[论文解读] Head-up Displays (HUD) in driving

Marcos Maroto, Enrique Caño+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Human-Automation Interaction and Safety参考文献 13被引用 10

一句话总结

本文研究了汽车环境中抬头显示器（HUD）的应用，提出情境感知、多模态HUD系统可通过适时、个性化的信息传递，减少驾驶员分心，从而提升驾驶安全性。文章对比了航空与汽车领域的HUD设计，强调增强现实与传感器集成系统，将速度、导航及危险预警等关键数据直接投射至驾驶员视线范围内，减少视线离开道路的次数。

ABSTRACT

Head Up Displays (HUDs) were designed originally to present at the usual viewpoints of the pilot the main sensor data during aircraft missions, because of placing instrument information in the forward field of view enhances pilots ability to utilize both instrument and environmental information simultaneously. The first civilian motor vehicle had a monochrome HUD that was released in 1988 by General Motors as a technological improvement of HeadDown Display (HDD) interface, which is commonly used in automobile industry. The HUD reduces the number and duration of the drivers sight deviations from the road, by projecting the required information directly into the drivers line of vision. There are many studies about ways of presenting the information: standard oneearpiece presentation, threedimensional audio presentation, visual only or audiovisual presentation. Results have shown that using a 3D auditory display the time of acquiring targets is approximately 2.2 seconds faster than using a oneearpiece way. Nevertheless, a disadvantage is when the drivers attention unconsciously shifts away from the road and goes focused on processing the information presented by the HUD. By this reason, the time, the way and the channel are important to represent the information on a HUD. A solution is a context aware multimodal proactive recommended system that features personalized content combined with the use of car sensors to determine when the information has to be presented.

研究动机与目标

• 分析抬头显示器（HUD）在航空与汽车领域中的发展历程与应用。
• 识别HUD设计中的核心挑战，特别是驾驶员分心与信息过载问题。
• 评估多模态（视觉、音频、触觉）及情境感知的信息呈现方式在降低驾驶员工作负荷方面的有效性。
• 探讨HUD技术的新兴趋势，包括增强现实、全息显示及头盔集成系统。
• 评估商业化与实验性HUD系统，并评估其在未来的车辆中广泛采用的潜力。

提出的方法

• 分析HUD从军用航空到民用汽车应用的历史发展。
• 分析汽车HUD的三个核心组件：组合镜、投影仪和计算单元。
• 基于响应时间与认知负荷，评估不同信息呈现模式：仅视觉、视听结合、3D音频。
• 提出一种情境感知、多模态、主动推荐系统，利用车辆传感器确定信息传递的最佳时机与通道。
• 审查商业HUD产品（如Garmin HUD+、第三方设备）及其技术规格。
• 探讨未来发展方向，如AR增强挡风玻璃、全息界面（Aida 2.0），以及宝马基于DigiLens技术的头盔式HUD。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统低头显示相比，HUD如何减少驾驶员分心？
• RQ2 在实时驾驶场景中，哪种感官通道（视觉、音频、多模态）最有效地呈现HUD信息？
• RQ3 情境感知系统如何改善HUD信息传递的时机与相关性？
• RQ4 将增强现实技术集成到汽车挡风玻璃中的关键技术与设计挑战是什么？
• RQ5 未来创新（如全息图、头盔HUD）将如何重新定义个人与商用车辆中HUD的功能？

主要发现

• 与单侧耳塞音频相比，3D音频呈现可将目标获取时间减少约2.2秒，提升响应速度。
• 驾驶员无法同时将注意力集中在HUD与外部环境上，凸显信息优先级规划的重要性。
• 第三方HUD设备通常仅显示速度与限速等基本数据，且多为单色显示，视觉吸引力与有效性有限。
• 商用HUD如Garmin HUD+通过智能手机集成，提供包括转向指引、限速提醒与预计到达时间在内的详细导航提示。
• 未来汽车HUD预计将整合增强现实技术、GPS、传感器与实时数据，将危险预警与导航提示直接投射至挡风玻璃上。
• 宝马的头盔式HUD原型采用DigiLens技术，将彩色可编程数据直接投射至骑行者视野中，其效果类似于摩托车版谷歌眼镜2.0。