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在液晶显示器上设计可配置的汽车仪表盘
1 介绍
在过去的几十年中，车辆电子系统呈指数形式增长。据估计，电子系统及其组件的平均数量从1977年的110个变为2001年的1800个。展望未来，未来几年的汽车市场将以为司机和乘客提供的众多服务为特征。服务范围从安全系统到个人通信，从娱乐到提供位置感知信息。
所有这些服务和信息都必须提供给驾驶员，但又要避免驾驶员离开她/他的主要目标——安全地驾驶汽车。相反，新系统必须通过在适当的时机为驾驶员提供正确的信息来提升驾驶条件。这些简单的考虑表明了人机界面（HMI）模块在新一代汽车中的重要性。
在这方面最有趣的组成部分之一是仪表板。现有的机电集群的特征在于封闭的结构：仪器的数量，位置和外观（例如里程表，转速表，指示器等）在设计时固定，并且在产品的生命周期中不改变。在液晶显示器（LCD）上引入软件的可编程仪表盘可以根据用户出现的新要求和新潮来改变和调整单个功能和整个程序。
随着汽车变成计算密集型体系，智能电子接口可以成为一个开放和灵活的通信通道，主要根据安全考虑，能够整合和协调来自当前和未来系统的任何类型的视觉信息（例如导航，自动巡航控制，汽车诊断，交通提示，音频和视频流，网络等）。
汽车供应商将只能生产一个仪表板硬件平台，从而缩短目前根据不同车型和客户市场生产不同仪表组合的时间和成本高昂的仪表板硬件平台。
此外，用户将能够在交付时间在一组预定义和测试好的配置中选择自己喜欢的配置。定制也被认为是加强被动安全的手段，因为量身定制的界面显着提高了用户的注意力和反应能力。例如，可以将自定义应用于字体和数字的大小以及可见仪表的数量和外观。
本文报道了在ACTIVE内部进行的研究过程，这是一个IVth框架计划IST欧洲项目。由Bosch，ST Microelectronics，FIAT研究中心（CRF）和DIBE大学组成的ACTIVE联盟已经在嵌入式ST PC平台上实施了一个由Java应用程序驱动的LCD可配置仪表板。
尽管娱乐和通信多媒体领域有许多可能的发展，但ACTIVE的范围仅限于提供车辆信息，以便探索创新仪表板布局的设计并验证用户的接受度。 ACTIVE的经验对于一些合作伙伴开始在LCD上开始批量生产可配置仪表集群非常有用。
过去的经验表明，具有全数字外观的仪表板上提供的信息类型（例如，FIAT Tipo Digit型号的速度）被客户接受，但也被认为难以使用。相反，使用数字技术以传统方式显示信息的仪表板（例如Lancia Dedra上的RPM）的车辆是成功的，并被客户认为是高度创新的。
从这个背景出发，我们在项目开始时进行了非正式调查，以获得用户的初步反馈并指导我们的设计。向受调查群体展示了一组图解式的几种不同设计的图纸，并对他们的意见进行了登记和推敲。该调查强调了提供创新解决方案的重要性，而不会彻底改变仪表板的传统外观。基于这些考虑，我们专注于对当前机电仪表板的忠实数字复制，并增强了运行时可配置性。
根据实际路况，我们将运行时可配置性定义为在行驶过程中修改仪表板组件布局，外观和其他属性的可能性。例如，我们的系统只有在必要情况下才会显示并显示正确的证据，数值，警告和信息（即何时他们是活跃的）。在正常驾驶条件下，我们不留下这些信息的空间，节省重要的显示区域并优化提供给驾驶员的信息量 - 这是根据人类习惯的关键要求。通过运行时可配置性给出的机会对于增强仪表板作为汽车被动安全系统的有用组件的作用非常重要。
汽车中的液晶显示器并不新鲜。一些汽车模型长期以来一直采用LCD。但是，这种屏幕很小，通常处于横向位置。它们用于小众应用，如机载电脑，空调以及电话和收音机的管理。
此外，考虑到近期显示器价格的下降，ACTIVE公司通过研究替代整个仪器仪表的LCD来扩展该方法，从而实现完全的可配置性，并为整合新的异构系统提供机会。
尽管一些汽车制造商已经创造出有关LCD仪表盘的专利，但据我们所知，很少有关于设计方法和技术发展问题的研究。本文从方法论和技术角度对研究车载多媒体接口的研究做出了贡献。在方法上，本文描述了我们在开发LCD仪表板时所遵循的设计流程，显示了我们遇到的问题以及我们如何解决这些问题。从技术上讲，它分析了运行时可配置性的潜力，特别是与机电仪表板相比，并评估和讨论了在德国道路和实验室进行的用户测试的结果。
本文的其余部分安排如下。第2节概述了软件平台的设计。在第三节中，我们分析了通知我们HMI设计的人体工程学标准。第4部分着重于图形设计，展示了各种仪表板配置并讨论了它们的用处。第5部分中，我们描述车辆整合的问题。第6部分报告并讨论了德国罗伯特博世有限公司在道路和实验室中进行的用户测试结果。最后一节对所做的工作作出结论。
2 软件设计
软件可编程平台的可用性显着提高了汽车仪表板HMI设计的自由度。此外，为驾驶员提供关于汽车状态的信息的计算机系统的存在引出了关于驾驶员的安全性和应用程序的稳健性的重要问题。因此，我们确定了建立该项目软件框架的两个主要要求：
- 需要加强仪表板的软件开发，以支持HMI设计空间的高效探索
- 确保程序的可靠性和安全性
为此，我们实施了汽车图形库（AutoGraL），这是一个用于构建可配置仪表板应用程序的Java组件库。
AutoGraL依赖于基于组件的软件工程（CBSE），目前公司认为这是对他们需求最有吸引力的答案去降低开发成本和缩短开发周期。组件是通常独立开发的程序元素，然后集成到不同的客户端软件应用程序中，提供了便捷的（理想的即插即用）互操作性。CBSE基于面向对象（OO）技术，该技术是构建复杂的任务关键型软件的最先进的解决方案。面向对象的方法包括对问题进行建模并根据对象开发应用程序，这些对象通常更接近人类的直觉和经验。这使开发人员和用户能够在软件的整个生命周期中轻松达成协议，促进沟通，检查，纠正和改进。
2.1 AutoGraL组件
对于编程语言，我们选择了纯粹的OO Java解决方案。 Java技术允许字节代码的移植并且提供了运行时服务（例如，运行时间类格式和字节码正确性检查，自动存储器管理，异常处理，数组绑定检查等），这确保了构建可靠系统中的安全性和稳健性关键因素。这些服务极大地方便了编码和调试。而且，AutoGraL抽象了仪表板对象的功能，隐藏了底层计算和图形包的复杂性。
AutoGraL组件的类（例如刻度盘，指针，指示器，模拟时钟，数字时钟，菜单，填充等）是与每个汽车驾驶员习惯的真实仪表板有直接关系（图1）。此外，这些部件的接口提供了设置物理值（例如，速度，燃料水平等）和修改物体的外观（例如，它们的位置，尺寸，背景图像，针的颜色和尺寸等）。这样的界面可以很容易地编写灵活的应用程序，其中仪表板的布局和外观根据用户偏好和实际检测到的事件（例如雾，高速度，正面碰撞警告等）而改变，而计算需要以图形方式表示应用程序员隐藏的对象。
因此，AutoGraL提供了可组装成汽车仪表盘的高级软件组件，统一了原型和开发阶段。这意味着相同的应用程序代码可以用于实验室测试和车载系统。 Java的可移植性带来了应用程序独立于硬件的双重优势，因此无需修改程序即可升级平台，并且可以在任何平台上无缝执行应用程序级代码测试和维护。合作伙伴已将这些功能视为降低上市时间和软件相关成本的决定性因素。
2.2 桌面原型
第一个原型是在软件开发实验室中建立的，以模拟和测试系统的体系结构。所有的软件都是使用标准的个人电脑开发和测试的，其中奔腾II处理器运行频率为333 MHz，128 MB的RAM和Matrox G200 16 MB图形适配器。开发的仿真框架和软件体系结构在配套文件中有详细描述。
2.2.1 性能问题
桌面模拟器对于找出性能瓶颈并尝试优化解决方案特别有用。由于安全和生理原因，仪表板应用程序的主要性能目标是实现每秒25-30帧（fps）的帧速率。一方面，该帧速率保证汽车信号的及时表示（例如，速度，正面碰撞警告等）。另一方面，它保证了一个稳定和无闪烁的图像; 25-30 fps代表平滑动画的典型最低频率。在较低的帧率下，眼睛不能再整合来自像素的单个光脉冲。动画失去平顺性，因此人类大脑更难以追踪它，要求更多的注意力来理解所显示的信息并增加事故的潜在风险。
我们的测试表明，Java代码执行的缓慢并不是导致性能相对较差的主要原因（15 fps）。性能分析发现应用程序不是计算绑定的，内存传输是真正的瓶颈。这是由于Java图形类模拟双缓冲，利用系统内存并且不利用图形硬件加速。我们通过扩展Java 2D图形类来克服这个缺点，使帧缓冲区驻留在视频内存中，并从视频内存中分配所有必需的图像。这个解决方案保证了大约一个数量级的性能增益，使我们能够达到所需的性能目标。
3 人体工程学标准
数字仪表板的适当设计应满足从大量的人体特征数据中得出的（如Boff和Lincoln 1988; Peacock和Karwowsky 1993; Verwey 1996; Green等人1995; FHWA 2003）的基本人体工程学标准。
3.1视觉信息设计指南
可读性。驱动程序必须能够快速识别并读取仪表板中的所有仪器。事实上，如果她/他不得不花费太多时间阅读显示的值，她/他将面临风险。字母数字的特点和象征意义的可读性是一个值得探索的研究领域，关于一般系统（Smith 1979），计算机屏幕（例如Bergfeld Mills和Weldon 1987; Naesaenen等人2001; Roufs和Boschman 1997）以及车内环境（例如Peacock和Karwowsky 1993）的一些研究和指导已经存在了。在我们的设计中，我们遵循了最新开发的关于“用于运输信息和控制系统的车载视觉呈现的人体工程学方面”的ISO规范（ISO TC 22 20000）。
亮度和对比度。根据国际人体工程学标准，符号（即文本和数字）与背景之间的最小亮度对比度必须为3：1（ISO 9241-3 1992; Travis 1991; Jackson et al.1994; ISO TC 22 2000; Mourant和Langolf 1976）。如果字符接近尺寸的最小规格，这一点尤其重要。
显示器的对比度是固定的，并且是显示器技术的功能。除非字符大小适当增加，否则应避免降低对比度。即使可以接受更高的比率（ISO TC 22 2000），亮度平衡（以显示器的平均亮度与周围环境的亮度之间的比率表示）不应超过10：1。
仪表板的亮度将根据驾驶员周围的光线条件进行调整。我们已经确定了两个主要条件：夜间和白天。在第一种情况下，驾驶员的适应水平主要受显示器亮度和前方道路部分的灯光影响。在白天情况下，适应水平主要受外部环境的影响。
由于环境照明条件（从500勒克斯到60,000勒克斯）的大范围决定了驾驶员的适应水平，我们决定针对夜间和白天条件实施两种不同的版本（例如，图13显示了未来派设计，我们将在第4节中介绍），并为驾驶员提供亮度控制旋钮，以便在适当的范围内进行手动调节。这是一个重要的定制功能，因为老年人（gt; 50岁）需要的车内显示器的平均对比度是年轻受调查者的两倍（Poynter 1988）。
色彩。色彩对于吸引驾驶者注意重要信息（Bodrogi 2003）以及对信息进行编码和分组尤为重要（Verwey1996年）。
仪表板的颜色根据车载HMI的ISO标准（ISO TC 22 2000）进行选择。由于生理和心理原因，并非符号（即文本和数字）和背景颜色的所有组合都是可接受的（Galitz 1997; Jackson等1994; Widdel和Post 1992; Travis 1991; Christ 1975）。表1提出了最合适的组合，依靠最佳亮度对比（ISO TC 22 2000）。
符号和背景的颜色选择取决于驾驶员经常查看的区域的平均亮度。因此，夜间条件应该使用黑暗的背景。在白天条件下，清晰的背景更好。对于非遮盖显示器，黑色背景可能有助于减少由反射引起的可见度降低。
未来主义的仪表板设计通过提供两种不同的版本（日夜使用）来实现这些标准，如图13所示，。
色彩选择的一个重要因素是颜色的区分，这需要20 Deuv的最小色差（ISO TC 22 2000，CIE 15.2 1976）。特别是，我们使用颜色渐变，将条形颜色从绿色（低速）改变为红色（甚高速），如图2所示。通过这种机制，我们打算提供色彩提示，以提高驾驶员对速度的感知。为了实施具有褪色的仪器，我们遵循ISO标准准则（ISO 2575 2000）。
地点。设计汽车仪表板的一个重要问题涉及仪器的定位（Verwey 1996; Boff和Lincoln 1988; Peacock和Karwowsky 1993）。定位原则依赖于两种主要信号之间的区别：指示信号和警告/报警信号（ISO 2575 2000）。
指示信号由驾驶员定期观察。典型的指示信号是RPM计数器，速度计，燃料含量，里程指示器和指示灯。他们必须易于阅读，以免司机长时间不注意。
警告/警报信号必须在需要时提醒驾驶员注意。典型的警告/警告信号是：ABS故障，低燃料等。为了提高警告信号的效率，可以给出额外的声音警告提示并使用图像闪烁，但是警惕不要惊吓或分散注意力司机（ISO TC 22 2000; FHWA 2003）。
在这两种情况下，定位的优先都被赋予最重要和/或最频繁的信号。如表2（ISO TC 22 2000）所示，较低优先级的信号必须逐渐远离驾驶员的视线。
表2显示了中央空间的重大竞争，特别是考虑到越来越多的指标和警报信号。在机电仪表板中，每台仪器都被分配一个固定的空间，与其实际值无关。由于需要为驾驶员提供来自新系统的更多信息（例如交通信息，碰撞警
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