Wahrnehmung von Augmented Reality Head-up Displays
Creators: name: Wagner, Daniel
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Head-up Display
Visuelle Wahrnehmung
Polarisation
Probandenstudie
Automotive

description: Das Head-up Display (HUD) nimmt in Fahrzeugen eine steigend wichtige Rolle ein, da es als passives Fahrsicherheitssystem Fahrer:innen durch die Bereitstellung relevanter Informationen bei der primären Fahraufgabe eines PKW unterstützt. Dessen grundsätzlicher Mehrwert konnte bereits in einer Vielzahl von Studien nachgewiesen werden (siehe Abschnitt 3.1). Aus diesem Grund ist es essentiell Fahrer:innen das virtuelle Bild eines HUD leicht zugänglich zu machen. Kriterien hierfür sind eine gute Bildqualität ohne störende Abbildungsfehler sowie die generelle Sichtbarkeit in möglichst allen Fahrsituationen. Die vorliegende Dissertation untersucht zum einen die in einem Augmented Reality Head-up Display (AR HUD) entstehenden Abbildungsfehler in dessen virtuellem Bild sowie die subjektive Wahrnehmung dieser Abbildungsfehler durch Fahrer:innen. In einer zweiten Schwerpunktuntersuchung erfolgt die ausführliche Konzeptprüfung eines p-polarisierten HUD, um eine Verbesserung der Sichtbarkeit des virtuellen Bildes beim Tragen einer polarisierenden Sonnenbrille zu erreichen. Das AR HUD zeichnet sich durch eine große Abdeckung des direkten Sichtbereichs der Fahrer:in aus (FOV 10° × 5°), wobei virtuelle Bildinhalte kontaktanalog in der Umwelt positioniert werden. Um Fahrer:innen einen Mehrwert zu bieten, dürfen die Abbildungsfehler des virtuellen Bildes, welche auf Abweichungen in den Geometrien der Windschutzscheibe (WSS) und des HUD Projektors zurückzuführen sind, gewisse Toleranzgrenzwerte nicht übersteigen. Dabei ist die subjektive Wahrnehmung der virtuellen Bildqualität eines HUD sehr individuell und nicht trivial anhand weniger Kriterien festzustellen. Daher ist es wichtig messbare Abbildungsfehler zu entwickeln, welche die subjektive Wahrnehmung des virtuellen Bildes wiedergeben (siehe Abschnitt 2.4). Eine Probandenstudie (N=54) untersucht unter Verwendung seriennaher Komponenten den Einfluss der WSS auf die Entstehung von Abbildungsfehlern sowie deren subjektive Wahrnehmung durch die Proband:innen. Die Studie zeigt, dass Fahrer:innen vor allem ggü. stereoskopischen Abbildungsfehlern (Divergenzen) in vertikaler Richtung sensibel sind und diese als störend empfinden. Aufgrund der Bildgröße eines AR HUD ist es zudem nicht ausreichend ausschließlich gemittelte Divergenzen zu berücksichtigen. Aus diesem Grund ist für das AR HUD zukünftig auf die Kontrolle und Einschränkung lokaler Divergenzen zu achten. Während den untersuchten WSS im Rahmen einer Expertenbewertung eindeutige Unterschiede bzgl. deren virtuellen Bildqualität zuzuordnen sind (siehe Abschnitt 4.2.2), ist dies für die Probandenstudie nicht der Fall (siehe Abschnitt 4.3.3). In der Probandenstudie lassen sich keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der virtuellen Bildqualität für die verschiedenen WSS feststellen. Grund hierfür sind die unterschiedlichen Studiendesigns für die Expertenbewertung (Within-Subjects) und die Probandenstudie (Between-Subjects). Des Weiteren zeigt die Probandenstudie, dass signifikante Unterschiede für die Wahrnehmung der virtuellen Bildqualität bei statischer und dynamischer Betrachtung vorliegen. Außerdem stellen die Proband:innen Qualitätsunterschiede innerhalb des virtuellen Bildes einer WSS fest (siehe Abschnitt 4.3.3). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Homogenität des virtuellen Bildes eines HUD ein Qualitätsmerkmal für Fahrer:innen darstellt, vor allem wenn analog der Realität kein Referenzbild zum Vergleich vorliegt. Schlussendlich zeigt die Probandenstudie, dass die Kombination verschiedener Abbildungsfehler die subjektive Wahrnehmung des virtuellen Bildes am besten wiedergibt (siehe Abschnitt 4.3.4). Die Untersuchungen in Kapitel 5 zur Konzeptprüfung eines p-polarisierten HUD zeigen im Gegensatz zu den bisher in der Literatur beschrieben Annahmen, dass mit Sicherheit vom Auftreten eines Doppelbildfehlers im virtuellen Bild auszugehen ist (siehe Abschnitt 5.2). Neben der Entwicklung möglicher Maßnahmen zur Reduktion dieses Doppelbildfehlers (siehe Abschnitt 5.2.3), findet im Rahmen einer weiteren Probandenstudie die Ermittlung der Wahrnehmungs- und Störschwelle für den Doppelbildfehler im p-polarisierten HUD System statt (siehe Abschnitt 5.3). Hierfür erfolgt die Einführung des minimal zulässigen Leuchtdichteverhältnisses L_P/L_S zwischen primärem und sekundären Bild eines p-polarisierten HUD Systems. Letztendlich liegt der Wert für das minimal zulässige Leuchtdichteverhältnis L_P/L_S bei 90 (siehe Abschnitt 5.3.4). Zudem zeigt die Studie, dass sich Wahrnehmungs- und Störschwelle statistisch signifikant voneinander unterscheiden und auch die Umgebungshelligkeit einen signifikanten Einfluss auf die Wahrnehmungs- und Störschwelle nimmt (siehe Abschnitt 5.3.3.3).