基于中国人体眼椭圆的汽车HMI设计研究
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作者:中国汽车技术研究中心有限公司 天津大学 鞠伟男 刘丽萍 温泉
关键词：眼椭圆;中国人体特征;HMI;设计建议
随着汽车技术的发展及消费者对舒适性、交互性关注度的提升，HMI设计越来越多地被提及。汽车HMI设计是一个比较特殊的领域，与传统意义上的HMI（Human Machine Interface）有一定的区别。汽车是一个复杂的人——机——环境交互的工具，并且隨着技术的发展，汽车正在从一个单纯的运载工具，逐渐演变成与人进行复杂交互的载体。
汽车强国均拥有一套符合本国国情的人机体系，例如，美国汽车工程师协会（SAE）人机体系、日本人机体系、德国人机体系等。统计全球前四大汽车市场销量数据可以发现，除中国外，均是本国品牌占据销量榜前三的位置。中国目前人机设计体系还为空白，企业设计大都参考SAE规范进行简单修正，是导致中国自主品牌车辆产品力不足的原因之一。
眼椭圆作为人机体系重要组成部分之一，在整车视野设计、交互设计中发挥着重要作用。1975年Ishida等人对日本驾驶员眼椭圆与SAE眼椭圆进行对比研究后发现，日本人体眼椭圆定位中心比SAE靠后，论文中给出的解释是可能由于日本驾驶员大都倾向于手臂伸直驾驶，导致乘坐位置靠后。由此可见，眼点位置并非完全由人体基本尺寸决定，与种族、人群的生活习惯、文化差异等也存在一定联系。本文将简述中国人体眼椭圆的构建方法，与SAE眼椭圆进行对比分析，最终为汽车HMI设计提供建议。
1眼椭圆基本概念
眼椭圆是“驾驶员眼睛位置”的一种统计表示法，在车辆三维空间中，不同身高、不同性别的眼点在空间内聚合成椭圆状。经统计分析处理，可得到左右各一，分别代表左右眼点的分布图形，简称为“眼椭圆”。
2基于中国人体眼椭圆的汽车HMI设计流程
2.1数据采集
2.1.1试验样本
样本的选择是眼点数据的基础，样本选择的精度将直接决定数据采集的准确性。本次试验运用最新的中国人体数据库。
采用统计学方法，选取500样本，其中男性258名，女性242名;身高分布在148cm～181cm之间，平均身高162.4cm，符合正态分布;体重分布在40kg～92kg之间，平均体重65.7kg;年龄分布在17岁～70岁之间，平均年龄43.5周岁。
2.1.2试验样车
所选样车人机参数范围覆盖A类车范围，涵盖美系、法系、德系、日韩、国产等多种车系;群众基础良好;行驶里程不超过1万公里。本次试验共选择大众CC、哈弗H9、卡罗拉、帕萨特、福特锐界、逍客、大众高尔夫、大众途观8辆样车。
2.1.3试验设备
试验对整车坐标系下样车及被试进行扫描得到点云数据，为保证较高的点云质量，试验使用两种扫描设备结合的方式进行扫描。形创HandySCAN 700用于扫描样车整体结构，精度0.002mm。GO SCAN用于扫描人体驾乘姿态及车辆内外饰，精度0.1mm。
2.1.4试验方法
1）信息统计。统计被试性别、年龄、身高、体重等基本信息。
2）扫描前准备。向被试介绍数据采集流程及注意事项，要求试验对象穿着白色紧身衣裤、白色或者灰色等暗色调鞋子（或套上白色鞋套，建议穿运动鞋），头戴白色泳帽（头发不能露出），身上不能佩戴首饰;并在被试关键特征点位置粘贴标记点，包括肩点、膝盖、肘部等部位。
3）眼点数据扫描。样本坐在车辆主驾位置，调整座椅、方向盘至舒适位置，佩戴安全带，双手握方向盘，左脚放置于搁脚板，右脚放置于油门踏板（不用力踩油门），目视前方，模拟正常开车状态。对样本驾乘姿态进行扫描，要求各特征扫描完整，特别是脸部、头部。
2.1.5眼点数据预处理
提取方法如下：（1）拟合眼部点云，以左右、上下最宽处作“十字线”作为辅助参考;（2）同一个人在不同的车中，左右眼距保持一致，误差在±1mm内;（3）若眼部点云一侧质量较差，则参考较好一侧，并保证第2条规定。
2.2数据处理
2.2.1异常值剔除
异常值的存在会严重影响分析结果的精度。在实际扫描过程中，扫描样本不仅存在点云缺失、错位等，还有部分样本存在驾驶姿态异常的情况，如人体中线与方向盘中心点Y向存在较大偏差、头部后仰等。对采集的数据进行筛选，剔除不完整数据、异常数据，最终得到3469组数据。
2.2.2正态分布检验
运用单样本K-S（Kolmogorov-Smirnov）检验样本数据推断总体是否服从某一理论分布。其原假设是Hn：样本来自的总体与指定的理论分布无显著差异。如果检验得到的相伴概率值小于或等于用户心中的显著性水平a，则应拒绝H，认为样本来自的总体与指定的分布有显著差异;如果相伴概率值大于用户心中的显著性水平a，则不能拒绝Hn，可以认为样本来自的总体与指定的分布无显著差异。由表1可以看出，该车X、Y、Z三个方向的眼点数据渐近显著性均大于显著性水平0.05，因此，不能拒绝原假设，可以认为各组数据均服从正态分布。
2.2.3数据分析
对样本整体眼点分布状态进行分析，结果如图1、图2。
可以看出，男性整体分布范围较广，男性位置整体偏高偏后，女性位置整体偏低偏下。对男性和女性眼点分布状态分别进行分析，可以发现，不管是男性还是女性，随着身高的增大，眼点近似呈S状分布。
2.3眼椭圆模型构建
眼椭圆的形成需确定其轴长、角度、中心点位置，不同人群的眼椭圆形状及位置有所差异，下面对男女比例为50/50时的眼椭圆模型建立方法进行推导。另从统计学意义上来说，男女眼椭圆倾角大小不一定一样，也不一定符合相同的正态分布，应该要对男女眼椭圆分别进行处理，得到男性及女性眼椭圆。但为了工程上使用的便利，采用男女眼点混合的方式进行眼椭圆的处理，因此眼椭圆精度会受影响，但在工程上应用是足够的。 2.3.1眼椭圆倾角
眼椭圆各轴长的方向即眼点各主成分方向，眼椭圆倾角即眼点各主成分方向在整车坐标系平面内与X、Y和Z轴的夹角。对夹角与车辆总布置参数进行相关性分析，结果显示，车辆布置参数与夹角均不显著相关，因此该夹角为常数。将八辆车眼点按照性别50/50比例中心化后进行数据合并进行主成分分析，即可得出眼椭圆倾角。由于男女样本数不同，随机采样分析时倾角略有波动。经十次随机采样分析，倾角均值为29.951°，标准差为0.383°，为简化计算将眼椭圆在XOZ平面内的倾角设置为30°。
2.3.2眼椭圆轴长
将八辆车眼点坐标沿主成分方向（眼椭圆各轴向）进行坐标变换，计算得出各车辆眼椭圆各向轴长，经相关性分析显示眼椭圆x轴、Y轴和车辆布置参数均不显著相关，z轴长度和A19显著负相关。采用A19预测z轴长度时，R2仅为0.511，为简化计算同时考虑使用方便性，Z轴长度设置为常数。
1）确定X轴长与Z轴长。由于男、女性的眼点分布在侧视图上存在较大差异，因此在侧视图方向上计算轴长时需考虑性别的影响。研究发现男、女性眼点沿X、Z轴方向呈正态分布，上、下分位点的距离即该百分位眼椭圆轴长，如图3、图4。
以眼椭圆参考中心点为坐标原点，上、下分位点的计算公式如下：
式中：PM——男性在人口中的比例;XM——沿眼椭圆x轴方向，男、女眼点的上1-P分位点;XF——沿眼椭圆x轴方向，男、女眼点的下1-P分位点;M——沿眼椭圆x轴方向，男性眼点均值;F——沿眼椭圆x轴方向，女性眼点均值;sdM——沿眼椭圆x轴方向，男性眼点的标准差;SdF——沿眼椭圆X轴方向，女性眼点的标准差;P——眼椭圆的百分位值;中——标准正态分布。
由于P为眼椭圆的百分位值，根据公式（3）和（4）可以计算出XM和XF的值，则眼椭圆x轴轴长为：x轴长=XM-XF（3）
同理：z轴长=ZM—zF
（4）
式中：ZM——沿眼椭圆z轴方向，男、女眼点的上1-P分位点;ZF——沿眼椭圆z轴方向，男、女眼点的下1-P分位点。
2）确定Y轴长。研究发现，眼椭圆Y轴长度不受性别和车辆布置参数的影响，因此Y轴轴长计算方式如下
Y轴长=13.632（中一1（P）一中一1（1一P））
（5）
式中：P——眼椭圆的百分位值;中一卜一标准正态分布的反函数。
2.3.3眼椭圆中心点
针对八辆车眼点按照性别50/50比例采样分别计算中心点坐标，对眼椭圆中心点坐标和车辆布置参数进行相关l生=分析。眼椭圆中心点位置如公式（6）至公式（9）：
式中：L1——BOFRP点x坐标值;H30
AHP点到SgRP点z向的距离;H8
AHP点z坐标值;W20
SgRP点的Y坐标值;t——有离合器踏板时取1，没有离合器踏板时取O;Xc——眼椭圆中心点的x坐标值;Ycl、Ycr——左、右眼椭圆中心点的Y坐标值;Zc——眼椭圆中心点的z坐标值;Ycycl——左右眼椭圆中心连线的中点;Ax、Az——眼椭圆中心点的修正值;‘注：中国人体瞳距参考国家相关标准。
说明：BOFRP——跖球参考点：满足一定条件时，与BOF（鞋部中心线上距鞋跟203mm的一点）重合;AHP——加速踏板踵点：踝角为87度时，并且鞋底部与未压下加速踏板接触，鞋跟与受压地毯的交点;SgRP——座椅参考点：生产厂家指定唯一的H点。
2.4 SAE眼椭圆与中国眼椭圆对比
2.4.1眼椭圆中心点
SAE眼椭圆中心点定位方程：
对比发现，中国眼椭圆中心点定位方程与SAE有如下差异：（1）中国眼椭圆中心点与SAE中心点相比，X方向中心点定位取消了与L6的相关性;（2）X、Z方向中心点定位方程中的H30相关性系数及常数项均有不同;（3）X、Z方向中心点定位方程中增加不同百分位修正量值;（4）中国人体瞳距与SAE数值不一致。
2.4.2眼椭圆轴长
将中国人体眼椭圆轴长与SAE进行对比，中国人体眼椭圆x、Y轴长均比SAE小，Z轴长比SAE大。
2.4.3眼椭圆倾角
中国眼椭圆倾角比SAE大18°。
2.5眼椭圆数据验证
使用中国眼椭圆数据，进行实车眼椭圆验证，检验模型精度。
结论：（1）中国驾驶员眼椭圆比SAE眼椭圆包含的眼点更多。（2）中国驾驶员与SAE视切线内包含眼点情况差异较小。（3）眼椭圆精度满足要求。
3车辆HMI中控大屏设计建议
中控大屏是HMl人机交互重要载体，随着技术的发展，消费者对中控大屏的要求也越来越高。但屏幕尺寸过大或者布置不合理，会引起严重的眩目问题，影响行驶安全性。通常通过眼椭圆模型可对仪表反光眩目进行校核，来检验中控大屏布置及大小是否合理。特斯拉作为中控大屏的引领者，具有一定代表性。对Model 3中控大屏按中国眼椭圆和SAE眼椭圆进行校核对比，如图5所示。
驾驶员在夜间行车时，中控大屏发出的光会经前风挡反射后形成的反射光线。可以看到使用中国眼椭圆校核下，自发光在前风窗透明区形成虚像，反射到眼椭圆内，引发反光眩目，影响驾驶安全;而采用SAE眼椭圆位置校核时，前风窗玻璃反射区域刚刚在玻璃黑边透明区的上方，不会影响到驾驶安全性。
右侧窗玻璃的入射光线经过中控大屏反射后，会形成反射光线。可以看出均有部分侧窗入射光线照射到中控大屏上，将光反射到眼椭球，并且采用中国眼椭圆校核情况下，产生屏幕眩目区域要远大于SAE眼椭圆校核结果。
综上所述，由于中外人体尺寸的差异性，眼椭圆也存在较大的差异。对于同一款車辆，使用中国眼椭圆和SAE眼椭圆进行防眩目校核后发现，由于眼椭圆的差异性，导致眩目现象的发生。有必要对基于中国市场研发车辆结合中国眼椭圆进行验证，保证车辆的安全性。
4结语
本文简述了基于中国人体特征的眼椭圆构建方法，并且与SAE眼椭圆进行定量的对比分析，最后阐述了HMI相关设计建议。可以看到中国人体眼椭圆与SAE相比差异较大，但当前国内汽车设计仍采用SAE眼椭圆，不符合中国人体实际的视野范围，对汽车的视野安全性、交互性会造成较大的影响。因此，使用中国人体眼椭圆进行汽车研发设计对提高汽车的舒适性与安全性具有重要意义。
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