© 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
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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
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Weltmarkt für EID
Quelle: DisplaysSearch, SID 2003; IZT 2004
0
5
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25
Deskto
p Mon
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Moblile
Kommun
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Notebo
ok D
isplay
s
Digital
kamera
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Automob
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Mrd
. US
$ 2002 Mrd. US $2007 Mrd. US $
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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
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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)
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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).
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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
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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)
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
er_M
inut
en
BedingungVRD HMD HHD
Nav
igat
ions
daue
r (m
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5% C
I
55
60
65
70
75
80
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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%
• Die Ergebnisse sind mit α=0,05 statistisch nicht signifikant.
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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
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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)
• Die Ergebnisse sind mit α=0,05 statistisch nicht signifikant.
VRD HMD HHDBedingung
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
Mitt
elw
ert
Geistige_AnforderungKörperliche_AnforderungZeitliche_AnforderungLeistungAnstrengungFrustration
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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.
VRD HMD HHDBedingung
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Mitt
elw
ert
SSQ_NauseaSSQ_OcculomotorSSQ_Disorientation
26© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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.
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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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