基于眼动分析的车内信息显示位置设计
Position design of in-car information display based on eye movement analysis
通讯作者:
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:
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:
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:
本文引用格式
王龙, 余隋怀, 初建杰.
WANG Long, YU Sui-huai, CHU Jian-jie.
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
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
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.
图 2
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
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
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.
图 5
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
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
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 注视数据方差齐性检验
Tab.1
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 |
表 2 注视数据单因素ANOVA
Tab.2
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 | − | − | − |
图 8
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
图 9
由表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
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 |
表 4 AOI内数据单因素ANOVA
Tab.4
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 | − | − | − |
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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