Technologie und Ergonomie von Laser-Displays für die ... · • Hand-Held-Display mit LCD TFT...

© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Technologie und Ergonomievon Laser-Displays

für die Fahrzeugführung

Christopher M. Schlick

Seminar Schienenfahrzeuge und Fördertechnik

Winter 2006/2007

Aachen, den 12.12.2006

2© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Gliederung

Entwicklung von elektronischen Informationsdisplays (EID)1

3

2

4

5

6

Klassifikation von EID

Ausgewählte Technologien:LCD TFT Okulardisplay und Retinal Scanning Display

Ergonomische Vor- und Nachteile

Ergonomische Untersuchung tragbarer Displays zur Unterstützung der geographischen Orientierung bei der Fahrzeugführung

Zusammenfassung


Weltmarkt für EID

Quelle: DisplaysSearch, SID 2003; IZT 2004

0

5

10

15

20

25

Deskto

p Mon

itore

Moblile

Kommun

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Notebo

ok D

isplay

s

Digital

kamera

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Mrd

. US

$ 2002 Mrd. US $2007 Mrd. US $


Entwicklung von EIDDie Entwicklung elektronischer Informationsdisplays hat bereits mit der Erfindung der Katodenstrahlröhre (cathode ray tube, kurz CRT) vor mehr als 100 Jahren begonnen. Diese Basistechnologie repräsentiert auch 2006 noch 60% des Displaymarktes in Deutschland!

Entwicklungstrend:Vom sperrigen CRT-Monitor zu integrierten, ubiquitären Displays (3D, Textil etc.)

Quelle: Pressetext 2006, Siemens VDO Automotive

elektro-holographisches

Display

Textil-display


Displaytechnologien

DirektsichtProjektion Schirmlos

CRT DMD LCD Laser-display

CRT Flachbildschirm Nicht-kohärente Emission

(Head-up display)

Kohärente Emission

(Hologramm)

Displays in der elektronischen Informationstechnik

Schatten-maske

Strahl-index

Mono-chrom

Displays in der elektronischen Informationstechnik

Schatten-maske

Strahl-index

Mono-chrom

Schatten-maske

Strahl-index

Mono-chrom

Selbstleuchtend Nicht selbstleuchtend / LCD

Aktivmatrix Passivmatrix

TFT MOS MIM Plasma-adressiertSonstige STN FLC PDLC PSCT Sonstige

Kathodolumineszenz Elektrolumineszenz (EL) Gasentladung (Plasmadisplays)

Dünnfilm-EL (Wechselspannung)

Organische EL

Leucht-diode

AC-Matrix (Wechselspannung)

DC-Matrix (Gleichspannung)

Flache CRT

Feld-emission

Vakuum-fluoreszenz

- Katodenstrahlröhre- Mikrospiegel- Flüssigkristallanzeige- Ferroelektrischer

Flüssigkristall- Metall-Oxid-Halbleiter- Metall-Isolator-Metall- Polymer-dispergierter

Flüssigkristall- Polymer-stabilisierte

cholesterische Textur- Super twisted nematic- Dünnfilmtransistor

CRTDMDLCDFLC

MOSMIMPDLC

PSCT

STNTFT

- Katodenstrahlröhre- Mikrospiegel- Flüssigkristallanzeige- Ferroelektrischer

Flüssigkristall- Metall-Oxid-Halbleiter- Metall-Isolator-Metall- Polymer-dispergierter

Flüssigkristall- Polymer-stabilisierte

cholesterische Textur- Super twisted nematic- Dünnfilmtransistor

CRTDMDLCDFLC

MOSMIMPDLC

PSCT

STNTFT

Quelle: Theis 1998

Elektronische Informationsdisplays (EID)


Projektionsart

Direktsicht-Displays:

Das vom Gerät erzeugte Licht wird direkt auf einem Monitor gesehen, ohne vorher von einer Projektionsoberfläche reflektiert zu werden (Emission oder Transmission).

Projektionsdisplays:

Die elektronischen Bilder werden auf einer reflektierenden oder transmittierenden Projektionsoberfläche dargestellt.

Schirmlose Displays:

Benötigen keine spezielle Projektionsoberfläche; stattdessen kann ein natürliches Medium wie einfaches Glas, Stoff oder sogar die Retina für die Bildprojektion verwendet werden.


Befestigungsart

Stationäre Displays:

Funktionell separierte, an einen festen Ort gebundene Displays, wie z.B. Computermonitore, Projektionswände oder Workbenches

Benutzerintegrierte (tragbare) Displays:

• Am Kopf getragene Displays (Head-Mounted Displays, kurz HMD)

• Armbanddisplays und Kleidungsdisplays

• Ausgabegeräte, die aufgrund ihrer Größe in die Hand genommen werden können (z.B. Tablet PC, Smartphones, Pocket PC etc.)

Produktintegrierte Displays:

Sind unmittelbarer Funktionsbestandteil der Produktstruktur, wie z.B. Head-up Displays an der Windschutzscheibe oder Textildisplays


Head-up Displays• Anzeigesystem, bei dem die für den Nutzer

(Autofahrer, Pilot etc.) wichtigen Informationen direkt ins Sichtfeld projiziert werden

• Erstes farbiges Head-up Display im Auto: Im Jahr 2003 vorgestelltes Display für neue 5er- und 6er-Baureihen von BMW, entwickelt von Siemens VDO Automotive; Citroen stellte ein weiteres europäisches Fahrzeug mit Head-up Display vor (C6)

• Erstanwendung in der Automobilindustrie: In den 80er und 90er Jahren monochromatische Head-up Displays bei General Motors; feste nicht konfigurierbare Anzeigen, bei denen der Autofahrer z.B. die aktuelle Geschwindigkeit im Blick haben kann, ohne den Blick von der Straße wenden zu müssen

Quelle: Siemens VDO Automotive

• Nachteile: Nicht akkommodationsunabhängig! Das heißt, der Fahrer muss ständig zwischen Außensicht und HUD-Sicht wechseln.Weiterhin ist keine perspektivische Korrektur vorhanden: Bewegt man den Kopf zur Seite, so sind die eingeblendeten Informationen nicht mehr gut erkennbar.


HUD-Alternative: Head-Mounted Displays

Vorteile von HMDs:

• Die Informationen bleiben unabhängig von der Sitz- bzw. Körperposition sowie Drehung des Kopfes immer im Sichtfeld des Fahrzeugführers

• Die Informationen sind weiterhin vorhanden, wenn der Benutzer das Auto verlässt, daher ist durchgängiges Navigieren leicht möglich (Fahrzeug - per pedes etc.)

• Funktionale Ergänzung der Korrekturbrille möglich, z.B. durch Integration von Okulometrie zur Erfassung des Benutzerzustandes (Müdigkeit, Konzentration) sowie des Blickpunktes etc. Quelle: von Waldkirch 2005


Anwendungsbereiche von HMDsMedizin:Bildgeführte OPs

Fahr- und Flugsimulation

Marketing:Virtuelle A-Klasse

Entertainment und Edutainment

Service und Wartung

Architektur und Design

Quelle: Fakultät für Informatik, Technische Universität Graz, Österreich 2004-2005

Quelle: Art & Com, IAA 1997 nach Kuhlen (Rechenzentrum RWTH Aachen) 1999

Quelle: Projekt ARVIKA

Quelle: Fraunhofer IAO Quelle: Kaufmann 2004 Quelle: Klinker et al. 1999


Klassifikation von Head-Mounted Displays

head-mounted displays (HMDs)

screen-based HMDs scanning HMDs mixed HMDs

ocular image forming retinal projection

self-emitting(CRT, OLED)

light modulation(LCD, DMD)

light modulation(LCD, DMD)

CRT – Cathode Ray TubeOLED – Organic Light-Emitting DiodeLCD – Liquid Crystal DisplayDMD – Digital Micromirror Device

Klassifikation gemäß der TechnologieKlassifikation gemäß der Funktion

Quelle: von Waldkirch 2005

head-mounted displays (HMDs)

biocular (2D)

closed-view

see-through

binocular (3D)

closed-view

see-through

monocular

closed-view

see-through


Technologie von HMDs:Monokulares LCD TFT Okulardisplay

• Unterscheidet sich im Prinzip nicht von der Betrachtung eines herkömmlichen Monitorbildes.

• Bei kopfbasierten Displays kann der Abstand zwischen Bildschirm und Auge konstruktionsbedingt nur sehr gering gehalten werden. Eine derart nahe Akkommodation ist auf Dauer ermüdend.

• Akkommodationsebene lässt sich durch Einbringen einer zusätzlichen Linse (Okular) verschieben.

• Tiefenschärfe lässt sich durch Einbringen einer zusätzlichen Blende unabhängig vom Durchmesser der Pupille erhöhen.


Ergonomische Probleme

Mangelnder Tragekomfort - körperliche Anstrengung

virt

uelle

s O

bjek

t

Konvergenz

Akkomodation real,Konvergenz real

reales Objektin gleicher Tiefe wie virtuelles

Akkomodation virtuell

Proj

ektio

nsflä

che

Akkomodation virtuell

Proj

ektio

nsflä

che

Proj

ektio

nsflä

che

Wahrnehmung desvirtuellen ObjektsWahrnehmung desvirtuellen Objekts

Geschlossene Sicht/eingeschränktes Sichtfeld* -erschwerte Hand-Auge-Koordination

Konflikt zwischen Akkommodation und Vergenzdes visuellen Systems

*Besonders bei den videobasierten HMDs


Technologie von HMDs: Monokulares Retinal-Scanning-Display (RSD)

• Ein Laser wird über zwei Spiegel zeilen- und spaltenweise abgelenkt und über eine Projektionslinse direkt auf die Netzhaut projiziert.

• Die Bildinformationen werden über die Modulation der Intensität des Lasers übertragen. Die Auflösung hängt vom Durchmesser des Lasers ab.

• Bei Verwendung eines einzelnen Lasers kann nur ein monochromatisches Bild auf der Netzhaut erzeugt werden (typischerweise rot-schwarz).


Benutzer akkommodiert auf die Ferne Benutzer akkommodiert auf die Karte

Akkommodationsunabhängigkeit:

• Keine Projektionsfläche nötig, Projektion direkt auf die Retina• Gute Erkennbarkeit der eingeblendeten Informationen sogar bei hellem

Tageslicht ⇒ geeignet bei der Fahrzeug- oder Flugzeugführung• Keine Einschränkung des Sichtfeldes• Geringer Stromverbrauch ⇒ gut geeignet für mobilen Einsatz• Hohe Auflösung Quelle: von Waldkirch 2005

Theoretische Vorteile zukünftiger RSDs


Unterschiede zwischen Okulardisplays und Laserdisplays bei helladaptierter Pupille

Akkommodation in [1/m]DΔ

ws(Δ

D)/

ws(

0)

Ort x auf der Retina in [μm]

2 5μmSw =

Intensitätsverteilung im Fokus

Vergrößerung des Bildpunkt

LaserOklr.,

I(x)/I

0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6-6 -4 -2 0 2 4 6

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ws(Δ

D)/

ws(

0)

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

I(x)/I

0

2 1 0μmSw =

LaserOklr.,

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Vergleich der Schärfentiefe (I)


Akkommodation in [1/m]DΔ

ws(Δ

D)/

ws(

0)

Ort x auf der Retina in [μm]

Intensitätsverteilung im Fokus

I(x)/I

0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6-6 -4 -2 0 2 4 6

ws(Δ

D)/

ws(

0)

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

I(x)/I

0

LaserOklr.,

LaserOklr.,

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Vergrößerung des Bildpunkt

2 5μmSw =

2 1 0μmSw =

Unterschiede zwischen Okulardisplays und Laserdisplays bei dunkeladaptierter Pupille

Vergleich der Schärfentiefe (II)


Ergonomische Untersuchung von Displays

Ziele:

• Ergonomische Untersuchung von 3 Displays (2 head-mounted, 1 hand held) zur geographischen Orientierung bei simulierten Fahrzeugführungsaufgaben

• Untersuchung des Einflusses auf Orientierungsleistung, Aufmerksamkeit und Benutzerbefinden (z. B. Simulatorkrankheit und Augenermüdung)

• Untersuchung der Gebrauchstauglichkeit für den Dauereinsatz

Stichprobe:48 Freiwillige, jeweils 16 Probanden für jedes Display, im Alter von durchschnittlich 26 Jahren (SD = 4,3)


Versuchsaufbau

Displayarten:• Retinal Scanning (Virtual Retinal) Display auf Laserbasis (VRD)• Okulares Head-Mounted-Display mit LCD TFT Technologie (LCD)• Hand-Held-Display mit LCD TFT Technologie (HHD)

Kontrolle der Fortbewegung in der Simulation: Joystick zur Regelung der Fahrtrichtung (Auslenkung links/rechts) und der Geschwindigkeit (Auslenkung nach vorne und hinten) für die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt


Versuchsaufgaben

• Hauptaufgabe: In der Sichtsimulation der virtuellen Stadt ist eine im Display angegebene Route abzufahren. Dabei wird die momentane eigene Position auf der elektronischen Karte im Display angezeigt.

• Nebenaufgabe: Im peripheren Sichtfeld sind in zufälliger Reihenfolge erscheinende Zahlen von 1 bis 4 zu erkennen. Die Reaktion auf die Zahlen erfolgt durch das Drücken einer der vier Tasten auf dem Joystick.

• Versuchsdauer: ca. 1,5 Stunden (insgesamt 24 Kartenabschnitte). In jedem Abschnitt muss die Versuchsperson eine Strecke zwischen zwei Punkten zurücklegen, wobei jeweils nur die zu befahrende Strecke eingeblendet wird.

TFT HMD

HHD


Versuchsvariablen und -hypothesen

Unabhängige Variable - die Displayart mit drei Abstufungen:• VRD• HMD• HHD

Abhängige Variablen:• Navigationsdauer bei der Hauptaufgabe• Reaktionszeit bei der Nebenaufgabe• Reaktionsgenauigkeit • Visuelle Ermüdung (VFQ Fragebogen)• Allgemeine Belastung/Beanspruchung (NASA-TLX) • Simulatorkrankheit (SSQ Fragebogen)

Versuchshypothese:• Unterschiede zwischen den Displays sowohl bezüglich der objektiven Daten als

auch des subjektiven Empfindens der Probanden statistisch nachweisbar


Testergebnisse I: Leistungsindikatoren

• Die niedrigsten Mittelwerte für Navigationsdauer und Reaktionszeit mit TFT HMD

• Das VRD im Mittel „schneller“ als das HHD bei der Navigationsaufgabe, aber „langsamer“ bei der Stimuli-Erkennungs-Aufgabe

• Die besten Stimuli-Erkennungsraten mit dem HHD; am wenigsten Auslassungen und die höchste Erkennungsgenauigkeit mit dem HMD

• Die Ergebnisse sind mit α=0,05 statistisch nicht signifikant.

VRD HMD HHD

Bedingung

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

2,80

95%

CI R

eakt

ions

zeit_

Mitt

elw

ert

BedingungVRD HMD HHD

Rea

ktio

nsze

it (s

) 95

% C

I

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

VRD HMD HHD

Bedingung

55,00

60,00

65,00

70,00

75,00

80,0095

% C

I Ver

such

sdau

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BedingungVRD HMD HHD

Nav

igat

ions

daue

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5% C

I

55

60

65

70

75

80


Testergebnisse II: Visual Fatigue Questionnaire

• Der niedrigste Gesamtwert beim HHD, der höchste beim VRD

• Höchstwerte: Nackenschmerzen beim VRD, geistige Ermüdung beim VRD und HMD; keiner der Werte höher als 50%


© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

VRD HMD HHDBedingung

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

Mitt

elw

ert

Augen gereizt/BrennenSchmerzen um/in AugenSchwierigkeiten Linien zu folgenSchwierigkeiten scharf zu sehenspringender Textverschwommene Buchstabenverschwommene SichtDoppelsehenKopfschmerzenNackenschmerzen


Testergebnisse III: NASA-Task-Load-Index

• Niedrigster Gesamtwert beim HHD, der höchste beim HMD

• Werte höher als 50%: - Anstrengung (alle Displays)- Zeitliche Anforderung (alle Displays)- Geistige Anforderung (beim VRD und HMD)- Körperliche Anforderung (beim HMD)



0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

Mitt

elw

ert

Geistige_AnforderungKörperliche_AnforderungZeitliche_AnforderungLeistungAnstrengungFrustration


Testergebnisse IV:Simulator Sickness Questionnaire

• Niedrigster Gesamtwert beim HHD, höchster beim VRD

• Höchstwerte: D (Disorientation) und O (Occulomotor) beim VRD und HMD

• Keiner der Werte höher als 50%

• Die Unterschiede sind mit α=0,05 statistisch nicht signifikant.


0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

Mitt

elw

ert

SSQ_NauseaSSQ_OcculomotorSSQ_Disorientation


Zusammenfassung

• Der Trend bei elektronischen Informationsdisplays:Körper- und produktintegrierte Displays zur ununterbrochenen Unterstützung von Arbeits- und Freizeittätigkeiten

• Am Kopf getragene Displays mit aktueller Positionsanzeige auf elektronischer Karte können den Benutzer bei Navigationsaufgaben in einer unbekannten Gegend auch bei längerer Belastung effektiv unterstützen.

• Alle drei getesteten Displays (LCD TFT HMD, VRD und LCD TFT HHD) können prinzipiell für solche Aufgaben dauerhaft (t < 1,5 h) eingesetzt werden.

• Das LCD TFT HMD und das LCD TFT HHD haben im Dauerbelastungsversuch im statistischen Mittel zu besseren Leistung bei den Benutzern geführt als das VRD.

• Die Unterschiede zwischen den Displays sind über alle erhobenen abhängigen Variablen nicht signifikant ⇒ daher gilt keines der Displays als statistisch besonders bevorzugt oder besonders ungünstig.


Vielen Dank!

Institut für Arbeitswissenschaft der RWTH Aachen

Bergdriesch 27, D-52062 Aachenhttp://www.iaw.rwth-aachen.de

Tel.: +49 241 80-99440, Fax: +49 241 80-92131

VIELEN DANK für Ihre Aufmerksamkeit

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Schlick

Tel: 0241-80-99440 mail: [email protected]

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