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Using external cortical EEG characteristics, visual perception and cognitive emotional feedbacks to investigate human-centric interior lighting for autonomous vehicles

Weirich, Christopher (2023)
Using external cortical EEG characteristics, visual perception and cognitive emotional feedbacks to investigate human-centric interior lighting for autonomous vehicles.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026438
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Using external cortical EEG characteristics, visual perception and cognitive emotional feedbacks to investigate human-centric interior lighting for autonomous vehicles
Language: English
Referees: Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc ; Lin, Prof. Yandan
Date: 21 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxxii, 194 Seiten
Date of oral examination: 12 December 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026438

Following the prediction published by the United Nations, until 2050, 68% of the world population prefers to live in cities. Therefore, more large- and megacities will be globally established to carry the growing flow of people. In addition, the current transformation within the automotive industry from manual driving to full autonomous driving with robocars plays a major role in this sociological context. If fully developed by the latest technology, driving will become a transportation process based on self-driving vehicles and therefore the importance of the vehicle interior will increase as a new third living space. Studies were performed to identify photometric limits for driving applications or combined in-vehicle lighting with driving assistant systems. In the field of non-visual lighting, blue-enriched white light was applied aiming to reduce the level of driving fatigue that was only successful under monotonous driving conditions. Furthermore, psychologically evaluated, ambient lighting was able to improve attraction, orientation and vehicle safety. However, the application of light inside this new space is until now primarily driven by vehicle designers and was less defined from vehicle occupant's point of view. In this context, evidence from human vision and neuroscience is necessary to develop understandings of in-vehicle lighting preferences and connections between the exterior and interior illumination since these relationships were less researched. Therefore, to close this research gap four systematical research studies were conducted investigating lighting in the context of vehicle-signaling and illumination by combining approaches of subjective psychophysical and objective neuroscientific study designs to create development guidelines and expert knowledge for modern human-centric vehicles. At first, in the context of signaling, behavioral dependencies were found in the fields of light color preferences, light-mood correlations and light-position preferences. There, ten investigated lighting colors were classified in three categories with a high ability either to polarize, to achieve a high level of acceptance or merge the preferences of study participants from China and Europe. Furthermore, only in the investigated European group, a strong color-attention association was established which was missing for the Chinese group. Second, in the context of white light illumination combined with psychological attributes, strong relationships between external driving scenes and in-vehicle lighting settings were discovered. By varying the surrounding between different time and location settings, characterized as darker, brighter, monotonous and interesting, and transforming presented 360° sRGB renderings into the CIE~CAM16 perceptional color space, three development guidelines were discovered. First, no lightness differences should exist between external and internal areas. Next, the level of chroma should be enhanced for darker interesting scenes by following the law of Hunt and the averaged hue angle of the inner vehicle scene and the outer vehicle scene should be equally perceived. Thus far, it can be concluded that a mixed ratio of cooler and warmer white tones connected with a mixed level of focused and spatial light distributions performed best compared to other lighting settings in several psychological dimensions rated as semantic differentials. However, a deeper understanding about this correlation was missing, which was investigated in the third and fourth study of this dissertation. Cortical activities were recorded by electroencephalography and fundamental cortical correlations between photoreceptor activities and contrast changes in hue angle, chroma and lightness were established including a cortical color space, significantly related to the CIE LMS color space, by classifying 20 cortical features with support vector machines and optimizing their correlations with genetic algorithms. Furthermore, relationships were created between strong positive and negative emotions with single cortical signal features based on strong emotional images. Finally, the identified cortical emotional space was extended with human eye gaze data to model preferences based on in-vehicle lighting variations. To conclude, a better understanding was discovered that vehicle internal and external lighting must be integrated with each other based on the guidelines and expert knowledge discovered in this thesis. Therefore, in a modern human-centric in-vehicle lighting system, lighting and sensing are strongly connected with each other to provide people with an increased level of perceptual quality. Interdisciplinary, a fundamental understanding was established to bridge classical color science with neuroaesthetics for the next level of visual perception.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

据联合国预测,到2050年世界城镇人口将高达68%,全球范围内将建立更多大型、特大型城市,各种空间被赋予更多功能的场景。越来越自动化的智能汽车也在这样的社会形态中发挥着更重要的作用。如果完全采用最新技术,自动驾驶汽车实施自动运输,人们在运输过程自由度提高,这意味着车辆内饰的重要性也更加重要了,汽车将成为新的第三生活空间。以往的研究针对驾驶应用以及车内照明与驾驶辅助系统结合,设定相应的光度参数。在非视觉照明领域,蓝白光在单调驾驶条件下改善了驾驶疲劳水平。经过心理评估,环境照明能够提高吸引力、方向感和车辆安全性。然而,光在车辆这一新空间的应用仍停留在由车辆设计师驱动的基础阶段,真正从乘客角度定义的灯光目前依然较少。此外,关于车内照明偏好以及外部和内部照明之间联系的神经科学基础研究较少。针对这一问题,我们结合主观心理物理学和客观神经科学研究设计的方法,对车辆信号和照明领域下的灯光进行了四项系统研究,以创建现代人因车辆照明设计指导方针与科学依据。第一项研究内容,基于信息传递背景,研究发现灯光偏好、灯光情绪相关性和灯光位置偏好具有文化依赖性。为获得较高水平的接受度、结合中国和欧洲的研究参与者的偏好,本项研究将被调查的照明颜色分为三类。此外,强烈的色彩注意联想现象只出现在欧洲组,而并未在中国组中发现。第二项研究内容,在白光照明与心理属性相结合的背景下,发现外部驾驶场景与车内照明设置之间具有强相关关系。通过改变时间和位置调整环境的明暗、单调抑或有趣,并将呈现的360°sRGB渲染图转换到CIE CAM16感知颜色空间中,研究得出了三个开发指南。首先,车内外不应存在亮度差异。其次,应通过遵循Hunt定律增强较暗有趣场景的色度水平,并且应平等看待车辆内部场景和外部场景的平均色调角。至此,我们发现,当冷白光和暖白光与空间光分布采用多水平交互设计形成的不同照明场景,可以在心理感知维度上产生极大的语义差异。然而,目前缺少这种物理场景与心理感知之间关系的深层次理解,因此,本论文第3个研究和第4个研究就该相关性进行了深入研究。通过脑电图(EEG)记录脑皮层模式的特征,利用支持向量机对20个脑皮层特征进行分类,并用遗传算法优化它们的相关性,建立了特定类型感光细胞、亮度、色度、色相角的对比度变化之间的基本皮层相关性,包括与CIE-LMS颜色空间显著相关的皮层颜色空间。此外,基于强情绪图像,在强烈的积极情绪和消极情绪之间建立了单一皮层信号特征关系。最后,利用眼动采集的注视数据将识别的皮层情感空间扩展到基于车载照明变化的偏好模型中。综上,基于本文研究得出的指导方针与科学依据,车辆内部照明与外部照明应进行集成设计。因此,现代人因车载照明系统应紧密结合照明和传感,从而提供更高水平的感知质量。本文采用跨学科的研究方式,建立经典色彩科学与神经美学之间的联系,为视觉感知领域下一阶段奠定研究基础。


Nach der Prognose der Vereinten Nationen leben 68% der Weltbevölkerung bis zum Jahr 2050 in Städten. Daher werden weltweit mehr Groß- und Megastädte entstehen, um die wachsende Bevölkerung aufzufangen. In diesem soziologischen Kontext spielt die aktuelle Transformation innerhalb der Auto-mobilindustrie vom manuellen zum vollautonomen Fahren mit Robocars eine große und wichtige Rolle. Mittels neuester Technologie wird das Autofahren dann zu einem Transportprozess basierend auf selbst fahrenden Fahrzeugen. Damit wächst die Bedeutung des Fahrzeuginnenraums zu einem neuen dritten Lebensraum. Studien wurden durchgeführt um fotometrische Grenzen für Fahranwendungen im Innenlichtbereich zu identifizieren. Weiterhin wurde Innenlicht mit Fahrassistenzsystemen kombiniert. Im Bereich der nicht-visuellen Wahrnehmung wurde kaltweißes Licht angewendet um die Müdigkeit beim Fahren zu reduzieren. Hier konnten nur leichte Erfolge erreicht werden bei sehr monotonen Fahrbedingungen. Weiterhin wurde ambientes Innenlicht psychologisch bewertet. Es konnte die Attraktivität, Orientierung und Fahrzeugsicherheit verbessert werden. Jedoch wurde bisher das Innenlicht im Kraftfahrzeug in erster Linie von ihrer Funktion und den Fahrzeugdesignern maßgeblich beeinflusst und weniger auf die Notwendigkeiten der Fahrzeuginsassen hin optimiert. Hinzu kommt, dass Verständnisse abgeleitet von neurowissenschaftlichen Grundlagen und der menschlichen visuellen Wahrnehmung um subjective Präferenzen im Bereich des Fahrzeuginnenlichtes abzubilden bisher fehlten. Auch wurden Verknüpfungen der Beleuchtung im Fahrzeug und der externen Umgebung bisher wenig erforscht. Um diese aufgezeigte Forschungslücke zu schließen, wurden vier systematische Forschungsstudien durchgeführt, die die Fahrzeuginnenbeleuchtung im Kontext der Signalisierung und Beleuchtung untersuchten. Hierbei wurden Methoden aus der subjektiven Psychophysik mit Methoden aus der objektiven Neurowissenschaft verknüpft angewendet um Entwicklungsrichtlinien und Expertenwissen für moderne Mensch- zentrierte Fahrzeuge zu formulieren. Zuerst wurde Licht im Zusammenhang als Signalgeber untersucht. Dabei wurden Abhängigkeiten im Bereich der Licht-Farbpräferenzen, emotionale Licht Korrelationen und Licht-Positions-Präferenzen ermittelt. Weiße Farben wurden in diesem Kontext zwischen Studienteilnehmern aus Europa und China weitestgehend akzeptiert. Im Bereich der sieben untersuchten chromatischen Farbtöne wurde eine Farbgruppe mit einer hohen Affinität gefunden, die polarisierend auf Studienteilnehmer wirkte. Global sehr bevorzugt wurden nur vereinzelte ausgewählte Farben. Weiterhin wurde eine starke Bindung zwischenLichtfarben und dem Gefühl der Aufmerksamkeit nur unter Studienteilnehmern aus Europa gefunden und nicht in der Gruppe aus China. Im zweiten Fahrkontext mit einer Weißlichtbeleuchtung im Fahrzeuginnenraum wurden starke Ab- hängigkeiten zwischen der externen Fahrszene und den Beleuchtungseinstellungen im Fahrzeug mittels psychologischen Attributen aufgezeigt. Dabei wurde die externe Fahrumgebung mit verschiedenen Zeit- und Ortseinstellungen variiert, die mit dunkel, hell, monoton und interessant charakterisiert wurden. Die fotorealistischen 360° sRGB Renderings wurden anschließend in den CIE CAM16 Wahrnehmungs- farbraum hin übertragen. Dabei wurden drei Entwicklungsrichtlinien erarbeitet. Erstens, es sollten keine Helligkeitsunterschiede zwischen dem Außen- und Innenbereichen entstehen. Zweitens, die externe Farbsättigung sollte für dunklere und interessante Außenszenen höher wahrgenommen werden, gemäß dem Hunt-Effekt. Drittens, der gemittelte Farbton der inneren Fahrzeugszene und der äußeren Fahrzeugszene sollte gleichermaßen wahrgenommen werden. Als erste Schlussfolgerung wurde festgehalten, dass nur Lichtmischungen aus kühleren und wärme- ren Weißtönen in Verbindung mit einer gemischten lokalen und diffusen Lichtverteilung alle anderen Lichteinstellungen übertrafen. Ausgewertet wurden dabei mehrere psychologische Dimensionen, die als semantische Differentiale beschrieben wurden. Es fehlte jedoch ein tieferes Verständnis über diesen Zusammenhang, der im dritten und vierten Studienabschnitt untersucht wurde. Dabei wurden kortikale Aktivitäten mittels Elektroenzephalografie aufgezeichnet und grundlegende kortikale Korrelationen zwischen einzelnen Fotorezeptoraktivitäten und Kontraständerungen im Farbwinkel, der Sättigung und der Helligkeit hergestellt. Weiterhin wurde ein kortikaler Farbraum definiert, der in Abhängigkeit zum CIE LMS Farbraum steht. Dabei wurden 20 kortikale Signalmerkmale mit Support Vektor Maschinen klassifiziert und ihre Korrelationen mit genetischen Algorithmen optimiert. Im Bereich der emotionalen Modellierung wurden diese kortikalen Signalmerkmale mit positiven und negativen Gefühlen, erzeugt durch starke emotionale Abbildungen, in Abhängigkeit gebracht. Abschließend wurde dieser neu be- schriebene kortikale Gefühlsraum mit Blickdaten des menschlichen Auges erweitert um die Lichtpräferenz basierend auf Variationen im Bereich der Fahrzeuginnenraumbeleuchtung in Relation zu setzten. Zusammenfassend: In dieser Systemuntersuchung wurde ein grundlegendes Expertenwissen erarbeitet, welches die interne Fahrzeugbeleuchtung mit der externen Beleuchtungssituation verknüpft um eine optimale Fahrzeuginnenraumbeleuchtung zu realisieren, die auf den Menschen hin ausgerichtet ist. Daher sollten in modernen Fahrzeugen das Licht und die Sensorik stärker miteinander verbunden werden, um den Fahrzeuginsassen ein höheres Maß an Wahrnehmungsqualität bieten zu können. Interdiszipli- när wurde ein grundlegendes Verständnis erarbeitet um die klassische Farbwissenschaft mit Bereichen der Neuroästhetik zu verknüpfen um die visuelle Wahrnehmung erweitert abzubilden damit ihre Modellierung zukünftig verbessert werden kann.

Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-264386
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: 21 Dec 2023 13:10
Last Modified: 22 Dec 2023 07:33
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26438
PPN: 514248688
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