復(fù)雜駕駛環(huán)境中AR-HUD界面設(shè)計(jì)策略研究

楊澤民，吳祐昕

摘要：在復(fù)雜環(huán)境道路行駛時(shí)，視覺干擾信息會(huì)威脅行車安全。文章結(jié)合駕駛員視覺特征和信息需求，通過分析干擾信息來源，構(gòu)建AR-HUD顯示系統(tǒng)策略，并為界面設(shè)計(jì)提出具體方案，探索駕駛?cè)藛T受到視覺信息干擾問題的解決思路。

關(guān)鍵詞：駕駛環(huán)境;視覺干擾;道路安全;AR-HUD;界面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）24-0-03

近年來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)朝立體化、綜合化的方向發(fā)展。同時(shí)社會(huì)生活節(jié)奏的加快增加了人們對(duì)出行的需求，推動(dòng)了私家車數(shù)量的大幅度上升。在這樣的背景下，更多的人員和車輛進(jìn)入道路交通系統(tǒng)之中，加之道路環(huán)境的發(fā)展變化，整個(gè)道路系統(tǒng)內(nèi)的各要素會(huì)產(chǎn)生大量的視覺信息。這些視覺信息語義邏輯復(fù)雜，信息層級(jí)過多，信息之間互相干擾。作為信息接收的主體，駕駛員處理視覺信息的能力有限，視覺干擾信息會(huì)給汽車行駛埋下安全隱患。因此分析復(fù)雜環(huán)境中駕駛員的視覺干擾信息來源，并提出設(shè)計(jì)策略，對(duì)保障駕駛員和車輛安全、減少事故具有積極意義。

1 復(fù)雜環(huán)境中駕駛員受到的視覺信息干擾

在駕駛過程中，“人—車輛—道路（環(huán)境）”構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，駕駛員在行駛過程中，大概有80%的信息資源是通過視覺器官獲得的[1]。駕駛員身處復(fù)雜的行駛環(huán)境中，會(huì)接收到由自然環(huán)境、道路環(huán)境以及其他車輛所帶來的大量視覺信息。這些信息的干擾會(huì)導(dǎo)致其道路觀察能力減弱，判斷能力下降，心理負(fù)荷加大。因此，視覺信息干擾是影響行車安全的重要因素。

車輛在行駛中，不可避免會(huì)受到天氣、光線等自然因素的影響。在霧天、雨天以及黃昏時(shí)段駕駛時(shí)，環(huán)境對(duì)駕駛員的視覺干擾較大，會(huì)對(duì)駕駛行為產(chǎn)生負(fù)面影響，造成安全隱患。模擬霧天環(huán)境下對(duì)駕駛行為的研究表明，濃霧條件下駕駛員跟車能力存在明顯的差異，滯后率相較于晴天有明顯提高[2]。同時(shí)對(duì)車輛行經(jīng)“S”形彎道時(shí)的駕駛行為分析表明，霧天環(huán)境下駕駛員在車輛控制力方面穩(wěn)定性最差，容易發(fā)生車輛事故[3]。雨夜環(huán)境對(duì)駕駛員的行車安全同樣具有負(fù)面影響，相關(guān)研究表明，單位時(shí)間內(nèi)降雨量的增加會(huì)導(dǎo)致駕駛員視認(rèn)距離縮短，影響其反應(yīng)判斷[4]。上述研究表明，在自然環(huán)境對(duì)駕駛員獲取視覺信息存在干擾時(shí)，駕駛員對(duì)車輛的控制能力會(huì)受到影響，駕駛行為發(fā)生改變，車輛行駛穩(wěn)定性下降，駕駛風(fēng)險(xiǎn)增加。

道路是車輛行駛的重要承載物，道路環(huán)境提供的視覺信息具有復(fù)雜性和多樣性的特點(diǎn)，對(duì)駕駛員的影響也更為直接。駕駛員要觀察和判斷道路信息，并過濾掉無關(guān)的干擾信息。通過分析駕駛?cè)藛T視覺特性和生理特性分布及變化規(guī)律，相關(guān)研究指出，不同等級(jí)公路的路況差異對(duì)駕駛員視覺特性各項(xiàng)指標(biāo)將產(chǎn)生顯著影響[5]。駕駛員信息量處理能力有限，過大的信息量會(huì)給駕駛員帶來視覺干擾。同時(shí)通過比較駕駛員瞳孔變化，夜間在高速公路上行駛，由無廣告牌區(qū)域進(jìn)入高密度分布廣告牌區(qū)域時(shí)，道路環(huán)境極易對(duì)駕駛員產(chǎn)生視覺干擾[6]。道路環(huán)境因素對(duì)交通安全具有整體影響，我國(guó)道路環(huán)境條件差異較大，汽車在行駛過程中環(huán)境變化明顯，這種變化會(huì)給駕駛員帶來信息負(fù)荷，影響駕駛安全。

車輛在道路行駛中與其他車輛傳遞信息，其他車輛的行駛狀態(tài)信息是駕駛員選擇駕駛策略、完成駕駛行為的重要依據(jù)。研究表明，車輛顏色會(huì)對(duì)駕駛行為產(chǎn)生交互作用，確定車輛顏色對(duì)駕駛員判斷車輛的識(shí)認(rèn)距離存在影響，后方車輛對(duì)黑色車輛在黃昏時(shí)的識(shí)認(rèn)性明顯低于其他車輛[7]。在城市道路及高速公路臨近事故模式下，駕駛員的眨眼頻率上升，在應(yīng)激響應(yīng)中的視覺行為較為靈活，注視范圍也較寬闊[8]。駕駛員在駕駛過程中，會(huì)受到來自其他車輛的視覺信息干擾，同時(shí)也會(huì)由于視野盲區(qū)、迎面車輛燈光等原因遺漏車輛的視覺信息，無法觀察和判斷車輛行駛情況，造成安全隱患。

2 AR-HUD輔助駕駛顯示技術(shù)

影響駕駛安全的視覺干擾信息成因很多，目前可以通過道路安全設(shè)計(jì)、交通管控、車輛傳感技術(shù)、車輛輔助系統(tǒng)、駕駛員培訓(xùn)等，增強(qiáng)車輛行駛安全性，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。但上述方法綜合管理成本較高，且無法同時(shí)適應(yīng)駕駛員所面對(duì)的多種復(fù)雜環(huán)境。而AR-HUD技術(shù)有望成為新的解決方案，其在車輛行駛過程中可以過濾多余信息，使駕駛員獲得必要的視覺提示，輔助駕駛員觀察、決策并合理駕駛，從而降低事故發(fā)生的概率。

HUD（Head Up Display）即平顯技術(shù)，發(fā)明之初作為飛行輔助儀器應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，飛行員不用低頭就能夠看到飛行器關(guān)鍵信息，從而減輕認(rèn)知負(fù)荷，提高飛機(jī)操控舒適度。目前在汽車領(lǐng)域，部分品牌汽車已將HUD技術(shù)運(yùn)用到自己的產(chǎn)品之中，確保視覺信息在任何條件下的可見性。駕駛員可以在視野范圍內(nèi)即時(shí)接收駕駛信息，同時(shí)集中注意力，從而提高安全性。但是傳統(tǒng)HUD圖像處在汽車中控臺(tái)上方固定位置，在平面上展示，當(dāng)駕駛員讀取信息時(shí)，視覺焦點(diǎn)須從道路向車輛內(nèi)部轉(zhuǎn)移，此時(shí)駕駛員對(duì)外部信息的接收反而會(huì)受到干擾。

AR-HUD技術(shù)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）與HUD技術(shù)結(jié)合，利用數(shù)字微鏡元件生成圖像元素，通過光學(xué)元件將圖像投射于前擋風(fēng)玻璃上。AR技術(shù)可以將顯示信息與視線范圍內(nèi)各車道物體進(jìn)行融合，將虛擬圖像投射到駕駛員的視野中，使駕駛員能夠始終專注于前方的道路。由于這些視覺信息覆蓋在實(shí)際道路之上，駕駛員可以始終將注意力集中在道路上，并獲得有效信息輔助駕駛行為，從而提升駕駛的安全性。

當(dāng)前關(guān)于AR-HUD的理論技術(shù)研究主要聚焦于光學(xué)成像、圖像處理、校正標(biāo)定等方面，以提升顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)部分學(xué)者對(duì)HUD技術(shù)的交互方式、應(yīng)用場(chǎng)景、智能駕駛方向進(jìn)行了研究，但是基于用戶視覺感受的界面設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少。AR-HUD界面的設(shè)計(jì)研究更多是從交互設(shè)計(jì)的基本原則和用戶的需求角度出發(fā)，完成系統(tǒng)的界面布局和視覺設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的視覺干擾與駕駛員的視覺特征涉及較少。

3 AR-HUD界面設(shè)計(jì)策略與方案

AR-HUD顯示系統(tǒng)是輔助駕駛的新型工具，與儀表盤等傳統(tǒng)顯示界面有所不同，其具有更好的視場(chǎng)角，信息顯示維度也由2D向3D、AR方向發(fā)展。對(duì)其界面的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮交互的原則、駕駛員的視覺特征、用戶的需求以及界面的系統(tǒng)性，為駕駛員提供有效的信息，提高駕駛效率，減少風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 界面信息功能分布

基于人車交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，AR-HUD界面設(shè)計(jì)一方面需要滿足駕駛員對(duì)視覺信息的讀取，另一方面應(yīng)降低駕駛員在駕駛過程中的視覺分神與認(rèn)知負(fù)荷。因此，對(duì)同一時(shí)間顯示在界面上的信息，應(yīng)按照信息的優(yōu)先級(jí)劃分，控制信息顯示的數(shù)量，突出顯示與安全駕駛直接相關(guān)的信息，避免非必要信息出現(xiàn)在界面中。通過桌面調(diào)研，明確用戶對(duì)車輛信息顯示的關(guān)注點(diǎn)和興趣點(diǎn)，并按優(yōu)先級(jí)及功能劃分，將AR-HUD界面信息分為常顯信息、警示信息、輔助信息三部分。

將信息分類后，對(duì)各模塊在系統(tǒng)界面上的顯示進(jìn)行布局，使界面中的信息分布具有規(guī)律性。AR-HUD系統(tǒng)的常顯信息包含當(dāng)前車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)油耗、導(dǎo)航地圖、限制車速等有關(guān)行車狀態(tài)的基本信息，這類信息應(yīng)該在界面的固定區(qū)域顯示，且應(yīng)避免干擾駕駛員對(duì)前方道路的觀察。警示信息用于提醒駕駛員車輛異常狀態(tài)及車輛行駛風(fēng)險(xiǎn)，包含故障警告、剩余油量、輪胎壓力、蓄電池電壓、前車距離警示、車門關(guān)閉情況等，同樣需要布局在特定區(qū)域，未有異常和危險(xiǎn)狀況時(shí)不顯示。輔助信息則是道路上各主體物位置信息，包含路線變更提醒、盲區(qū)車輛信息、行人信息等，用于輔助駕駛員觀察路面狀況。

駕駛員在行駛過程中的視覺特征使其注視分布具有傾向性，更多視線集中在當(dāng)前車道與左側(cè)車道之間，視線轉(zhuǎn)向右側(cè)車道觀察相對(duì)較少。在排布界面信息功能時(shí)，應(yīng)將駕駛員的視覺特征納入考慮范圍。常顯信息模塊與警示信息模塊應(yīng)位于界面中間及左側(cè)區(qū)域，更符合駕駛員眼動(dòng)特性和觀察規(guī)律，為防止道路視覺信息被遮擋，兩個(gè)模塊應(yīng)位于顯示界面下方;輔助信息借助現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)，與當(dāng)前道路中各主體結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，為便于駕駛員觀察和判斷，顯示信息不應(yīng)遮擋各主體物。

3.2 界面視覺設(shè)計(jì)原則

AR-HUD界面的視覺設(shè)計(jì)是系統(tǒng)顯示輸出的重要環(huán)節(jié)，信息的位置、圖形、色彩、大小等傳達(dá)語意準(zhǔn)確與否，關(guān)乎駕駛員的駕駛決策和用戶的使用感受。因此在AR-HUD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)界面視覺元素的有效性。

系統(tǒng)界面的視覺圖形符號(hào)設(shè)計(jì)是界面設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)，應(yīng)與現(xiàn)有的交通標(biāo)志符號(hào)具有一致性或相似性，同時(shí)也要考慮到車輛所處駕駛場(chǎng)景的復(fù)雜性。圖形本身應(yīng)該具有簡(jiǎn)單易用、語意清晰的特征，能夠被駕駛員快速識(shí)別，避免產(chǎn)生歧義，以降低用戶的學(xué)習(xí)成本和認(rèn)知負(fù)荷。

AR-HUD系統(tǒng)基于光學(xué)原理成像，其成像效果受不同天氣環(huán)境和行車條件影響較大，視覺設(shè)計(jì)須考慮符號(hào)的色彩、亮度與外部環(huán)境之間的關(guān)系。在駕駛員讀取系統(tǒng)顯示的信息時(shí)，視覺焦點(diǎn)會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)道路環(huán)境成為信息的背景信息，且背景影像具有模糊性、變化性、流動(dòng)性的特點(diǎn)，需要通過設(shè)計(jì)視覺符號(hào)的色彩和亮度，增強(qiáng)信息的可辨識(shí)性。

對(duì)色彩的選擇應(yīng)與現(xiàn)有的交通標(biāo)志色彩相一致，以保證色彩語意的準(zhǔn)確。在顯示系統(tǒng)中，可選用高飽和度的紅、黃、綠、藍(lán)作為設(shè)計(jì)界面的主要色彩。紅色代表危險(xiǎn)、不可知的風(fēng)險(xiǎn);黃色代表警示、提示;綠色代表安全;藍(lán)色用于車輛行進(jìn)的指示和輔助。高亮度、高飽和度的色彩系統(tǒng)成像清晰，能滿足信息的可識(shí)別性，符合現(xiàn)有交通認(rèn)知，駕駛員僅通過色彩就可以快速理解信息語意，降低決策時(shí)間和認(rèn)知成本。

3.3 界面視覺設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)策略的框架下，結(jié)合駕駛員的視覺特征，給出AR-HUD系統(tǒng)界面的具體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

常顯信息包含兩類內(nèi)容，一類是當(dāng)前車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)油耗、限制車速等數(shù)字符號(hào);另一類是導(dǎo)航地圖這樣的圖形符號(hào)。兩類信息放置在同一區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生干擾，不利于駕駛員讀取信息。將導(dǎo)航地圖位置調(diào)整至圖中位置，駕駛員可以分開識(shí)別兩類信息，認(rèn)知負(fù)荷較小。警示信息位于常顯信息上方，只在車輛狀態(tài)異?；虼嬖谛熊囷L(fēng)險(xiǎn)時(shí)顯示，減少對(duì)當(dāng)前車道和左側(cè)車道的遮擋。駕駛員在行駛過程中的視覺注視轉(zhuǎn)移主要是在當(dāng)前車道與左側(cè)車道之間完成的。

上述三部分靜態(tài)信息集中顯示于系統(tǒng)界面左下方位置，符合駕駛員的視覺注視轉(zhuǎn)移習(xí)慣。用戶在行駛中可以快速識(shí)別重要信息，減少駕駛員因識(shí)別信息產(chǎn)生被動(dòng)的注視轉(zhuǎn)移。

盲區(qū)監(jiān)測(cè)作為一種輔助駕駛技術(shù)，對(duì)車輛的行駛安全具有重要作用。目前，盲區(qū)監(jiān)測(cè)的主要方法是將聲音提示和后視鏡上的警示標(biāo)志相結(jié)合，提醒駕駛員盲區(qū)范圍內(nèi)有行駛車輛。當(dāng)駕駛員具有并線傾向，會(huì)通過目標(biāo)方向向后視鏡觀察瞭望，此時(shí)的盲區(qū)監(jiān)測(cè)警示只對(duì)目標(biāo)方向有效，駕駛員無法掌握另一側(cè)的盲區(qū)情況。針對(duì)上述問題，AR-HUD系統(tǒng)將盲區(qū)監(jiān)測(cè)信息置于界面兩側(cè)，用于警示駕駛員兩側(cè)盲區(qū)車輛，駕駛員平視顯示系統(tǒng)即可掌握車輛盲區(qū)狀態(tài)。

在AR-HUD界面系統(tǒng)中，常顯信息、警示信息、輔助信息的顯示邏輯具有差異性，因此要依據(jù)各個(gè)信息模塊的特點(diǎn)設(shè)計(jì)視覺方案。車輛當(dāng)前速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等常顯信息是駕駛員獲得車輛行駛參數(shù)的重要數(shù)據(jù)，面對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的干擾，應(yīng)通過視覺設(shè)計(jì)保證其顯示的穩(wěn)定性。警示信息模塊非緊急情況時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要快速引起駕駛員的注意。因此，對(duì)警示信息的設(shè)計(jì)應(yīng)相對(duì)保守，使其圖標(biāo)、顏色所表達(dá)的語意與現(xiàn)有的警示標(biāo)志相一致。在本系統(tǒng)中，圖標(biāo)與現(xiàn)有警示標(biāo)志相同，顏色選用高飽和度的紅色和黃色。界面中輔助信息的顯示具有動(dòng)態(tài)性、分散性的特征，在復(fù)雜的道路環(huán)境中，各信息之間的干擾會(huì)更加嚴(yán)重，其視覺設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，避免遮擋人、車、道路。

在模擬黃昏時(shí)段，汽車行駛于城市快速路上，高飽和度、高亮度的信息顯示可以保證信息的可識(shí)別性。車輛距離隔離帶較近，道路偏移警示亮起，提醒駕駛員車輛行駛狀態(tài)。當(dāng)前車道與右側(cè)車道前車并未開啟示寬燈，不利于駕駛員觀察，通過AR技術(shù)標(biāo)定附近車輛位置及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，能輔助駕駛員在復(fù)雜的道路環(huán)境中觀察和決策，保障行車安全。

4 結(jié)語

文章通過對(duì)駕駛過程中的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行梳理，分析影響駕駛安全的視覺干擾信息，結(jié)合駕駛員視覺特征和信息獲取需求，提出以AR-HUD技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)策略，并針對(duì)AR-HUD顯示系統(tǒng)的界面嘗試設(shè)計(jì)，確定了顯示系統(tǒng)的功能分布、設(shè)計(jì)原則以及具體設(shè)計(jì)方案，對(duì)之后AR-HUD界面設(shè)計(jì)的研究具有一定參考價(jià)值。AR-HUD界面設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和各種復(fù)雜環(huán)境下信息傳達(dá)的準(zhǔn)確性值得進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：楊澤民（1989—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士在讀，研究方向：視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)。

吳祐昕（1973—），女，江蘇揚(yáng)州人，博士，教授，研究方向：信息交互與體驗(yàn)設(shè)計(jì)、品牌數(shù)字化創(chuàng)新、網(wǎng)絡(luò)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。