復雜駕駛環境中AR-HUD界面設計策略研究

楊澤民，吳祐昕

摘要：在復雜環境道路行駛時，視覺干擾信息會威脅行車安全。文章結合駕駛員視覺特征和信息需求，通過分析干擾信息來源，構建AR-HUD顯示系統策略，并為界面設計提出具體方案，探索駕駛人員受到視覺信息干擾問題的解決思路。

關鍵詞：駕駛環境;視覺干擾;道路安全;AR-HUD;界面設計

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）24-0-03

近年來，我國社會經濟快速發展，基礎設施日益完善，交通基礎設施建設朝立體化、綜合化的方向發展。同時社會生活節奏的加快增加了人們對出行的需求，推動了私家車數量的大幅度上升。在這樣的背景下，更多的人員和車輛進入道路交通系統之中，加之道路環境的發展變化，整個道路系統內的各要素會產生大量的視覺信息。這些視覺信息語義邏輯復雜，信息層級過多，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，視覺干擾信息會給汽車行駛埋下安全隱患。因此分析復雜環境中駕駛員的視覺干擾信息來源，并提出設計策略，對保障駕駛員和車輛安全、減少事故具有積極意義。

1 復雜環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（環境）”構成了一個閉環系統，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]。駕駛員身處復雜的行駛環境中，會接收到由自然環境、道路環境以及其他車輛所帶來的大量視覺信息。這些信息的干擾會導致其道路觀察能力減弱，判斷能力下降，心理負荷加大。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，不可避免會受到天氣、光線等自然因素的影響。在霧天、雨天以及黃昏時段駕駛時，環境對駕駛員的視覺干擾較大，會對駕駛行為產生負面影響，造成安全隱患。模擬霧天環境下對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]。同時對車輛行經“S”形彎道時的駕駛行為分析表明，霧天環境下駕駛員在車輛控制力方面穩定性最差，容易發生車輛事故[3]。雨夜環境對駕駛員的行車安全同樣具有負面影響，相關研究表明，單位時間內降雨量的增加會導致駕駛員視認距離縮短，影響其反應判斷[4]。上述研究表明，在自然環境對駕駛員獲取視覺信息存在干擾時，駕駛員對車輛的控制能力會受到影響，駕駛行為發生改變，車輛行駛穩定性下降，駕駛風險增加。

道路是車輛行駛的重要承載物，道路環境提供的視覺信息具有復雜性和多樣性的特點，對駕駛員的影響也更為直接。駕駛員要觀察和判斷道路信息，并過濾掉無關的干擾信息。通過分析駕駛人員視覺特性和生理特性分布及變化規律，相關研究指出，不同等級公路的路況差異對駕駛員視覺特性各項指標將產生顯著影響[5]。駕駛員信息量處理能力有限，過大的信息量會給駕駛員帶來視覺干擾。同時通過比較駕駛員瞳孔變化，夜間在高速公路上行駛，由無廣告牌區域進入高密度分布廣告牌區域時，道路環境極易對駕駛員產生視覺干擾[6]。道路環境因素對交通安全具有整體影響，我國道路環境條件差異較大，汽車在行駛過程中環境變化明顯，這種變化會給駕駛員帶來信息負荷，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信息是駕駛員選擇駕駛策略、完成駕駛行為的重要依據。研究表明，車輛顏色會對駕駛行為產生交互作用，確定車輛顏色對駕駛員判斷車輛的識認距離存在影響，后方車輛對黑色車輛在黃昏時的識認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，在應激響應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，會受到來自其他車輛的視覺信息干擾，同時也會由于視野盲區、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

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計、交通管控、車輛傳感技術、車輛輔助系統、駕駛員培訓等，增強車輛行駛安全性，降低事故風險。但上述方法綜合管理成本較高，且無法同時適應駕駛員所面對的多種復雜環境。而AR-HUD技術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，從而降低事故發生的概率。

HUD（Head Up Display）即平顯技術，發明之初作為飛行輔助儀器應用于軍事領域，飛行員不用低頭就能夠看到飛行器關鍵信息，從而減輕認知負荷，提高飛機操控舒適度。目前在汽車領域，部分品牌汽車已將HUD技術運用到自己的產品之中，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即時接收駕駛信息，同時集中注意力，從而提高安全性。但是傳統HUD圖像處在汽車中控臺上方固定位置，在平面上展示，當駕駛員讀取信息時，視覺焦點須從道路向車輛內部轉移，此時駕駛員對外部信息的接收反而會受到干擾。

AR-HUD技術將增強現實技術（AR）與HUD技術結合，利用數字微鏡元件生成圖像元素，通過光學元件將圖像投射于前擋風玻璃上。AR技術可以將顯示信息與視線范圍內各車道物體進行融合，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。

當前關于AR-HUD的理論技術研究主要聚焦于光學成像、圖像處理、校正標定等方面，以提升顯示系統的穩定性，同時部分學者對HUD技術的交互方式、應用場景、智能駕駛方向進行了研究，但是基于用戶視覺感受的界面設計研究相對較少。AR-HUD界面的設計研究更多是從交互設計的基本原則和用戶的需求角度出發，完成系統的界面布局和視覺設計，對復雜環境下的視覺干擾與駕駛員的視覺特征涉及較少。

3 AR-HUD界面設計策略與方案

AR-HUD顯示系統是輔助駕駛的新型工具，與儀表盤等傳統顯示界面有所不同，其具有更好的視場角，信息顯示維度也由2D向3D、AR方向發展。對其界面的設計應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性，為駕駛員提供有效的信息，提高駕駛效率，減少風險。

3.1 界面信息功能分布

基于人車交互系統的設計原則，AR-HUD界面設計一方面需要滿足駕駛員對視覺信息的讀取，另一方面應降低駕駛員在駕駛過程中的視覺分神與認知負荷。因此，對同一時間顯示在界面上的信息，應按照信息的優先級劃分，控制信息顯示的數量，突出顯示與安全駕駛直接相關的信息，避免非必要信息出現在界面中。通過桌面調研，明確用戶對車輛信息顯示的關注點和興趣點，并按優先級及功能劃分，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，對各模塊在系統界面上的顯示進行布局，使界面中的信息分布具有規律性。AR-HUD系統的常顯信息包含當前車速、發動機轉速、實時油耗、導航地圖、限制車速等有關行車狀態的基本信息，這類信息應該在界面的固定區域顯示，且應避免干擾駕駛員對前方道路的觀察。警示信息用于提醒駕駛員車輛異常狀態及車輛行駛風險，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、車門關閉情況等，同樣需要布局在特定區域，未有異常和危險狀況時不顯示。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，更多視線集中在當前車道與左側車道之間，視線轉向右側車道觀察相對較少。在排布界面信息功能時，應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位于界面中間及左側區域，更符合駕駛員眼動特性和觀察規律，為防止道路視覺信息被遮擋，兩個模塊應位于顯示界面下方;輔助信息借助現實增強技術，與當前道路中各主體結合，實現動態顯示，為便于駕駛員觀察和判斷，顯示信息不應遮擋各主體物。

3.2 界面視覺設計原則

AR-HUD界面的視覺設計是系統顯示輸出的重要環節，信息的位置、圖形、色彩、大小等傳達語意準確與否，關乎駕駛員的駕駛決策和用戶的使用感受。因此在AR-HUD系統的設計過程中，應強調界面視覺元素的有效性。

系統界面的視覺圖形符號設計是界面設計中的關鍵一環，應與現有的交通標志符號具有一致性或相似性，同時也要考慮到車輛所處駕駛場景的復雜性。圖形本身應該具有簡單易用、語意清晰的特征，能夠被駕駛員快速識別，避免產生歧義，以降低用戶的學習成本和認知負荷。

AR-HUD系統基于光學原理成像，其成像效果受不同天氣環境和行車條件影響較大，視覺設計須考慮符號的色彩、亮度與外部環境之間的關系。在駕駛員讀取系統顯示的信息時，視覺焦點會發生改變，此時道路環境成為信息的背景信息，且背景影像具有模糊性、變化性、流動性的特點，需要通過設計視覺符號的色彩和亮度，增強信息的可辨識性。

對色彩的選擇應與現有的交通標志色彩相一致，以保證色彩語意的準確。在顯示系統中，可選用高飽和度的紅、黃、綠、藍作為設計界面的主要色彩。紅色代表危險、不可知的風險;黃色代表警示、提示;綠色代表安全;藍色用于車輛行進的指示和輔助。高亮度、高飽和度的色彩系統成像清晰，能滿足信息的可識別性，符合現有交通認知，駕駛員僅通過色彩就可以快速理解信息語意，降低決策時間和認知成本。

3.3 界面視覺設計方案

在設計策略的框架下，結合駕駛員的視覺特征，給出AR-HUD系統界面的具體設計方案，如圖1所示。

常顯信息包含兩類內容，一類是當前車速、發動機轉速、實時油耗、限制車速等數字符號;另一類是導航地圖這樣的圖形符號。兩類信息放置在同一區域內會產生干擾，不利于駕駛員讀取信息。將導航地圖位置調整至圖中位置，駕駛員可以分開識別兩類信息，認知負荷較小。警示信息位于常顯信息上方，只在車輛狀態異常或存在行車風險時顯示，減少對當前車道和左側車道的遮擋。駕駛員在行駛過程中的視覺注視轉移主要是在當前車道與左側車道之間完成的。

上述三部分靜態信息集中顯示于系統界面左下方位置，符合駕駛員的視覺注視轉移習慣。用戶在行駛中可以快速識別重要信息，減少駕駛員因識別信息產生被動的注視轉移。

盲區監測作為一種輔助駕駛技術，對車輛的行駛安全具有重要作用。目前，盲區監測的主要方法是將聲音提示和后視鏡上的警示標志相結合，提醒駕駛員盲區范圍內有行駛車輛。當駕駛員具有并線傾向，會通過目標方向向后視鏡觀察瞭望，此時的盲區監測警示只對目標方向有效，駕駛員無法掌握另一側的盲區情況。針對上述問題，AR-HUD系統將盲區監測信息置于界面兩側，用于警示駕駛員兩側盲區車輛，駕駛員平視顯示系統即可掌握車輛盲區狀態。

在AR-HUD界面系統中，常顯信息、警示信息、輔助信息的顯示邏輯具有差異性，因此要依據各個信息模塊的特點設計視覺方案。車輛當前速度、發動機轉速等常顯信息是駕駛員獲得車輛行駛參數的重要數據，面對各種復雜環境的干擾，應通過視覺設計保證其顯示的穩定性。警示信息模塊非緊急情況時處于關閉狀態，當出現故障和風險時，需要快速引起駕駛員的注意。因此，對警示信息的設計應相對保守，使其圖標、顏色所表達的語意與現有的警示標志相一致。在本系統中，圖標與現有警示標志相同，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態性、分散性的特征，在復雜的道路環境中，各信息之間的干擾會更加嚴重，其視覺設計應盡量簡潔，避免遮擋人、車、道路。

在模擬黃昏時段，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。當前車道與右側車道前車并未開啟示寬燈，不利于駕駛員觀察，通過AR技術標定附近車輛位置及風險等級，能輔助駕駛員在復雜的道路環境中觀察和決策，保障行車安全。

4 結語

文章通過對駕駛過程中的復雜環境進行梳理，分析影響駕駛安全的視覺干擾信息，結合駕駛員視覺特征和信息獲取需求，提出以AR-HUD技術為基礎的設計應對策略，并針對AR-HUD顯示系統的界面嘗試設計，確定了顯示系統的功能分布、設計原則以及具體設計方案，對之后AR-HUD界面設計的研究具有一定參考價值。AR-HUD界面設計的系統性和各種復雜環境下信息傳達的準確性值得進一步研究。

參考文獻：

[1] 谷陽陽，柴智勇，史雪瑩，等.車輛顏色等多因素對駕駛行為的交互作用研究[J].交通科技與經濟，2020，22（3）：17-23.

[2] 陳秀鋒，武帥，宋著賀，等.霧天環境下S形彎道駕駛行為特性[J].科學技術與工程，2019，19（29）：344-348.

[3] 武帥，陳秀鋒，高艷艷，等.霧天環境下駕駛行為特性研究[J].青島理工大學學報，2019，40（5）：101-105.

[4] 李南初.基于駕駛模擬實驗的景觀因素對駕駛行為的影響研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[5] 張嘉琦，山巖，王俊翔，等.臨近事故模式下駕駛人的視覺應激行為[J].長安大學學報（自然科學版），2017，37（1）：100-105.

[6] 趙煒華，韓偉，馮中祥，等.雨夜駕駛人對黑色障礙物視認距離變化規律研究[J].交通信息與安全，2015，33（2）：92-97，131.

[7] 沈一川.高速公路廣告牌對夜間駕駛視覺影響[J].交通世界（運輸.車輛），2014（Z1）：130-131.

[8] 胡立偉.公路交通設施駕駛容錯能力分析方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

作者簡介：楊澤民（1989—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士在讀，研究方向：視覺傳達設計。

吳祐昕（1973—），女，江蘇揚州人，博士，教授，研究方向：信息交互與體驗設計、品牌數字化創新、網絡文化創意產業。