR-HUD 的使用將顯著提高接管效率。檢驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

HUD 已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)上比較常用的一種配置，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在顯示信息比較單一等缺陷。將AR 技術(shù)與HUD 相結(jié)合得到的AR-HUD，不僅信息更加豐富，而且在視覺交互、觸覺交互、聽覺交互等方面進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，基于AR-HUD的汽車駕駛模式切換用時(shí)更少，可有效提高駕駛安全。