Ergonomics Studies on Non-Traditional In-Vehicle Displays for Reducing Information Access Costs

Abstract

운전자가 차량을 온전히 제어하면서 도로 상황을 인지하기 위해서는 주행 중 대부분의 시간 동안 전방을 주시해야 한다. 따라서, 일련의 주행 업무에 필요한 정보를 제공하는 차량 내 디스플레이를 운전자의 전방 시선에 가깝게 위치시켜서 운전자의 시선이 전방을 벗어난 시간을 감소시키는 것이 중요하다. 자동차 헤드-업 디스플레이(Head-Up Display, 이하 HUD) 시스템과 카메라 모니터 시스템(Camera Monitor System, 이하 CMS)은 정보 접근 비용을 감소시켜줄 수 있는 유망한 비전통적 차량 내 디스플레이 시스템이다. HUD는 다양한 정보를 운전자의 전방 시야 상에 직접 제공하여, 운전자로 하여금 기존의 대시보드 영역에 위치했던 디스플레이(헤드-다운 디스플레이)를 향해 시선을 내리지 않고도, 전방을 주시하면서 필요한 정보를 얻을 수 있게 해준다. CMS는 차량의 후측방 시야를 카메라로 포착하여, 실시간으로 차량 내 디스플레이로 보여주어, 운전자로 하여금 후측방 정보를 기존의 외부 사이드-뷰 미러를 향해 시선을 돌리지 않고도, 차량 내부에서 얻을 수 있게 해준다.

HUD 시스템과 CMS의 잠재적인 이점 및 유망한 응용 방안에도 불구하고, 이러한 비전통적 차량 내 디스플레이 시스템의 인간공학적 설계를 위해서 해결해야 할 몇가지 중요한 연구 문제들이 있다. HUD 시스템의 경우, 많은 정보 요소들을 무분별하게 제공할 경우, 정보 과다(Information overload), 시각적 혼잡(Visual clutter), 인지 포획(Cognitive capture)과 같은 부정적인 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 오직 필요하고 중요한 정보만 선별하여 주행 상황에 따라 적절히 제공해야 할 것이다. CMS의 경우, CMS 디스플레이가 기존의 사이드-뷰 미러 위치 대신, 차량 내 임의의 위치에 놓일 수 있는데, 이러한 디스플레이 배치 설계의 유연성은 운전자의 정보 처리를 용이하게 하고, 후측방 상황 파악에 수반되는 신체적 부하를 경감시키는데 활용될 수 있다.

따라서, 본 논문에서는 다음의 인간공학 연구 문제들을 고려하였다: 1) 현재 HUD 시스템에서 표시되는 다양한 정보 요소들 중에, 어떤 것들이 중요한 가?, 2) 중요한 HUD 정보 요소들은 주행 상황에 따라 어떻게 제공되어야 하는가?, 3) 운전자의 정보 처리를 용이하게 해줄 수 있는 CMS 디스플레이 배치의 설계 특성은 무엇인가?, 4) 주행의 신체적 부담을 감소시켜줄 수 있는 CMS 디스플레이 배치의 설계 특성은 무엇인가? 이러한 연구 문제들과 관련된 몇가지 중요한 지식의 격차를 해소하고 이러한 비전통적 차량 내 디스플레이 시스템의 인간공학적 설계에 기여하기 위한 노력의 일환으로, HUD 정보 요소에 대한 연구와 CMS 디스플레이 배치에 대한 연구가 수행되었다.

HUD 정보 요소에 대한 연구에서는, 사용자 설문 조사를 수행하여, 1) 현재 상용화된 HUD 시스템에서 표시되는 22가지 정보 요소들에 대해 사용자가 인지하는 중요도를 결정하고 2) 우선 순위가 높은 HUD 정보 요소들에 대해 사용 상황 및 사용자가 인지하는 설계 개선점을 검토하였다. HUD를 사용해 본 경험이 충분히 많은 51명의 운전자들이 설문에 참가하였다. 각 정보 요소에 대해서 피설문자들은 그 정보의 중요도를 주관적으로 평가하고, 해당 정보의 사용 상황 및 설계 개선점을 기술하였다. 설문 결과, 정보 요소들 마다 중요도가 크게 달랐으며, 현재 속도, 제한 속도, 턴-바이-턴 네비게이션 안내, 차량 정비 경고, 크루즈 컨트롤 상태, 연료 부족 경고가 가장 높은 중요도를 보였다. 11가지 높은 우선순위의 HUD 정보 요소들에 대해서는, 설문 응답들을 토대로, HUD 시스템의 인간공학적 설계를 위한 설계 시사점 및 추후 연구 방향들이 도출되었다.

CMS 디스플레이 배치에 대한 연구에서는, 주행 시뮬레이터 실험을 수행하여, 세 가지 각기 다른 CMS 디스플레이 배치들과 기존의 사이드-뷰 미러 배치를 1) 운전자의 정보 처리 및 2) 주행의 신체적 부담의 측면에서 비교 평가하였다. 세 가지 디스플레이 배치에서는 좌우 CMS 사이드-뷰 디스플레이가 각각 기존 사이드-뷰 미러 바로 안쪽에, 스티어링휠의 양쪽 대시보드 상에, 나란히 붙여서 센터페시아 상에 위치하였다. 22명의 피실험자가 각 배치 대안으로 위험한 차선 변경 태스크를 수행하였다. 기존 미러 시스템에 비해, 세 가지 CMS 디스플레이 배치들 모두, 운전자의 정보 처리를 용이하게 했고, 주행의 신체적 부담을 감소시켰다. 이러한 이점을 갖는 CMS 디스플레이 배치의 설계 특성은 CMS 디스플레이들을 운전자의 정상 시선에 가깝게 위치시켜 시선의 이동 거리를 감소시키면서, 좌우 CMS 디스플레이를 각각 운전자의 좌우 측에 놓아 양립성을 유지하는 것이었다.

Drivers should keep their eyes forward most of the time during driving to be in full control of the vehicle and to be aware of the dynamic road scene. Thus, it is important to locate in-vehicle displays showing information required for a series of driving tasks close to the drivers forward line-of-sight, and therefore, to reduce the eyes-off-the-road time. Automotive head-up display (HUD) system and camera monitor system (CMS) are promising non-traditional in-vehicle display systems that can reduce information access costs. HUD presents various information items directly on the drivers forward field of view, and allows the drivers to acquire necessary information while looking at the road ahead. CMS consists of cameras capturing vehicles side and rear views and in-vehicle electronic displays presenting the real-time visual information, allowing the driver to obtain it inside a vehicle.

Despite the potential benefits and promising applications of HUD system and CMS, however, there are some important research questions to be addressed for their ergonomics design. As for HUD system, presenting many information items indiscriminately can cause undesirable consequences, such as information overload, visual clutter and cognitive capture. Thus, only the necessary and important information must be selected and adequately presented according to the driving situation at hand. As for CMS, the electronic displays can be placed at any positions inside a vehicle and this flexibility in display layout design may be leveraged to develop systems that facilitate the drivers information processing, and also, alleviate the physical demands associated with checking side and rear views.

Therefore, the following ergonomics research questions were considered: 1) Among various information items displayed by the existing HUD systems, which ones are important?, 2) How should the important HUD information items be presented according to the driving situation?, 3) What are the design characteristics of CMS display layouts that can facilitate driver information processing?, and 4) What are the design characteristics of CMS display layouts that can reduce physical demands of driving? As an effort to address some key knowledge gaps regarding these research questions and contribute to the ergonomics design of these non-traditional in-vehicle display systems, two major studies were conducted – one on HUD information items, and the other on CMS display layouts.

In the study on HUD information items, a user survey was conducted to 1) determine the perceived importance of twenty-two information items displayed by the existing commercial automotive HUD systems, and to 2) examine the contexts of use and the user-perceived design improvement points for high-priority HUD information items. A total of fifty-one drivers with significant prior HUD use experience participated. For each information item, the participants subjectively evaluated its importance, and described its contexts of use and design improvement points. The information items varied greatly in perceived importance, and current speed, speed limit, turn-by-turn navigation instructions, maintenance warning, cruise control status, and low fuel warning were of highest importance. For eleven high-priority information items, design implications and future research directions for the ergonomics design of HUD systems were derived.

In the study on CMS display layouts, a driving simulator experiment was conducted to comparatively evaluate three CMS display layouts with the traditional side-view mirror arrangement in terms of 1) driver information processing and 2) physical demands of driving. The three layouts placed two side-view displays inside the car nearby the conventional side-view mirrors, on the dashboard at each side of the steering wheel, and on the center fascia with the displays joined side-by-side, respectively. Twenty-two participants performed a safety-critical lane changing task with each layout design. Compared to the traditional mirror system, all three CMS display layouts facilitated information processing and reduced physical demands. Design characteristics leading to such beneficial effects were placing CMS displays close to the normal line-of-sight to reduce eye gaze travel distance and locating each CMS display on each side of the driver to maintain compatibility.