不同年齡段人群駕駛分心時的視覺特性分析

褚英帆, 秦華,2, 冉令華, 張然, 張欣

(1.北京建筑大學機電與車輛工程學院, 北京 102616; 2.北京建筑大學北京建筑安全檢測工程技術研究中心, 北京 102616;3.中國標準化研究院, 北京 100191)

隨著車載信息系統(in-vehicle information system,IVIS)的設計不斷向智能化、多樣化的發展,車載中控屏也成了最易引發視覺分心的車內設計。在實際的駕駛事故數據中發現,截至2019年存在43.1%的交通事故與車載信息系統次任務造成的駕駛分心有關[1]。研究表明,駕駛中的視覺分心是極易引發交通事故的駕駛分心類型[2-3],由于駕駛員沉浸于車載信息系統的次任務中,其視覺注意資源通常無法完全集中于駕駛主任務,是導致交通事故的重要原因之一。

駕駛分心是指注意力指向與正常駕駛不相關的活動,從而導致駕駛操作能力下降的一種現象[4]。駕駛員在執行駕駛任務時,可以看作一個信息加工系統,通過視覺通道、聽覺通道等獲得的車載信息從而刺激大腦產生知覺實現一系列駕駛行為[5]。但通常人的注意資源是有限的,根據信息需求可以分配到各種任務中,當駕駛員對車載信息系統次任務投入過多的視覺資源時,便會影響正常的駕駛任務[6]。國內學者對視覺駕駛分心的研究已經較為成熟,多為對駕駛行為與視覺行為方面的研究。從駕駛行為角度分析,當產生駕駛分心行為后,駕駛員的駕駛行為將發生顯著變化。馬勇等[7]通過實車實驗探究了駕駛分心時的車道偏離規律:駕駛分心時的車道偏離程度相較于正常駕駛時通常較大。黨珊[8]對駕駛中操作手機APP引發的4類駕駛分心行為進行研究,分別探究了不同類型的駕駛分心行為對駕駛績效的影響。Liu等[9]則通過模擬分層IVIS信息界面的布局,根據次任務完成時間、錯誤率等指標評價了駕駛員的駕駛績效。另外,從視覺注視的角度分析,駕駛員對駕駛交互界面的注視點集中存在明顯的區域間差異。Niu等[10]研究了在接管車輛控制過程中參與者的視覺感知特征, 駕駛員在回到駕駛場景后的注視點分布集中在場景的左側和下方。Zhan等[11]將駕駛場景的顯示界面分為5個部分(前、上、左、右和下),得到霧天高速公路上駕駛員的注視點集中分布于中間、底部和左側。對駕駛員特性變化的檢測中,多通過視覺特性的變化辨識和測度駕駛分心程度。綜上所述,目前對駕駛分心的研究主要集中在駕駛分心對駕駛績效的影響、對交通安全的危害以及駕駛分心狀態識別等方面。有關駕駛員視野的研究則側重于基于不同駕駛場景交互界面的視覺注視特性。

有關車內任務引發的駕駛分心研究已經比較深入,但目前研究中對中控屏界面動態信息布局尚未有統一標準,少有考慮車載中控屏不同動態視野區域導致駕駛分心的研究。現從車載中控屏的上下視野、左右視野2類動態視野區域,綜合考慮執行車載信息系統次任務時的視覺特征,在實驗室中模擬駕駛環境,通過視覺搜索測試探究中控屏中能夠有效降低駕駛分心程度的視野區域及適宜的車載動態信息任務負荷,對今后車載中控屏幕的動態信息顯示設計具有理論意義。

1 研究方法

1.1 實驗平臺

本次實驗于中國標準化研究中心視覺工效實驗室進行,使用e-prime心理學實驗操作平臺呈現實驗信息,使用鏡式眼動儀記錄視覺特性數據。實驗模擬了駕駛員在駕駛時對中控屏進行信息瀏覽的任務,實驗屏幕模擬了10.1英寸的車載中控屏,模擬顯示器的刷新頻率為60 Hz、分辨率為1 600×900,反應器為無線鍵盤。

1.2 參試者

本次實驗在北京共招募26名參試者,年齡分布在26～68歲,平均年齡為48歲,矯正視力均不低于1.0,參試人員均為右利手。具體信息如表1所示。

1.3 實驗設計

實驗共包括2個自變量:視野區域、任務負荷。視野區域分為上下視野、左右視野。視覺信息加工的單側視野優勢效應一直是認知心理學和認知神經科學領域的重要研究課題,包括左右視野和上下視野的不對稱性[12],基于此將中控屏劃分為上下視野區域與左右視野區域進行討論研究。其中,研究對不同視野區域的劃分考慮了目標的運動方向,視野存在重合的部分僅對單一區域進行考量,不對重合區域做加減處理。詳情如圖1所示。車載信息系統次任務負荷包括高負荷、低負荷2種。其中,依據多資源理論[13]可知,視覺負荷可對任務總負荷產生影響,因此通過設置不同程度的視覺符合控制整個實驗任務的認知負荷:高認知負荷的目標刺激為114像素×128像素、低認知負荷的目標刺激為228像素×256像素。實驗因變量為視覺搜索的搜索時間,對車載信息不同視野區域的注視個數、注視時長。模擬的實驗場景布置如圖2所示。

圖1 中控屏動態視野區域劃分示意圖Fig.1 Schematic diagramof dynamic vision area division of central control screen

圖2 實驗場景布置圖Fig.2 Layout of experiment scene

實驗使用的刺激材料為常見的動物和交通工具的線條圖畫和剪影圖畫(均為黑白圖片),設計了兩種車內中控屏幕的擺放方式:橫向中控屏、縱向中控屏,做此設計的目的是探究橫向和縱向兩種擺放位置下的最佳視野區域和任務負荷是否存在差異。實驗動態刺激源將在各個視野區域內隨機從單側方向出現并進行一次往返運動,橫向中控屏:左右往返運動的呈現時長為4 s,上下往返時長為3 s;縱向中控屏:左右往返運動的呈現時長為3 s,上下往返時長為4 s。各視野區域的刺激材料運動速度一致,實驗將在此設定條件下展開。

1.4 實驗過程

實驗以個別施測的方式開展。參試者進入實驗室后,填寫與實驗相關的調查問卷,隨后由主試告知實驗流程。首先進行練習實驗以熟悉實驗流程,練習實驗結束。正式實驗開始前,參試者再次自行閱讀實驗指導語,確保參試者了解整個實驗流程后,由主試對眼動儀進行校準。校準完成后,參試者準備好即可按鍵開始實驗,每個單位測試前有0.5 s的緩沖時間,隨后有一段2.5 s的提示音,提示音結束后刺激材料呈現,由參試者做出應答。需要按鍵反應表明是否看清楚移動的刺激材料并口頭作答看到的內容。每次測試結束后自動進入下一個試次,直至實驗結束,整個實驗流程全部完成共需要40 min左右。

2 反應時長分析

2.1 描述性統計

視覺搜索反應時長是指從搜索界面出現到參試者進行按鍵反應之間的時間間隔,此數據能夠客觀地反映參試者完成搜索車載信息系統次任務的速度。

由表2可知,不同視野區域對于搜索時長的影響程度呈現出一定相關性。首先,橫向中控屏中隨著視野區域的不斷變化搜索時長的變化明顯,在中部區域的搜索時長最長,為1 079.60 ms;縱向中控屏中同樣在中部區域的搜索時長最長,為915.00 ms。

表2 不同視野區域下的搜索時長Table 2 Search time in different visual fields

潘福全等[12]曾提出,在復雜任務條件中,由于大腦上下半球功能的特異性在上下視野存在明顯的不對稱性,即單側視野區域存在優勢效應。具體表現為任務復雜度對視野優勢效應的綜合影響[13]。研究通過模擬駕駛員瀏覽車載信息系統次任務,獲取其在不同視野區域的駕駛分心程度。由數據分析可知,橫向中控屏上部視野區域所耗費的搜索時長更短,駕駛員將在此區域付出更少的視覺注意資源,因此產生駕駛分心程度應低于其他視野區域?？v向中控屏的下部、左側視野所占用的搜索時長更長,在瀏覽車載信息系統次任務時會一定程度緩解駕駛分心行為。

2.2 方差分析

表3為搜索時間的方差分析結果,其中橫向中控屏通過了方差齊性檢驗直接進行方差分析,縱向中控屏未通過方差齊性檢驗,使用韋爾奇異方差檢驗。刺激材料出現的視野區域、任務負荷對搜索時長的主效應分析結果顯示:橫向中控屏的視野區域對搜索時長的主效應并未表現出顯著影響(P<0.05),任務負荷對搜索時長表現出顯著影響(P>0.05)。當任務負荷越高時進行視覺搜索的反應時長就越長,反之則越少。縱向中控屏,任務負荷對搜索時長的主效應未表現出顯著影響(P>0.05),而視野區域對搜索時長的主效應表現出顯著影響(P<0.05)。結果顯示參試者視野范圍的區域對視覺搜索的績效影響顯著,任務負荷對參試者搜索績效的影響不顯著。

表3 方差分析結果Table 3 Analysis ofvariance results

同時考察了車載信息系統次任務負荷對參試者視覺特性的影響,通過方差分析可知橫向中控屏中任務負荷對于視覺搜索反應時長的影響顯著,縱向中控屏中任務負荷對視覺搜索的反應時長影響并不顯著。但綜合搜索行為數據的描述性統計結果和眼動數據可知:兩種中控屏中,任務負荷越高,視覺搜索時間就越長,占用的視覺注意資源越多,可能造成的駕駛分心程度也就越高。由于目前有關駕駛分心實驗的設計流程尚未存在科學性的標準,不同研究中設計的引發駕駛分心的次任務差異較大,因此在不同的次任務下駕駛分研究中的實驗結果也表現出較大差異。今后的研究中應當設立統一的規范和標準來界定次任務類型,以達到研究結論的嚴謹性。

3 視覺特性分析

3.1 注視時長

眼球運動時間分為注視時間和掃視時間。長于100 ms的眼球運動被認為是注視持續時間,小于100 ms的眼球運動被認為是掃視時間。本文研究主要通過注視時長和注視個數進行分析,詳細的描述性結果如表4所示。數據顯示,橫向中控屏的上下視野區域中下部視野的注視點數量較少、左右視野中左側視野所需要的注視資源較少,其中左側視野的效果最佳,注視個數的平均值僅6.65個、注視時長的平均值僅1 330.75 ms?？v向中控屏的上部、中部視野區域所需的反應時長更短。

表4 眼動數據的描述性結果Table 4 Descriptive results of eye movement data

He等[14]的研究表明,與非分心駕駛相比,駕駛人在分心駕駛期間對周圍信息的注視持續時間通常更長。本文研究的任務負荷的結果也證實了這一觀點,任務負荷越高意味著需要駕駛人耗費更多的注意資源對目前的車載信息進行認知處理[15-16]。駕駛時執行次任務對視覺搜索績效有顯著影響,負荷越高的次任務也將越多的占用駕駛人的視覺注意資源,所以更易引發駕駛分心行為。注視持續時間對工作負荷十分敏感,并且隨著視覺符合和心理處理需求的增加而增加[17]。

3.2 注視區域

為了深入探究駕駛員產生駕駛分心狀態時對于中控屏不同區域的注視情況,以不同年齡組與不同視野區域為變量對注視點個數的分布情況進行了數據處理,具體結果如圖3所示。為方便表述,圖3中不同視野區域將用1、2、3、4、5表示橫向中控屏的上部區域、下部區域、左側區域、中部區域、右側區域,表示縱向中控屏的上部區域、中部區域、下部區域、左側區域、右側區域。

圖3 中控屏不同區域的注視分布Fig.3 Gaze distribution in different areas of central control screen

從圖3中可以發現在橫向中控屏設計中,區域2(下部區域)的注視點數量最少;區域1(上部區域)、區域4(中部區域)所需要的注視量最多,在橫向中控屏布局中為表現出年齡差異?？v向中控屏設計中,對于不同視野區域的注視點數量表現明顯的年齡差異,老年組在區域5(右側區域)的注視量較多,中年組則在區域4(左側區域)的注視量較多,青年組在區域5(右側區域)注視量更多。

模擬駕駛環境中,駕駛員在進行對車載信息系統次任務的讀取與識別過程中位于中控屏幕的左側、下部等視野區域所需要的視覺注意資源更少,這類視野區域通常在距離上都更接近參試者的有效視野區域,因而實驗過程中的視覺特性表現良好,為不易引發駕駛分心的區域,或引發駕駛分心程度更小的區域。

4 駕駛分心實驗場景分析

有關車載信息系統次任務的駕駛分心行為的研究存在模擬實驗與實車實驗兩種實驗場景[18]。實車實驗中駕駛員可以真實參與到駕駛活動中,但此過程會對參試者的安全造成一定的威脅。對此,模擬駕駛實驗通過模擬駕駛環境,在確保參試者安全的前提下實現對駕駛員駕駛分心程度的測量。

通常駕駛過程中產生駕駛分心的因素包括人、車、道路、環境等4類因素,與駕駛員相關的因素中長時間的注視與認知工作量的增加也是導致駕駛分心的重要原因[19]。因此模擬駕駛實驗可通過復原真實的駕駛環境,能最大限度地獲取真實的行為反應數據。研究應對駕駛分心的行為時,根據駕駛員分心反饋的瞬間,將反饋分為實時反饋、延時反饋、回顧反饋和累積反饋4種,大量的研究集中在實時反饋上[20-21]。本次實驗同樣了采取了實時反饋數據,從駕駛員視覺特性和車載任務兩個角度出發,探究了不同車載中控屏視野區域的視覺特征。因此,本文研究雖為模擬駕駛環境下的視覺駕駛分心研究,但對未來車載中控屏幕信息現實的設計仍具有現實意義。

5 結論

針對駕駛員瀏覽車載信息系統次任務產生駕駛分心時的視覺特性,創新性地提出通過對中控屏劃分不同視野區域,測量不同區域導致的駕駛分心程度的不同,得到如下結論。

(1)橫向中控屏的上部區域的平均視覺搜索反應時長最短,產生駕駛分心后的視覺注意點集中分布于上部、右側區域,此中控屏視野區域內的車載信息系統次任務導致駕駛員產生的駕駛分心程度更高。

(2)縱向中控屏的下部、右側視野區域所占用的視覺注意資源更多,在本次實驗中的視覺表現效果顯示更不利于降低駕駛員的駕駛分心程度。

(3)今后駕駛車輛中車載中控屏幕可針對不同年齡段人群的反應與視覺特性制定不同的信息提示服務,以最大程度實現安全駕駛的目的。

研究結果為今后深入探究由車載信息引發的駕駛分心程度提供了新的研究思路,同時也存在一定的局限性:研究僅從視覺特性等心理層面考察駕駛員瀏覽車載任務時不同視野區域所占用的視覺資源。今后的研究中其他生理指標和主觀問卷也應被納入評價指標體系,從多角度分析中控屏不同視野區域引發駕駛員駕駛分心行為的生理因素。