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Near-field projection as an adaptive driver assistance system - a technical and human-oriented consideration for future traffic scenarios

Stuckert, Alexander (2023)
Near-field projection as an adaptive driver assistance system - a technical and human-oriented consideration for future traffic scenarios.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026398
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Near-field projection as an adaptive driver assistance system - a technical and human-oriented consideration for future traffic scenarios
Language: English
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Neumann, Prof. Dr. Cornelius
Date: 15 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxiv, 152 Seiten
Date of oral examination: 30 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026398
Abstract:

The present work deals with the fundamental consideration of optical parameters for designing a projection system for near-field projections based on perceptual-physiological criteria to enable a user-oriented and technology-independent design of the projection system. For this purpose, different psychophysical tests on resolution and brightness perception of near-field projections investigated the parameters and dependencies in seven participant tests.

Therefore, the testing on resolution perception shows that for a near-field projection at a maximum distance of 5m from the vehicle, the resolution requirements for dynamic representations 25 pixels per degree (ppd) are almost just half as high as for static symbols or texts 40 ppd in the mesopic adaptation level, which in the studies is between 0.5 and 2 cd/m². In addition, DIN 1450 recommends compliance, as non-compliance with this standard leads to increased resolution requirements due to the influence of projection size and text type, especially for safety-relevant near-field projections. From the psychophysical tests performed and the perceived resolution requirements for near-field projections, it is finally possible to conclude the resolution of the microdisplay to evaluate the current technology in this respect. State of the art shows that the resolution requirements of the subject studies are already achieved with a DMD or LCoS system for near-field projections, and a µLED microdisplay still requires 2.5 times the resolution for dynamic projections.

The tests on brightness perception show various influences on the perception of near-field projections based on psychophysical data. A significant influence of adaptation environment on the threshold of contrast perception is present between mesopic ~0.6 cd/m² and photopic (above 210 cd/m²) adaptation luminances. In addition, the influence of projection content, whether a near-field projection is symbol-based or text-based, impacts the perception of the near-field projection since, at reaction times of 600 to 650 ms, the symbol-based near-field projection has lower detection contrast thresholds. Furthermore, compared to a static representation of the same projection content in the mesopic region, a dynamic projection shows a 38 % lower detection contrast threshold, providing better detectability in safety-critical situations in urban road traffic. Finally, the dependence of the recognition contrasts on the position of the near-field projection in the peripheral visual field was also determined.

The perception tests' results and the projections' associated illuminance levels create a model that defines the necessary illuminance level of the projected object for direct or peripheral viewing of a near-field projection as a function of the ambient lighting level. This model can determine for each environmental condition the necessary illuminance of the projection for a detection probability of 90 % and the resulting characteristics of the projector. Furthermore, this model evaluates the current state of the art and assesses the limitations of the available technologies for near-field projections using a user-oriented model, such as that an LCoS projection system is only sufficient for projections at night and in illuminated streets. In contrast, if the brightness increases thrice, a DMD projection system guarantees visibility during dusk and dawn.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der grundlegenden Betrachtung optischer Parameter für die Gestaltung eines Projektionssystems für Nahfeldprojektionen anhand wahrnehmungsphysiologischer Kriterien, um eine nutzerorientierte und technologieunabhängig Gestaltung des Projektionssystems zu ermöglichen. Dazu werden in insgesamt sieben verschiedenen Studien unterschiedliche psychophysikalische Tests zur Auflösungswahrnehmung und Helligkeitswahrnehmung von Nahfeldprojektionen durchgeführt.

So zeigen die Untersuchungen zur Auflösungswahrnehmung, dass für eine Nahfeldprojektion, die maximal 5 m vom Fahrzeug entfernt ist, die Auflösungsanforderungen für dynamische Darstellungen 25 Pixel pro Grad (ppd) ca. halb so hoch sind wie für statische Symbole oder Texte (40 ppd) im mesopischen Adaptationsbereich, der in den Untersuchungen zwischen 0,5 und 2 cd/m² liegt. Darüber hinaus wird die Einhaltung der DIN 1450 empfohlen, da die Missachtung dieser Norm speziell für sicherheitsrelevante Nahfeldprojektionen zu erhöhten Auflösungsanforderungen hinsichtlich des Einflusses von Projektionsgröße und Textart führt. Aus den durchgeführten psychophysischen Tests und den wahrgenommenen Auflösungsanforderungen für Nahfeldprojektionen kann schließlich auf die Auflösung des Bildgebers geschlossen werden, um die aktuelle Technologie diesbezüglich zu bewerten. Der Stand der Technik zeigt, dass die Auflösungsanforderungen der Probandenstudien bereits mit einem DMD- oder LCoS-System eines Nahfeldprojektors erreicht werden und ein µLED-Mikrodisplay Projektor noch die 2,5-fache Auflösung für eine dynamische Projektion benötigt.

Die Untersuchungen zur Helligkeitswahrnehmung zeigen verschiedene Einflüsse auf die Wahrnehmung von Nahfeldprojektionen. Ein signifikanten Einfluss der Adaptionsumgebung auf die Schwelle der Kontrastwahrnehmung liegt zwischen mesopischen (~0.6 cd/m²) und photopischen (über 210 cd/m²) Adaptionsleuchtdichten vor. Zusätzlich hat der Einfluss des Projektionsinhaltes, ob eine Nahfeldprojektion symbol- oder textbasiert ist, einen Einfluss auf die Wahrnehmbarkeit der Nahfeldprojektion, da bei Reaktionszeiten von 600 bis 650 ms die symbolbasierte Nahfeldprojektion niedrigere Kontrastschwellen aufweist. Außerdem weist eine dynamische im Vergleich zu einer statischen Darstellung desselben Projektionsinhalts im mesopischen Bereich eine um 38 % niedrigere Detektionskontrastschwelle auf, was eine bessere Erkennbarkeit in sicherheitskritischen Situationen im städtischen Straßenverkehr gewährleistet. Zusätzlich wurde die Abhängigkeit der Detektionskontraste von der Position der Nahfeldprojektion im peripheren Gesichtsfeldes ermittelt.

Die Ergebnisse der Wahrnehmungsstudien und die damit verbundenen Beleuchtungsstärken der Projektionen werden verwendet, um ein Modell zu erstellen, das in Abhängigkeit von der vorhandenen Umgebungsbeleuchtung die notwendige Beleuchtungsstärke des projizierten Objekts für die direkte oder periphere Betrachtung einer Nahfeldprojektion definiert. Dieses Modell bestimmt je Umgebungsszenario die notwendige Beleuchtungsstärke der Projektion für eine Detektionswahrscheinlichkeit von 90 % und die daraus resultierenden Projektoreigenschaften. Darüber hinaus ist es mit Hilfe dieses Modells möglich, den aktuellen Stand der Technik zu bewerten und die derzeitigen Einschränkungen der verfügbaren Technologien für Nahfeldprojektionen anhand eines nutzerorientierten Modells zu beurteilen, wie z.B. dass ein LCoS-Projektionssystem nur für Projektionen bei Nacht und bei beleuchteten Straßen ausreicht, während ein DMD-Projektionssystem bis zu dreimal heller sein müsste, um eine Sichtbarkeit in der Dämmerung zu garantieren.

German
Uncontrolled Keywords: near-field projection, resolution, visibility, urban traffic, river assistance system
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-263988
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology
600 Technology, medicine, applied sciences > 621.3 Electrical engineering, electronics
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Adaptive Lighting Systems and Visual Processing
Date Deposited: 15 Dec 2023 13:20
Last Modified: 22 Dec 2023 07:43
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26398
PPN: 514128054
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