基于AR- HUD 的人機界面交互設計及實驗測試

張藝凡

（北京金迪亞沃摩托車銷售服務有限公司，北京 100018）

在汽車智能輔助駕駛系統日益成熟的背景下，HUD（平視顯示器）逐漸成為現代汽車的標準配置。其原理是基于光學反射，將汽車行駛中的時速、胎壓等基本信息投射到駕駛員前方的擋風玻璃上，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境光的影響，在外界光照強度較高的情況下，會導致顯示不清的問題；此外還有顯示信息單一，顯示圖像與真實路面場景不一致的情況。AR-HUD 技術解決了傳統HUD 的缺陷，但是目前尚未普及。探究AR-HUD 人機交互界面的優化設計，提高其緊急接管反應速率，對該技術的推廣應用有一定的價值。

1 自動駕駛認知系統

1.1 駕駛者認知系統的組成

人機界面（HMI）是聯系駕駛員與汽車、外界之間的重要媒介。理論上車載人機界面可提供環境（如道路狀況、交通標識）、車輛（如時速、油量）和多媒體等多方面的信息，駕駛員通過觀察、讀取人機界面上的這些信息，對車輛工況、路面情況等有基本了解，從而做出相應的判斷，保證駕駛的安全。駕駛認知系統就是駕駛員對上述信息進行決策處理的過程，結合圖1 可知，該過程大體可分為“信息獲取- 判斷決策- 反應執行”三個階段。其中，由于駕駛員的駕駛經驗、反應能力、實時狀態等方面存在差異，因此反應表現也有明顯不同。

圖1 駕駛者認知結構體系示意圖

1.2 自主決策功能的實現

自主決策是實現自動駕駛的關鍵。自動駕駛認知系統可基于車輛前方及周圍的復雜路況，及時調節汽車的行駛狀態，從而按照駕駛員的意圖進行安全行駛。自動駕駛認知系統利用車載激光雷達、攝像系統及GPS 定位裝置等，感知車輛周圍環境信息，然后結合駕駛路線，實現自主決策。整個決策環節分為3 層分別是基于駕駛情境認知的認知層、基于駕駛行為決策的任務層以及基于局部路徑優化的規劃層。根據最終決策結果，自動控制汽車的油門、方向，從而在復雜路況下能夠保障順暢、安全的架勢。自動駕駛分層決策流程如圖2 所示。

圖2 自動駕駛分層決策示意圖

1.3 指令認知行為分析

為保障行車安全，要求駕駛者認知系統的響應時限必須控制在3s 以內，即“三秒交互”原則。其中，在0-1s 內駕駛員要完成信息的獲取與識別；在1-2s 內要完成相應的操作；在2-3s 內接收反饋信息，判斷操作是否成功。如果未達到駕駛員的預期，則重新調整操作。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驗來完成。而讀取車輛及環境信息，則成為影響駕駛認知的關鍵因素。通過優化人機界面的交互設計，可以縮短駕駛員用于讀取信息的時間，保證在1s 內完成所有重要信息的獲取。為完成上述目標，在AR-HUD 的人機界面交互設計時，應合理進行界面布局，通常信息區域的數量控制在（7±2）個，既能夠保證信息的豐富度，又不會給駕駛員帶來較多的認知負荷。

2 基于AR-HUD 的人機界面交互設計

2.1 觸覺交互設計

觸覺交互是通過座椅震動來實現的。在車輛行駛過程中，如果AR-HUD 識別到外界有危險情況（如跟車距離過近），車輛報警系統工作并將告警信息發送到震動警告控制器。該控制器可以控制位于座椅內部的震動馬達，按照一定頻率進行震動，通過這種方式來提醒駕駛員保持注意力，準備應對緊急情況。在一些高級汽車中，除了座椅震動外，還會提供方向盤震動。根據危險程度的不同，震動頻率、力度也有一定的差異。例如，對于普通的提示信息，通過執行“NOTICE”指令，進行單次、小幅度震動；對于一般的注意信息，通過執行“ATTENTION”指令，進行多次、小幅度震動；對于危險的警示信息，通過執行“WARNING”指令，進行多次、大幅度的震動。震動幅度與提示信息等級的對應關系如表1 所示。

表1 震動幅度與提示信息等級對應表

2.2 視覺交互設計

2.2.1 功能布局

基于AR-HUD 的人機界面視覺交互設計，應遵循簡潔性、實用性的原則，只展示核心信息，簡化功能布局。在確定界面分區之后，還要選擇AR-HUD 的具體功能進行。根據駕駛操作需要，初步設計的功能有12 個，如啟動信息、目的地信息、巡線導航、空調、多媒體等。為了避免信息要素過多，增加駕駛員的認知負擔和注意力分散，經過篩選之后僅保留了6 個核心信息，分別是時速、電量、導航、駕駛型號、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生視覺刺激，讓駕駛員以更短的時間獲取人機界面上的關鍵信息。另外，不同的顏色還會對駕駛員產生不一樣的心理暗示，例如綠色表示車輛工況和周圍環境良好；而黃色則起到了預警作用，紅色具有警示效果。除了紅、黃、綠三種基本顏色外，在AR-HUD 界面的色彩設計中，還添加了紫色，以便于增強與周邊環境的色差，避免因為顏色混淆而影響駕駛員讀取信息的情況。例如，AR-HUD 界面上選擇灰色、綠色，在實際顯示時可能會因為與路面顏色、綠化帶顏色重疊，而導致信息不明顯。選擇紫色的界面顯示效果如圖4 所示。

2.3 聽覺交互設計

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，對應指令為“NOTICE”；用于提醒的注意音，對應指令為“ATTENTION”；用于警示的警告音，對應指令為“WARNING”。除了上述3 種分別對應不同狀況的聲音外，在聽覺交互設計中還加入了人聲提醒，例如由自動駕駛切換到人工駕駛模式時，會出現“即將人工接管，請握緊方向盤”的聲音，提醒駕駛員做好人工接管的準備；之后還會出現“接管倒計時，3、2、1”的聲音，確保緊急接管的順利實現。

3 基于AR-HUD 的接管提示功能實驗測試

3.1 實驗準備

本次實驗共挑選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。采用隨機分組方式，一組為對照組，一組為實驗組。

3.2 實驗方法

本次實驗中，將一臺高清投影儀固定在1 臺高度可調的三腳架上，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 場地設備布局圖

對照組為一般接管模式，駕駛員在行車途中，需要將視線轉移到位于方向盤右側的iPad 上，獲取屏幕上的相關信息。在自動駕駛模式下，指示器顯示為綠色（正常行駛）和黃色（保持警惕），若指示器顏色變為紅色（需要接管），則駕駛員會收到相應的提示音或震動，然后在提示之后的60s 內，需要完成接管，將自動駕駛切換為手動駕駛。成功進行模式切換后，等到系統發出“接管成功”的提示音，即完成接管。

實驗組采用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玻璃上。在自動駕駛模式下，界面線條始終保持水平。若需要接管，則界面線條會逐漸向上擺動，并且在線條中間出現倒計時數字。當倒計時為“60s”時，發出“即將接管”的提示音；當倒計時為“30s”時，發出“握住方向盤”的提示音，顏色變為紅色閃爍；當倒計時為“5s”時，對準路線。之后完成接管，并出現“接管成功”的提示音，即切換為手動駕駛。

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，記錄并對比兩種情況下的反應時間。

3.3 實驗結果

統計12 名受試者駕駛中正常接管和緊急接管的反映時間，結果如表2 所示。

表2 兩組測試數據統計（單位：s）

根據表2 可知，使用AR-HUD 的實驗組，正常接管的平均反應時間為1.97s，相比于對照組的2.85s，反應時間減少了0.88s；同樣的，在緊急接管反應時間上，實驗組也比對照組少用0.63s。說明在自動駕駛模式下，有了AR-HUD 的輔助，可明顯縮短在遇到緊急情況時駕駛模式從自動向手動切換的反應時間，從而顯著提升了駕駛的安全性。

另外，使用統計學軟件SPSS18.0，對反應時間進行獨立樣本T 檢驗。設置顯著水平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%置信區間內，駕駛者使用AR-HUD 接管自動駕駛的反應速度更快，因此AR-HUD 的使用將顯著提高接管效率。檢驗結果如表3 所示。

表3 獨立樣本檢驗結果

4 結論

HUD 已經成為現代企業上比較常用的一種配置，但是在實際應用中存在顯示信息比較單一等缺陷。將AR 技術與HUD 相結合得到的AR-HUD，不僅信息更加豐富，而且在視覺交互、觸覺交互、聽覺交互等方面進行了優化。實驗表明，基于AR-HUD的汽車駕駛模式切換用時更少，可有效提高駕駛安全。