基于中國(guó)人體眼橢圓的汽車(chē)HMI設(shè)計(jì)研究

中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司 天津大學(xué) 鞠偉男 劉麗萍 溫泉

關(guān)鍵詞：眼橢圓;中國(guó)人體特征;HMI;設(shè)計(jì)建議

隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展及消費(fèi)者對(duì)舒適性、交互性關(guān)注度的提升，HMI設(shè)計(jì)越來(lái)越多地被提及。汽車(chē)HMI設(shè)計(jì)是一個(gè)比較特殊的領(lǐng)域，與傳統(tǒng)意義上的HMI（Human Machine Interface）有一定的區(qū)別。汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的人——機(jī)——環(huán)境交互的工具，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)正在從一個(gè)單純的運(yùn)載工具，逐漸演變成與人進(jìn)行復(fù)雜交互的載體。

汽車(chē)強(qiáng)國(guó)均擁有一套符合本國(guó)國(guó)情的人機(jī)體系，例如，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）人機(jī)體系、日本人機(jī)體系、德國(guó)人機(jī)體系等。統(tǒng)計(jì)全球前四大汽車(chē)市場(chǎng)銷(xiāo)量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，除中國(guó)外，均是本國(guó)品牌占據(jù)銷(xiāo)量榜前三的位置。中國(guó)目前人機(jī)設(shè)計(jì)體系還為空白，企業(yè)設(shè)計(jì)大都參考SAE規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)單修正，是導(dǎo)致中國(guó)自主品牌車(chē)輛產(chǎn)品力不足的原因之一。

眼橢圓作為人機(jī)體系重要組成部分之一，在整車(chē)視野設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。1975年Ishida等人對(duì)日本駕駛員眼橢圓與SAE眼橢圓進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，日本人體眼橢圓定位中心比SAE靠后，論文中給出的解釋是可能由于日本駕駛員大都傾向于手臂伸直駕駛，導(dǎo)致乘坐位置靠后。由此可見(jiàn)，眼點(diǎn)位置并非完全由人體基本尺寸決定，與種族、人群的生活習(xí)慣、文化差異等也存在一定聯(lián)系。本文將簡(jiǎn)述中國(guó)人體眼橢圓的構(gòu)建方法，與SAE眼橢圓進(jìn)行對(duì)比分析，最終為汽車(chē)HMI設(shè)計(jì)提供建議。

1眼橢圓基本概念

眼橢圓是“駕駛員眼睛位置”的一種統(tǒng)計(jì)表示法，在車(chē)輛三維空間中，不同身高、不同性別的眼點(diǎn)在空間內(nèi)聚合成橢圓狀。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析處理，可得到左右各一，分別代表左右眼點(diǎn)的分布圖形，簡(jiǎn)稱為“眼橢圓”。

2基于中國(guó)人體眼橢圓的汽車(chē)HMI設(shè)計(jì)流程

2.1數(shù)據(jù)采集

2.1.1試驗(yàn)樣本

樣本的選擇是眼點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，樣本選擇的精度將直接決定數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。本次試驗(yàn)運(yùn)用最新的中國(guó)人體數(shù)據(jù)庫(kù)。

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，選取500樣本，其中男性258名，女性242名;身高分布在148cm～181cm之間，平均身高162.4cm，符合正態(tài)分布;體重分布在40kg～92kg之間，平均體重65.7kg;年齡分布在17歲～70歲之間，平均年齡43.5周歲。

2.1.2試驗(yàn)樣車(chē)

所選樣車(chē)人機(jī)參數(shù)范圍覆蓋A類車(chē)范圍，涵蓋美系、法系、德系、日韓、國(guó)產(chǎn)等多種車(chē)系;群眾基礎(chǔ)良好;行駛里程不超過(guò)1萬(wàn)公里。本次試驗(yàn)共選擇大眾CC、哈弗H9、卡羅拉、帕薩特、福特銳界、逍客、大眾高爾夫、大眾途觀8輛樣車(chē)。

2.1.3試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)整車(chē)坐標(biāo)系下樣車(chē)及被試進(jìn)行掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為保證較高的點(diǎn)云質(zhì)量，試驗(yàn)使用兩種掃描設(shè)備結(jié)合的方式進(jìn)行掃描。形創(chuàng)HandySCAN 700用于掃描樣車(chē)整體結(jié)構(gòu)，精度0.002mm。GO SCAN用于掃描人體駕乘姿態(tài)及車(chē)輛內(nèi)外飾，精度0.1mm。

2.1.4試驗(yàn)方法

1）信息統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)被試性別、年齡、身高、體重等基本信息。

2）掃描前準(zhǔn)備。向被試介紹數(shù)據(jù)采集流程及注意事項(xiàng)，要求試驗(yàn)對(duì)象穿著白色緊身衣褲、白色或者灰色等暗色調(diào)鞋子（或套上白色鞋套，建議穿運(yùn)動(dòng)鞋），頭戴白色泳帽（頭發(fā)不能露出），身上不能佩戴首飾;并在被試關(guān)鍵特征點(diǎn)位置粘貼標(biāo)記點(diǎn)，包括肩點(diǎn)、膝蓋、肘部等部位。

3）眼點(diǎn)數(shù)據(jù)掃描。樣本坐在車(chē)輛主駕位置，調(diào)整座椅、方向盤(pán)至舒適位置，佩戴安全帶，雙手握方向盤(pán)，左腳放置于擱腳板，右腳放置于油門(mén)踏板（不用力踩油門(mén)），目視前方，模擬正常開(kāi)車(chē)狀態(tài)。對(duì)樣本駕乘姿態(tài)進(jìn)行掃描，要求各特征掃描完整，特別是臉部、頭部。

2.1.5眼點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

提取方法如下：（1）擬合眼部點(diǎn)云，以左右、上下最寬處作“十字線”作為輔助參考;（2）同一個(gè)人在不同的車(chē)中，左右眼距保持一致，誤差在±1mm內(nèi);（3）若眼部點(diǎn)云一側(cè)質(zhì)量較差，則參考較好一側(cè)，并保證第2條規(guī)定。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1異常值剔除

異常值的存在會(huì)嚴(yán)重影響分析結(jié)果的精度。在實(shí)際掃描過(guò)程中，掃描樣本不僅存在點(diǎn)云缺失、錯(cuò)位等，還有部分樣本存在駕駛姿態(tài)異常的情況，如人體中線與方向盤(pán)中心點(diǎn)Y向存在較大偏差、頭部后仰等。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不完整數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)，最終得到3469組數(shù)據(jù)。

2.2.2正態(tài)分布檢驗(yàn)

運(yùn)用單樣本K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)推斷總體是否服從某一理論分布。其原假設(shè)是Hn：樣本來(lái)自的總體與指定的理論分布無(wú)顯著差異。如果檢驗(yàn)得到的相伴概率值小于或等于用戶心中的顯著性水平a，則應(yīng)拒絕H，認(rèn)為樣本來(lái)自的總體與指定的分布有顯著差異;如果相伴概率值大于用戶心中的顯著性水平a，則不能拒絕Hn，可以認(rèn)為樣本來(lái)自的總體與指定的分布無(wú)顯著差異。由表1可以看出，該車(chē)X、Y、Z三個(gè)方向的眼點(diǎn)數(shù)據(jù)漸近顯著性均大于顯著性水平0.05，因此，不能拒絕原假設(shè)，可以認(rèn)為各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

2.2.3數(shù)據(jù)分析

對(duì)樣本整體眼點(diǎn)分布狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1、圖2。

可以看出，男性整體分布范圍較廣，男性位置整體偏高偏后，女性位置整體偏低偏下。對(duì)男性和女性眼點(diǎn)分布狀態(tài)分別進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，不管是男性還是女性，隨著身高的增大，眼點(diǎn)近似呈S狀分布。

2.3眼橢圓模型構(gòu)建

眼橢圓的形成需確定其軸長(zhǎng)、角度、中心點(diǎn)位置，不同人群的眼橢圓形狀及位置有所差異，下面對(duì)男女比例為50/50時(shí)的眼橢圓模型建立方法進(jìn)行推導(dǎo)。另從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，男女眼橢圓傾角大小不一定一樣，也不一定符合相同的正態(tài)分布，應(yīng)該要對(duì)男女眼橢圓分別進(jìn)行處理，得到男性及女性眼橢圓。但為了工程上使用的便利，采用男女眼點(diǎn)混合的方式進(jìn)行眼橢圓的處理，因此眼橢圓精度會(huì)受影響，但在工程上應(yīng)用是足夠的。

2.3.1眼橢圓傾角

眼橢圓各軸長(zhǎng)的方向即眼點(diǎn)各主成分方向，眼橢圓傾角即眼點(diǎn)各主成分方向在整車(chē)坐標(biāo)系平面內(nèi)與X、Y和Z軸的夾角。對(duì)夾角與車(chē)輛總布置參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，車(chē)輛布置參數(shù)與夾角均不顯著相關(guān)，因此該夾角為常數(shù)。將八輛車(chē)眼點(diǎn)按照性別50/50比例中心化后進(jìn)行數(shù)據(jù)合并進(jìn)行主成分分析，即可得出眼橢圓傾角。由于男女樣本數(shù)不同，隨機(jī)采樣分析時(shí)傾角略有波動(dòng)。經(jīng)十次隨機(jī)采樣分析，傾角均值為29.951°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.383°，為簡(jiǎn)化計(jì)算將眼橢圓在XOZ平面內(nèi)的傾角設(shè)置為30°。

2.3.2眼橢圓軸長(zhǎng)

將八輛車(chē)眼點(diǎn)坐標(biāo)沿主成分方向（眼橢圓各軸向）進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算得出各車(chē)輛眼橢圓各向軸長(zhǎng)，經(jīng)相關(guān)性分析顯示眼橢圓x軸、Y軸和車(chē)輛布置參數(shù)均不顯著相關(guān)，z軸長(zhǎng)度和A19顯著負(fù)相關(guān)。采用A19預(yù)測(cè)z軸長(zhǎng)度時(shí)，R2僅為0.511，為簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)考慮使用方便性，Z軸長(zhǎng)度設(shè)置為常數(shù)。

1）確定X軸長(zhǎng)與Z軸長(zhǎng)。由于男、女性的眼點(diǎn)分布在側(cè)視圖上存在較大差異，因此在側(cè)視圖方向上計(jì)算軸長(zhǎng)時(shí)需考慮性別的影響。研究發(fā)現(xiàn)男、女性眼點(diǎn)沿X、Z軸方向呈正態(tài)分布，上、下分位點(diǎn)的距離即該百分位眼橢圓軸長(zhǎng)，如圖3、圖4。

以眼橢圓參考中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，上、下分位點(diǎn)的計(jì)算公式如下：

式中：PM——男性在人口中的比例;XM——沿眼橢圓x軸方向，男、女眼點(diǎn)的上1-P分位點(diǎn);XF——沿眼橢圓x軸方向，男、女眼點(diǎn)的下1-P分位點(diǎn);M——沿眼橢圓x軸方向，男性眼點(diǎn)均值;F——沿眼橢圓x軸方向，女性眼點(diǎn)均值;sdM——沿眼橢圓x軸方向，男性眼點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差;SdF——沿眼橢圓X軸方向，女性眼點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差;P——眼橢圓的百分位值;中——標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

由于P為眼橢圓的百分位值，根據(jù)公式（3）和（4）可以計(jì)算出XM和XF的值，則眼橢圓x軸軸長(zhǎng)為：x軸長(zhǎng)=XM-XF（3）

同理：z軸長(zhǎng)=ZM—zF

（4）

式中：ZM——沿眼橢圓z軸方向，男、女眼點(diǎn)的上1-P分位點(diǎn);ZF——沿眼橢圓z軸方向，男、女眼點(diǎn)的下1-P分位點(diǎn)。

2）確定Y軸長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，眼橢圓Y軸長(zhǎng)度不受性別和車(chē)輛布置參數(shù)的影響，因此Y軸軸長(zhǎng)計(jì)算方式如下

Y軸長(zhǎng)=13.632（中一1（P）一中一1（1一P））

（5）

式中：P——眼橢圓的百分位值;中一卜一標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的反函數(shù)。

2.3.3眼橢圓中心點(diǎn)

針對(duì)八輛車(chē)眼點(diǎn)按照性別50/50比例采樣分別計(jì)算中心點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)眼橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)和車(chē)輛布置參數(shù)進(jìn)行相關(guān)l生=分析。眼橢圓中心點(diǎn)位置如公式（6）至公式（9）：

式中：L1——BOFRP點(diǎn)x坐標(biāo)值;H30

AHP點(diǎn)到SgRP點(diǎn)z向的距離;H8

AHP點(diǎn)z坐標(biāo)值;W20

SgRP點(diǎn)的Y坐標(biāo)值;t——有離合器踏板時(shí)取1，沒(méi)有離合器踏板時(shí)取O;Xc——眼橢圓中心點(diǎn)的x坐標(biāo)值;Ycl、Ycr——左、右眼橢圓中心點(diǎn)的Y坐標(biāo)值;Zc——眼橢圓中心點(diǎn)的z坐標(biāo)值;Ycycl——左右眼橢圓中心連線的中點(diǎn);Ax、Az——眼橢圓中心點(diǎn)的修正值;‘注：中國(guó)人體瞳距參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

說(shuō)明：BOFRP——跖球參考點(diǎn)：滿足一定條件時(shí)，與BOF（鞋部中心線上距鞋跟203mm的一點(diǎn)）重合;AHP——加速踏板踵點(diǎn)：踝角為87度時(shí)，并且鞋底部與未壓下加速踏板接觸，鞋跟與受壓地毯的交點(diǎn);SgRP——座椅參考點(diǎn)：生產(chǎn)廠家指定唯一的H點(diǎn)。

2.4 SAE眼橢圓與中國(guó)眼橢圓對(duì)比

2.4.1眼橢圓中心點(diǎn)

SAE眼橢圓中心點(diǎn)定位方程：

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，中國(guó)眼橢圓中心點(diǎn)定位方程與SAE有如下差異：（1）中國(guó)眼橢圓中心點(diǎn)與SAE中心點(diǎn)相比，X方向中心點(diǎn)定位取消了與L6的相關(guān)性;（2）X、Z方向中心點(diǎn)定位方程中的H30相關(guān)性系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)均有不同;（3）X、Z方向中心點(diǎn)定位方程中增加不同百分位修正量值;（4）中國(guó)人體瞳距與SAE數(shù)值不一致。

2.4.2眼橢圓軸長(zhǎng)

將中國(guó)人體眼橢圓軸長(zhǎng)與SAE進(jìn)行對(duì)比，中國(guó)人體眼橢圓x、Y軸長(zhǎng)均比SAE小，Z軸長(zhǎng)比SAE大。

2.4.3眼橢圓傾角

中國(guó)眼橢圓傾角比SAE大18°。

2.5眼橢圓數(shù)據(jù)驗(yàn)證

使用中國(guó)眼橢圓數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)車(chē)眼橢圓驗(yàn)證，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途取?/p>

結(jié)論：（1）中國(guó)駕駛員眼橢圓比SAE眼橢圓包含的眼點(diǎn)更多。（2）中國(guó)駕駛員與SAE視切線內(nèi)包含眼點(diǎn)情況差異較小。（3）眼橢圓精度滿足要求。

3車(chē)輛HMI中控大屏設(shè)計(jì)建議

中控大屏是HMl人機(jī)交互重要載體，隨著技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)中控大屏的要求也越來(lái)越高。但屏幕尺寸過(guò)大或者布置不合理，會(huì)引起嚴(yán)重的眩目問(wèn)題，影響行駛安全性。通常通過(guò)眼橢圓模型可對(duì)儀表反光眩目進(jìn)行校核，來(lái)檢驗(yàn)中控大屏布置及大小是否合理。特斯拉作為中控大屏的引領(lǐng)者，具有一定代表性。對(duì)Model 3中控大屏按中國(guó)眼橢圓和SAE眼橢圓進(jìn)行校核對(duì)比，如圖5所示。

駕駛員在夜間行車(chē)時(shí)，中控大屏發(fā)出的光會(huì)經(jīng)前風(fēng)擋反射后形成的反射光線。可以看到使用中國(guó)眼橢圓校核下，自發(fā)光在前風(fēng)窗透明區(qū)形成虛像，反射到眼橢圓內(nèi)，引發(fā)反光眩目，影響駕駛安全;而采用SAE眼橢圓位置校核時(shí)，前風(fēng)窗玻璃反射區(qū)域剛剛在玻璃黑邊透明區(qū)的上方，不會(huì)影響到駕駛安全性。

右側(cè)窗玻璃的入射光線經(jīng)過(guò)中控大屏反射后，會(huì)形成反射光線。可以看出均有部分側(cè)窗入射光線照射到中控大屏上，將光反射到眼橢球，并且采用中國(guó)眼橢圓校核情況下，產(chǎn)生屏幕眩目區(qū)域要遠(yuǎn)大于SAE眼橢圓校核結(jié)果。

綜上所述，由于中外人體尺寸的差異性，眼橢圓也存在較大的差異。對(duì)于同一款車(chē)輛，使用中國(guó)眼橢圓和SAE眼橢圓進(jìn)行防眩目校核后發(fā)現(xiàn)，由于眼橢圓的差異性，導(dǎo)致眩目現(xiàn)象的發(fā)生。有必要對(duì)基于中國(guó)市場(chǎng)研發(fā)車(chē)輛結(jié)合中國(guó)眼橢圓進(jìn)行驗(yàn)證，保證車(chē)輛的安全性。

4結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了基于中國(guó)人體特征的眼橢圓構(gòu)建方法，并且與SAE眼橢圓進(jìn)行定量的對(duì)比分析，最后闡述了HMI相關(guān)設(shè)計(jì)建議。可以看到中國(guó)人體眼橢圓與SAE相比差異較大，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車(chē)設(shè)計(jì)仍采用SAE眼橢圓，不符合中國(guó)人體實(shí)際的視野范圍，對(duì)汽車(chē)的視野安全性、交互性會(huì)造成較大的影響。因此，使用中國(guó)人體眼橢圓進(jìn)行汽車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)提高汽車(chē)的舒適性與安全性具有重要意義。