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Untersuchungen von Lichtsignal-Konzepten für automatisierte Fahrzeuge in der virtuellen Realität

Singer, Timo (2022)
Untersuchungen von Lichtsignal-Konzepten für automatisierte Fahrzeuge in der virtuellen Realität.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022417
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Die fortschreitende technologische Entwicklung von Lichtfunktionen im Kraftfahrzeug (KFZ) und die direkte Verknüpfung mit gesetzgebenden Instanzen für die Zulassung erfordern Versuchsumgebungen mit denen sicherheitsrelevante Aspekte nachgewiesen oder negative Einflüsse ausgeräumt werden können. Ein Themengebiet, welches die Entwicklung von neuen Lichtfunktionen vorantreibt, ist die Rolle der KFZ-Lichttechnik im Zeitalter des hoch- und vollautomatisierten Fahrens. Mit steigendem Automatisierungsgrad nimmt die Verantwortung des Menschen in der Fahrzeugführung immer weiter ab. Neue Signalkonzepte verfolgen dabei das Ziel mit ihrer Umgebung kommunizieren zu können, da der Mensch hierfür nicht mehr zur Verfügung steht. Für eine Zulassung muss jedoch ein möglicher Nutzen empirisch nachgewiesen und potentielle Gefahren ausgeschlossen werden. Eine Versuchsumgebung, die sich für eine realitätsnahe Nachbildung von unterschiedlichen Verkehrssituationen eignet, ist die virtuelle Realität. Damit die darin generierten Ergebnisse auch vor gesetzgebenden Instanzen bestand haben, müssen diese auf die Realität übertragbar sein. Mit diesen Problemstellungen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit. Für die Untersuchung von Lichtfunktionen wurde dafür ein Fahr- und Fußgängersimulator entwickelt, der Versuchspersonen mit Hilfe einer Virtual Reality-Brille in verschiedene Verkehrssituationen versetzen kann. Im ersten Teil der Arbeit wird diese photometrisch charakterisiert und basierend darauf ein Modell entwickelt, mit dem sich die dargestellten Inhalte in Leuchtdichteverteilungen umrechnen lassen. Im zweiten Teil werden insgesamt vier empirische Studien durchgeführt. Eine Studie im Fahrsimulator bildet einen Feldtest nach, der die geschwindigkeitsabhängige Leuchtdichte des Fahrzeugvorfeldes eines Abblendlichtes für ein adäquates Sicherheitsgefühl untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine photometrisch korrekte Nachbildung einer nächtlichen Verkehrssituation mit dem VR-basierten Simulator möglich ist und relative Validität bei der subjektiven Bewertung sowie im Blickverhalten zu verzeichnen ist. Keine Validität ist demgegenüber bei dem Einfluss der Geschwindigkeit erkennbar. In den drei übrigen Studien werden verschiedene Begegnungssituationen zwischen Fußgängern und automatisierten Fahrzeugen simuliert. Eine Evaluation des Einflusses neuartiger Lichtsignale steht darin im Fokus. Die subjektiven und objektiven Ergebnisse zeigen, dass die Sicherheit und Effizienz mit zusätzlichen Signalen erhöht werden kann. Das Bewegungsverhalten, welches in Form der Laufgeschwindigkeit, Entscheidungszeit und der Kopfbewegungen erfasst und analysiert wurde, zeigt im Vergleich mit Werten aus der Literatur ein realitätsnahes Verhalten. Dies wird durch eine hohe Präsenz der Versuchspersonen im Simulator untermauert. Die Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit zeigen, dass valide Ergebnisse mit Simulatoren, die als bildgebendes Element eine VR-Brille verwenden, erzielt werden können. Die Möglichkeit damit Lichtfunktionen aus der Perspektive von verschiedenen Verkehrsteilnehmern wie Fußgängern oder Autofahrern zu untersuchen, macht dieses zu einem universellen Werkzeug, das sich durch eine vollständige Simulation des Sichtfeldes besonders für die Untersuchung des Einflusses verschiedener visueller Reize eignet.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2022
Creators: Singer, Timo
Type of entry: Primary publication
Title: Untersuchungen von Lichtsignal-Konzepten für automatisierte Fahrzeuge in der virtuellen Realität
Language: German
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Neumann, Prof. Dr. Cornelius
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 189 Seiten
Refereed: 19 September 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022417
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/22417
Abstract:

Die fortschreitende technologische Entwicklung von Lichtfunktionen im Kraftfahrzeug (KFZ) und die direkte Verknüpfung mit gesetzgebenden Instanzen für die Zulassung erfordern Versuchsumgebungen mit denen sicherheitsrelevante Aspekte nachgewiesen oder negative Einflüsse ausgeräumt werden können. Ein Themengebiet, welches die Entwicklung von neuen Lichtfunktionen vorantreibt, ist die Rolle der KFZ-Lichttechnik im Zeitalter des hoch- und vollautomatisierten Fahrens. Mit steigendem Automatisierungsgrad nimmt die Verantwortung des Menschen in der Fahrzeugführung immer weiter ab. Neue Signalkonzepte verfolgen dabei das Ziel mit ihrer Umgebung kommunizieren zu können, da der Mensch hierfür nicht mehr zur Verfügung steht. Für eine Zulassung muss jedoch ein möglicher Nutzen empirisch nachgewiesen und potentielle Gefahren ausgeschlossen werden. Eine Versuchsumgebung, die sich für eine realitätsnahe Nachbildung von unterschiedlichen Verkehrssituationen eignet, ist die virtuelle Realität. Damit die darin generierten Ergebnisse auch vor gesetzgebenden Instanzen bestand haben, müssen diese auf die Realität übertragbar sein. Mit diesen Problemstellungen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit. Für die Untersuchung von Lichtfunktionen wurde dafür ein Fahr- und Fußgängersimulator entwickelt, der Versuchspersonen mit Hilfe einer Virtual Reality-Brille in verschiedene Verkehrssituationen versetzen kann. Im ersten Teil der Arbeit wird diese photometrisch charakterisiert und basierend darauf ein Modell entwickelt, mit dem sich die dargestellten Inhalte in Leuchtdichteverteilungen umrechnen lassen. Im zweiten Teil werden insgesamt vier empirische Studien durchgeführt. Eine Studie im Fahrsimulator bildet einen Feldtest nach, der die geschwindigkeitsabhängige Leuchtdichte des Fahrzeugvorfeldes eines Abblendlichtes für ein adäquates Sicherheitsgefühl untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine photometrisch korrekte Nachbildung einer nächtlichen Verkehrssituation mit dem VR-basierten Simulator möglich ist und relative Validität bei der subjektiven Bewertung sowie im Blickverhalten zu verzeichnen ist. Keine Validität ist demgegenüber bei dem Einfluss der Geschwindigkeit erkennbar. In den drei übrigen Studien werden verschiedene Begegnungssituationen zwischen Fußgängern und automatisierten Fahrzeugen simuliert. Eine Evaluation des Einflusses neuartiger Lichtsignale steht darin im Fokus. Die subjektiven und objektiven Ergebnisse zeigen, dass die Sicherheit und Effizienz mit zusätzlichen Signalen erhöht werden kann. Das Bewegungsverhalten, welches in Form der Laufgeschwindigkeit, Entscheidungszeit und der Kopfbewegungen erfasst und analysiert wurde, zeigt im Vergleich mit Werten aus der Literatur ein realitätsnahes Verhalten. Dies wird durch eine hohe Präsenz der Versuchspersonen im Simulator untermauert. Die Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit zeigen, dass valide Ergebnisse mit Simulatoren, die als bildgebendes Element eine VR-Brille verwenden, erzielt werden können. Die Möglichkeit damit Lichtfunktionen aus der Perspektive von verschiedenen Verkehrsteilnehmern wie Fußgängern oder Autofahrern zu untersuchen, macht dieses zu einem universellen Werkzeug, das sich durch eine vollständige Simulation des Sichtfeldes besonders für die Untersuchung des Einflusses verschiedener visueller Reize eignet.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

The progressive technological development of lighting functions in motor vehicles and the direct link with legislative bodies for approval, requires test environments with which safety-relevant aspects can be proven or negative influences can be eliminated. One topic driving the development of new lighting functions is the role of automotive lighting in the age of highly and fully automated driving. As the level of automation increases, the responsibility of humans in vehicle control continues to diminish. New signal concepts pursue the goal of being able to communicate with their environment, since humans are no longer available for this purpose. For approval, however, a possible benefit must be empirically proven and potential hazards must be excluded. One test environment that is suitable for a realistic simulation of different traffic situations is virtual reality. In order for the results generated in virtual reality to be accepted by legislative bodies, they must be transferable to reality. This thesis deals with these problems. For the investigation of lighting functions, a driving and pedestrian simulator was developed that can place test subjects in various traffic situations with the aid of an VR-headset. In the first part of the work, the headset is characterized photometrically and a model is developed with which the displayed contents can be converted into luminance distributions. In the second part, a total of four empirical studies are conducted. A study in a driving simulator replicates a field test investigating the speed-dependent roadway luminance for an adequate feeling of safety at nighttime driving. The results show, that a photometrically correct replication of a nighttime traffic situation is possible with the VR-based simulator and relative validity is observed in subjective evaluation as well as in gaze behavior. In contrast, no validity is apparent for the influence of speed. In the three remaining studies, different encounter situations between pedestrians and automated vehicles are simulated. An evaluation of the influence of novel signal lights is the focus of these studies. The subjective and objective results show that safety and efficiency can be increased with additional signals. The movement behavior, which was recorded and analyzed in the form of walking speed, decision time and head movements, shows a realistic behavior in comparison with values from the literature. This is supported by a high presence of the test subjects in the simulator. The investigations in the present work show that valid results can be obtained with simulators that use VR-headsets as an imaging element. The possibility to investigate light functions from the perspective of different road users like pedestrians or car drivers makes this a universal tool, which is especially suitable for the investigation of the influence of different visual stimuli due to a complete simulation of the field of view.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-224178
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Adaptive Lighting Systems and Visual Processing
Date Deposited: 12 Oct 2022 11:41
Last Modified: 13 Oct 2022 07:06
PPN:
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Neumann, Prof. Dr. Cornelius
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 19 September 2022
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