浙江大学学报(工学版), 2020, 54(4): 671-677 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.04.005

机械工程、电气工程

基于眼动分析的车内信息显示位置设计

王龙,, 余隋怀,, 初建杰

Position design of in-car information display based on eye movement analysis

WANG Long,, YU Sui-huai,, CHU Jian-jie

通讯作者: 余隋怀,男,教授,博导. orcid.org/0000-0001-9489-8875. E-mail: ysuihuai@vip.sina.com

收稿日期: 2019-04-7  

Received: 2019-04-7  

作者简介 About authors

王龙(1988—),男,博士生,从事计算机辅助工业设计与人机工效研究.orcid.org/0000-0003-4506-7404.E-mail:wlcs91624@mail.nwpu.edu.cn , E-mail:wlcs91624@mail.nwpu.edu.cn

摘要

为了提高车内信息显示设计的安全性,针对车内信息显示的位置设计进行研究. 研究选取5个常见的车内信息显示设备的安放位置,依据驾驶员视觉行为与驾驶安全之间的关系,设计模拟驾驶员驾驶汽车时信息读取任务的眼动实验. 通过实验数据的分析比较可知,不同的车内信息显示位置会对驾驶员读取信息时的注视频率、注视数据在兴趣区域(AOI)内的分布产生显著影响. 分析和比较被试者完成信息读取任务时的注视频率、AOI内注视时间百分比、AOI内注视点百分比的均值可知,在实验选取的5个车内信息显示位置中位置3的数据均最高. 说明被试者读取实验位置3的信息时精力更集中,实验位置3对被试者产生视线偏离的影响最小. 由于驾驶员视线偏离会造成分心驾驶,威胁驾驶安全,车内信息显示位置设计会对驾驶安全产生一定的影响.

关键词: 车内信息显示 ; 位置设计 ; 分心驾驶 ; 驾驶安全 ; 眼动实验

Abstract

The position design of in-vehicle information display was analyzed in order to improve the safety of in-vehicle information display design. Five common positions of in-vehicle information display equipment were selected. The eye movement experiment was designed to simulate the task of information reading during driving by considering the relationship between driver's visual behavior and driving safety. The analysis and comparison of experimental data show that different in-vehicle information display positions will have a significant impact on the fixation frequency when the driver reads the information and the distribution of fixation data in the area of interest (AOI). The mean values of the fixation frequency, the percentage of fixation time in AOI and the percentage of fixations in AOI were analyzed and compared. The data of position 3 were highest in the 5 display positions selected in the experiment. Results showed that the participants were more focused on reading the information in position 3, and the visual deviation effect of the participants in position 3 was the least. Driver's visual deviation will cause distracted driving and threaten driving safety. The position design of in-vehicle information display will have a certain impact on driving safety.

Keywords: in-vehicle information display ; position design ; distracted driving ; driving safety ; eye movement experiment

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本文引用格式

王龙, 余隋怀, 初建杰. 基于眼动分析的车内信息显示位置设计. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(4): 671-677 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.04.005

WANG Long, YU Sui-huai, CHU Jian-jie. Position design of in-car information display based on eye movement analysis. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(4): 671-677 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.04.005

近年来我国汽车保有量不断激增,道路交通环境日益复杂,汽车的安全性越来越受到人们的关注. 以往许多研究表明,驾驶员分心已经成为引发交通事故的主要起因之一[1-3]. 现代信息技术飞速发展,汽车内部设备和功能随之复杂和多样化. 驾驶员在驾驶过程中读取车内设备显示的信息时往往会引发视线偏移,导致注意力分散,威胁驾驶安全.

分心驾驶(distracted driving)是指驾驶员在驾驶过程中由于某些原因导致注意力分散,诱因包括车内活动以及车外的事物或行人. 这些因素能够诱导驾驶员的注意力从基本驾驶任务上发生转移,致使驾驶员对危险情况所作出的反应有所延迟[4-6]. 根据Neale等[7]的研究数据显示,超过70%的交通事故的原因是驾驶员的疏忽. Deram[8]发现,车道偏离事故经常是由驾驶员分心所引起的.

视觉是驾驶员最重要的信息来源,通过视觉通道传递给驾驶员的行驶信息超过90%[9]. Greenberg等[10]的研究表明,车道保持能力的削弱与占用驾驶员视觉资源之间有着密切关系. 冯成志等[11]运用视线跟踪的方法,对视觉人机交互通道所具有的特点进行讨论. 马勇等[12]研究得到当驾驶员视线偏离正前方时的注视频率(fixation frequency)与注视时长的数据特征. Underwood等[13]的研究发现,在弯道中发生事故的机率与驾驶员对弯道曲线的注视频率有关. 驾驶过程中车载设备占用驾驶员视觉资源的主要形式是显示观察行为和信息输入行为[14-17]. Victor等[18]曾对119名驾驶员进行眼动数据采集,通过数据分析得到驾驶员的注视持续时间(event duration time)的平均值、标准差和对道路中心区域的注视频率(fixation frequency)百分比的显著性特征.

随着智能控制技术的发展,汽车自动驾驶技术不断进步. 在不同的车辆自动驾驶等级条件下,车内信息显示设计对于分心驾驶的影响存在较大的差异. 美国国家交通安全管理局将自动驾驶分为5个等级[19],即“L0”级无自动化的车辆,“L1”级具备驾驶支援能力的车辆,“L2”级有部分自动化的车辆,“L3”级有条件自动化的车辆,“L4”级高度或者完全自动化的车辆. 受制于技术和伦理问题,在未来一段时间内L0~L2等级的车辆将是我国主要的公路交通工具. 本文的研究将围绕L0~L2等级的车辆驾驶环境开展,在该级别的车辆中驾驶员的驾驶主任务是车辆控制、车道保持、道路状况监控等,不合理的车内信息显示设计将有可能引起驾驶员的视线偏离道路中心区域[6],导致分心驾驶.

本文将以驾驶员读取车内显示信息时的视觉行为作为研究对象;设计模拟车内信息读取任务的眼动实验,获取眼动数据;通过数据分析,得到不同的车内信息显示位置对驾驶员视觉行为的影响差异.

1. 车内信息显示设计准则

交互设计的一般原则可以总结为“可用性是基本准则,用户体验是最终目标[20]. ”国际标准ISO 9241-11中对可用性的定义[21]如下:产品在特定使用环境下,为特定用户用于特定用途时所具有的有效性、效率和用户主观满意度[22]. 汽车作为交通工具的一种,内部人机交互设计的准则除可用性和用户体验2个方面外,应包含安全性原则. 车内信息显示的设计准则包括:保证驾驶安全、提高驾驶效率、提升驾驶体验、降低驾驶负荷.

1)保证驾驶安全:由于汽车具有高速行驶的特性,在进行车内信息显示设计时必须优先考虑对驾驶安全的影响. 过多地占用驾驶员的视觉资源将引起分心驾驶,威胁驾驶安全.

2)提高驾驶效率:简洁而高效的车内人机交互界面将有效地提升驾驶员的操作效率.

3)提升驾驶体验:安全、高效、美观的车内信息显示系统将会提升人们对于汽车驾驶的体验.

4)降低驾驶负荷:复杂的车内信息显示,不合理的显示位置和内饰布局将会增加驾驶员的操作负荷. 合理的车内显示设计可以降低驾驶负荷.

2. 眼动分析实验

2.1. 实验对象和实验设计

本次眼动实验选取被试者共34名,他们均来自西北工业大学工业设计系,其中包含在读博士或硕士研究生以及个别教师. 被试者的年龄为23至47岁,全部被试者在进行实验时身体健康状况良好,且均已获得C1驾驶证,视力和色觉均达到我国道路交通安全法[23]规定的车辆驾驶基本要求. 实验后对数据样本进行筛选,经过筛选处理后,最终选取30个有效数据样本进行数据分析,30个样本中包含男性被试数据和女性被试数据各15个.

采用调查问卷的方式,在备选的7个车内信息显示设备(如手机或导航仪等)的安放位置中选出5个最常见的,这5个位置将作为眼动实验的变量(具体位置设置见2.3节).

实验为被试者设计简单的模拟信息读取任务(具体任务介绍见2.4节). 实验采用播放图像材料的方式开展,为了避免经验判断对实验的影响,每次实验的图像材料采用随机顺序播放.

由于实验中注视持续时间将作为一项待采集的实验数据,播放时间设置为自被试者点击键盘启动播放图像资料起开始计时,直至被试者完成简单任务后点击键盘结束计时,计时控制程序将在E-prime中完成设定,实验时由程序自动完成计时(具体过程见2.3节).

2.2. 实验设备与材料

眼动实验的设备选用美国应用科学实验室(Applied Science Laboratory,ASL)生产的Eye-Trac6眼动跟踪系统,如图1所示. 该眼动跟踪系统的默认跟踪频率为60 Hz,采用光学记录法中的瞳孔中央和角膜反射原理来追踪眼部运动.

图 1

图 1   ASL Eye-Trac6眼动跟踪设备

Fig.1   ASL Eye-Trac6 eye tracking equipment


应用程序方面使用E-prime软件进行实验刺激程序的编写与运行,使用ASL Eye-Trac6.Net User Interface程序进行实验数据采集,使用ASL Results Plus进行实验数据处理和分析.

实验采用模拟驾驶视角的静态图像作为实验材料,类似实验方法已被以往许多研究证明是有效的[19-20]. 利用图像软件处理,得到模拟驾驶视角的图像(过程如图2所示),图像分辨率设置为1 440×900像素,以保证与实验中使用的刺激显示器分辨率一致.

图 2

图 2   实验图像材料的处理过程

Fig.2   Image material processing


处理后的图像中加入基础显示内容. 为了保证模拟信息读取任务的难度一致,基础显示内容均为同一款车载导航界面,且有3种不同的具体导航信息内容(如图2右侧所示).

分别在5个不同的安放位置上设置显示内容,每个位置3种不同的导航信息内容,得到共15幅实验图像,如图3所示.

图 3

图 3   实验所用的图像材料

Fig.3   Image material of experiment


2.3. 实验过程

在实验准备阶段,工作人员调试设备,检查实验材料,保证实验周围环境都已就绪. 在介绍与练习阶段,工作人员要求被试者仔细阅读实验说明,被试者详细了解实验流程,完成练习操作,并填写被试人员信息登记表.

在实验开始前,请被试者以稳定的姿态坐好,头部位置借助下颚托固定(见图4). 依据人类的视角范围(集中注意力时约为25°)和实验室显示器尺寸(19英寸),实验设置被试者的眼部距离刺激电脑显示器正前方约60 cm的位置.

图 4

图 4   眼动跟踪实验过程

Fig.4   Eye tracking experiment


当实验开始时,被试者通过点击键盘上的空格键启动实验程序,在完成指导语的阅读后,通过敲击空格键进入图像播放程序;间隔图像播放完毕后,在出现实验图像的同时系统开始计时.

在实验过程中,要求被试者完成简单的模拟信息读取任务. 任务内容要求被试者读取图像材料中道路背景中的数字A(1~9的一位整数),和导航界面中的数字B(1~9的一位整数),如图5所示,数字A将出现在A1A2A3 3种不同的位置,数字B将会出现在相应的导航仪界面中,随着导航仪位置的变动而变动. 2个数字的读取顺序随机,可以按照被测试者视觉习惯开展. 依据实验研究的高限与低限效应理论[24],设计20以内的整数加减法作为模拟视觉信息读取后的处理过程.

图 5

图 5   图像中数字出现位置

Fig.5   Position of digital appearance in image


完成信息读取后,被试者需要在脑中完成对图像中数字A+B的计算,将结果与数字10进行大小比较判断. 当A+B>10时,被试者需要按动键盘上的“右”方向键完成判断;当A+B<10时,被试者需要按键盘上的“左”方向键完成判断,在按下方向键完成判断时实验程序将停止计时,进行下一幅图像实验时重新开始计时.

在实验开始时和每两幅图像播放的间隙,均设置时长为3 s的标准灰色图像作为间隔,以消除视觉暂留对被试者的影响. 间隔图像中心标有“+”形标记(见图6),目的是引导被试者的视线回到屏幕中心位置,并在每一幅图像实验开始时使被试者的视线起点相同,以减少因视线起点不同引起的眼动数据差异.

图 6

图 6   实验间隔图像

Fig.6   Interval image


所有被试者按照上述过程依次进行操作,直至实验设计的全部图像材料播放完成,上机操作完成后被试者需要立即填写实验反馈问卷,完成问卷后实验结束.

3. 数据分析

实验数据处理过程借助ASL Results Plus中的注视分析和兴趣区域分析等功能(见图7),将采集到的原始实验数据进行加工,将加工后的数据导入到IBM SPSS 24中进行进一步分析.

图 7

图 7   ASL Results Plus中数据处理

Fig.7   ASL Results Plus data processing


3.1. 注视分析

依据Victor等[18]的研究,选取注视持续时间(event duration time)、注视点数量(number of fixations)和注视频率(fixation frequency)这3项数据导入SPSS进行分析.

表1所示为上述3项注视数据的方差齐性检验结果. 表中,Levene为Levene检验值,df1df2分别为自由度1和自由度2,sig为方差齐性检验的显著性系数. 从表1可知,注视点数量和注视频率这2项数据的显著性大于0.05,满足方差齐性,再将这2项数据进行单因素方差分析.

表 1   注视数据方差齐性检验

Tab.1  Homogeneity test of fixation data variance

数据类型 Levene df1 df2 sig
注视持续时间 2.798 4 445 0.026
注视点数量 2.164 4 445 0.072
注视频率 7.564 4 445 0.064

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表2所示为上述2项数据的单因素方差分析结果. 表中,df为自由度,Sm为均方,P为单因素方差分析的显著性系数. 从表2可知,只有注视频率的数据显著性P=0.002(P<0.05),说明5个不同的车内信息显示位置对于实验产生注视点频率的影响显著. 将数据进一步作均值比较,结果如图8所示. 图中,faf为95%置信区间注视频率的平均值.

表 2   注视数据单因素ANOVA

Tab.2  Single factor ANOVA of fixation data

数据类型 范围 df Sm F P
注视点数量 组间 4 3.103 0.949 0.435
注视点数量 组内 445 3.271
注视点数量 总计 449
注视频率 组间 4 67.158 45.951 0.002
注视频率 组内 445 1.461
注视频率 总计 449

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图 8

图 8   95%置信区间注视频率平均值

Fig.8   Average fixation frequency(95% confidence interval)


通过均值比较和多重比较(LSD)分析可知,实验中位置3产生的注视频率显著高于其他4个位置.

3.2. 兴趣区域分析

利用ASL Results Plus中的兴趣区域(area of interest,AOI)分析功能,在实验图像中标记出实验图像中的道路中心区域[18]作为兴趣区域(见图9).

图 9

图 9   标记兴趣区域范围

Fig.9   Set area of interest in ASL results plus


依据Victor等[18, 25]的研究,选取AOI内注视点数量(AOI fix-count)、AOI内注视点百分比(percentage of fix-count)、AOI内注视时间(AOI fix-duration time)、AOI内注视时间百分比(percentage of AOI fix-duration time)、AOI内注视点平均持续时间(average fixation duration in AOI)共5项数据导入SPSS中进行分析.

表3可知,上述5项数据中只有AOI内注视点百分比和AOI内注视注视时间百分比这2项数据方差齐性检验的显著性大于0.05,表示方差齐,再将这2项数据进行单因素方差分析.

表 3   AOI内数据方差齐性检验

Tab.3  Homogeneity of variance test for data in AOI

数据类型 Levene df1 df2 sig
AOI内注视点数量 7.564 4 445 0.000
AOI内注视点百分比 4.730 4 445 0.091
AOI内注视时间 58.176 4 445 0.002
AOI内注视时间百分比 13.607 4 445 0.068
AOI内注视点平均持续时间 5.660 4 445 0.000

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上述2项数据的单因素方差分析结果(见表4),2项数据的显著性P均小于0.05,说明5个不同位置对于实验在AOI内产生注视点的数量百分百比和注视时间百分百比的影响显著. 将这2项数据进一步作均值比较,结果如图1011所示. 图中,pf为95%置信区间AOI内注视点百分比平均值,pfd为95%置信区间AOI内注视时间百分比平均值.

表 4   AOI内数据单因素ANOVA

Tab.4  Single factor ANOVA for data in AOI

数据类型 范围 df Sm F P
AOI内注视点
百分比
组间 4 15 647.785 75.828 0.007
组内 445 206.359
总计 449
AOI内注视时间
百分比
组间 4 19 988.548 83.740 0.002
组内 445 238.697
总计 449

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图 10

图 10   95%置信区间AOI内注视点百分比平均值

Fig.10   Average percentage of fixations in AOI(95% confidence interval)


图 11

图 11   95%置信区间AOI内注视时间百分比平均值

Fig.11   Average percentage of fixation duration in AOI(95% confidence interval)


通过均值比较和多重比较(LSD)分析可知,实验中位置3产生的AOI内注视点百分比和AOI内注视时间百分比显著高于其他4个位置.

4. 结果讨论

1)根据注视频率、AOI内注视点百分比、AOI内注视时间百分比这3项数据的分析结果可知:车内信息显示位置不同会引起驾驶员眼动数据的明显的差异. 在实验设置的5个位置中位置3产生的差异最显著.

2)由注视频率数据的分析结果可知:当信息显示位于实验位置3时,被试者完成信息读取任务时单位时间内产生的注视点最多,说明被试者精力更集中.

3)综合分析注视持续时间、AOI内注视时间百分比、注视点数量、AOI内注视点百分比这4项数据可知:实验中被试者在完成实验时的注视持续时间与产生的注视点总个数没有因信息显示位置不同而产出现显著差异;由于信息显示位置不同,实验中被试者在AOI内的注视时间百分比以及AOI内产生的注视点百分比产生了显著差异. 在实验设置的5个位置中,位置3产生的AOI内注视时间百分比和AOI内注视点百分比的均值显著高于其他4个位置,说明被试者的视线更多地集中于AOI区域内.

4)实验中所标定的AOI区域为驾驶员获取路况信息的主要区域. 驾驶员在完成某一位置的显示信息读取过程中,在AOI内的注视时间和产生的注视点百分比越高,说明该显示位置越不易引起驾驶员的视线偏离. 综合注视频率、AOI内注视点百分比、AOI内注视时间百分比这3项数据的分析结果可知:当车内信息显示设备安放在位置3时,相对于其他4个位置,对驾驶员视线造成偏离的影响最小;除位置3以外的其他4个位置对驾驶员视觉行为产生的影响差异均不显著.

5. 结 语

本文通过设计眼动分析实验,研究5种常见的车内信息显示设备安放位置对驾驶员视觉行为产生的影响. 经过数据分析可知,车内信息显示设备位置的不同会对驾驶员读取信息时的注视分布产生显著影响. 驾驶员的视线偏离会造成分心驾驶,威胁驾驶安全. 根据本文的研究可知,车内信息显示的位置设计会对驾驶安全产生一定的影响.

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