Machine learning-based cognitive load prediction model for AR-HUD to improve OSH of professional drivers

MotivationAugmented reality head-up display (AR-HUD) interface design takes on critical significance in enhancing driving safety and user experience among professional drivers. However, optimizing the above-mentioned interfaces poses challenges, innovative methods are urgently required to enhance performance and reduce cognitive load.DescriptionA novel method was proposed, combining the IVPM method with a GA to optimize AR-HUD interfaces. Leveraging machine learning, the IVPM-GA method was adopted to predict cognitive load and iteratively optimize the interface design.ResultsExperimental results confirmed the superiority of IVPM-GA over the conventional BP-GA method. Optimized AR-HUD interfaces using IVPM-GA significantly enhanced the driving performance, and user experience was enhanced since 80% of participants rated the IVPM-GA interface as visually comfortable and less distracting.ConclusionIn this study, an innovative method was presented to optimize AR-HUD interfaces by integrating IVPM with a GA. IVPM-GA effectively reduced cognitive load, enhanced driving performance, and improved user experience for professional drivers. The above-described findings stress the significance of using machine learning and optimization techniques in AR-HUD interface design, with the aim of enhancing driver safety and occupational health. The study confirmed the practical implications of machine learning optimization algorithms for designing AR-HUD interfaces with reduced cognitive load and improved occupational safety and health (OSH) for professional drivers

Advanced Calibration of Automotive Augmented Reality Head-Up Displays = Erweiterte Kalibrierung von Automotiven Augmented Reality-Head-Up-Displays

In dieser Arbeit werden fortschrittliche Kalibrierungsmethoden für Augmented-Reality-Head-up-Displays (AR-HUDs) in Kraftfahrzeugen vorgestellt, die auf parametrischen perspektivischen Projektionen und nichtparametrischen Verzerrungsmodellen basieren. Die AR-HUD-Kalibrierung ist wichtig, um virtuelle Objekte in relevanten Anwendungen wie z.B. Navigationssystemen oder Parkvorgängen korrekt zu platzieren. Obwohl es im Stand der Technik einige nützliche Ansätze für dieses Problem gibt, verfolgt diese Dissertation das Ziel, fortschrittlichere und dennoch weniger komplizierte Ansätze zu entwickeln. Als Voraussetzung für die Kalibrierung haben wir mehrere relevante Koordinatensysteme definiert, darunter die dreidimensionale (3D) Welt, den Ansichtspunkt-Raum, den HUD-Sichtfeld-Raum (HUD-FOV) und den zweidimensionalen (2D) virtuellen Bildraum. Wir beschreiben die Projektion der Bilder von einem AR-HUD-Projektor in Richtung der Augen des Fahrers als ein ansichtsabhängiges Lochkameramodell, das aus intrinsischen und extrinsischen Matrizen besteht. Unter dieser Annahme schätzen wir zunächst die intrinsische Matrix unter Verwendung der Grenzen des HUD-Sichtbereichs. Als nächstes kalibrieren wir die extrinsischen Matrizen an verschiedenen Blickpunkten innerhalb einer ausgewählten "Eyebox" unter Berücksichtigung der sich ändernden Augenpositionen des Fahrers. Die 3D-Positionen dieser Blickpunkte werden von einer Fahrerkamera verfolgt. Für jeden einzelnen Blickpunkt erhalten wir eine Gruppe von 2D-3D-Korrespondenzen zwischen einer Menge Punkten im virtuellen Bildraum und ihren übereinstimmenden Kontrollpunkten vor der Windschutzscheibe. Sobald diese Korrespondenzen verfügbar sind, berechnen wir die extrinsische Matrix am entsprechenden Betrachtungspunkt. Durch Vergleichen der neu projizierten und realen Pixelpositionen dieser virtuellen Punkte erhalten wir eine 2D-Verteilung von Bias-Vektoren, mit denen wir Warping-Karten rekonstruieren, welche die Informationen über die Bildverzerrung enthalten. Für die Vollständigkeit wiederholen wir die obigen extrinsischen Kalibrierungsverfahren an allen ausgewählten Betrachtungspunkten. Mit den kalibrierten extrinsischen Parametern stellen wir die Betrachtungspunkte wieder her im Weltkoordinatensystem. Da wir diese Punkte gleichzeitig im Raum der Fahrerkamera verfolgen, kalibrieren wir weiter die Transformation von der Fahrerkamera in den Weltraum unter Verwendung dieser 3D-3D-Korrespondenzen. Um mit nicht teilnehmenden Betrachtungspunkten innerhalb der Eyebox umzugehen, erhalten wir ihre extrinsischen Parameter und Warping-Karten durch nichtparametrische Interpolationen. Unsere Kombination aus parametrischen und nichtparametrischen Modellen übertrifft den Stand der Technik hinsichtlich der Zielkomplexität sowie Zeiteffizienz, während wir eine vergleichbare Kalibrierungsgenauigkeit beibehalten. Bei allen unseren Kalibrierungsschemen liegen die Projektionsfehler in der Auswertungsphase bei einer Entfernung von 7,5 Metern innerhalb weniger Millimeter, was einer Winkelgenauigkeit von ca. 2 Bogenminuten entspricht, was nahe am Auflösungvermögen des Auges liegt