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문제 정의
- 본 논문은 R&D 성과물인 대중교통 HUD의 연구성과 활성화를 목적으로 하며, 대중교통 HUD기술은 기술 실시협약 등을 통해 중소기업 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
- 본 연구를 통해 이중접합유리 형태인 일반승용차, 버스유리 이외에 일반유리에서도 HUD 정보 표출 기술을 개발하였다.
제안 방법
- 설문을 통해 선정된 색상의 시인성 확인을 위해 차량 시뮬레이터 수행과 동시에 운전자의 뇌파를 측정하였다. 피실험자들은 총 10명을 대상으로 하였으며, 색상 1안(Alternative 1) 부터 3안(Alternative 3)까지의 HUD 주행영상이 기록된 590초짜리 동영상을 연속적으로 보면서 주행을 실시하였다. 이때 발생된 뇌파기록을 Telescan을 통해 저장하게 되고 이를 대안별 구간으로 나누어 분석을 실시하였다.
- 1단계인 브레인스토밍 단계에서는 연구진을 포함한 전문가 회의를 통하여 대중교통 HUD에 표출할 수 있는 콘텐츠들에 대하여 반복 조사하였으며, 2단계인 계층구조의 설정 단계에서는 전 단계에서 조사된 콘텐츠를 기초로 하여 실제로 버스 운전자들을 대상으로 설문조사를 진행하였고, 그 조사결과에 대한 요인분석을 통하여 대중교통 HUD 콘텐츠들의 계층구조를 설정하였다. 3단계인 가중치의 설정 단계에서는 전 단계에서 설정된 계층구조를 이용하여 교통 관련 전문가들을 대상으로 설문조사를 진행하였다.
- 1단계인 브레인스토밍 단계에서는 연구진을 포함한 전문가 회의를 통하여 대중교통 HUD에 표출할 수 있는 콘텐츠들에 대하여 반복 조사하였으며, 2단계인 계층구조의 설정 단계에서는 전 단계에서 조사된 콘텐츠를 기초로 하여 실제로 버스 운전자들을 대상으로 설문조사를 진행하였고, 그 조사결과에 대한 요인분석을 통하여 대중교통 HUD 콘텐츠들의 계층구조를 설정하였다. 3단계인 가중치의 설정 단계에서는 전 단계에서 설정된 계층구조를 이용하여 교통 관련 전문가들을 대상으로 설문조사를 진행하였다.
- Table 1과 같이 상위요인으로는 배차간격 정보, 계기판 및 도로정보, 문 개폐 관련정보, 정류장 관련 정보, 요금 및 속도정보, 기타 정보 등 6개 항목으로 구성하였으며, 하위요인은 상위요인에 따라 총 19개로 구분하여 계층구조를 구성하였다. 각 항목에 대해서 상위 평가요소간 비교설문을 5점 척도로 구분하여 시행하였다.
- Table 1과 같이 상위요인으로는 배차간격 정보, 계기판 및 도로정보, 문 개폐 관련정보, 정류장 관련 정보, 요금 및 속도정보, 기타 정보 등 6개 항목으로 구성하였으며, 하위요인은 상위요인에 따라 총 19개로 구분하여 계층구조를 구성하였다. 각 항목에 대해서 상위 평가요소간 비교설문을 5점 척도로 구분하여 시행하였다. 상위 요인별 중요도를 우선 도출하고, 상위요소에 따른 하위 요소에 대해서도 동일한 방안으로 조사를 시행하였다.
- 광원부는 향후 대중교통 HUD 상용화와 차량 매립 등을 고려한 기구물 소형화를 위하여 광원부 또한 소형화될 수 있도록 설계를 수행하였고, 발열문제(LCD Panel 거리 확보, 메탈PCB, 금형설계 등) 등을 고려하여 설계하였다. 또한, BLU 고휘도 성능 향상을 위해 2차년도 기존 300,000cd/㎡인 휘도를 330,000cd/㎡까지 발현되도록 설계하였다.
- 표출화면이 여러 가지 색상으로 구성될 경우 전면 유리에 표출된 정보로 인하여 운전자의 혼란을 야기할 뿐만 아니라, 전반시야를 방해하는 요인이 될 수도 있다. 그러므로 대중교통 HUD는 Full Color 표출이 지원되도록 설계하되, 동시에 표출정보는 최대 다섯 가지 색상(초록색, 주황색, 빨간색, 하늘색, 노란색) 이내로 표출되도록 원칙을 정립하였다.
- 뇌파측정 실험은 Figure 12와 같이 드라이빙 시뮬레이터를 이용하여 운전환경을 조성하고, 피실험자에게 뇌파측정장비를 부착하여 상황별 변화하는 뇌파를 측정하였다. 측정결과는 Figure 11 상단 그림과 같이 주행 시 HUD별 발생하는 스트레스 뇌파 파형을 보여주고, 하단 그림은 이를 바탕으로 스트레스 뇌파 지수를 보여준다.
- 대중교통 HUD 콘텐츠의 선호도 분석은 계층분석과정(Analytic Hierarchy Process, 이하 AHP) 기법을 응용하였으며, 브레인스토밍(brainstorming, 1단계), 계층구조의 설정(structuring, 2단계), 가중치의 설정 (weighting, 3단계), 측정(measurement, 4단계) 등 4단계로 시행하였다.
- 이러한 측면에서 대중교통 HUD를 이용할 경우 서론에서 제기한 바와 같은 버스 운전자의 주시태만 및 주의력 분산에 의해 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지 할 수 있을 것으로 기대한다. 대중교통 HUD의 적용 가능성을 진단하기 위해 HUD 운전자 반응시간을 검토하였고, 관련 특허 및 기술동향을 조사하였다.
- 대중교통 HUD는 일반 승용차용 HUD와 제공되는 정보와 표출되는 유리면의 각도 등에서 가장 큰 차이점이 있다. 따라서 기존 상용화된 HUD의 기술을 적용하기에 무리가 있으며, 본 연구에서는 대중교통 HUD를 위한 컨텐츠 정의, 표출정보/시인성 향상을 위한 설문 및 뇌파분석, 대중교통 활용을 위한 광학/광원/유리면 요구사항 분석을 시행하였다.
- 5 m 거리 차에서도 상이 표출될 수 있도록 광학부를 설계하였다. 또한 AR 코팅 렌즈, 실린더리컬 렌즈, 반사렌즈를 사용하여 수직 유리에 표출될 수 있도록 렌즈셋을 구성하였다. 일반 버스용 유리에 별도의 감광재료의 사용 없이 윈드실드에 바로 적용할 수 있는 기술이 광학/광원부 설계의 핵심이다.
- 광원부는 향후 대중교통 HUD 상용화와 차량 매립 등을 고려한 기구물 소형화를 위하여 광원부 또한 소형화될 수 있도록 설계를 수행하였고, 발열문제(LCD Panel 거리 확보, 메탈PCB, 금형설계 등) 등을 고려하여 설계하였다. 또한, BLU 고휘도 성능 향상을 위해 2차년도 기존 300,000cd/㎡인 휘도를 330,000cd/㎡까지 발현되도록 설계하였다. Figure 10은 본 연구를 통해 개발된 BLU고휘도 PCB이다.
- 각 항목에 대해서 상위 평가요소간 비교설문을 5점 척도로 구분하여 시행하였다. 상위 요인별 중요도를 우선 도출하고, 상위요소에 따른 하위 요소에 대해서도 동일한 방안으로 조사를 시행하였다.
- 설문을 통해 시인성이 높은 색상을 분석한 결과, Teble 2와 같이 시인성이 가장 높은 색상은 초록색, 주황색, 빨간색, 노란색으로 선정되었으며, 2차 설문에서 하늘색이 추가로 선정되었다. 설문을 통해 선정된 색상의 시인성 확인을 위해 차량 시뮬레이터 수행과 동시에 운전자의 뇌파를 측정하였다. 피실험자들은 총 10명을 대상으로 하였으며, 색상 1안(Alternative 1) 부터 3안(Alternative 3)까지의 HUD 주행영상이 기록된 590초짜리 동영상을 연속적으로 보면서 주행을 실시하였다.
- 영상 디스플레이 표출방식은 반사형과 직사형 반식을 검토하였으며, 운전자의 시야를 고려하여 시야각 15°(좌 우 각 7.5°)에서 상이 가리지 않고 모두 표출되도록 설계하였고, 확대 현상을 개선하여 전면유리로 부터 약 0.5 m 거리 차에서도 상이 표출될 수 있도록 광학부를 설계하였다.
- 피실험자들은 총 10명을 대상으로 하였으며, 색상 1안(Alternative 1) 부터 3안(Alternative 3)까지의 HUD 주행영상이 기록된 590초짜리 동영상을 연속적으로 보면서 주행을 실시하였다. 이때 발생된 뇌파기록을 Telescan을 통해 저장하게 되고 이를 대안별 구간으로 나누어 분석을 실시하였다. 구간은 색상 1안(Alternative 1) 03-92초, 색상 2안(Alternative 2) 95-199초, 색상 3안(Alternative 3) 202-299초로 구분된다.
- Figure 9와 같이 운전자와 전면유리간 거리가 일반승용차에 비해 멀고, 차량운행, 운전자단말, 차량승객 정보등 많은 정보가 대중교통 HUD를 통해 표출되어야 하기에 약 10inch 크기의 대형화면 표출 기능이 구현되어야 한다. 전면유리에 10inch 크기의 정보를 표출하기 위한 운전자 시야와 전면유리간의 거리는 102cm이므로, 이 거리를 기준으로 표출정보의 투영위치를 결정하였다.
- 색상은 다수 콘텐츠가 동시에 표출되는 HUD의 특성상 정보를 제공받는 버스운전자에게 매우 큰 영향을 주는 요인이다. 정보의 시인성과 직결되어 승객 안전과도 직결될 수 있으며, 이를 위해 총 2차례에 걸쳐 설문조사를 시행하였다. 설문을 통해 시인성이 높은 색상을 분석한 결과, Teble 2와 같이 시인성이 가장 높은 색상은 초록색, 주황색, 빨간색, 노란색으로 선정되었으며, 2차 설문에서 하늘색이 추가로 선정되었다.
- 특허분석에서는 미국등록특허를 기준으로 특허가 기술적으로 영향을 미치는 정도(피인용도의 비율)와 시장 확보를 위한 노력(패밀리 특허)의 정도를 평가하여 각국의 시장력을 분석하였고, 그 결과는 Figure 5와 같다. 차세대 도로교통정보서비스 고도화 기술 중 HUD 기술에서, 특허 피인용도 지수(CPP)에 대한 전체 평균 8.
성능/효과
- 85° 표출각도에서 비교적 우수한 품질의 화면표출이 가능하였고, 90° 표출각도 또한 표출화면의 품질이 우수함을 보였다.
- 기존 유사 연구 및 관련 기술을 검토하여 대중교통 HUD의 효과를 예측한 결과, 버스를 포함한 대중교통의 안전성이 제고될 뿐만 아니라 사고율 또한 감소될 것으로 기대된다. 우리나라가 국제적 대중교통 HUD 기술의 경쟁력에서 비교우위를 선점할 수 있어 관련 기술을 선도할 수 있을 것으로 예상한다.
- 대중교통 HUD 콘텐츠의 표출 우선순위를 결정하기 위한 상위 요인과 하위 요인간의 상대적 중요도를 측정하였으며, 분석결과 배차간격 정보, 정류장 정보를 최우선 정보로 선택하였으며, 계기판 및 도로정보 등은 상대적으로 우선순위가 낮은 것으로 분석되었다.
- 대중교통 HUD 표출 가능한 19개 콘텐츠의 우선순위는 Table 1과 같이 이번 도착 정류장명, 앞차와의 간격, 하차벨,(하차 여부), 다음 도착 정류장명, 앞차의 위치 등이 선두 그룹을 형성하고 있으며, RPM, 연료량, 엔진과열, 도로제한속도, 운행경로(내비게이션) 등을 포함한 계기판 및 도로 정보의 우선순위가 가장 낮은 것으로 분석되었다. 향후, 대중교통 HUD의 콘텐츠는 이러한 순위가 반영되어 안전운행 증진을 위한 최소한의 콘텐츠만을 표출해야 한다.
- 대중교통 HUD의 안정적 기능동작 시험에서는 전원, 주파수, BLU 발광, 시작품 발열 테스트 전반에 걸쳐 안정적 상태를 보였다. 소형화 설계를 통해 제작된 시작품의 부피는 1.
- 버스유리 각도에 가장 유사한 90° 환경에서도 HUD와 투영스크린 까지의 거리가 150 mm 이하를 유지할 경우 시야각이 최소 17°에서 최대 20°까지 확보되어 실제 대중교통 운전자의 운전환경에서 HUD를 통해 제공되는 교통정보 이용이 가능함을 실험을 통해 확인하였다.
- 정보의 시인성과 직결되어 승객 안전과도 직결될 수 있으며, 이를 위해 총 2차례에 걸쳐 설문조사를 시행하였다. 설문을 통해 시인성이 높은 색상을 분석한 결과, Teble 2와 같이 시인성이 가장 높은 색상은 초록색, 주황색, 빨간색, 노란색으로 선정되었으며, 2차 설문에서 하늘색이 추가로 선정되었다. 설문을 통해 선정된 색상의 시인성 확인을 위해 차량 시뮬레이터 수행과 동시에 운전자의 뇌파를 측정하였다.
- 대중교통 HUD의 안정적 기능동작 시험에서는 전원, 주파수, BLU 발광, 시작품 발열 테스트 전반에 걸쳐 안정적 상태를 보였다. 소형화 설계를 통해 제작된 시작품의 부피는 1.4 L로 측정되어 기구물 또한 소형으로 활용도를 충분히 확보하였다. Figure 13 및 14는 개발된 HUD 및 실제 버스유리에 투영시킨 HUD 표출 이미지이다.
- 이는 정보의 노출빈도가 증가함에 따라 감각이 무뎌지는 일반적인 사항과는 달리, HUD는 시선에 반복적으로 노출되어도 인식정도의 감소폭이 상대적으로 낮음을 의미한다. 이러한 특성을 고려할 때 HUD를 통해 안전정보를 포함한 교통정보를 제공할 경우 네비게이션 등의 매체를 통해 정보를 제공하는 경우와 비교할 때 매우 효과적일 수 있음을 의미한다.
후속연구
- 대중교통 HUD 기술 개발을 통해 운전자들은 매체의 특성에 따라 서로 다른 단말기를 동시에 모니터링하는 기존의 방식에서 벗어나, 전면유리에 표출된 HUD 화면 만을 통해 모니터링하는 것이 가능함으로써 안전운전이 가능할 것으로 기대한다. 시범운영을 통해 기술적 안정성을 포함한 지속적인 연구개발 진행을 앞두고 있으며, 안전운전을 포함한 대중교통 HUD의 직접적인 시행효과는 향후 시범노선 선정 및 대중교통 HUD의 부착 후 시범운영을 통해 측정할 예정이다.
- 대중교통 HUD 기술 개발을 통해 운전자들은 매체의 특성에 따라 서로 다른 단말기를 동시에 모니터링하는 기존의 방식에서 벗어나, 전면유리에 표출된 HUD 화면 만을 통해 모니터링하는 것이 가능함으로써 안전운전이 가능할 것으로 기대한다. 시범운영을 통해 기술적 안정성을 포함한 지속적인 연구개발 진행을 앞두고 있으며, 안전운전을 포함한 대중교통 HUD의 직접적인 시행효과는 향후 시범노선 선정 및 대중교통 HUD의 부착 후 시범운영을 통해 측정할 예정이다.
- 기존 유사 연구 및 관련 기술을 검토하여 대중교통 HUD의 효과를 예측한 결과, 버스를 포함한 대중교통의 안전성이 제고될 뿐만 아니라 사고율 또한 감소될 것으로 기대된다. 우리나라가 국제적 대중교통 HUD 기술의 경쟁력에서 비교우위를 선점할 수 있어 관련 기술을 선도할 수 있을 것으로 예상한다. 연구가 완료되는 2015년 대중교통 HUD의 보급으로 인해 기준 전방주시태만 버스 교통사고 50% 감소 및 약 2,200억원/년의 도로교통사고 절감비용 효과가 나타날 것으로 예상하고 있다.
- 항공용 HUD는 조종사가 비행시간동안 현 상황에 대해 계기판이 위치한 하단부로 시선을 옮기거나 머리를 숙이지 않는 상태로 비행정보를 주시할 수 있기 때문에 비상시 주변환경 변화에 대한 반응속도를 높이고, 운행시 조종사의 부담을 경감시키는데 효과가 있다. 이러한 측면에서 대중교통 HUD를 이용할 경우 서론에서 제기한 바와 같은 버스 운전자의 주시태만 및 주의력 분산에 의해 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지 할 수 있을 것으로 기대한다. 대중교통 HUD의 적용 가능성을 진단하기 위해 HUD 운전자 반응시간을 검토하였고, 관련 특허 및 기술동향을 조사하였다.
- 대중교통 HUD 표출 가능한 19개 콘텐츠의 우선순위는 Table 1과 같이 이번 도착 정류장명, 앞차와의 간격, 하차벨,(하차 여부), 다음 도착 정류장명, 앞차의 위치 등이 선두 그룹을 형성하고 있으며, RPM, 연료량, 엔진과열, 도로제한속도, 운행경로(내비게이션) 등을 포함한 계기판 및 도로 정보의 우선순위가 가장 낮은 것으로 분석되었다. 향후, 대중교통 HUD의 콘텐츠는 이러한 순위가 반영되어 안전운행 증진을 위한 최소한의 콘텐츠만을 표출해야 한다.
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