不同年龄段人群驾驶分心时的视觉特性分析

2024-01-12褚英帆秦华冉令华张然张欣

科学技术与工程 2023年34期

褚英帆, 秦华,2, 冉令华, 张然, 张欣

(1.北京建筑大学机电与车辆工程学院, 北京 102616; 2.北京建筑大学北京建筑安全检测工程技术研究中心, 北京 102616;3.中国标准化研究院, 北京 100191)

随着车载信息系统(in-vehicle information system,IVIS)的设计不断向智能化、多样化的发展,车载中控屏也成了最易引发视觉分心的车内设计。在实际的驾驶事故数据中发现,截至2019年存在43.1%的交通事故与车载信息系统次任务造成的驾驶分心有关[1]。研究表明,驾驶中的视觉分心是极易引发交通事故的驾驶分心类型[2-3],由于驾驶员沉浸于车载信息系统的次任务中,其视觉注意资源通常无法完全集中于驾驶主任务,是导致交通事故的重要原因之一。

驾驶分心是指注意力指向与正常驾驶不相关的活动,从而导致驾驶操作能力下降的一种现象[4]。驾驶员在执行驾驶任务时,可以看作一个信息加工系统,通过视觉通道、听觉通道等获得的车载信息从而刺激大脑产生知觉实现一系列驾驶行为[5]。但通常人的注意资源是有限的,根据信息需求可以分配到各种任务中,当驾驶员对车载信息系统次任务投入过多的视觉资源时,便会影响正常的驾驶任务[6]。国内学者对视觉驾驶分心的研究已经较为成熟,多为对驾驶行为与视觉行为方面的研究。从驾驶行为角度分析,当产生驾驶分心行为后,驾驶员的驾驶行为将发生显著变化。马勇等[7]通过实车实验探究了驾驶分心时的车道偏离规律:驾驶分心时的车道偏离程度相较于正常驾驶时通常较大。党珊[8]对驾驶中操作手机APP引发的4类驾驶分心行为进行研究,分别探究了不同类型的驾驶分心行为对驾驶绩效的影响。Liu等[9]则通过模拟分层IVIS信息界面的布局,根据次任务完成时间、错误率等指标评价了驾驶员的驾驶绩效。另外,从视觉注视的角度分析,驾驶员对驾驶交互界面的注视点集中存在明显的区域间差异。Niu等[10]研究了在接管车辆控制过程中参与者的视觉感知特征, 驾驶员在回到驾驶场景后的注视点分布集中在场景的左侧和下方。Zhan等[11]将驾驶场景的显示界面分为5个部分(前、上、左、右和下),得到雾天高速公路上驾驶员的注视点集中分布于中间、底部和左侧。对驾驶员特性变化的检测中,多通过视觉特性的变化辨识和测度驾驶分心程度。综上所述,目前对驾驶分心的研究主要集中在驾驶分心对驾驶绩效的影响、对交通安全的危害以及驾驶分心状态识别等方面。有关驾驶员视野的研究则侧重于基于不同驾驶场景交互界面的视觉注视特性。

有关车内任务引发的驾驶分心研究已经比较深入,但目前研究中对中控屏界面动态信息布局尚未有统一标准,少有考虑车载中控屏不同动态视野区域导致驾驶分心的研究。现从车载中控屏的上下视野、左右视野2类动态视野区域,综合考虑执行车载信息系统次任务时的视觉特征,在实验室中模拟驾驶环境,通过视觉搜索测试探究中控屏中能够有效降低驾驶分心程度的视野区域及适宜的车载动态信息任务负荷,对今后车载中控屏幕的动态信息显示设计具有理论意义。

1 研究方法

1.1 实验平台

本次实验于中国标准化研究中心视觉工效实验室进行,使用e-prime心理学实验操作平台呈现实验信息,使用镜式眼动仪记录视觉特性数据。实验模拟了驾驶员在驾驶时对中控屏进行信息浏览的任务,实验屏幕模拟了10.1英寸的车载中控屏,模拟显示器的刷新频率为60 Hz、分辨率为1 600×900,反应器为无线键盘。

1.2 参试者

本次实验在北京共招募26名参试者,年龄分布在26～68岁,平均年龄为48岁,矫正视力均不低于1.0,参试人员均为右利手。具体信息如表1所示。

1.3 实验设计

实验共包括2个自变量:视野区域、任务负荷。视野区域分为上下视野、左右视野。视觉信息加工的单侧视野优势效应一直是认知心理学和认知神经科学领域的重要研究课题,包括左右视野和上下视野的不对称性[12],基于此将中控屏划分为上下视野区域与左右视野区域进行讨论研究。其中,研究对不同视野区域的划分考虑了目标的运动方向,视野存在重合的部分仅对单一区域进行考量,不对重合区域做加减处理。详情如图1所示。车载信息系统次任务负荷包括高负荷、低负荷2种。其中,依据多资源理论[13]可知,视觉负荷可对任务总负荷产生影响,因此通过设置不同程度的视觉符合控制整个实验任务的认知负荷:高认知负荷的目标刺激为114像素×128像素、低认知负荷的目标刺激为228像素×256像素。实验因变量为视觉搜索的搜索时间,对车载信息不同视野区域的注视个数、注视时长。模拟的实验场景布置如图2所示。

图1 中控屏动态视野区域划分示意图Fig.1 Schematic diagramof dynamic vision area division of central control screen

图2 实验场景布置图Fig.2 Layout of experiment scene

实验使用的刺激材料为常见的动物和交通工具的线条图画和剪影图画(均为黑白图片),设计了两种车内中控屏幕的摆放方式:横向中控屏、纵向中控屏,做此设计的目的是探究横向和纵向两种摆放位置下的最佳视野区域和任务负荷是否存在差异。实验动态刺激源将在各个视野区域内随机从单侧方向出现并进行一次往返运动,横向中控屏:左右往返运动的呈现时长为4 s,上下往返时长为3 s;纵向中控屏:左右往返运动的呈现时长为3 s,上下往返时长为4 s。各视野区域的刺激材料运动速度一致,实验将在此设定条件下展开。

1.4 实验过程

实验以个别施测的方式开展。参试者进入实验室后,填写与实验相关的调查问卷,随后由主试告知实验流程。首先进行练习实验以熟悉实验流程,练习实验结束。正式实验开始前,参试者再次自行阅读实验指导语,确保参试者了解整个实验流程后,由主试对眼动仪进行校准。校准完成后,参试者准备好即可按键开始实验,每个单位测试前有0.5 s的缓冲时间,随后有一段2.5 s的提示音,提示音结束后刺激材料呈现,由参试者做出应答。需要按键反应表明是否看清楚移动的刺激材料并口头作答看到的内容。每次测试结束后自动进入下一个试次,直至实验结束,整个实验流程全部完成共需要40 min左右。

2 反应时长分析

2.1 描述性统计

视觉搜索反应时长是指从搜索界面出现到参试者进行按键反应之间的时间间隔,此数据能够客观地反映参试者完成搜索车载信息系统次任务的速度。

由表2可知,不同视野区域对于搜索时长的影响程度呈现出一定相关性。首先,横向中控屏中随着视野区域的不断变化搜索时长的变化明显,在中部区域的搜索时长最长,为1 079.60 ms;纵向中控屏中同样在中部区域的搜索时长最长,为915.00 ms。

表2 不同视野区域下的搜索时长Table 2 Search time in different visual fields

潘福全等[12]曾提出,在复杂任务条件中,由于大脑上下半球功能的特异性在上下视野存在明显的不对称性,即单侧视野区域存在优势效应。具体表现为任务复杂度对视野优势效应的综合影响[13]。研究通过模拟驾驶员浏览车载信息系统次任务,获取其在不同视野区域的驾驶分心程度。由数据分析可知,横向中控屏上部视野区域所耗费的搜索时长更短,驾驶员将在此区域付出更少的视觉注意资源,因此产生驾驶分心程度应低于其他视野区域。纵向中控屏的下部、左侧视野所占用的搜索时长更长,在浏览车载信息系统次任务时会一定程度缓解驾驶分心行为。

2.2 方差分析

表3为搜索时间的方差分析结果,其中横向中控屏通过了方差齐性检验直接进行方差分析,纵向中控屏未通过方差齐性检验,使用韦尔奇异方差检验。刺激材料出现的视野区域、任务负荷对搜索时长的主效应分析结果显示:横向中控屏的视野区域对搜索时长的主效应并未表现出显著影响(P<0.05),任务负荷对搜索时长表现出显著影响(P>0.05)。当任务负荷越高时进行视觉搜索的反应时长就越长,反之则越少。纵向中控屏,任务负荷对搜索时长的主效应未表现出显著影响(P>0.05),而视野区域对搜索时长的主效应表现出显著影响(P<0.05)。结果显示参试者视野范围的区域对视觉搜索的绩效影响显著,任务负荷对参试者搜索绩效的影响不显著。

表3 方差分析结果Table 3 Analysis ofvariance results

同时考察了车载信息系统次任务负荷对参试者视觉特性的影响,通过方差分析可知横向中控屏中任务负荷对于视觉搜索反应时长的影响显著,纵向中控屏中任务负荷对视觉搜索的反应时长影响并不显著。但综合搜索行为数据的描述性统计结果和眼动数据可知:两种中控屏中,任务负荷越高,视觉搜索时间就越长,占用的视觉注意资源越多,可能造成的驾驶分心程度也就越高。由于目前有关驾驶分心实验的设计流程尚未存在科学性的标准,不同研究中设计的引发驾驶分心的次任务差异较大,因此在不同的次任务下驾驶分研究中的实验结果也表现出较大差异。今后的研究中应当设立统一的规范和标准来界定次任务类型,以达到研究结论的严谨性。

3 视觉特性分析

3.1 注视时长

眼球运动时间分为注视时间和扫视时间。长于100 ms的眼球运动被认为是注视持续时间,小于100 ms的眼球运动被认为是扫视时间。本文研究主要通过注视时长和注视个数进行分析,详细的描述性结果如表4所示。数据显示,横向中控屏的上下视野区域中下部视野的注视点数量较少、左右视野中左侧视野所需要的注视资源较少,其中左侧视野的效果最佳,注视个数的平均值仅6.65个、注视时长的平均值仅1 330.75 ms。纵向中控屏的上部、中部视野区域所需的反应时长更短。

表4 眼动数据的描述性结果Table 4 Descriptive results of eye movement data

He等[14]的研究表明,与非分心驾驶相比,驾驶人在分心驾驶期间对周围信息的注视持续时间通常更长。本文研究的任务负荷的结果也证实了这一观点,任务负荷越高意味着需要驾驶人耗费更多的注意资源对目前的车载信息进行认知处理[15-16]。驾驶时执行次任务对视觉搜索绩效有显著影响,负荷越高的次任务也将越多的占用驾驶人的视觉注意资源,所以更易引发驾驶分心行为。注视持续时间对工作负荷十分敏感,并且随着视觉符合和心理处理需求的增加而增加[17]。

3.2 注视区域

为了深入探究驾驶员产生驾驶分心状态时对于中控屏不同区域的注视情况,以不同年龄组与不同视野区域为变量对注视点个数的分布情况进行了数据处理,具体结果如图3所示。为方便表述,图3中不同视野区域将用1、2、3、4、5表示横向中控屏的上部区域、下部区域、左侧区域、中部区域、右侧区域,表示纵向中控屏的上部区域、中部区域、下部区域、左侧区域、右侧区域。

图3 中控屏不同区域的注视分布Fig.3 Gaze distribution in different areas of central control screen

从图3中可以发现在横向中控屏设计中,区域2(下部区域)的注视点数量最少;区域1(上部区域)、区域4(中部区域)所需要的注视量最多,在横向中控屏布局中为表现出年龄差异。纵向中控屏设计中,对于不同视野区域的注视点数量表现明显的年龄差异,老年组在区域5(右侧区域)的注视量较多,中年组则在区域4(左侧区域)的注视量较多,青年组在区域5(右侧区域)注视量更多。

模拟驾驶环境中,驾驶员在进行对车载信息系统次任务的读取与识别过程中位于中控屏幕的左侧、下部等视野区域所需要的视觉注意资源更少,这类视野区域通常在距离上都更接近参试者的有效视野区域,因而实验过程中的视觉特性表现良好,为不易引发驾驶分心的区域,或引发驾驶分心程度更小的区域。

4 驾驶分心实验场景分析

有关车载信息系统次任务的驾驶分心行为的研究存在模拟实验与实车实验两种实验场景[18]。实车实验中驾驶员可以真实参与到驾驶活动中,但此过程会对参试者的安全造成一定的威胁。对此,模拟驾驶实验通过模拟驾驶环境,在确保参试者安全的前提下实现对驾驶员驾驶分心程度的测量。

通常驾驶过程中产生驾驶分心的因素包括人、车、道路、环境等4类因素,与驾驶员相关的因素中长时间的注视与认知工作量的增加也是导致驾驶分心的重要原因[19]。因此模拟驾驶实验可通过复原真实的驾驶环境,能最大限度地获取真实的行为反应数据。研究应对驾驶分心的行为时,根据驾驶员分心反馈的瞬间,将反馈分为实时反馈、延时反馈、回顾反馈和累积反馈4种,大量的研究集中在实时反馈上[20-21]。本次实验同样了采取了实时反馈数据,从驾驶员视觉特性和车载任务两个角度出发,探究了不同车载中控屏视野区域的视觉特征。因此,本文研究虽为模拟驾驶环境下的视觉驾驶分心研究,但对未来车载中控屏幕信息现实的设计仍具有现实意义。