复杂驾驶环境中AR-HUD界面设计策略研究

杨泽民，吴祐昕

摘要：在复杂环境道路行驶时，视觉干扰信息会威胁行车安全。文章结合驾驶员视觉特征和信息需求，通过分析干扰信息来源，构建AR-HUD显示系统策略，并为界面设计提出具体方案，探索驾驶人员受到视觉信息干扰问题的解决思路。

关键词：驾驶环境;视觉干扰;道路安全;AR-HUD;界面设计

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）24-0-03

近年来，我国社会经济快速发展，基础设施日益完善，交通基础设施建设朝立体化、综合化的方向发展。同时社会生活节奏的加快增加了人们对出行的需求，推动了私家车数量的大幅度上升。在这样的背景下，更多的人员和车辆进入道路交通系统之中，加之道路环境的发展变化，整个道路系统内的各要素会产生大量的视觉信息。这些视觉信息语义逻辑复杂，信息层级过多，信息之间互相干扰。作为信息接收的主体，驾驶员处理视觉信息的能力有限，视觉干扰信息会给汽车行驶埋下安全隐患。因此分析复杂环境中驾驶员的视觉干扰信息来源，并提出设计策略，对保障驾驶员和车辆安全、减少事故具有积极意义。

1 复杂环境中驾驶员受到的视觉信息干扰

在驾驶过程中，“人—车辆—道路（环境）”构成了一个闭环系统，驾驶员在行驶过程中，大概有80%的信息资源是通过视觉器官获得的[1]。驾驶员身处复杂的行驶环境中，会接收到由自然环境、道路环境以及其他车辆所带来的大量视觉信息。这些信息的干扰会导致其道路观察能力减弱，判断能力下降，心理负荷加大。因此，视觉信息干扰是影响行车安全的重要因素。

车辆在行驶中，不可避免会受到天气、光线等自然因素的影响。在雾天、雨天以及黄昏时段驾驶时，环境对驾驶员的视觉干扰较大，会对驾驶行为产生负面影响，造成安全隐患。模拟雾天环境下对驾驶行为的研究表明，浓雾条件下驾驶员跟车能力存在明显的差异，滞后率相较于晴天有明显提高[2]。同时对车辆行经“S”形弯道时的驾驶行为分析表明，雾天环境下驾驶员在车辆控制力方面稳定性最差，容易发生车辆事故[3]。雨夜环境对驾驶员的行车安全同样具有负面影响，相关研究表明，单位时间内降雨量的增加会导致驾驶员视认距离缩短，影响其反应判断[4]。上述研究表明，在自然环境对驾驶员获取视觉信息存在干扰时，驾驶员对车辆的控制能力会受到影响，驾驶行为发生改变，车辆行驶稳定性下降，驾驶风险增加。

道路是车辆行驶的重要承载物，道路环境提供的視觉信息具有复杂性和多样性的特点，对驾驶员的影响也更为直接。驾驶员要观察和判断道路信息，并过滤掉无关的干扰信息。通过分析驾驶人员视觉特性和生理特性分布及变化规律，相关研究指出，不同等级公路的路况差异对驾驶员视觉特性各项指标将产生显著影响[5]。驾驶员信息量处理能力有限，过大的信息量会给驾驶员带来视觉干扰。同时通过比较驾驶员瞳孔变化，夜间在高速公路上行驶，由无广告牌区域进入高密度分布广告牌区域时，道路环境极易对驾驶员产生视觉干扰[6]。道路环境因素对交通安全具有整体影响，我国道路环境条件差异较大，汽车在行驶过程中环境变化明显，这种变化会给驾驶员带来信息负荷，影响驾驶安全。

车辆在道路行驶中与其他车辆传递信息，其他车辆的行驶状态信息是驾驶员选择驾驶策略、完成驾驶行为的重要依据。研究表明，车辆颜色会对驾驶行为产生交互作用，确定车辆颜色对驾驶员判断车辆的识认距离存在影响，后方车辆对黑色车辆在黄昏时的识认性明显低于其他车辆[7]。在城市道路及高速公路临近事故模式下，驾驶员的眨眼频率上升，在应激响应中的视觉行为较为灵活，注视范围也较宽阔[8]。驾驶员在驾驶过程中，会受到来自其他车辆的视觉信息干扰，同时也会由于视野盲区、迎面车辆灯光等原因遗漏车辆的视觉信息，无法观察和判断车辆行驶情况，造成安全隐患。

2 AR-HUD辅助驾驶显示技术

影响驾驶安全的视觉干扰信息成因很多，目前可以通过道路安全设计、交通管控、车辆传感技术、车辆辅助系统、驾驶员培训等，增强车辆行驶安全性，降低事故风险。但上述方法综合管理成本较高，且无法同时适应驾驶员所面对的多种复杂环境。而AR-HUD技术有望成为新的解决方案，其在车辆行驶过程中可以过滤多余信息，使驾驶员获得必要的视觉提示，辅助驾驶员观察、决策并合理驾驶，从而降低事故发生的概率。

HUD（Head Up Display）即平显技术，发明之初作为飞行辅助仪器应用于军事领域，飞行员不用低头就能够看到飞行器关键信息，从而减轻认知负荷，提高飞机操控舒适度。目前在汽车领域，部分品牌汽车已将HUD技术运用到自己的产品之中，确保视觉信息在任何条件下的可见性。驾驶员可以在视野范围内即时接收驾驶信息，同时集中注意力，从而提高安全性。但是传统HUD图像处在汽车中控台上方固定位置，在平面上展示，当驾驶员读取信息时，视觉焦点须从道路向车辆内部转移，此时驾驶员对外部信息的接收反而会受到干扰。

AR-HUD技术将增强现实技术（AR）与HUD技术结合，利用数字微镜元件生成图像元素，通过光学元件将图像投射于前挡风玻璃上。AR技术可以将显示信息与视线范围内各车道物体进行融合，将虚拟图像投射到驾驶员的视野中，使驾驶员能够始终专注于前方的道路。由于这些视觉信息覆盖在实际道路之上，驾驶员可以始终将注意力集中在道路上，并获得有效信息辅助驾驶行为，从而提升驾驶的安全性。

当前关于AR-HUD的理论技术研究主要聚焦于光学成像、图像处理、校正标定等方面，以提升显示系统的稳定性，同时部分学者对HUD技术的交互方式、应用场景、智能驾驶方向进行了研究，但是基于用户视觉感受的界面设计研究相对较少。AR-HUD界面的设计研究更多是从交互设计的基本原则和用户的需求角度出发，完成系统的界面布局和视觉设计，对复杂环境下的视觉干扰与驾驶员的视觉特征涉及较少。

3 AR-HUD界面设计策略与方案

AR-HUD显示系统是辅助驾驶的新型工具，与仪表盘等传统显示界面有所不同，其具有更好的视场角，信息显示维度也由2D向3D、AR方向发展。对其界面的设计应充分考虑交互的原则、驾驶员的视觉特征、用户的需求以及界面的系统性，为驾驶员提供有效的信息，提高驾驶效率，减少风险。

3.1 界面信息功能分布

基于人车交互系统的设计原则，AR-HUD界面设计一方面需要满足驾驶员对视觉信息的读取，另一方面应降低驾驶员在驾驶过程中的视觉分神与认知负荷。因此，对同一时间显示在界面上的信息，应按照信息的优先级划分，控制信息显示的数量，突出显示与安全驾驶直接相关的信息，避免非必要信息出现在界面中。通过桌面调研，明确用户对车辆信息显示的关注点和兴趣点，并按优先级及功能划分，将AR-HUD界面信息分为常显信息、警示信息、辅助信息三部分。

将信息分类后，对各模块在系统界面上的显示进行布局，使界面中的信息分布具有规律性。AR-HUD系统的常显信息包含当前车速、发动机转速、实时油耗、导航地图、限制车速等有关行车状态的基本信息，这类信息应该在界面的固定区域显示，且应避免干扰驾驶员对前方道路的观察。警示信息用于提醒驾驶员车辆异常状态及车辆行驶风险，包含故障警告、剩余油量、轮胎压力、蓄电池电压、前车距离警示、车门关闭情况等，同样需要布局在特定区域，未有异常和危险状况时不显示。辅助信息则是道路上各主体物位置信息，包含路线变更提醒、盲区车辆信息、行人信息等，用于辅助驾驶员观察路面状况。

驾驶员在行驶过程中的视觉特征使其注视分布具有倾向性，更多视线集中在当前车道与左侧车道之间，视线转向右侧车道观察相对较少。在排布界面信息功能时，应将驾驶员的视觉特征纳入考虑范围。常显信息模块与警示信息模块应位于界面中间及左侧区域，更符合驾驶员眼动特性和观察规律，为防止道路视觉信息被遮挡，两个模块应位于显示界面下方;辅助信息借助现实增强技术，与当前道路中各主体结合，实现动态显示，为便于驾驶员观察和判断，显示信息不应遮挡各主体物。

3.2 界面视觉设计原则

AR-HUD界面的视觉设计是系统显示输出的重要环节，信息的位置、图形、色彩、大小等传达语意准确与否，关乎驾驶员的驾驶决策和用户的使用感受。因此在AR-HUD系统的设计过程中，应强调界面视觉元素的有效性。

系统界面的视觉图形符号设计是界面设计中的关键一环，应与现有的交通标志符号具有一致性或相似性，同时也要考虑到车辆所处驾驶场景的复杂性。图形本身应该具有简单易用、语意清晰的特征，能够被驾驶员快速识别，避免产生歧义，以降低用户的学习成本和认知负荷。

AR-HUD系统基于光学原理成像，其成像效果受不同天气环境和行车条件影响较大，视觉设计须考虑符号的色彩、亮度与外部环境之间的关系。在驾驶员读取系统显示的信息时，视觉焦点会发生改变，此时道路环境成为信息的背景信息，且背景影像具有模糊性、变化性、流动性的特点，需要通过设计视觉符号的色彩和亮度，增强信息的可辨识性。

对色彩的选择应与现有的交通标志色彩相一致，以保证色彩语意的准确。在显示系统中，可选用高饱和度的红、黄、绿、蓝作为设计界面的主要色彩。红色代表危险、不可知的风险;黄色代表警示、提示;绿色代表安全;蓝色用于车辆行进的指示和辅助。高亮度、高饱和度的色彩系统成像清晰，能满足信息的可识别性，符合现有交通认知，驾驶员仅通过色彩就可以快速理解信息语意，降低决策时间和认知成本。

3.3 界面视觉设计方案

在设计策略的框架下，结合驾驶员的视觉特征，给出AR-HUD系统界面的具体设计方案，如图1所示。

常显信息包含两类内容，一类是当前车速、发动机转速、实时油耗、限制车速等数字符号;另一类是导航地图这样的图形符号。两类信息放置在同一区域内会产生干扰，不利于驾驶员读取信息。将导航地图位置调整至图中位置，驾驶员可以分开识别两类信息，认知负荷较小。警示信息位于常显信息上方，只在车辆状态异常或存在行车风险时显示，减少对当前车道和左侧车道的遮挡。驾驶员在行驶过程中的视觉注视转移主要是在当前车道与左侧车道之间完成的。

上述三部分静态信息集中显示于系统界面左下方位置，符合驾驶员的视觉注视转移习惯。用户在行驶中可以快速识别重要信息，减少驾驶员因识别信息产生被动的注视转移。

盲区监测作为一种辅助驾驶技术，对车辆的行驶安全具有重要作用。目前，盲区监测的主要方法是将声音提示和后视镜上的警示标志相结合，提醒驾驶员盲区范围内有行驶车辆。当驾驶员具有并线倾向，会通过目标方向向后视镜观察瞭望，此时的盲区监测警示只对目标方向有效，驾驶员无法掌握另一侧的盲区情况。针对上述问题，AR-HUD系统将盲区监测信息置于界面两侧，用于警示驾驶员两侧盲区车辆，驾驶员平视显示系统即可掌握车辆盲区状态。

在AR-HUD界面系统中，常显信息、警示信息、辅助信息的显示逻辑具有差异性，因此要依据各个信息模块的特点设计视觉方案。车辆当前速度、发动机转速等常显信息是驾驶员获得车辆行驶参数的重要数据，面对各种复杂环境的干扰，应通过视觉设计保证其显示的稳定性。警示信息模块非紧急情况时处于关闭状态，当出现故障和风险时，需要快速引起驾驶员的注意。因此，对警示信息的设计应相对保守，使其图标、颜色所表达的语意与现有的警示标志相一致。在本系统中，图标与现有警示标志相同，颜色选用高饱和度的红色和黄色。界面中辅助信息的显示具有动态性、分散性的特征，在复杂的道路环境中，各信息之间的干扰会更加严重，其视觉设计应尽量简洁，避免遮挡人、车、道路。

在模拟黄昏时段，汽车行驶于城市快速路上，高饱和度、高亮度的信息显示可以保证信息的可识别性。车辆距离隔离带较近，道路偏移警示亮起，提醒驾驶员车辆行驶状态。当前车道与右侧车道前车并未开启示宽灯，不利于驾驶员观察，通过AR技术标定附近车辆位置及风险等级，能辅助驾驶员在复杂的道路环境中观察和决策，保障行车安全。

4 结语

文章通过对驾驶过程中的复杂环境进行梳理，分析影响驾驶安全的视觉干扰信息，结合驾驶员视觉特征和信息获取需求，提出以AR-HUD技术为基础的设计应对策略，并针对AR-HUD显示系统的界面尝试设计，确定了显示系统的功能分布、设计原则以及具体设计方案，对之后AR-HUD界面设计的研究具有一定参考价值。AR-HUD界面设计的系统性和各种复杂环境下信息传达的准确性值得进一步研究。

参考文献：

[1] 谷阳阳，柴智勇，史雪莹，等.车辆颜色等多因素对驾驶行为的交互作用研究[J].交通科技与经济，2020，22（3）：17-23.

[2] 陈秀锋，武帅，宋著贺，等.雾天环境下S形弯道驾驶行为特性[J].科学技术与工程，2019，19（29）：344-348.

[3] 武帥，陈秀锋，高艳艳，等.雾天环境下驾驶行为特性研究[J].青岛理工大学学报，2019，40（5）：101-105.

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[8] 胡立伟.公路交通设施驾驶容错能力分析方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

作者简介：杨泽民（1989—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士在读，研究方向：视觉传达设计。

吴祐昕（1973—），女，江苏扬州人，博士，教授，研究方向：信息交互与体验设计、品牌数字化创新、网络文化创意产业。