자율주행 자동차의 제어권 전환 시 운전자의 운전성능 향상을 위한 전방 윈드실드 하이라이팅 디스플레이 개발 = Development of a Forward Windshield Highlighting Display to Enhance Driver Performance during Takeover Scenarios in Autonomous Vehicles

국문 초록 (Abstract)

자율주행 자동차의 제어권 전환 시 운전자의 운전성능 향상을 위한 전방 윈드실드 하이라이팅 디스플레이 개발 자율주행 기술의 급속한 발전과 별개로 사용자의 수용성 문제가 계속되고 있다. 수용성의 한계 는 주로 자율주행 차량에 대한 불안감, 불충분하거나 불명확한 정보 제공, 현재 자율주행 단계 (SAE Level 2~3)에서의 통제권 전환 시 발생하는 인지적 부하 및 안전성 문제에서 기인한다. 이 에 본 연구는 탑승자가 차량이 제공하는 안전 정보를 신속하고 정확하게 이해하며 효과적으로 대 응할 수 있도록 돕는 증강현실(AR) 기반 하이라이팅 디스플레이 기능을 제안한다. AR 하이라이 팅 디스플레이는 전방 윈드실드를 통해 주변 사물 또는 차량을 상대적 안전도에 따라 초록색에서 빨간색으로 구분하여 하이라이팅하는 기능이다. 유용성을 검증하기 위해, 하이라이팅 디스플레이 유무를 그룹 내 변인으로, 하이라이팅 유형(외곽선 vs. 표면)을 그룹 간 변인으로 설정하여 직접 개발한 가상현실(VR) 기반 자율주행 및 통제권 전환 시뮬레이션을 활용한 실험을 실시하였다 (n=60). 각 참여자는 외곽선 또는 표면 하이라이팅 그룹에 무작위로 배정되었으며, 무작위 순서로 하이라이팅 디스플레이가 포함된 시뮬레이션과 포함되지 않은 시뮬레이션을 각각 한 번씩 경험하 였다. 실험에서는 통제권 전환 상황에서의 반응 속도를 측정하였으며, 각 시뮬레이션 종료 후 수 정된 자율주행차 수용성 모델(AVAM) 설문, 인지된 유용성 설문, NASA-TLX 설문을 통해 자율 주행 차량에 대한 수용성과 작업 부하를 평가하였다. 실험 결과, 하이라이팅 디스플레이는 반응 시간을 유의미하게 단축시켰으며, 자율주행차에 대한 수용성을 높이고 작업 부하를 개선하는 데 긍정적인 영향을 미쳤다. 특히, 표면 하이라이팅 디스플레이는 사용자의 노력 기대, 인지된 안전 성 및 유용성을 더 효과적으로 향상시킨 반면, 외곽선 하이라이팅은 정신적 작업 부하의 감소에 더 효과적인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 하이라이팅 디스플레이가 미래 자율주행차에서 안 전성과 수용성 개선을 위한 중요한 기능임을 입증하였으며, 디스플레이 형태에 따라 사용자 경험 에 미치는 영향이 상이할 수 있음을 시사한다. 따라서 향후 자율주행차 인터페이스 설계에서는 기능의 형태적 특성을 고려하여 사용자 중심의 최적화된 디자인을 개발할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Development of a Forward Windshield Highlighting Display to Enhance Driver Performance during Takeover Scenarios in Autonomous Vehicles Cho, Min Woo Dept. of Metaverse Convergence The Graduate School Kwangwoon University Concerns about autonomous vehicles, including anxiety, insufficient or unclear information provision, and cognitive load during control transitions continue to hinder user acceptance. To address these challenges, this study proposes an augmented reality (AR)-based highlighting display. The AR highlighting display operates through the vehicle’s windshield, visually distinguishing surrounding objects or vehicles by assigning colors ranging from green to red based on their relative safety levels. A virtual reality (VR)-based driving simulation tested its effectiveness. Highlighting presence was a within-subject variable, and type (outline vs. surface) was a between-subject variable (n = 60). Participants experienced simulations both with and without the display, measuring reaction times, acceptance, and workload using AVAM, perceived usefulness, and NASA-TLX surveys. Results showed the display significantly reduced reaction times, enhanced acceptance, and improved workload. Surface highlighting better improved perceived safety and usefulness, while outline highlighting more effectively reduced mental workload. These findings highlight AR displays as valuable tools for improving safety and acceptance in autonomous vehicles, emphasizing the need for user-centered interface design.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 문제 제기 1
• 제2절 연구 목적 2
• 제2장 이론적 배경 3
• 제1절 자율주행 차량 3
• 제2절 제어권 전환 요청 (ToR) 및 시각적 피드백 4
• 제3절 인간 정보 처리 모델 (Human Information Processing Model, HIP) 6
• 제4절 근접 부합성 원리 (Proximity Compatibility Principle) 7
• 제5절 자율주행 차량 수용성과 자율주행차 수용성 모델 (Autonomous Vehicle Acceptance Model, AVAM) 8
• 제6절 작업 부하와 NASA-TLX 11
• 제7절 가상현실 기반 자율주행 차량 시뮬레이션 14
• 제8절 연구문제 14
• 제3장 하이라이팅 디스플레이 기능 16
• 제1절 하이라이팅 디스플레이 기능의 방식 및 구조 16
• 제4장 방법론 21
• 제1절 실험 참여자 21
• 제2절 실험 처치물 21
• 제3절 실험 설계 및 절차 22
• 제4절 측정수단 24
• 제5장 연구 결과 25
• 제1절 통계 분석 결과 25
• 제6장 결론 및 논의 30
• 제1절 연구 결과의 요약 30
• 제2절 이론적 함의 31
• 제3절 연구의 한계점 및 제언 33
• 참고문헌 35
• [부록] 실험 설문지 42