抬头显示器对驾驶行为之影响评估.doc

義守大學工業工程與管理學系畢業專題成果發表研討會抬頭顯示器對駕駛行為之影響評估趙志中 黃惠愈 林雅婕 黃宗裕 方世賢義守大學工業工程與管理學系高雄縣大樹鄉學城路一段一號聯絡人：.twH1-12摘要人性化在近代科技工程上的發展過程，地位一再的被提升、肯定，嚴然已成未來主流趨勢。愈是接觸時間長的空間、物件，愈需要加以人性化科技的輔助，以期修正與人體動作規則相衝突的因子。房車是現代人除了居家、工作場所外，最常接觸的空間，也是主要交通工具，除了舒適、方便的設計要求，更存在針對安全性的考量。本組選擇房車作為研究對象，實驗加入抬頭顯示器（Head-Up Display/HUD）之使用，能否提升基於人因理論所假設因子之效果。實驗以介面設計軟體Rapid 模擬汽車操作介面，建構傳統(對照組)、HUD(控制組)兩介面，在行車測試中參雜超車、煞車、行人等突發狀況，記錄受試者在兩介面間，相對於不同路況，所產生的錯誤操作次數，最後由統計分析的結果以及人因理論的討論，驗證出HUD的安全性優於傳統儀表介面。關鍵字：抬頭顯示器、車內資訊系統、駕駛績效1. 緒論1.1 研究動機 太多的高科技產品，佔據了我們的生活空間，其結果通常都會使資訊接收者出現資訊迷向的窘境，使得資訊接收者無法對重要的資訊，做出最佳的反應。所謂的人性化科技，其實就是探討如何將還在設計研發階段的產品，以人性為主要考量因素來設計，其主要概念在於以人為主、產品為輔。也就是說，產品的功能或形狀必須遷就使用者在使用時的情境，而不是讓使用者去習慣產品的外形及使用方式。人性化科技所探討的範圍其實是非常廣泛的。一個設計良好的資訊介面系統，不但能夠將正確、完整且即時的資訊傳達給使用者，而且還要讓使用者能更正確且快速的完成他的工作。以往的資訊傳播及接收方式是以視覺顯示器來扮演主要媒介。當使用者進行資訊接收時，視覺顯示器必須配置在使用者視覺的正常視域內才能被有效讀取。一旦駕駛者的視線遭到阻礙，便可能使資訊接收的過程產生漏失而導致不良後果。抬頭顯示器通常使用於視覺負荷較高之場合，它的設計是利用光投影的原理，將資訊投射到使用者在使用產品時的正常視域之內，讓使用者在無須改變坐姿或轉動頭部的前提之下，即能順利的接收到所需要的資訊。因為操作汽車的方法及內在環境，與飛航器的機體及操縱環境並不相同，若把相同的資訊呈現方式應用在汽車的駕駛環境上其實並不一定適用【2】。由於車內資訊系統，如電子導航地圖的使用已經成為車子配備之主流。然而之前的研究相關提示【1】，在處理車用資訊會對外界路況之掌握產生影響；因此，是否可將這些資訊以HUD的方式呈現，避免這些負面影響，便是一個值得研究的課題。因此，本組決定探討抬頭顯示器在車用環境下的使用情況。1.2 研究目的完整的資訊傳遞過程必須經由人員與介面之間的雙向溝通來完成。在介面的設計上，主要是希望能將資訊以更容易讓使用者接收的呈現方式來設計，以增加駕駛者對外部路況的掌握程度，並提高行車的安全性。雖然抬頭顯示器已經被汽車製造商選擇為提升駕車安全性的主要工具，但抬頭顯示器是否真的具有這樣的特性，它是否真的能夠比傳統儀表介面的資訊傳遞過程，營造更加安全的駕駛環境給駕駛人，是否有一些實驗的統計數據可以來證明此一應用的正確性，還是只是因為航空機具的使用，所帶給人們一種月暈效應的刻板印象。因此本專題的目的，是要讓我們回歸基本面來探討抬頭顯示器的設置是否符合我們對它的原始期望。換句話說，本組將以客觀的統計分析等科學方法來代替主觀的刻板印象，證明抬頭顯示器的建置是否真的能使駕駛者獲得比舊有介面更有效率的資訊搜尋過程、更短的反應時間，以及更低的錯誤判斷率。1.3 研究限制本組針對技術與研究範圍做以下幾項限制：(1) 模擬 抬頭顯示器是此項研究所必需建置的主要實驗工具，因此本組將利用電腦的應用軟體，盡可能的將抬頭顯示器與汽車行進間的駕駛環境及突發狀況，以最接近真實情形的畫面，模擬在電腦螢幕上，在滿足可行性的前提下，企圖把實際與模擬之間的距離最小化，讓研究結果符合較佳的信效度。(2) 人員認知 由不同的文化背景、風俗習慣、教育與年齡等因素所形成的個別差異，將是影響此項實驗中最主要的變數之一，而這項變數反應在實驗的過程時，將會出現在不同的人員認知過程，若要把此一變數加以考慮，那麼可能會模糊了此項研究的目的，並使得研究的範圍過大，因此本組將不考慮人員的認知。(3) 實驗情境在實驗設計的理論中有談到實驗進行的方式，一般可分為實驗室的實驗與實際環境的實驗兩大類，因本組無法實際製造一抬頭顯示器，所以是以投影方式的實驗室實驗法來進行【4】；一般汽車前擋風玻璃的垂直高度約在60至70公分之間，駕駛人的眼睛到前擋風玻璃的距離約在100公分左右，而本組實驗時投影圖的高度為75公分，受試者的眼睛到投影屏幕的距離為165公分，其間所造成的差異主要在於視距與視角的不同，因此在實驗結果的應用上必須對此一限制加以考量。2. 文獻探討2.1 HUD的沿革HUD最初是為了戰鬥機而發展的，與目前系統較相近之抬頭顯示器最早出現於1960年代，現在已成為戰機的標準配備。其主要功能是將外界景物與航具的各項飛行資料加以重疊呈現，以求減輕駕駛員的工作負擔，並提昇武器操作能力，達到人機合一的境界。近年來，HUD技術漸漸將觸角伸向了民生用途的領域，首先是民用飛機，目前使用已頗為普遍，其主要目的是在協助飛機的起飛降落。接著，HUD的應用又從天上延伸到地上，包括火車和汽車均已見到其應用例子。汽車用HUD的主要目的是在提高行車安主讓駕駛者不必低頭就能知道車速、燃油存量和方向燈、大燈指示等車況訊息，避免低頭觀看儀表時無法兼顧車外狀況而發生意外，增加汽車駕駛的安全性【5】。2.2 汽車HUD之特性需求 早期的抬頭顯示器僅使用於戰鬥機上，講究的是敵情反應及飛安管制的即時顯示，甚至被用來做武器的瞄準及控制，不但缺之不可，而且精確度的要求極嚴格，因之其成本也很高。近來才逐漸在汽車等民生消費性產品上出現，對抬頭顯示器的特性要求轉向低製作成本、外觀易為消費者接受、以及能適應不同天候等等。 表2-1系將汽車用抬頭顯示器和飛機上所使用的抬頭顯示器，其特性做一比較【5】：表2-1 抬頭顯示器之比較汽車飛機目視距離3-10m無限遠駕駛人眼睛位置變化大變化小疊像鏡多夾入擋風玻璃中獨立式光源LED,LCD,VFDCRT所需精度低高背景狀況複雜單純進行速度慢快處理時間慢快周圍環境惡劣單純3. 研究方法3.1 受試者本研究分為實驗組（HUD介面）與對照組（傳統介面），每組各有17名受試者（男性13名，女性4名）參與本次實驗，其年齡分佈為21至27歲，他們也都有1年以上駕駛汽車的經驗。3.2 軟體與硬體設備在軟體方面，本組使用Rapid 6.0來建構虛擬場景；其次則是以HyperCam軟體錄製整個實驗過程。本研究的硬體設備包含一台個人電腦主機及單槍投影機，以投射的方式顯示虛擬的場景。此外，本研究採用滑鼠作為控制器，以模擬駕駛人的操控動作。3.3 實驗介面介面設計在Rapid軟體中選擇Object Layout，將汽車內部之圖形以Import Bitmap的方式，將汽車介面輸入。本組使用對照組（傳統儀表介面）與實驗組（HUD儀表介面）此兩種介面；傳統介面的功能物件有電源、油門、煞車、速度表、轉速表、油表、溫度表、手機、PDA；HUD介面則在擋風玻璃的左下角增設HUD。決定物件後，須賦予物件功能，首先到Mode Tree中定義內容，再進入Logic Editor中寫出物件之邏輯關連性，撰寫完成後即可由Prototype進行介面的模擬。本組將PDA資訊設計五種新聞訊息，分別為：1. 明天放假一天；2. 溫度下降十度；3. 股票上升5000點；4. 賓拉登被逮捕；5. 鋁鏽連結婚了；欲顯示此類資訊，只需選取上、下按鈕即可閱讀。PDA地圖功能提供汽車在地圖上行駛的路徑（此路徑為假設），按下地圖的按鈕可看到連續的行進畫面。手機的來電顯示中設計十組不同的電話號碼，以隨機的方式呈現，當螢幕上顯示號碼時，可用OK鍵接電話。情境設計包括：1. 常態路況：道路沒有汽機車時；2. 超車：前方有汽車從左邊車道超入；3. 超車時煞車燈亮：前方汽車超車並有煞車動 作。 4. 煞車燈暗：前方出現一台汽車，此項情境採用遠近不同的圖片，以期造成擬真的連續效果；5. 煞車燈亮：前方出現一台汽車並有煞車動作；6. 行人：右前方有行人由機車道闖入汽車道。在實驗進行的過程中，受試者閱讀PDA中的資訊，在閱讀資訊的過程中，車外忽有一行人闖出，情境圖片還是會正常切換，如圖3-1所示。 圖3-1 實驗介面行人因子圖3-2是表示在實驗進行的過程中，受試者閱讀PDA中的資訊，在閱讀資訊的過程中，前方有汽車從左邊車道超入。藉著注意力的移轉，比較出此兩介面的優劣。圖3-2 實驗介面超車因子3.4 實驗程序1. 受試者必須先接受大約5分鐘訓練，以熟悉儀器的操作。2. 受試者必須學習如何在實驗進行的同時操作及觀看車速、PDA資訊（地圖、新聞訊息）和手機來電顯示。3. 每位受試者必須進行一次實驗，時間為4分鐘。4. 實驗開始時，受試者須按照記錄員的指示，執行指定動作。受測者在實驗過程中所發生判斷錯誤的次數，都將被記錄下來。4. 實驗結果與分析本組針對受試者在操作傳統介面與HUD介面時，忽略外部車況已改變的次數資料進行收集。因為本組想知道，HUD介面的平均錯誤次數是否低於傳統介面，所以是檢定僅有兩個處理水準之間的平均值，而且假設母群體變異數未知但相等，因此各因子適當之檢定統計量為單尾T檢定。本節之檢定因子可分為：超車因子（包含未察覺超車因子及察覺超車因子）、前面煞車減速因子、超車且煞車燈亮因子及行人因子。使用母體共同標準差的估計式Sp將兩組樣本的標準差SH與S傳合併，設1為傳統介面錯誤次數，而2為HUD介面錯誤次數，其虛無假設與對立假設分別如下：H0：12（120）H1：12（120）利用T檢定統計量計算t值，而其則決策規則為：若P0.05，則拒絕H0；否則不拒絕H0。經由以上T檢定的計算結果，可得知超車時煞車燈亮（t32=1.163,P=0.0564）、煞車燈亮（t32=1.893,P=0.0337）與行人（t32=2.083,P=0.0228）等因子方面由於虛無假設被拒絕，故得實驗結果為有證據顯示HUD介面的平均錯誤次數比傳統介面少；另一方面，在超車的錯誤次數上，由於初步收集的資料並未考慮受試者的駕駛習性，造成統計之後出現虛無假設不被拒絕的反向結果(t32=0.8268,P=0.2072)，但經由實驗過程的重新檢試，本組得到與其他因子相同的結果(t=2.179,P=0.018)，因此同樣有證據顯示HUD介面的平均錯誤次數比傳統介面少。5. 討論首先，若以單一資源理論來看，它的論點是假設人類進行所有活動時，所使用的資源是來自同一個資源供應處，當人類同時進行的作業越多，各作業所分配到的有效資源就相對越少，而各項作業的績效也會降低。相同的，當駕駛人所必需注意的事項越多，或是所必需執行的動作越複雜時，那麼對於駕駛時，需注意前方路況等最為重要的工作，所分配到的資源就相對越少。另一方面，若以多元資源理論來看，其實它與單一資源理論最大的不同點在於資源供應處的非單一，它是將人類的所有活動細分為幾個主要作業，並假設每一種作業皆有其專職且獨立的資源供應處。套用到駕駛環境來看，當駕駛人一邊開車一邊打電話時，若駕駛人同時須注意高速公路收費站的車道指示標誌，則會與講電話的作業同時使用語文符碼，而造成兩項作業的績效降低。人的眼睛之所以能夠看見東西，當然有其特殊的構造，這些構造包含錐狀體與桿狀體兩種細胞，錐狀體的分佈區域在中央小窩附近，它們的主要功能是分辨色彩與物體的細部結構，並且對光線較為敏感，相反的桿狀體的分佈則屬於網膜的外圍，它們能分辨黑白與物體的初步位置，另外它們在光線不足的情況之下，較為敏感。在傳統駕駛介面中，不論是地圖、PDA或是電話的來電顯示位置皆會與駕駛人開車時的正常視線，產生一個右下方大約30的夾角，當實驗過程中，要求受試者回答地圖方向、PDA資訊或是電話號碼時，由於受試者光是使用對細部結構較不敏感的桿狀體來產生視覺時，將明顯不足，在此同時，車輛行駛方向的視線將受到錐狀體有效視角的壓縮而減少，使受試者無法注意到車輛前方的變化，而增加了錯誤次數，另一方面，HUD介面是把駕駛人所需的一切資訊置於駕駛人錐狀體的有效視角之內，使駕駛人不需要為了看清楚PDA等資訊而減少錐狀體在車輛行駛方向的視角。因此錯誤次數也就顯著的下降【3】。6. 結論與建議6.1 結論在此次實驗的五項因子中其統計數據所呈現的結果顯示，在汽車的前擋風玻璃裝置了HUD介面的環境與未裝置HUD的傳統介面之間存有一顯著差異。也就是說，只有小於0.05顯著水準的機率，是由於偶然的機會所造成。亦即，在裝了HUD介面的情況之下，受試者發生錯誤次數下降的結果會是一種偶然發生的機會，將小於0.05，所以本組有理由說明，錯誤次數的減少不能歸因於機緣所引起，而是由HUD介面的自變項所引發的效應。換言之，HUD介面的建置在提高駕駛者行為的安全性上有其優點。雖然依據本組的實驗結果，若車輛加裝了HUD介面會使駕駛者發生錯誤的次數減少，並更能專注於車輛的駕駛行為，但必需強調的是，實驗的結果，只說明了差異性的存在是一個事實，但HUD介面是否在各方面皆優於傳統介面則有賴其他的研究進行。6.2 未來研究方向(1) 模擬與實驗情境若此項研究能夠由具備電機或電子方面背景的研究人員接續下去，想必能夠將此差異因素消除，而得到信效度更佳的研究結果。(2) 人員認知本組也曾經提到，個別差異對本項研究的影響，其實，若真的要考慮此項因素的變異，不妨將研究標的之設定縮小，例如，只考慮PDA的呈現方式，以不同位置的排列組合、不同形狀的表現方式或是不同顏色的角度個別設計一套系統的研究流程，來探究人員認知對駕駛行為的影響。(3) HUD介面與傳統介面之比較要決定以HUD介面全面性的替換傳統介面是否可行，若只以本組之研究結論來作為決策的依據，實在有缺全面性的考量，也就是說論證的角度還不夠多元，而這一方面的研究著墨，將有賴於各位後進的不斷參與。誌謝謹以此專題報告獻給林迪意教授，期能與本組同學共享此一成果，同時對工業工程與管理學系系上各位老師的辛勤教導致上最高的感謝，最後，銘謝此次實驗的受試人員，由於他們的高度配合，才能完成所有實驗數據的收集。往後若本組跨組更多元化的知識領域，希望有機會能將此專題做更完善的研究與驗證。參考文獻1. 林迪意、劉燕儒，以高齡駕駛員為考量之車用地圖導航界面，中國工業工程學會九十年度年會暨學術研討會，高雄，民國90年12月8日，第1-5頁。2. 林宸生，抬頭顯示器全像平面分光鏡之研