Dissertacao Final [071] - fenix.tecnico.ulisboa.pt · 1 Acknowledgements I would like to thank...

90
Preside Orienta Vogal: D E nte: Prof dor: Prof Prof Highwa I Dissertaçã ngenhar fessor Dout fessor Dout fessor Dout ay hypno nfluence Acácio Ca o para ob ria Inform tor Mário Ru tor João Ma tor Tiago Ale Nove osis and i in driving arreira Po btenção do mática e Júri: ui Fonseca d anuel Brisso exandre Ab embro de ncar tel and safet orta Nova o grau de de Comp dos Santos on Lopes branches Te 2007 lematics y Mestre em putadore Gomes ixeira Lopes m es s Farias

Transcript of Dissertacao Final [071] - fenix.tecnico.ulisboa.pt · 1 Acknowledgements I would like to thank...

 

 

 

 

 

 

Preside

Orienta

Vogal:   

   

 

D

E

nte:  Prof

dor:  Prof

Prof

 

Highwa

I

Dissertaçã

ngenhar

fessor Dout

fessor Dout

fessor Dout

ay hypno

nfluence 

Acácio Ca

o para ob

ria Inform

tor Mário Ru

tor João Ma

tor Tiago Ale

Nove

osis and i

in driving 

 

 

arreira Po

 

 

btenção do

mática e 

 

 

Júri: 

ui Fonseca d

anuel Brisso

exandre Ab

embro de 

 

n‐car tel

and safet

orta Nova

o grau de 

de Comp

dos Santos 

on Lopes 

branches Te

2007

lematics 

Mestre em

putadore

Gomes 

ixeira Lopes

 

es 

s Farias 

 

Acknowledgements I would  like  to  thank  everyone who  helped me  accomplish  this work,  especially my  supervising 

professor  João  Brisson  Lopes,  for  embracing  the  idea  of  this work  from  the  very  beginning;  for 

guiding me  throughout  its evolution, clarifying my doubts  (some of  them philosophical),  reviewing 

every draft produced, supplying some of the material needed to build the simulator and motivating 

me towards the conclusion of this dissertation. 

I would also like to thank the accompanying professor João Madeiras Pereira for his assistance during 

all the work and his permission to use the laboratory on which the usability tests were conducted. 

Finally, a word of appreciation to my mother, Ana Maria, an endless source of inspiration, my father, 

Acácio, whose pragmatism and experience were extremely  important at some stages of the writing 

of  this  text, my  sister, my girlfriend and my  friends,  for being  there and helping me maintain my 

mental  sanity and  supporting me  through  this  time of my  life, and a  special  thank you  for all  the 

users who were willing to participate in the usability tests. 

Thank you all!  

   

Resumo Este trabalho está focado na usabilidade de interfaces de dispositivos no interior do automóvel e na 

sua influência no comportamento dos condutores quando na presença do efeito de monotonia e do 

fenómeno de highway hypnosis.  Já existem variados  trabalhos académicos: na área das  interfaces 

para  dispositivos  dos  automóveis,  com  estudos  de  usabilidade  e  discussões  sobre  as  novas 

abordagens  disponíveis  na  indústria  para  substituir  os  tradicionais  botões  e  alavancas,  como  os 

sistemas iDrive, COMAND e MMI; na área da monotonia durante a condução, com trabalhos que vão 

desde a dimensão  fisiológica até a trabalhos a propor novas regras na concepção de estradas para 

diminuir estes problemas. No seguimento do trabalho anterior, que procurou comparar os sistemas 

integrados  com  os  sistemas  ditos  “tradicionais”,  ainda  vulgares,  este  trabalho  introduz  os  dois 

tópicos num só estudo: a questão da monotonia na condução e a highway hypnosis e a influência das 

interfaces  dos  sistemas  de  conforto  neste  tópico  da  segurança  rodoviária. O  estudo  consiste  em 

testes  de  usabilidade  com  simulador  em  que  os  condutores  descrevem  um  percurso monótono 

tendo de desempenhar tarefas com os sistemas de conforto em determinados sítios estando atento 

a mudanças subtis no ambiente envolvente. As conclusões apontam para uma tendência de quebra 

no  efeito  de  monotonia  aquando  do  uso  dos  sistemas  de  conforto,  em  especial  no  caso  das 

interfaces  integradas, apesar de  se manterem as  conclusões  relativamente à maior dificuldade no 

manuseamento deste tipo de interfaces. 

Palavras­chave:   simulador  de  condução,  segurança  rodoviária,  interfaces  pessoa‐máquina, 

highway hypnosis, monotonia. 

Abstract This work focuses on the usability of interfaces controlling in‐vehicle functions and devices and their 

influence in driving behavior when under monotony in driving and highway hypnosis. Much academic 

research has been published  in  the area of  in‐vehicle  functions  interfaces,  for systems such as  the 

iDrive, COMAND and MMI, with usability studies and discussions on the new integrated approaches 

provided  by  the  industry  to  replace  the  traditional  knobs  and  switches;  in  the  area  of monotony 

while driving, works assessing from the physiological dimension to changes in road conception rules 

to counter such problems.  Following previous work, aimed at comparing the integrated systems with 

the “traditional” ones, still widespread, this work introduces both topics into one study:  the issue of 

monotony  in driving and highway hypnosis and  the  influence of  the comfort  systems  interfaces  in 

this  road  safety  subject.  The  study  conducted  usability  tests  with  a  simulator  where  drivers  go 

through a monotonous  course and  in given places perform  tasks using  the  comfort  systems while 

constantly being aware of  subtle  changes  to  the  surrounding environment. Conclusions point at a 

tendency  to  break  the  monotony  effect  when  using  comfort  systems,  especially  in  the  case  of 

integrated  interfaces, although the conclusions regarding the greater difficulty  in handling this type 

of interface are still pertinent.  

Keywords:  driving  simulator,  road  safety,  human‐machine  interfaces,  highway  hypnosis, 

monotony.   

Index List of tables and figures ......................................................................................................................... 6 

List of abbreviations ................................................................................................................................ 8 

1.  Introduction ..................................................................................................................................... 9 

1.1.  Motivation ............................................................................................................................. 10 

1.2.  Goals ...................................................................................................................................... 10 

1.3.  Document structure .............................................................................................................. 11 

2.  Monotony and distraction ............................................................................................................. 12 

2.1.  Why monotony? .................................................................................................................... 12 

2.2.  Monotony and predictability ................................................................................................. 12 

2.3.  Vigilance and fatigue ............................................................................................................. 13 

2.4.  Monotony and habituation ................................................................................................... 14 

2.5.  Highway hypnosis .................................................................................................................. 15 

2.6.  Research aims – distraction & monotony ............................................................................. 16 

3.  Interface Usability ......................................................................................................................... 18 

3.1.  Usability of in‐car telematics and interfaces ......................................................................... 18 

3.1.1.  The need for vision in using comfort systems ............................................................... 18 

3.1.2.  Haptic switches, voice control, not‐solely‐visual control and feedback ....................... 19 

3.2.  Comparative study between some production systems ....................................................... 21 

3.3.  User categorization in this work ............................................................................................ 22 

4.  Comfort systems interfaces ........................................................................................................... 24 

4.1.  Basic concepts ....................................................................................................................... 24 

4.2.  Comfort functions and in‐car telematics ............................................................................... 25 

4.3.  Traditional interfaces for comfort systems ........................................................................... 26 

4.4.  Integrated solutions used by the car industry ...................................................................... 26 

4.4.1.  iDrive ............................................................................................................................. 26 

4.4.2.  COMAND ....................................................................................................................... 27 

4.4.3.  MMI ............................................................................................................................... 29 

4.4.4.  Other systems ................................................................................................................ 30 

4.4.5.  Add‐on equipments ....................................................................................................... 31 

4.5.  Concluding remarks ............................................................................................................... 32 

5.  Simulators for usability testing ...................................................................................................... 33 

5.1.  Simulator development and usage in the study of road safety issues .................................. 33 

5.1.1.  Simulators with actual car bodies and 360º field‐of‐view ............................................ 35 

5.1.2.  Simulators with audio and haptic feedback .................................................................. 36 

5.1.3.  Simulator using advanced physics (to handle simulator sickness) ................................ 37 

5.1.4.  Simulators that monitor physiological data .................................................................. 37 

5.1.5.  Simulation software ...................................................................................................... 38 

5.1.6.  The simulator used in the present work ....................................................................... 38 

5.1.7.  Partial driving simulators ............................................................................................... 39 

6.  Experiment Setup & Protocol ........................................................................................................ 41 

6.1.  Setup ...................................................................................................................................... 41 

6.1.1.  Course characteristics ................................................................................................... 41 

6.1.2.  New scenario elements ................................................................................................. 43 

6.1.3.  Adjustments to vehicle behavior and validation procedure ......................................... 43 

6.2.  Protocol ................................................................................................................................. 44 

6.2.1.  Participants .................................................................................................................... 44 

6.2.2.  Roles .............................................................................................................................. 44 

6.2.3.  Procedure ...................................................................................................................... 45 

6.2.4.  Tasks using the comfort systems ................................................................................... 46 

6.2.5.  Performance metrics ..................................................................................................... 46 

7.  Results and analysis ....................................................................................................................... 49 

7.1.  Sample population ................................................................................................................ 49 

7.2.  Log data ................................................................................................................................. 50 

7.3.  State of monotony ................................................................................................................. 50 

7.3.1.  Speed monotony ........................................................................................................... 52 

7.3.2.  Side deviation monotony .............................................................................................. 54 

7.4.  Behavior while in monotony ................................................................................................. 56 

7.4.1.  Mean and minimum speed ........................................................................................... 57 

7.4.2.  Attention flaws .............................................................................................................. 58 

7.4.3.  Task errors ..................................................................................................................... 61 

8.  Conclusions .................................................................................................................................... 63 

8.1.  Possible future improvements .............................................................................................. 64 

Bibliography ........................................................................................................................................... 66 

Glossary ................................................................................................................................................. 70 

Annex A.  Changes to the simulator .................................................................................................. 71 

A.1.  Introduction ........................................................................................................................... 71 

A.1.1.  Platform ......................................................................................................................... 71 

A.1.2.  Architecture ................................................................................................................... 72 

A.2.  Changes to scenario definitions ............................................................................................ 73 

A.2.1.  Assumptions made on the scenario .............................................................................. 73 

A.2.2.  Road stretches ............................................................................................................... 73 

A.2.3.  Road curves ................................................................................................................... 75 

A.2.4.  Billboards ....................................................................................................................... 76 

A.2.5.  Texture pre‐loading ....................................................................................................... 77 

A.2.6.  Transparency modes ..................................................................................................... 78 

A.3.  New logging behavior ............................................................................................................ 78 

A.3.1.  Log definitions ............................................................................................................... 78 

A.3.2.  Log stretches ................................................................................................................. 79 

A.4.  Other minor changes ............................................................................................................. 80 

A.4.1.  Changes to vehicle behavior ......................................................................................... 80 

A.4.2.  Changing the comfort systems interface during the simulation ................................... 80 

A.4.3.  New course .................................................................................................................... 80 

A.4.4.  Minor bugs .................................................................................................................... 80 

A.5.  Acknowledgements ............................................................................................................... 81 

Annex B.  User’s Manual .................................................................................................................... 82 

B.1.  Material ................................................................................................................................. 82 

B.1.1.  Device installation ......................................................................................................... 83 

B.2.  Running the simulator ........................................................................................................... 83 

B.2.1.  Driving the vehicle ......................................................................................................... 83 

B.2.2.  Comfort systems – traditional interface ....................................................................... 84 

B.2.3.  Comfort systems – integrated interface ....................................................................... 84 

Annex C.  Quiz for the usability tests ................................................................................................. 86 

Annex D.  Examiner form ................................................................................................................... 88 

 

List of tables and figures Figure 4.1. Examples of interfaces for comfort systems: traditional (left) and integrated (right). ....................... 24 

Figure 4.2. Overview of the iDrive system on a BMW 7 series (left) and two versions of the Controller: the original one, available on the 7 series (right‐above) and the one available on the current 5 series (right‐below). .............................................................................................................................................................................. 27 

Figure 4.3. Overview of the COMAND system (2007); notice the similarity with the iDrive Controller (right). ... 28 

Figure 4.4. Picture of a COMAND Console using the navigation application (left). Photo of a console including the COMAND Console and the climate control console below (right). ................................................................ 28 

Figure 4.5. Overview of the MMI on an Audi A6 (left) and detailed view of the A8 controller interface (right). . 29 

Figure 4.6. Detail on the Jaguar Touchscreen interface: early S‐Type (left) and current XJ (right). ..................... 30 

Figure 4.7. Overview of the Porsche Communication Management (available in the 2007 Cayenne model). .... 31 

Figure 4.8. Example of a post‐mounted GPS system (left) and a car DVD‐Video player (right)............................ 31 

Figure 5.1. Outside view (left) and car body detail (right) of the Wrap‐around Simulator (WAS). ....................... 35 

Figure 5.2. Arriva Simulator, one of the possible configurations for the Cranfield University’s Driving Simulator. .............................................................................................................................................................................. 36 

Figure 5.3. Outside view (left) and usage demonstrations (right) of the UCF Driving Simulator, using an automobile car body. ............................................................................................................................................ 37 

Figure 5.4. Outside (left) and inside view (right, using a jeep body) of the NADS simulator. ............................... 38 

Figure 5.5. Simulator setup (left) and example view (right) of the simulator used on the previous work. .......... 39 

Figure 6.1. The simulator (left); example screen using the traditional (middle) and integrated (right) interfaces. .............................................................................................................................................................................. 41 

Figure 7.1. Charts illustrating the distribution of the sample population by gender and age groups. ................. 49 

Figure 7.2. Charts plotting speed and accelerator pedal pressure (A, right column) and side deviation and steering wheel position (B, left column) for each of the 3 monotony control stretches (each row). .................. 51 

Figure 7.3. Chart showing valid (A, B and C, green) and invalid (D, E, F and G, red) “speed monotony” periods. 52 

Table 7.1. Average number of “speed monotony” periods by age group and by stretch. ................................... 53 

Figure 7.4. Chart depicting the number of users having “speed monotony” period in terms of stretches. ......... 54 

Figure 7.5. Chart showing 2 valid (A and B) “side deviation monotony” periods. ................................................ 55 

Table 7.2. Average number of “side deviation monotony” periods by age group and by stretch. ....................... 55 

Figure 7.6. Chart depicting the number of users having “side deviation monotony” period in terms of stretches. .............................................................................................................................................................................. 56 

Figure 7.7. Mean speed in stretches in terms of age group. ................................................................................ 57 

Figure 7.8. Minimum speed in stretches in terms of age group. .......................................................................... 57 

Figure 7.9. Charts comparing the number of users performing better in each combination of situations. ......... 59 

Figure 7.10. Comparing the number of users performing better in each combination of situations by age group. .............................................................................................................................................................................. 59 

Figure 7.11. Users’ perceived attention to the course. ......................................................................................... 61 

Figure 7.12. Charts depicting the number of users in terms of tasks with error and age groups. ........................ 61 

 Figure A.1. UML instalation diagram for the simulator. ....................................................................................... 72 

Figure A.2. Simplified state diagram for the simulator. ........................................................................................ 72 

Figure A.3. Example placement of 2 road stretches according to the specified format. The black lines along the road stretches represent the shoulders and the arrows the direction span of the stretches. ............................. 74 

Figure A.4. XML source code corresponding to the scheme in figure A.3. ........................................................... 74 

Figure A.5. Example placement of 2 road curves according to the specified format. The black lines along the road stretches represent the shoulders and the arrows the direction span of the curves. ................................. 75 

Figure A.6. XML source code corresponding to the scheme in figure A.5. ........................................................... 75 

Figure A.7. XML sample code of a billboard declaration group. ........................................................................... 76 

Figure A.8. XML sample code of a texture pre‐loading declaration group. .......................................................... 77 

Figure A.9. Sample XML source code in a logDefs.xml file. ........................................................................... 78 

Figure A.10. Graphic scheme of the stretch defined in figure A.9. Whatever path is described by the vehicle (in purple), logging will begin when it enters the red circle and end when it enters the green circle. ..................... 79 

Figure B.1. Screen sequence for activating the centering spring (from top to bottom). ...................................... 82 

Figure B.2. Integrated interface controls. ............................................................................................................. 84 

Figure B.3. Two example screen for the integrated interface: the top level menu of the climate control (left) and the volume control menu for the sound system (right). ....................................................................................... 85 

 

 

List of abbreviations ABS  Anti‐lock Braking System API  Application Programming Interface ASR  Automatic Speech Recognition CATSS  Center for Advanced Transportation Systems Simulation  CD  Compact Disk COMAND  Cockpit Management and Navigation Display DSL  Driving Simulator Laboratory DVD  Digital Versatile Disk DWAM  Driving Without Attention Mode ESP  Electronic Stability Program / Electronic Skid Prevention ETC  Electronic Throttle Control GPS  Global Positioning System LCD  Liquid Crystal Display MMI  MultiMedia Controller NADS  National Advanced Driving Simulator NHTSA  National Highway Traffic Safety Administration PCM   Porsche Communication Management UCF  University of Central Florida V2C  Voice to Control VTI  Väg‐och TransportforskningsInstitut (Swedish institute) WAS  Wrap‐Around Simulator WIMP  Windows, Icon, Menu, Pointing device WIMP  Windows, Icons, Menus and Pointer WIVM  Würzburger Institut für Verkehrswissenschaften 

1. Introduction Road safety is a major issue these days. Each day thousands of new cars enter the streets worldwide 

and the need for them to interact safely is a major concern for governments, car manufacturers and 

the society as a whole. 

Nowadays, most automobiles are equipped with systems that  largely exceed those required for the 

task of driving. The increasing number of in‐car telematics forces drivers to focus their attention and 

cognitive  skills  on more  instruments  and  devices  than  before.  This might  result  in  an  awkward 

situation: the  introduction of new devices for  increasing comfort and safety may  lead to failures  in 

driving because the driver’s cognitive skills do not improve, and he or she is unable to cope with the 

increased complexity of the available instruments and devices. 

Highway hypnosis can be described as a “tendency of the automobile driver to become drowsy and 

to fall asleep during monotonous, uneventful highway driving” (Wertheim, see [TB03]). In such state, 

the  driver’s  cognitive  skills  are  diminished  and  he  or  she might  get  unaware  of  the  driving  task, 

compromising safety and increasing the risk of a traffic accident. 

The  combination  of  over‐demanding  comfort  systems  requiring  excessive  cognitive  load  and 

monotonous road environments  leading to conditions such as highway hypnosis can result  in major 

hazards  for  road  safety. This work  tries  to analyze  the  issue by using usability methodologies and 

concepts and applying them to interfaces for in‐car telematics. 

It is important to distinguish between the two types of devices available in automobiles and the two 

main types of interfaces for these systems. When considering types of devices, according to Burnett 

and Porter in [BP01], we can divide available devices in vehicles into two categories: driving assisting 

devices, which directly affect the driving task (steering wheel, pedals …) and comfort devices, which 

aim at  improving  the driving experience  (radio, climate control …). On  the other hand, considering 

the types of interfaces for controlling these devices, according to Porta Nova in [Por06], we can split 

them in traditional interfaces, which exhibit most of the commands in the central dashboard console, 

in separated switches, handles and knobs, and integrated interfaces, consisting of a single input and 

output  device  (typically  a  rotary  switch  /  buttons  and  a  LCD  screen)  that  control more  than  one 

device (typically all of them) simultaneously. This work addresses about the usability of the two types 

of interfaces relating to the use of comfort devices. 

10 

1.1. Motivation There has been a lot of research work related to road safety and distraction originating from both the 

surrounding environment and the  inside of the vehicle. The  increase of  in‐vehicle devices has taken 

up as much “dashboard real estate” [GC99] as attention from the driver, trying to achieve the best 

compromise between driving safely and properly operating the available devices which constitute a 

great part of the driving experience. Research on the way that cognitive load on the driver increases 

has been studied in works such as [Por06] and [Horb06]. They emphasize that an overwhelming and 

over‐demanding  road environment  tends  to decrease driving performance and  safety  if  combined 

with the use of accessory devices (such as the vehicle’s comfort functions). 

Research  on  driving  monotony  and  fatigue  has  also  been  a  major  subject  for  road  sciences 

publications. The consensus nowadays  is that under‐demanding road environments are responsible 

for  drowsiness,  sleepiness  and  phenomena  like  highway  hypnosis  and  DWAM  –  Driving Without 

Attention Mode – and studies  like  [Hawo98]  recommend countermeasures concerning educational 

programs, pavement treatments and regulatory demands to lower safety risks, especially concerning 

professional drivers. To the regular driver, monotonous road environments cause the same effects, 

and  can  lead  to  the  same  safety  hazards.  However,  one  new  variable  comes  into  play:  comfort 

functions. 

Among  the  recently  available  comfort  functions  in  production  vehicles, many  aim  at  entertaining 

passengers  and  assisting  drivers  –  especially  in  long  trips  through  unknown  places  (GPS  systems, 

video entertainment, etc.). This  increase  in the number of comfort functions has  lead to  integrated 

interfaces for comfort systems, which although aiming at improving usability, may not be performing 

that well [Por06]. This introduces the problem of comfort systems usage interfering with the driving 

task  in  monotonous  environments.  Taking  into  account  the  different  nature  of  the  interaction 

between  driver  and  road,  the  same  issues  concerning  the  differences  between  traditional  and 

integrated  comfort  function  interfaces  emerge.  Is  one  approach  better  than  the  other?  Is  the 

interaction with comfort systems having an effect on the monotonous state of the driver? The work 

described in this document attempts to approach this subject with a comparative simulator study. 

1.2. Goals Given the previous section, this work aims at adapting a simulator developed in [Por06] and using it 

to  study  the  influence of  a monotonous  road  environment  in  the driving  task, while  the driver  is 

operating the comfort systems available, using both types of interfaces for these systems. This study 

recreates a monotonous driving task in a simulator to allow comparing drivers’ behavior when simply 

driving and using the comfort systems to perform given tasks, while still driving safely, and determine 

11 

the  influence  of  such  tasks  in  drivers’  behavior.  The  study  also  aims  at  determining  if  there  are 

significant  differences  between  drivers’  behavior  when  using  either  of  the  comfort  systems 

interfaces, in order to determine the influence that the use of each interface has in driving. 

1.3. Document structure This document is a master’s thesis. It starts with a brief introduction to the subject, presenting some 

fundamental  concepts  and  briefly  describing  the  context,  in  the  Introduction.  Monotony  and 

distraction presents  the  ideas behind  the work,  relating  these concepts  to automobile driving and 

formulating  the problem.  Interface usability discusses  the usability of car  interfaces, especially  for 

comfort  systems,  refers  to  some projects  in  the  same  area  and  recalls user  categorization  in  the 

context of an  interface usability study. The following chapter, Comfort systems  interfaces, presents 

some  of  the  systems  in  use  by  the  automobile  industry,  as well  as  some  considerations  on  the 

subject of traditional and integrated interfaces for comfort systems. A survey of simulators and their 

uses for testing interfaces usability is presented in Simulators for usability testing, where simulators 

are divided  into categories and the concept of partial simulators for usability testing  is  introduced. 

The next  chapter  Experiment  Setup &  Protocol describes  the  experiment  conducted  in  this work, 

detailing  the procedure,  the equipment and  the data collected, which are analyzed  in  the chapter 

Results  and  Analysis.  Finally,  Conclusions  summarizes  the main  results  that  were  obtained  and 

suggests some possible follow‐ups. 

12 

2. Monotony and distraction 2.1. Why monotony? In order to introduce the role that monotony has in the development of this work, a reference must 

be made to the previous work. [Por06] reports a comparative study for analyzing the influence that 

traditional and  integrated  interfaces might have  in driving performance. The method was  to have 

users driving  in  the designed simulator, while performing a series of  tasks  involving  the use of  the 

comfort systems  interfaces, making  it possible to observe the  impact of the courses’ differences on 

the  drivers’  performance,  namely  driving  errors  (e.g.,  leaving  the  correct  lane)  or  inability  to 

accomplish  the desired  task. Besides using  several different persons  for  statistical  significance,  the 

study  took  two  main  variables  into  account:  the  type  of  interface  in  use  (either  traditional  or 

integrated) and the nature of the course in which the user was driving (either fast or sinuous). Thus, 

each user had to drive a total of 4 times, two courses using both interfaces, one at a time. Although 

both  courses  took place  in  the  same  set  (an urban  scenery,  simulating a  small  town)  the  courses, 

named respectively rápido (fast) and sinuoso (sinuous) had distinct features. The first course literally 

went around the whole scenario, made up mostly of long stretches of straight road with sharp curves 

which were  visible  in  the  distance.  The  second  course,  on  the  other  hand, was  composed  of  a 

succession  of  sharp  turns  in  a  constant  zigzag  throughout  the whole  scenario  (hence  its  name), 

aiming at keeping high concentration demands on the driver and observing  if the difference  in  the 

courses was reflected in the driving performance, namely driving errors (e.g. leaving the correct lane) 

or inability to carry out the designated task. Although the courses were significantly different – which 

was  observed  on  the  users’  performance  –  some  users  noticed  that  the  fast  course  lacked 

“monotony”  and was  even  too  “predictable”, making  them  simply  just  two  versions  of  the  same 

course with different degrees of difficulty. This meant drivers would just go through the course faster 

in the fast course and slower in the sinuous course, but they always knew what they could count on – 

if they saw a long straight street, they knew they could just leave the car on “auto‐pilot” and use the 

comfort systems carelessly. Evidently, they were simply 2 versions of an urban course. 

2.2. Monotony and predictability Before discussing why  “monotony”  and  “predictability”  are  so  important,  it  is necessary  to  clarify 

these two concepts. Starting with  the  latter, “predictability” relates to determinism, to events that 

are bound to happen and it is known that they are bound to happen. Predictability implies some sort 

of knowledge about what  the  future holds, an understanding of  the  rules and events  that happen 

and,  above  all,  an  understanding  of  the  way  to  handle  things  when  they  happen.  Predictability 

13 

seldom comes associated with real world driving. In a typical automobile trip, we can expect a great 

deal of random events to occur: pedestrians may, or may not, be waiting on the next zebra (or they 

may simply decide to cross the street without looking), other vehicles may come out of side streets, 

or unexpected  traffic  jams may occur at unusual hours. All of  these elements are part of  the  road 

driving experience and they should come as no surprise to any driver. We can say that the real world 

driving  environment  is  “unpredictable”  because,  as  said  earlier,  something we  didn’t  expect may 

come up at any time. 

But  even  considering  real world  driving  is  unpredictable we  can make  a  distinction  between  two 

major driving environments: urban areas and countryside roads. In both environments, unexpected 

situations may show up, making them equally unpredictable, but there is a major difference between 

them: the frequency at which unexpected events do happen, and the frequency at which the drivers 

expect anything unpredicted to happen. The road environment itself sets the scenery: in urban areas, 

there are zebras, sidewalks, buildings, people all around, parked cars, side streets, lower speed limits. 

All  of  these  elements  contribute  to  keep  the  driver  concentrated  on  the  road  in  an  attempt  to 

prevent accidents, because  the driver  is always  counting on  something  to happen.  In  contrast, on 

countryside roads, there are few distracting elements, usually the pavement is smoother, the curves 

are  gradual,  the  speed  limit  is higher  (although usually not  as high  as drivers would desire!),  any 

unexpected obstacles, like sharp elbows and crossroads, are signaled in advance and the driver tends 

to  assume  that  no  unexpected  events will  happen.  This  kind  of  road  environment  can  be  called 

“monotonous”, in the sense that is eventless (the driver only has to keep the car on the correct lane 

and maintain a constant speed) and the driver tends to expect it to be eventless. We shall therefore 

consider the driving environment  in countryside road “monotonous”,  in opposition to urban areas, 

where boredom is certainly not a feature. 

2.3. Vigilance and fatigue It  is common  to associate monotony problems  related  to driving and  road  safety  to  tiredness and 

sleepiness caused to the driver. Driver fatigue is frequently associated with sleepiness only [Stee04], 

but other aspects  like  the monotony of  the  task must also be  taken  into account. Several  studies 

made by  the  road  safety  scientific  community  associate diminished driving performance  to driver 

monotony while driving an automobile [Stee04]. However, because monotony is a complex condition 

with  implications  in  the  nature  of  the monotonous  task  and  the  physiological  and  psychological 

(boredom) dimensions of the person,  it  is very complicated to separate clearly between monotony 

and other similar related factors (such as drowsiness and fatigue). In spite of that, it has already been 

shown  in  the past  that performing a monotonous  task causes a drop of vigilance over a period of 

14 

time [TB03]. If the driving task becomes monotonous, it can be expected that the attention that the 

driver devotes to the road and to the driving task drops over a period of time. 

Different  definitions  of  concepts  concerning  monotony  are  often  used  in  a  way  that  causes 

confusion, because of the similar meanings given to them. For the sake of comprehensibility, some 

terms and concepts will be explained  first. This distinction  is based on  the works of Lyznicki et al, 

Pribram and McGuiness and others – for specific references, see [TB03]. There are two perspectives 

in vigilance: one is related to the physiological processes, considering wakefulness; other is related to 

the psychological behavior of the driver, considering sustained attention. Tiredness generally impacts 

on  both  these  perspectives  simultaneously.  Fatigue  is  a  general  term  that  reflects  a  decreased 

capacity  to  perform,  a  state  that  alters  vigilance  and  alertness,  diminishing  the  driver’s  ability  to 

perform tasks like driving. Vigilance, on the other hand, is the ability to maintain sustained attention 

to a task being performed within a particular road environment. 

Both vigilance and fatigue change with the road characteristics (like geometry, pavement condition 

and  surrounding  environment),  and  that  change  can  have  an  impact  on  driving  performance, 

affecting  alertness,  driver  arousal  and  his  ability  to  process  information.  A  road  that  is  under‐

demanding,  eventless  and  has  little  or  no  traffic  can  cause  a  drop  in  the  drivers’  attention.  This 

phenomenon can increase with such factors like night driving and the resulting drop in environment 

visibility,  and  can  be  attenuated  in  roads with  a  dense  surrounding  environment, more  cars  and 

higher  traffic  (like  urban  stretches  of  motorways).  This  implies  that  both  the  driving  task 

characteristics and the surrounding environment are essential when assessing the driver’s attention 

levels.  Nelson  [Nels97] mentions  that  the  lack  of  stimulation while  driving  is  a  relevant  issue  in 

fatigue‐related  accidents,  emphasizing  that  “it  [fatigue]  is no  longer  regarded  solely  as  something 

within  the  brain  (…)  it  depends  of what  you  are, what  you  are  doing  and where  you  are  doing” 

([Nels97], see [TB03]). This leads one to consider the idea of task‐induced fatigue, and the concept of 

monotony associated with the driving task. 

2.4. Monotony and habituation Monotony in a task can be presented taking into account the nature of the task and the situation as a 

whole. McBain,  in  [McBa70]  (see  [TB03]) considers a situation to be monotonous when the stimuli 

remain unchanged or change in a predictable way over a given period of time. O’Hanlon in [OHan80] 

(see  [TB03])  refers  to monotony  as  a  situation  where  sensory  stimulation  is  constant  or  highly 

repetitive.  In  [Wert91], Wertheim points out  that both monotony and predictability have  a major 

impact on driving performance. Cabon associates monotony to two components: task monotony and 

the person’s  internal state of monotony ([Cabo92], see [TB03]), the first referring to simple actions 

15 

taking place  in a  repetitive manner over  long periods of  time and  the  latter  referring  to  the  inner 

changes that these repetitive tasks produce on the person performing the tasks. These psychological 

changes consist mainly of a feeling of boredom and drowsiness [TB03] and, together with a  loss of 

interest  in performing  the  task at hand,  it  can affect  the driver’s ability  to process  information by 

altering his vigilance.  

Driving  in a monotonous environment can be viewed as a vigilance  task  (O’Hanlon and Kelly 1997, 

see  [TB03]).  Others  have  associated  it  to  sleepiness  and  sustained  attention  –  “the  ability  of 

maintaining  visual  vigilance  and  reacting  quickly  decreases  with  increased  levels  of  sleepiness” 

[TB03]. It could be also viewed under arousal theory considerations, considering performance to be 

poor when arousal is either weak or very strong (Davies and Parasuraman 1982, see [TB03]. 

However,  driving  in  a  monotonous  environment  can  be  viewed  from  another  angle  –  taking 

habituation  theory  into account. On  the  light of  this  theory, vigilance and alertness can be altered 

because of habituation –  the  central nervous  system  tends  to habituate  its  reactions  to  repetitive 

stimulation, leading to a progressive decline in detection rate over time during vigilance tasks. 

2.5. Highway hypnosis The concept of highway hypnosis  is used  to define a condition occurring  in drivers  in monotonous 

highway  driving.  This  term  was  used  by  Shor  and  Thackray  in  [ST70],  being  described  as  “the 

tendency  of  the  automobile  driver  to  become  drowsy  and  to  fall  asleep  during  monotonous, 

uneventful  highway  driving”.  Remembering  habituation  theory,  this  can  be  associated  with 

habituation to repetitive null stimulation,  leading to a drop  in detection rates and eventually to an 

inattentive state which could severely influence the task of driving. 

Two competing theories are suggested to better explain the concept of highway hypnosis. Wertheim 

proposes  a  hypothesis  based  on  the  idea  of  controlled  versus  automatic  attention  [Wert91]. 

Controlled attention  is associated with perception, sensorial feedback, while automatic attention  is 

based on a automatic  internal process where  feedback  is no  longer essential.   What  this means  is 

that  in roads where the driving task  is too easy and too predictable, the driver will enter “autopilot 

mode”,  restricting  the  search  for external  feedback,  leading drivers  to  fail detecting and acting on 

slowly developing errors (such as steering bias/tendency to approach the shoulders and changes  in 

the  speed  of  surrounding  vehicles  or  the  own  vehicle  itself).  Kerr’s  theory  proposes  a  different 

concept, DWAM [Kerr91] – Driving Without Attention Mode – which  is similar to highway hypnosis. 

DWAM often occurs in situations where drivers have difficulty in remembering details occurring over 

long driving periods. According to this theory, under monotonous road conditions, in the absence of 

external  stimuli, drivers  shift  from external  to  internal  stimuli, becoming  less  conscious of what  is 

16 

happening on the road and driving according to an internal model of what he or she considers to be 

the driving task at hand, taking into consideration not what the environment presents, but what he 

or she expects it to present. 

2.6. Research aims – distraction & monotony In  this  chapter  distraction  is mentioned  as  a  factor  that  can  compromise  road  safety. Distraction 

while driving often  comes  associated with environment  complexity, driver  age  and  concurrent  in‐

vehicle tasks. In fact, those were the bases for the previous work of the author [Por06]:  it aimed at 

observing  the  effect  of  concurrent  comfort  systems  usage  while  driving  under‐demanding  road 

conditions and reaching conclusions about how distracted a driver got from the main task – driving – 

while  operating  the  different  types  of  comfort  systems.  Other  authors  have  made  similar 

investigations,  like  Horberry  in  [Horb06]  who  aimed  at  studying  the  effect  of  two  sources  of 

distraction  in driving performance:  in‐vehicle distraction  (using  comfort  systems,  cell‐phones, etc.) 

and environment distraction (the existence of roadside advertisements, increased traffic flow, etc.).  

However, the subject of in‐car telematics and derived distraction usually comes associated with over‐

demanding driving environments.  In  this work, we  try  to  look at  the problem  through  a different 

angle:  the  distracting  influence  of  comfort  systems  interfaces  usage  in  under‐demanding  road 

environments. It is already known that using comfort systems, in certain conditions, may become the 

controlled task, rather than the automatic one [BGI03], but, on the other hand, because it demands 

an excessive mental workload, it may get the user distracted [Ozk05]. As we discussed previously, we 

have been able to see that driving in a monotonous, uneventful road can lead the driver into highway 

hypnosis state or DWAM [Wert91], causing him or her to drive according to a mental representation 

of what he or she expects the road to be. 

In a situation where one  is driving  in a monotonous road,  for a  long period of time, and at certain 

points in the course he decides to manipulate the comfort systems in some way, how will it affect his 

driving  performance? Will  he  or  she  be  paying more  attention  to  the  driving  task  because  the 

stimulus of manipulating the comfort system acted on him by putting him back into attentive driving 

mode? Or, on the other hand, will he completely forget that he is actually performing a driving task 

and  simply  ignore  the driving  task as a whole, concentrating all of his cognitive  skills on using  the 

comfort systems interface? 

This was an option  that we were unable  to explore  in  [Por06], because even  though we had  two 

different  driving  courses,  none  of  them  could  be  considered  either  “monotonous”  or 

“unpredictable”. At best, in a long straight in the fast course, one could assume there was plenty of 

time  to  perform  any  desired  task  using  the  comfort  systems. Or,  in  absence  of  a  task,  he  could 

17 

accelerate and drive through the stretch faster. In the sinuous course, the driver simply knew he had 

to be extra careful, because a new elbow turn could appear sooner than expected. 

In this work, a comparative study was conducted, introducing monotony as the main characteristic of 

the  course. As  before,  the  influence  that  the  usage  of  comfort  systems  interfaces  has  on  driving 

performance  continued  to  be  investigated.  This  implied  the  need  to  expand  the  simulator  to 

adequately support the new function, with the introduction of a new behavior for the vehicle, more 

tolerant  to mistakes  and  enabling  a more  subtle  performance.  It  also  required  the  creation  of  a 

monotonous  course  with  unpredictable  events  occurrence  and  environment  characteristics 

demanding some degree of attention, as well as adapting the simulator to record the data for further 

analysis. 

18 

3. Interface Usability The variety of interfaces for comfort systems (as well as the wave of integrated interfaces itself) did 

not come out by accident. Even before they were actually available on the market, investigators have 

been concerned about the usability of comfort systems while driving, eventually leading to the new 

breakthroughs  in  technology  available  today  (and  in  days  to  come).  The  following  sections  will 

discuss interface usability and particularly comfort systems interfaces usability, introducing problems 

brought up by the scientific community and solutions already in place in production systems, as well 

as  discussing ways  to  evaluate  interface  usability,  namely  by  using  simulators  to  recreate  driving 

tasks and environments. 

3.1. Usability of in­car telematics and interfaces Different  research  projects  aimed  at  proposing  new  solutions  for managing  control  of  in‐vehicle 

comfort systems and in‐car telematics. They measured pros and cons of several ideas, some of them 

produced mixed  feelings  about  the  feasibility  and  usefulness  of  such  solutions.  Research  focused 

mainly  on  the  trend  for  screen  and menu  navigation  systems,  the  use  of  haptic  feedback  in  the 

switches, knobs and dials used for control and alternative non‐visual control solutions, namely voice 

control. 

3.1.1. The need for vision in using comfort systems 

As can be seen  from the next chapter, most of the solutions  for  integrated control of the vehicles’ 

comfort functions rely on both vision and touch;  in this, they are no  improvement relatively to the 

traditional interfaces found on older cars. Recent versions of all these systems add voice as another 

input and output method  (at  least  for  limited  functionality) and other manufacturers  include voice 

recognition  in  not‐so‐integrated  interfaces  –  in  fact, manufacturers  start  to  offer  complete  voice 

control solutions,  like Ford’s V2C and even BMW with  its Voice Recognition systems, showing  that 

integration may solve some problems, but it is not the solution. 

However, most of  the control over  the comfort  systems  still  relies on vision and  touch – either  in 

traditional  interfaces,  by  finding  buttons  and  pressing  them  or  in  integrated  interfaces,  by  using 

whatever  device  to  navigate  on  a  menu  structure  and  visualize  what  is  being  done  –  and  a 

consequence  of  such  need  is  distraction. Distraction was  discussed  in  [Por06]  and  relates  to  the 

human inability to do two things at the same time. In what concerns the driving issue, and recalling 

Bengtsson  et  al  in  [BGI03],  a  driver  can  do  two  simultaneous  tasks  if  one  of  them  is  done  in  an 

automatic way while the other is being done in a controlled way. An example of this is the ability to 

talk to passengers while driving –driving being the controlled task (on which the driver is completely 

19 

focused) and talking the automatic task (in which he is mostly a passive agent). In what concerns to 

certain car  instruments, their control  is also done  in an automatic way – the brain  instinctively tells 

the driver to activate the direction lights when turning in a crossroads; however, in certain complex 

tasks like searching for a specific track on a CD album there is significant mental load making the task 

not  automatic,  thus  inducing  distraction  to  the  driver  [Ozk05].  This  is  a major  issue  because  if 

controlling  comfort  functions  interferes with  driving  –  through  distraction  –  then  these  comfort 

functions are compromising safety driving [BGI03].  

3.1.2. Haptic switches, voice control, not­solely­visual control and feedback 

Investigation concerning the use of haptic switches to control in‐vehicle equipment has been around 

for  a while.  Bengtsson  et  al,  in  [BGI03]  performed  a  comparative  study  between  the  traditional 

knobs‐and‐switches interface of a vehicle and a proposed interface for the same functions (audio and 

climate control). The  study was made with use of a  simulated  interface mounted on a production 

vehicle, and consisted of having drivers perform different tasks through use of both systems, one at a 

time, and measuring, with 3  levels, the degree of task completion (from 1‐failure to 3‐success). The 

conclusions were that “the participants’ degree of task completion improved with the haptic/graphic 

interface concerning the more complex tasks” but, on the other hand, task completion was “slightly 

slower with  the haptic/graphic  interface”  and  it was noted  that participants  “looked  considerably 

more off the road with the haptic/graphic interface”. They also noted a difference between «newer 

drivers»  (those with a driving  license  less  than 10 years old) and  those who have been driving  for 

longer than 10 years in that newer drivers tended to complete the complex tasks in equal times using 

both  systems.  Their  conclusion  is  that  none  of  the  systems  is  preferable  as  a  rule; whereas  the 

traditional  interface  appears  to  be  safer,  as  it  causes  less  diversion  of  gaze  from  the  road,  the 

haptic/graphic was regarded as imposing less mental workload. 

In a  follow‐up work, Grane and Bengtsson  took  the  study of haptic/graphic  interfaces  to a higher 

level  by  attempting  to  compare  three  types  of  interfaces:  using  only  haptic  information,  only 

graphical information, and using both. This was studied outside the context of a car or car simulator, 

aiming exclusively at studying the influence of the three types of interfaces in user performance: the 

purpose was to compare how well participants could discriminate a target in a simple menu selection 

task. This was evaluated based on completion time, error rate and mental workload (measured with 

specific  questionnaires),  and  the  conclusions  the  authors  reached  are  that  case  H  (haptic  only) 

participants have a number of turn errors (passing the desired menu option without selecting) higher 

than  the  other  two  cases  and  longer  task  completion  times,  case  HG  (haptic  and  graphical) 

participants  yielded  significantly  lower mental workload  then  both  case  H  and  case  G  (graphical 

only); summing all up, case HG provided  the best results, haptic‐only  feedback obtained  the worst 

20 

results. Grane and Bengtsson propose a distraction study for a natural continuation for their study, 

using a driving task and performing some haptic feedback task as secondary task. 

Voice control has been mentioned as an alternative  for quite a while, and nowadays  it has started 

appearing in some production vehicles, such as the Ford C‐Max (featuring the Ford Voice to Control –

V2C system, see [Ford07]) and the BMW 7 series (featuring the BMW Voice Recognition system, see 

[BMWwA] and [AutoWe00]). But even before they started to be a trend  in production cars, studies 

have been made comparing speech input and manual control. Graham and Carter, in [GC99], made a 

comparison study between speech control and manual control on a mobile phone and using the ICE 

application (used by Jaguar in their S‐Type vehicle to control comfort functions). The motivations for 

this  study  were  that  “dashboard  real  estate  available  (…)  is  very  limited”, making  it  difficult  to 

provide  complex  information and  feeding back  the  results of  control operations  to  the driver and 

that, obviously, controlling  the comfort  functions  is a secondary  task and  the driver should always 

concentrate on  the primary  task – driving. The authors considered  that  the use of ASR  (Automatic 

Speech Recognition) and speech output could show a number of advantages: both being hands‐free 

and eyes‐free,  it  should be  less of a distraction element  to  the primary  task;  the act of  speaking, 

being  a  “natural,  everyday  activity”,  should  be  better  accepted  by  users  and  involve  less mental 

workload. The conclusions reached with this study were that speech input caused less driving errors 

than manual control while using a mobile phone, and also  that manual control  required a greater 

mental  workload.  However,  task  performance  was  significantly  worse  using  voice  input,  mostly 

because of limitations in the voice recognition system. Since then, ASR systems have improved, and 

the conclusion that speech recognition is easier to learn has probably been one major cause for the 

adoption of voice control by manufacturers.  

Considering both previous studies and  industry trends, there appears to be a consensus  in that  it  is 

necessary  to  steer  away  from  the  traditional  touch/sight  interface  in  a way  to  diminish  the  time 

drivers spend not  looking at the road and to  lower the mental workload of manipulating  in‐vehicle 

functions. It  is  important to notice, however, that  just not having vision as the main sense used for 

control  does  not  necessarily  mean  the  interface  causes  less  distraction.  In  this  matter,  Özkurt 

remembers  that  driver  distraction may  not  be  exclusively  visual  –  it  can  show  up  in  other ways. 

When, for example, the driver searches for a specific button on the dashboard, avoiding to look at it 

as  to  keep  the  eyes  on  the  road  (for  examples,  by  counting  buttons  until  the  right  one)  he  is 

distracted in the same manner, because his or her brain is focused on the searching task rather than 

on driving – experiencing something that can be called “looking without seeing” [Ozk05]. 

21 

3.2. Comparative study between some production systems Together with usability tests of devices used to operate  integrated (or traditional) comfort systems 

interfaces and considerations on their use being or not of benefit, the next step is to compare some 

production  systems  with  each  other.  In  [TJT05],  Thatcher  et  al  performed  a  comparative  study 

between BMW iDrive, Audi MMI and the Jaguar system. As mentioned before, both iDrive and MMI 

are based on a LCD screen for viewing and a rotary switch and auxiliary buttons for control1; on the 

other hand, the Jaguar system uses a touch screen for interaction, along with several buttons. 

This  study was made with actual vehicles during “a 20 minute driving  route, mainly motorway”  in 

Sweden  involving  cars of  the 3  referred brands  (no models mentioned) and  included, besides  the 

actual  driving  task,  performing  a  list  of  10  tasks  in  sequence.  The  study  involved  4  persons  (2 

beginners who didn’t get to be trained to the systems, and 2 trained users who were  instructed on 

the  systems  to  use).  On  a  second  stage,  a  usability  inspection  was  made  by  six  professional 

evaluators  in  the area of HMI – Human Machine  Interaction –  consisting on a Nielsen’s heuristics 

evaluation of the three systems [Niel94].  

Tests with users showed that with the rotary switch systems (iDrive and MMI) tasks took almost the 

same time to carry out for the beginner and the trained groups (with the exception of the first and 

more complicated task, navigation input, done with the car stopped). Some tasks were more difficult 

for the beginner group, but the difference was not generally significant. An important note was that 

the operation of  the  Jaguar  system  (based on  touch  screen) by beginners was  significantly  easier 

then the other, while the iDrive rotary switch (which concentrates more functions) seemed to be the 

most difficult to operate; however, for the trained group, the operation of all three systems seemed 

to be of a similar difficulty, and much easier  than  for  the beginner group –  in  fact,  for  the  trained 

group,  the  iDrive system was best classified  in  their  time‐to‐task‐completion metric. Thatcher et al 

consider that it is possible that a touch screen interface is more intuitive to new users, but for trained 

users the rotary switch systems are just as effective. 

They advise against  some  limitations on  their  conclusions,  like  the need  to evaluate eyes‐off‐road 

time  (which  they did not)  and propose  a more  controlled  experiment  between  touch  screen  and 

rotary  switch  interfaces. Whatsoever,  it  is  important  to emphasize  that beginners perform poorer 

than trained users, and that they did the study in a motorway but, considering that they were using 

real automobiles, certain aspects were not taken into account, like the effect of monotony motorway 

driving could have caused to drivers. 

                                                            1 Although not mentioned, the iDrive version used in this work is not the 2002 one and, by the pictures and comments, it appears to be the 2004 version, which includes many improvements to the original version. 

22 

3.3. User categorization in this work When discussing users  it’s common to classify them, among other factors, according to the  level of 

previous contact with the interfaces tested or interfaces similar to the ones considered. It is usual to 

split  users  in  2  or  3  levels,  typically  the  pair  naïve  and  trained,  as  in  [TJT05],  or  the  triplet 

beginner/average user/expert. In the first case, the division is usually based on whether the user has 

had none or  superficial contact with a given  interface  (naïve/beginner) or, on  the other hand,  the 

user has been  taught how  to use  the  interface  (trained user);  the  second  case  is more  frequently 

used where it is convenient to distinguish between a regular user, who is able to use the interface to 

achieve  his  goals  (the  average  user)  and  a  power  user  who,  beyond  knowing  how  to  use  the 

interface, has a deep knowledge on  its usage, knowing  tricks and  shortcuts  that provide  for more 

efficient usage (the expert). While the former division can be used in most interfaces, the latter case 

is frequently used when studying the usability of computer applications and systems. 

The interface considered for this work is composed of 2 parts: the driving interface and the comfort 

systems interfaces. Knowledge of these two interfaces varies and it is important to classify the users’ 

ability in using one separately from the ability in using the other. 

The users  in  the usability  tests had one  imperative pre‐requisite: they must bear a driver’s  license. 

Considering  that  the  issue with monotony while  driving  concerns  to  a  particular  situation  in  the 

driving task, in which the adequacy of the driving interface is not at stake but instead the interface is 

to be considered as “the  interface”,  it felt  important that the users where pretty much accustomed 

to it’s usage; also, the need to know some basic driving concepts and rules (for example, the need to 

know which lane to take, what traffic signs mean, etc.) implies that the users should have an intuitive 

knowledge of the driving task, hence the need for users who actually drive and are qualified to drive. 

This said,  it can be assumed that users are already  familiar with the usage of a steering wheel and 

pedals, except for sensibility differences of the devices in this particular simulator, which means that 

after an adaptation period all the users can be considered as trained users for the driving interface. 

Another argument  for this  is that the driving  interface  in the simulator  is actually simpler  than the 

one  in  a  typical  automobile  –  at  least  in Portugal, where most  vehicles use manual  transmission, 

whereas  the  simulator used automatic  transmission, eliminating  the  clutch pedal and  the need  to 

change gears. 

There are several aspects to take into account when considering interfaces for the comfort systems. 

First,  and most  importantly,  these  interfaces  try  to  recreate  the ones  actually used  in production 

vehicles, but they are not fac simile: there are fundamental differences, mostly because of  limits of 

the emulation technology used ‐ the traditional buttons are emulated with a touch screen which only 

allow  to press buttons, not dials or  switches;  the  integrated  interface  is  emulated with  a  joystick 

23 

which allows only  limited, and necessarily different, motion patterns. Also,  limited  functionality  is 

provided  in  these make‐do  interfaces, especially because  the  functionalities available are  the most 

frequently available and used in production cars and are the ones it was chosen to consider in these 

tests. Secondly, when comparing the integrated and traditional interfaces, it is a fact that traditional 

interfaces are easier to use by untrained users (as discussed previously) while the  learning curve  is 

larger  with  integrated  interfaces.  Additionally  it  should  be  noted  that  the  issue  of monotonous 

driving conditions typically occurs in situations where the driver is using his own vehicle and to which 

he  is  familiarized, making  the  beginner/trained  user  duality  particularly  irrelevant  for  the matter. 

Taking these ideas into account, it was chosen not to differentiate users in this aspect, training every 

user  for  the  usage  of  both  comfort  systems  interfaces,  and  being  particularly  careful  with  the 

integrated interface to insure proper knowledge of it so as not to bias the test results. 

In  conclusion,  it  can  be  said  that  the  users  in  this  experiment  were  trained  and  experienced 

concerning  the  driving  interface  and  trained  but  inexperienced  concerning  the  comfort  systems 

interfaces. This  implies  that differences  in  task performance while using  the comfort systems were 

considered as differences between  individuals and  thus  implying  the need  for adjustments  to  the 

number of times a task is performed in each case, given the need for a certain amount of time using 

the interface to test for implications  in the driving task. 

One  final word  to  the  fact  that  this  simulator has already been used  in a previous work: although 

some  of  the  users  had  previously  used  the  simulator,  such  usage  didn’t mean  the  users where 

accustomed to it and much less that their usage of the interfaces was better than its usage by users 

who had never used  it,  and even  these users had  to  get used  to  the driving  interface,  as well  as 

trained  in both  comfort  systems  interfaces,  to get enough knowledge  to enable  them  to correctly 

participate in the usability tests. 

24 

4. Comfort systems interfaces Interfaces for comfort systems are one of the main subjects of this work, since it aims at studying the 

influence of their use in driving performance in monotonous road environments.  

4.1. Basic concepts Before  introducing  some  of  the  interfaces  for  comfort  systems  available  in  the  industry,  it  is 

important to explain some concepts which will be used throughout the text. Taking into account the 

proposed  definitions  by  Burnett  and  Porter,  in  [BP01],  and  Bengtsson  et  al,  in  [BGI05],  one  can 

distinguish between two different types of devices available in automobiles: 

• Driving assisting devices (primary devices): those directly affecting the driving task and driver 

performance.  These  devices  include  the  steering  wheel,  gearbox,  pedals,  blinker  lights 

handle, etc. 

• Comfort  devices  (secondary  or  auxiliary  devices):  those  targeted  at  improving  the  driving 

experience  but  having  no  direct  impact  in  it.  Examples  of  such  devices  are  the  radio, 

navigation systems, air conditioning system, etc. 

The proposed work concerns  these  secondary comfort devices, and  the usability of  the  interfaces 

used to control these devices. These interfaces can, in turn, be divided in two major types, according 

to Porta Nova in [Por06]: 

• Traditional  interfaces:  characterized  for  having  most  of  the  commands  located  in  the 

dashboard  central  console,  consisting  mostly  of  handles,  buttons  and  knobs  which  are 

geographically separated according to the device they control, without  integration between 

them; 

   

Figure 4.1. Examples of interfaces for comfort systems: traditional (left) and integrated (right). 

25 

• Integrated  interfaces: these represent the  latest trend by automakers, grouping the control 

of several comfort systems into single, integrated interfaces, resembling a computer system: 

typically, one finds a screen (and/or windshield image projection) supplying visual feedback, 

and  a  joystick‐like  rotary  switch,  touch  screen or  several buttons  to  control  the  interface, 

much like in a WIMP computer interface. 

4.2. Comfort functions and in­car telematics The  use  of  electronics  in  car  has  become  generalized  in  recent  years,  and  nowadays  electronic 

components, computer chips and wiring make much of a car’s total components. Electronics come in 

different  flavors,  like  fuel  injection control, wheel blockage avoidance  (ABS),  traction control  (ESP), 

drive‐by‐wire mechanisms  such  as  ETC  (Electronic  Throttle  Control)  and  brake‐by‐wire,  and  even 

malfunction diagnose through sensors placed  in critical places – much of the car’s behavior  is now 

controlled by computers. And electronics don’t  just stick to that – they are also there to provide a 

more pleasant experience to its driver, by giving him entertainment and comfort. Nowadays, almost 

every car has at least some of the devices/functionalities presented below: 

• Car radio / sound system (including cassette or CD players); 

• Air conditioning/climate control; 

• Inside and outside thermometer; 

• Navigation system/GPS; 

• Video entertainment system (TV tuner, DVD player) 

• Cell phone dock (or similar gadget) and hands‐free conversation equipment; 

• Interface for portable MP3/audio players (typically used through the car radio). 

These  devices  are  the  comfort  equipment  or  comfort  functions  of  a  car.  The  presence  of  these 

functions aims at keeping  the driver happier while using his  car by  supplying him with a  sense of 

comfort and fulfilling his desire to be entertained – especially if he is doing some sort of monotonous 

or tedious task such as commuting, waiting on a traffic jam, driving people around, … Electronics also 

aim at fulfilling the same needs of car passengers, who tend to face travelling time more positively if 

they are entertained. 

The  presence  of  these  equipments  carries  the  need  to  interact with  them,  to  control  them  and 

instruct them to do whatever we please. As the number of functions increases, so does the amount 

of time and the concentration we need while operating them, and the complexity of some of these 

functions provides the grounds for time‐consuming interaction.   

26 

4.3. Traditional interfaces for comfort systems Nowadays cars tend to come with dashboards full of buttons, switches and knobs allowing the driver 

– mainly the driver – to control whichever equipment is available. These take up much of the space 

available  in  the  dashboard  between  the  steering wheel  and  the  glove  compartment,  and  as  the 

number of  such buttons  increases,  their  size  tends  to decrease.  Looking  at  these dashboards  can 

make the choice of the correct button baffling, considering the driver has a limited amount of time to 

make  such  choice  –  otherwise  one  could  hit  another  car  or  run  over  some  old  lady  on  a  zebra. 

Burnett and Porter [BP01] consider “there is a danger that drivers of the future will be overwhelmed 

by all the functionality on offer within their vehicles” and that, in the worst case, the drivers’ ability 

to control their vehicles safely may be at stake. Besides, using this sort of interfaces relies mostly on 

sight (for locating the correct button, knowing how to handle it and making sure the right thing was 

done), and this  is an  issue both  in traditional and  integrated  interfaces, making this a risk  factor  in 

using comfort systems while driving. 

4.4. Integrated solutions used by the car industry Automobile manufacturers have been using integrated solutions for a few years now. These solutions 

attempt to provide a unique interface for some or all of the devices previously mentioned. Most are 

based on some scheme of menu navigation with visualization on a screen and controlled by buttons. 

The most  important systems around are  the  iDrive by BMW,  the COMAND by Mercedes‐Benz and 

the MMI by Audi.  The  following provides  a brief  analysis on what  these  systems do,  the  concept 

behind their creation and  their pros and cons. These systems do not only attempt to  integrate the 

interface but to make it easier and safer to use the comfort functions, especially while driving. 

4.4.1. iDrive 

The  iDrive  system was developed by BMW with  the  goal of  reducing  the  amount of buttons  and 

different commands available  in automobiles  [Day04]. This system  replaces  the  traditional buttons 

and knobs with a centralized interfaced based on a dial, a few auxiliary buttons and visual feedback 

via  an  LCD  screen.  BMW  clearly  distinguishes  what  is  to  be  controlled  and  what  is  not  to  be 

controlled  by  iDrive,  separating  secondary  devices  (mostly  controlled  by  the  latter)  from  primary 

devices (controlled by specific buttons and knobs). Its first version came on the market in 2002. 

The  iDrive makes use of a dial – or a  joystick‐like button – with haptic feedback (the Controller) to 

navigate an hierarchy of menus that allows the user to control most of the comfort systems, among 

which the audio and video entertainment systems, the climate control, navigation system (GPS), On‐

Board Diagnosis, the park‐assist function, a battery discharge alert indicator, cell‐phone functionality 

and  car manual. Recent  versions of  iDrive also allow  for  voice  command  (in  some  versions, as an 

27 

option)  allowing  the  driver  to  perform  some  operations  hands‐free,  and  provide  voice  output, 

namely for the navigation system. 

According to several authors, namely Day in [Day04] and Brauer in [Brau04], the main reason for the 

failure of the first version of the  iDrive was the excessive concentration of functionalities as well as 

the variety of ways one could manipulate the Controller. As an example, [Brau04] refers that tuning 

into a  specific  radio  station  “requires  scrolling  through multiple  LCD  screens”, and  the problem  is 

generalized:  any  and  every  task  to perform  required  the user  to navigate  through multiple menu 

levels. Also, as referred in [Day04] the multiple ways in which one could slide the Controller (8, all the 

cardinal and intercardinal directions) and the different actions that could be performed (slide, press, 

rotate) contributed to a  learning curve that could go to weeks or months,  leaving highly unsatisfied 

customers. This also led to the listing of the 2002 BMW 7 series as one of “The 50 Worst Cars of All 

Time”  (sic)  in  [Time07],  the  iDrive  system  being  the main  reason  for  its  appearance  on  the  list. 

Meanwhile, most of the major  iDrive flaws have been corrected with the addition of shortcut keys 

(back  and  return  to menu)  and  the  systems  as  a whole  is presently  (2007) being  redesigned. The 

errors by BMW and Mercedes (with their COMAND system, whose description follows) were useful 

for  other manufacturers,  such  as Audi  and, more  recently,  even Mercedes, who  redesigned  their 

products using similar approaches to that of the improved iDrive. 

4.4.2. COMAND 

The COMAND system  (COckpit MAnagement and Navigation Display) was developed by Mercedes‐

Benz in 2000 (before the iDrive system came along). The goal for its development was the integration 

of the comfort functions in a single interface, for the higher model ranges. The system consisted of a 

LCD  screen  for  visual  feedback  and  a  large  set  of  buttons  through which  the  system was  to  be 

   

Figure 4.2. Overview of the iDrive system on a BMW 7 series (left) and two versions of the Controller: the original one, available on the 7 series (right‐above) and the one available on the current 5 series (right‐below). 

controlle

function

Besides 

number 

and  a  ro

steering 

audio an

control i

The majo

the cont

concent

P

Figure

ed. Unlike B

s, but COMA

the LCD scre

keys (among

otary  volum

wheel  for d

nd video ent

s done elsew

or handicap 

trol layout [B

rate such fun

FigurPhoto of a con

e 4.3. Overview

MW, Merce

AND only had

een mentione

g others, for

e  on/off  bu

direct  access

tertainment 

where in a de

of the COMA

Brau04]. Alth

nctionality in

re 4.4. Picturensole includin

w of the COM

des didn’t e

d control ove

ed, the syste

r cell‐phone 

tton. Along 

s  to  some  fu

systems, th

edicated con

AND system

hough it was

n a single int

 of a COMANDng the COMAN

MAND system (

xplicitly refe

er these func

em resorts to

integration),

with  these,

unctions  (lik

e navigation

nsole, as can 

 was the she

s a pioneer i

tegrated inte

    

D Console usiND Console an

      

(2007); notice

er to COMAN

ctions. 

o an extensiv

, arrow keys,

,  other  func

ke  volume  co

n system and

be seen in F

eer volume o

n the area, 

erface, it was

ng the navigand the climate

e the similarity

ND as being 

ve keyboard 

, context but

tion  keys w

ontrol). The 

d  the cell‐ph

Figure 4.3. 

of buttons av

being the fir

s too conserv

tion applicatioe control cons

y with the iDr

exclusive to

– with funct

ttons next to

were  availabl

system  con

hone system

vailable that 

rst system to

vative in the

on (left). ole below (rig

rive Controller

28 

o comfort 

tion keys, 

o the LCD 

e  on  the 

ntrols  the 

. Climate 

made up 

o actually 

e solution 

 

ght). 

 

r (right). 

29 

for user command, creating a solution that not only did not decrease the number of buttons on the 

central console but made using the system very complicated because of the added menu‐navigation 

complexity.  This  created  a  “confusing  setup”,  according  to Wardlaw  in  [Ward07],  and made  the 

system very hard to use – especially while driving.       

Aware of these limitations, Mercedes rethought the system completely, getting inspiration from the 

iDrive but, again quoting [Ward07], “though it takes cues from BMW’s iDrive arrangement, it’s much 

more intuitive to use if not easier”. A video demonstration on the functionality of the new COMAND 

interface  is available  in [eMer07]. The nowadays COMAND also supports voice  input and output for 

some functions, as can be seen in the previous reference. 

4.4.3. MMI 

The MMI system (MultiMedia Interface) was created by Audi with the purpose of integrating comfort 

functions in all of their model ranges. It was firstly released in 2004 in the A8 model range [Brau04] 

and, as in the other competing systems shown earlier, aims only at controlling the comfort functions 

of the vehicle. 

Much  like  the  iDrive and the newer versions of  the COMAND, MMI makes use of a LCD screen  for 

viewing and uses a knob or rotating button for menu navigation, but goes further ahead and provides 

buttons to control onscreen menu options and provides keys for direct access to the main functions. 

Like the COMAND system, MMI controls the audio and video entertainment system, the navigation 

system and integrated cell‐phone, leaving the climate control interface out of the package. 

Having released MMI roughly 4 years after the first version of COMAND and 2 after the first version 

of  iDrive came  to market, Audi was able  to  learn  from  the mistakes  these 2 systems made:  in  this 

 

Figure 4.5. Overview of the MMI on an Audi A6 (left) and detailed view of the A8 controller interface (right). 

30 

fashion, MMI  does  not  try  to  focus  all  control  on  the  rotating  knob,  providing  direct  access  to 

functions  to  decrease  the  number  of  the  menu  levels,  and  provides  context‐changing  keys  to 

navigate  through menus,  leaving  the  knob  almost  exclusively  for  controlling  values  (tuning  radio 

stations, writing destinations on  the navigation  system, etc.). Being  a  compromise between  the 2 

competitors, MMI has become quite popular.  It  is  said  that “MMI uses a «just  right» approach  to 

mixing  dials,  buttons  and  LCD  menus”  [Brau04]  and  nowadays  the  2  pioneer  systems  tend  to 

approach the MMI design solution. 

4.4.4. Other systems 

Besides  the  previously mentioned  systems,  other  attempts  have  been made  by  the  industry  to 

integrate comfort functions in a single interface. The three mentioned above are the most relevant, 

but others do exist. 

For example, Jaguar uses an integrated system based on a touch‐screen LCD, originally only allowing 

control of the navigation system (in the early version available in the S‐Type), but currently providing 

control over most of the comfort functions (audio, climate control, cell‐phone and navigation system) 

in  their models XJ and XK, with  the  curiosity  that  the  interface  is developed  in Macromedia Flash 

[CarP05] [Newc07]. 

Other brands like Porsche use, in their most recent models, some systems inspired on the COMAND 

system,  like  the  PCM  (Porsche  Communication  Management)  provided  in  their  Cayenne  model 

range. It’s very similar to the original COMAND interface, using a LCD screen for viewing and (lots of) 

buttons for control.  It allows control of the audio system, TV tuner, DVD player, navigation system, 

on‐board  computer  and  connection  to  telephony  services  [Porsche].  Climate  control  is  done  in  a 

dedicated console below the PCM, as can be seen in figure 4.7. 

      

Figure 4.6. Detail on the Jaguar Touchscreen interface: early S‐Type (left) and current XJ (right). 

31 

Other makers have other solutions, but the systems previously analyzed pretty much cover the main 

aspects of integrated interfaces for comfort systems. 

4.4.5. Add­on equipments 

There are several equipments, namely navigation systems/GPS and DVD‐Video players  that can be 

added to vehicles a posteriori. These are usually based on touch screen LCD (most of the navigation 

systems)  or  screens  that  are  connected  to  the  car  stereo  system.  The  functionality  varies  across 

models, but  in  the case of GPS most of  them allow  input of destination  through  some  sort of on‐

screen  keyboard, map  display with  path  indication  and  sometimes  voice  indications.  Some  allow 

voice command also. In the case of DVD players, they usually come to be connected to the car radio 

and  focus  on  entertainment,  providing  audio  and  video  playback,  radio  and  sometimes  TV‐tuner 

functions. 

      

Figure 4.8. Example of a post‐mounted GPS system (left) and a car DVD‐Video player (right). 

   

Figure 4.7. Overview of the Porsche Communication Management (available in the 2007 Cayenne model). 

32 

4.5. Concluding remarks This  chapter  presented  the  distinction  between  comfort  devices  and  their  counterpart  driving 

assisting  devices,  as  well  as  the  distinction  between  the  concepts  of  traditional  interfaces  and 

integrated  interfaces when applied to the control of comfort devices. A brief tour over some of the 

solutions available on the market  (specially the ones by Audi, BMW and Mercedes)  is also made  in 

this section. 

Integrated  interfaces  for comfort  systems  in automobiles use mostly  (or are now evolving  to  start 

using)  rotary  switches  to  control  some  sort  of menu  hierarchy  on  a  computer  system  providing 

graphical  feedback  through  a  LCD  display,  like  some  computer  systems  and  specially  home 

entertainment  systems now available; however, devices  for a posteriori  integration  in vehicles are 

mostly based on LCD  touch screens. Voice control  is now being  introduced  to offer  further control 

possibilities  for  all  of  these  systems  and  research  is  underway  along  the  line  of  haptic/tactile 

feedback (see chapter 3 for this purpose). Although not yet the dominant option for comfort systems 

interfaces,  integrated  interfaces are now  in a maturing phase, are well established  in  the  industry 

(specially  in  luxury  car  brands)  and  tend  to  become  the  dominant  type  of  interface  for  comfort 

systems in the years to come. All of these interfaces are based in the “computer system” metaphor, 

or more precisely, in the idea of a WIMP interface; they all focus specially on providing better control 

for  comfort  devices  and  adding more  comfort  functions  to  the  ones  already  available;  they  have 

evolved towards a balance between the number of separate buttons/dials and the number of menu 

levels in the application hierarchy (it is interesting to compare the first iDrive and the first COMAND 

with the more recent versions of both systems). 

The  biggest  handicap  of  integrated  interfaces  for  comfort  systems  still  lies  on  the  necessity  of 

training:  as works  like  [BGI03]  and  [TJT05]  show,  the performance  for untrained users  is  lower  in 

integrated systems than in traditional systems; however, they tend to break even when the user gets 

accustomed  to  using  the  integrated  system.  The  major  advantages  in  using  integrated  comfort 

systems are the extended options in the number of devices and functions available in the vehicle, as 

well as the possibility for integration between devices and communication between them to provide 

better  functionality  –  as  well  as  saving  space  in  the  vehicle’s  dashboard,  and  lowering  the 

overwhelming effect on drivers. 

33 

5. Simulators for usability testing This  work’s  aim  is  road  safety  and  the  use  of  the  principles  of  human‐machine  interfaces  and 

computer  science  in  investigating and  contributing  to  the  improvement of  road  safety  conditions. 

More precisely,  this work  is concerned with  the  influence of  the  in‐car  telematics, comfort devices 

and interfaces on the driving task, both in a positive or negative way. This subject has been recently 

studied  broadly,  and  the  explosion  of  in‐car  telematics,  along  with  the  ubiquity  of  other  user 

electronics (such as mobile phones, portable media players, GPS systems)  in the  last few years has 

driven automobile manufacturers into exploring alternative ways to control these brand new devices 

in easier, safer and simpler ways. Along with much more complex devices available, one must take 

the road environment into account when evaluating road safety: both roads and driving habits have 

changed,  and  we  must  consider  aspects  such  as  driving  in  traffic‐intensive  roads,  driving  in 

monotonous  roads,  in  different  times  of  the  day  and with  different  levels  of  alertness,  and  the 

implications these differences have in the use of in‐car telematics. 

Much  of  this  research  has  been  done  using  computer  auto‐simulations,  varying  from  low‐budget 

simulators which  resemble  computer  games  to  advanced  simulators  consuming much money  and 

effort into replicating the driving environment as realistically as possible. The work presented here is 

also  a  simulator‐based  investigation,  comparing  the  use  of  in‐car  telematics  in monotonous  road 

environments using both traditional and integrated interfaces.   

Some modern  cars  resort  to  using  integrated  interfaces  to  control  comfort  devices.  They  were 

discussed  in detail  in chapters 3 and 4 but, for now,  it should be noted these  integrated  interfaces 

are not the solution for all problems concerning user attention issues while using comfort devices – 

these  solve  some  of  the  problems,  but  add  other  variables  to  the  equation  and  can  cause more 

problems than the ones they solve. 

Different studies have been made aiming at two things: first, discovering new interaction techniques 

that  increase  the awareness of  the driver, both  in  terms of correctly  interacting with  the available 

functions and in terms of road and environment attention; second, relating the use of such interfaces 

and the driving performance in different conditions.  

5.1. Simulator development and usage in the study of road safety issues The use of simulators is current practice today, and much of the research in this area is done via the 

use of computerized simulators. Examples of this are the works  [GB05],  [Ozk05],  [GC99],  [Horb06], 

[Stee04] and [TB03]. 

34 

The  simulators used  in  these works  vary  from more  to  less  realistic  according  to  such  aspects  as 

budget, availability and objective of the work itself; they can also vary in terms of the object of study 

(randomly occurring situations, adverse weather conditions, psychological and physiological aspects 

of  the  driver).  Therefore,  throughout  the  latest  years,  simulators  have  evolved  from  the  most 

primitive  versions  (such  as  the  display  of  driving  footage,  with  severe  limitations  regarding  the 

simulation  itself  and  the  possible  reactions  by  the  user/driver)  to  the more  realistic  simulators 

available  today,  using  top‐of‐the‐notch  technology  and  being  extremely  concerned  about  the 

visualization’s  realism  (presenting  near‐real  graphics  and  a  wide  viewing  scope),  using  audio 

feedback  and  force  feedback  (e.g.,  on  the  steering  wheel,  simulating  the  road  inertia  and 

imperfections  such  as  pot  holes),  exhibiting  advanced  hydraulic  systems  to  simulate  the  vehicle’s 

behavior according to the driving environment and style, and some are actually moving along tracks 

to simulate acceleration effects, trying to  increase the feeling of actually driving and preventing the 

so‐called “simulator sickness” (see [Drap96] on this subject). 

The use of simulators carries some advantages when compared to using actual automobiles for these 

studies, among them: 

• Less costly (at least if the simulator is already available) and less ecological burden; 

• Less safety hazards for both the participants and the vehicles involved; 

• Greater  control  over  the  task:  bigger  number  of  desirable  situations,  which  can  be 

intentionally placed on a  test‐by‐test basis, and bigger determinism  (the  situations desired 

will happen, those not wanted aren’t likely to show up); 

• Better data logging possible; 

• The possibility of testing with users without a driver’s license. 

Despite the advantages, the use of simulators also has some handicaps, such as: 

• Depending on the demands for the particular study, simulators can be very costly – specially 

if one must develop it specifically for a given study; 

• In case of budget limitations, one could get stuck with a low‐realism simulator and inducing 

user into not taking it as a serious tool; 

• The simulator sickness effect previously referred. 

In  the  following,  a  survey  on  some  of  the  available  simulators  is  presented,  along  with  their 

capabilities and the usage they are given. This is partly inspired in the work by João Ferreira [Ferr07], 

which should be consulted for further details. 

35 

5.1.1. Simulators with actual car bodies and 360º field­of­view 

Most of  the  simulators offer minimum  realism:  the existence of  a  course  through which  the user 

navigates, with some  realistic  features  (such as  roads, buildings,  road signs,  random objects, other 

vehicles, pedestrians) and control of  the vehicle with a steering wheel and pedals  (or some similar 

device) which  can  be  found,  for  gaming  purposes,  in  any  computer  hardware  store. One  of  such 

devices was  in fact used  in our previously developed work, along with a  joystick. These aspects are 

present in many computer games, and there is a particular one, Streets of Simcity, which can be used 

as  an  elementary  driving  simulator  if  one  has  limited  goals  for  the  simulation:  this  game  can  be 

controlled with  a  standard  computer  steering wheel,  and  courses  can  be  easily  developed  using 

another computer game – Simcity 2000. Taking into account that the game is clearly aimed at leisure, 

and remembering that this game was not a particularly successful game, Streets of Simcity has some 

serious flaws in its behavior, such as having the vehicle driving through some objects in the scenario, 

incompatibility with some features in the scenario (e.g., motorways do not show up as expected), car 

behavior issues and others, this is certainly a simulator to be used in a last‐case situation. 

 

Figure 5.1. Outside view (left) and car body detail (right) of the Wrap‐around Simulator (WAS). 

The  simulators  used  for  research  purposes  have  other  features  for  augmented  realism  and 

immersion. One  of  these  aspects  is  the  use  of  real  car  bodies.  Simulators  like  the Wrap‐Around 

Simulator  from  the  University  of Minnesota  (WAS),  the  UCF  Driving  Simulator  developed  by  the 

CATSS (Center for Advanced Transportation Systems Simulation  in the University of Central Florida), 

the Driving Simulator Laboratory from George Washington University (DSL) and the VTI Simulator III 

by  the  Statens  Väg‐och  TransportforskningsInstitut,  a  Swedish  institute  studying  roads  and 

transportation) use real car bodies, given away by the manufacturers or purchased specifically, and 

the whole  simulator  is built  inside  them, using  the  car’s own  instruments  (steering wheel, pedals, 

gearbox, …) when desired. 

As an alt

occurs s

some sim

make‐do

Cranfield

Renault 

helmet 

augment

Figure 5.

On  the 

(scenery

case of t

similar t

reality a

As  an  a

dashboa

used by 

driver, t

and instr

5.1.2. S

Audio an

increase

available

ternative to 

ometimes. T

mulators allo

o. Examples 

d University 

ULTIMATE D

to  create  t

ted reality. 

.2. Arriva Simu

side  of  visu

y projection)

the WAS sim

echnologies,

ll around thr

lternative,  s

ard (or part o

Strayer and

he other tw

ruments from

Simulators

nd haptic/ta

ed driving  re

e  set  of  m

real car bodi

These car bo

ow the use o

of such simu

(which  can 

Driving Simu

he  scenerie

ulator, one of

ualization,  si

 outside  the

ulator), to co

, producing 

rough the sim

simpler  solut

of it) from an

d Dreys  in  [S

o slightly tilt

m a Ford Cro

s with audio

actile  feedba

alism. Hapti

ovements  f

ies, sometim

odies are cre

of more than

ulators are t

be  used  bo

ulator which

s  –  thus  op

f the possible 

mulators  us

e  car body, 

oncave scree

a realistic vis

mulator car b

tions  such  a

n actual prod

SD04], wher

ted on each

own Vitoria a

o and hapti

acks are  tech

c  feedback c

from  compu

mes car bodie

eated with th

n one body, 

the Driving S

oth with  an

, besides ha

perating  in 

configuration

sing  car  bod

using video 

ens (the solu

sualization e

body. 

as  the  use  o

duction auto

e  the  scene

 side of the 

automobile a

c feedback 

hnologies be

consists,  in  t

uter  steering

es are specifi

he same  lev

according to

Simulator of

automobile

aving  its own

a  mode  clo

ns for the Cran

dies  usually 

projectors o

ution used in

effect in whic

of N monito

mobile, as is

  is viewed  i

front one) a

are used for 

 

eing used  in 

the most ele

g  wheel  an

ically develo

el of detail a

o the vehicle

the School o

  and  a  bus/

n  car body, 

osely  related

nfield Univers

implement 

over  spheric

 the Cranfiel

ch the drive

ors  associate

s done in the

n 3  screens 

and a dashb

control and 

videogames

ementary ap

nd  joystick 

ped for the s

as the real o

e type one w

of Engineeri

/truck  body)

uses a virtu

d  to  the  co

 

ity’s Driving S

the  graphic

al domes  (th

ld simulator)

r can see a p

ed with  the 

e PatrolSim s

(one  in  fron

board, steerin

look‐and‐fee

s and  simula

pproach,  in u

libraries  (e.

36 

simulator 

ones, and 

wishes to 

ng of the 

  and  the 

al  reality 

oncept  of 

Simulator. 

s  display 

his  is  the 

) or other 

projected 

use  of  a 

imulator, 

nt of  the 

ng wheel 

el. 

ations  for 

using  the 

g.,  using 

37 

DirectInput).  However,  most  simulators  take  the  concept  beyond  this  point,  using  elaborate 

techniques to provide increased realism. 

   

Figure 5.3. Outside view (left) and usage demonstrations (right) of the UCF Driving Simulator, using an automobile car body. 

WAS,  for  instance,  uses  a  specifically  developed  engine  providing  force  feedback  to  the  steering 

wheel (both for road conditions and inertia) and the whole car body (for road conditions), as well as 

using a sound bank  for audio  feedback;  the Cranfield simulator uses audio  feedback only;  the UCF 

simulator has the car body mounted on a hydraulic support that, in coordination with the simulation 

software, can mimic the movements the vehicle would supposedly perform should the simulator be 

an  actual  car;  the  DSL  simulator  uses  an  engine  to  simulate  steering  wheel  inertia  and  audio 

feedback. 

5.1.3. Simulator using advanced physics (to handle simulator sickness) 

In addition to haptic feedback systems, some simulators have advanced mechanisms to handle the 

simulator sickness effect and increase the user immersion while using the simulator. 

Two  such  examples  are  the NADS  Simulator  (National Advanced Driving  Simulator,  developed  by 

NHTSA  (National Highway Traffic Safety Administration)  in cooperation with  the University of  Iowa 

and the VTI Simulator III, mentioned previously. They implement vehicle acceleration by moving the 

simulator  along  rails  (the  movement  occurs  in  2  dimensions  on  the  NADS  Simulator  and  in  1 

dimension only on the VTI Simulator) and, in association with a 360° rotation in all the 3 axis, enable 

the simulator to recreate the feelings of movement and vibration sensed in real driving, reducing the 

incidence  of  simulator  sickness.  This  is  done  in  association  to  mechanisms  to  transmit  realistic 

behavior to other elements such as the steering wheel (e.g., through force feedback). 

5.1.4. Simulators that monitor physiological data 

For  some  purposes  there  are  simulators  that  use  tools  not  destined  to  increase  realism  in  the 

simulation but  instead to obtain physiological data from users participating  in the study, while they 

38 

drive. For this, the DSL uses an eye monitoring system using an eye sensor to register data on where 

the user is looking at, the pupil dilation, frequency and duration of eye blinking, among other factors; 

the WIVM  simulator  (Würzburger  Institut  für  Verkehrswissenschaften  –  a German  transportation 

sciences  institute) has tools to elaborate electrocardiograms and electroencephalograms to register 

heart and brain activity in response to stimuli produced during the simulation. 

5.1.5. Simulation software 

The previously described simulators were created, in some cases, by reusing some previously existing 

tools. Therefore, some of them use generic driving simulation software products that can adapt to 

the control devices and imagery mechanisms desired. The list of products includes the STIsim driving 

simulator  (used  by  both  the  Cranfield  simulator  and  the  DSL)  and  SILAB  (used  by  the  WIVM 

simulator). Other  simulators  use  specifically  devolped  software,  such  as  the WAS,  using  a  C/C++ 

application built on top of the SGI Performer and Multi‐Gen Paradigm Vega APIs, with custom‐made 

sceneries. 

   

Figure 5.4. Outside (left) and inside view (right, using a jeep body) of the NADS simulator. 

5.1.6. The simulator used in the present work 

After describing  some of  the  simulators used  for  investigation  purposes  it  is  time  to  refer  to  the 

simulator developed by  and used  in  the  author’s previous work,  and which was modified  for  the 

current work. This  is a  low‐budget  simulator  completely developed by  the author and  it does not 

intend  to  rival any previously presented simulators; however,  this particular simulator offers some 

possibilities making  it useful for usability studies relating to the use of  in‐car telematics  interfaces – 

the subject for which it was developed in the first place. 

The purpose of  the  simulator was  to  carry out usability  testing on  two  types of  comfort  systems 

interfaces (traditional and integrated) associated with a driving task. The driving task was performed 

on  an  urban  scenario  with  two  predefined  courses.  The  comfort  systems  controlled  were  the 

radio/sound system and the climate control; the traditional  interface was based on a 2‐console set 

with but

and me

wheel. 

The simu

screen, c

3D  joyst

was dev

keyboar

Complem

3.4Ghz, 

feedbac

Figu

5.1.7. P

All the s

less  reso

because

aspect is

because

devices 

mimic th

to consid

their use

The desi

that sim

in  real‐li

ttons only, a

nu  navigatio

ulator itself l

control throu

tick  (periphe

veloped  in C+

d was  also 

mentos  de  V

2Gb of RAM

k is used in t

re 5.5. Simula

Partial driv

simulators de

ources  and/

 of the subje

s to be studie

  there  is  a 

on a  real  ve

he behavior 

der these to

e to approac

ignation “pa

ulate some a

ife  cars  (suc

nd the integ

on).  Access 

looked like a

ugh a Thrust

rals used, as

++ on OpenG

used  for me

Visualização 

M memory  a

this simulato

ator setup (lef

ving simula

escribed so f

or  realism, 

ect of the wo

ed (e.g., one

will  to mix 

ehicle),  there

and function

ols “driving s

h the driving

rtial driving 

aspects of d

ch  as  car‐tel

grated interf

to  some  fun

a computer g

tmaster Ferra

s one can gu

GL graphics 

enu  navigati

at  IST,  and

and  a nVidia

or. Further de

ft) and examp

ators 

far are “tota

to  immerse

ork (which m

e may want t

the  real wit

e are  cases 

nality of only

simulators”, 

g experience

simulator”  i

riving, tools 

lematics  inte

ace was bas

nctions was

game, with v

ari GT 2 in 1

uess, mainly

and resorted

on.  The  sim

  currently  r

a  FX Quadra

etails on this

 

le view (right)

al simulators

  the  user  in

may not focu

to study how

th  the  virtua

in which  so

y certain par

but it make

is then used

used in com

erfaces  simu

ed on the or

  available  th

visualization 

 Rumble ste

 for gaming 

d to DirectIn

mulator  can 

uns  on  a  co

 4000  graph

 simulator ca

) of the simula

s”,  in the sen

n  a  full  drivi

s exclusively

w a user hand

al  (e.g.,  app

ome  tools ne

rts of the aut

s sense to re

 to describe

mbination wit

ulators,  befo

riginal iDrive

hrough  butt

on a WACOM

ering wheel 

purposes). T

nput for peri

be  found  on

omputer wit

hics  adapter

an be found 

ator used on t

nse that they

ing  experien

y on driving),

dles differen

lying  simula

eed  to be de

tomobile. It w

efer to them 

e these tools

th other sim

ore  their  ins

e idea (one c

tons  on  the 

M Cintiq 21 

and a Logite

The applicat

ipheral  inter

n  the  Labora

th  a  Pentium

. No  audio o

in [Por06]. 

the previous w

y seek, with

nce.  Howeve

, since only a

t steering de

ted  instrum

eveloped,  se

would not b

 in this secti

s. These  inclu

ulators or em

sertion  in  pr

39 

controller 

steering 

UX touch 

ech Force 

tion  itself 

raction. A 

atório  de 

m  4 with 

or haptic 

 

work. 

 more or 

er,  either 

a specific 

evices) or 

ents  and 

eeking  to 

e correct 

on, given 

ude tools 

mbedded 

roduction 

40 

cars). There are several examples of partial simulators: the one found in [BG03], where Bengtsson et 

al use a simulator made of a screen and a device with a rotary switch capable of reproducing several 

tactile  stimuli  and  2  regular  buttons, mounted  on  the  central  console  of  a  car;  or  Graham  and 

Carter’s [GC99], where users resort to a steering wheel and a pedal set to keep a moving block on a 

computer screen  in motion, similarly to a driving task, while performing other tasks related to cell‐

phones  (in  the  first part of the study) or using the  ICE application, supplied by  Jaguar and which  is 

used in their S‐Type automobiles (in the second part of the study). 

41 

6. Experiment Setup & Protocol 6.1. Setup The  experiment  took place  at  the  Laboratório de Complementos de Visualização  at  IST, using  the 

simulator developed  for  [Por06], which was  conveniently  adapted  for  this  study  and described  in 

section 5.1.6. 

Some changes and adaptations were made to allow the simulator to be used in this particular study; 

namely the introduction of a new scenario providing an uneventful monotonous course on which to 

drive, changes to the physics of the vehicle in order to make it more adjusted to the desired behavior 

(for example, altered steering so that curves can be described more gently and more tolerant pedals 

to  allow  for  smoother  behavior).  The  logger module was  also  changed  to  allow  logging  of  new 

variables, as well as some course‐dependent behavior to help data processing (e.g., the separation of 

certain  parts  of  the  log  according  to  the  parts  of  the  course  to  allow  the  division  of  the  course 

according to the procedure shown ahead). More details on what the changes mean, and  images of 

the altered simulator can be found further on in this section; details on the technical aspects of the 

adaptation can be found in Annex A. Changes to the simulator.  

6.1.1. Course characteristics 

As mentioned before,  the  course was  created  specifically  for  this works’s usability  tests. The new 

course was defined so that 2 conditions could be asserted in this test: 

1. The driver was entering a state of monotony while driving; 

2. The driver had to perform predefined sets of tasks using the comfort systems while in a state 

of monotony. 

 

Figure 6.1. The simulator (left); example screen using the traditional (middle) and integrated (right) interfaces. 

42 

For this to happen the course had to appear monotonous and unchanging, with slight variations  in 

the surrounding environment  to  test  if  the user was aware of some details  in  the course; some of 

these elements are just there to be seen, others are obstacles and action must be taken by the driver 

to avoid them. 

Thiffault, in [TB03], suggests that uneventful and monotonous road environments are ideal to induce 

monotony and tiredness to users. The dimension of fatigue  in monotony  is necessarily exploited to 

create the best scenario for monotony. In this context, [Hawo98] states that fatigue contribution  in 

monotony‐related accidents occurs, among others, in rural area roads, where the road environment 

is less stimulant, roads are often straight stretches and speed tends to be higher; following the idea 

used  in  the procedure  for  the work  in  [TB03], a  rural  two‐lane  road with  repetitive characteristics 

was the chosen option. 

The  presence  of  visual  clutter  resulted  in  lower  speeds  in  the  experiment  described  in  [Horb06]. 

According to the authors, visual clutter and  increased details on the road environment forced users 

to slow down to have more time to process the extra information. Because one of the goals with this 

experiment  was  that  users  did  not  need  to  process  more  information  than  necessary  –  thus 

increasing the boredom and monotony in driving – a scenario with less “highway furniture” [Horb06] 

was considered the best approach for this work. 

The course has a first part, used for the introduction phase, consisting of an urban scenario similar to 

the one used  in  [Por06];  the second part  is a monotonous part, consisting of a rural road scenario 

with  small  turns and  features. The  course  consists of a dual‐lane  single‐carriageway  in most of  its 

length, with sporadic changes to the profile (namely intersections, extra lanes on either side or both 

sides of the road). Along the road different elements are located at different places in order to create 

a  slightly  changing  surrounding  environment,  like  trees  and  traffic  signs.  Some  obstacles  are  also 

placed along the course, forcing the driver to make a detour or pass through a narrow passage. Some 

of the elements along the course are hidden in the middle of similar elements: e.g. in the middle of a 

stretch of trees  it  is possible to find a tree of a different color. The whole course  is planned for 25 

minute driving  sessions  (more or  less) plus  the  introductory part,  adding up  to half‐an‐hour  total 

time. 

The course  is divided  into 3 stretches of 2 sections each: one stretch  for each of  the  three driving 

variants  wanted  (driving  task  only,  driving  and  performing  tasks  using  the  traditional  interface, 

driving and performing tasks using the integrated interface), and in each stretch one section in which 

no road elements occur (in fact, the first section of every stretch is a full‐length straight road) and a 

43 

second  one  in  which  changes  to  both  environment  elements  and  road  profile  happen.  The  3 

stretches are more or less the same size and the matching sections are of identical length either. 

The ambience of the course  is made to simulate a foggy dawn, enhancing the feeling of monotony 

and limiting the visibility of objects during the course. 

6.1.2. New scenario elements 

To accomplish the monotony needs for this scenario, two new elements were created: road curves 

and road stretches. Previously, curves were limited to a fixed radius, which worked out fine for urban 

scenarios where  speeds  are  low  and  there  is no problem  in having  to  slow down  to  correctly do 

them;  however,  in monotonous  roads,  short‐radius  curves would  imply  either  no  curves  at  all  or 

sudden  breaks  in  the monotony.  This  fact  lead  to  the  creation  of  road  curves  of  variable  radius, 

adequately adapting the road texture to its shape and enabling more flexible courses. While the new 

road  curves were  needed  to  create  a more  flexible modeling  environment,  road  stretches were 

created  mostly  for  the  sake  of  simplicity  and  straightforward‐ism  in  the  definition  of  courses. 

Previously,  road  stretches had  to be declared  in an element‐by‐element basis, and  road  stretches 

now accommodate the need for extra‐long stretches by enabling the declaration of a variable‐sized 

stretch. Both these elements were complemented with other features to enable more realistic and 

monotonous  road  environments;  for  further  details  on  the  technical  aspects  refer  to  Annex  A: 

Changes to the simulator. 

6.1.3. Adjustments to vehicle behavior and validation procedure 

In [Por06] some users complained that the simulator’s vehicle was particularly unforgiving, especially 

the  accelerator  and  brake  pedals  behavior.  Steering  was  also  deemed  not  appropriate  for 

monotonous driving, as the minimum movement made the car steer a lot. While this behavior was a 

need in the previous work because of the sharp turns required by an urban scenario, a more tolerant 

behavior was necessary for the present work. Steering behavior was also in need for improvements, 

because one of the goals was to achieve a state of monotony, and having unforgiving steering wheel 

and pedals would imply constant attention to their settings and thus less monotony.  

Technically, changes required altering the accelerating behavior, now using logarithmic functions and 

an inner‐state 5‐speed gearbox with a set of 5 appropriate functions for determining speed in terms 

of acceleration and brake intensity; constant parameters determining accelerator and brake intensity 

are now defined  in a configuration  file and can be adjusted on a per‐user basis  if desired. Steering 

was kept  linear, but the steering sensibility can also be adjusted  in the same configuration file. For 

details on the technical aspects refer to Annex A: Changes to the simulator. 

44 

To  determine  the  appropriate  values  to  keep  for  the  usability  experiment  some  user  testing was 

made. An expedite two‐stage procedure took place for such adjustment: two persons were involved 

in  the  first  stage,  consisting  of  a  short  driving  period  on  a  small  test  course while  adjusting  the 

parameters  dynamically;  the  persons  involved  in  stage  one  and  an  extra  2 were  involved  in  the 

second  stage.  In  this  stage,  all  the  persons  involved  considered  driving was  easier  than with  the 

original definitions and that the vehicle’s behavior was acceptable when compared to that of a real 

vehicle, after appropriate training. 

6.2. Protocol The  following  section  describes  the  protocol  for  the  usability  tests,  including  details  on  the 

participants,  the  roles of each participant on  the usability  tests,  the procedure  (including  tasks  to 

perform using the comfort systems) and performance metrics. 

6.2.1. Participants 

The experiment was conducted on 14 subjects, from both sexes and divided in two categories: 

• Younger drivers: less than 40 years old and less than 20 years driving experience; 

• Older drivers: 40 years old or more and 20 years driving experience at least. 

This division by ages is based on the works [SD04] by Strayer and Drews and [Horb06] by Horberry et 

al, who  suggest  that  age may  influence  driving  performance  when  considering  distraction while 

driving and performing other tasks, and also in [BGI03] by Bengtsson et al who observed differences 

between drivers with more than 10 years of driving and those with less than that. The division in two 

classes  is  based  on  [SD04]  and  the  boundaries  between  classes were  chosen  based  on  the  study 

group (with minor adjustments taking  into account the particular volunteers for the usability tests). 

The  information concerning users’  information was collected  in a quiz presented to the driver after 

they  took  the experiment, and which  can be  seen  in Annex C: Quiz  for  the usability  tests. A more 

detailed analysis on participants can be found further on this work. 

6.2.2. Roles 

Each  test was  conducted with  2  persons  involved  in  different  roles:  the  volunteer  user who was 

driving the simulator (the driver) and an examiner who controlled several aspects of the driving task. 

The examiner’s role was played by the author of this work  in all the experiments. The driver’s role 

includes  driving  the  simulator  in  the  predefined  course;  at  the  same  time,  he  or  she  has  other 

responsibilities such as: 

45 

• Maintaining the vehicle  in a constant speed close to 80Km/h, except where the driver does 

not feel safe driving at such speed and needs to slow down; 

• Being alert to the road and the driving environment, so as to notice any strange or varying 

features; 

• Following  instructions  given  by  signaling  and  road marks  during  the  course  (for  example, 

keeping to the correct lane); 

• Performing certain tasks using the comfort systems when instructed by the examiner. 

While  the driver  is  conducting  the experiment,  the examiner asks  several questions and asks  the 

user  to perform certain  tasks using either comfort  system  in predetermined places of  the course, 

according to the form  in Annex D. Examiner form. These questions are about given features on the 

road (for example, «on which side of the road was the previous road sign?», or «what was the road 

profile on the last curve?») or about details on the stretch (e.g. «did you notice the tree next to the 

traffic sign?»). Also, the examiner takes notes on whether the answer was right or wrong, and some 

notes on the user’s behavior, especially when performing tasks.  

6.2.3. Procedure 

The procedure  for  the usability  tests consists of  three phases: an  introduction phase,  in which  the 

user  learns the simulator, a  formal test phase,  in which the driver  is evaluated  in his performance, 

and  a quiz  phase,  in which  the user  fills  in  a quiz  about  its  subjective notion of his performance 

during the usability experience. 

The  introduction phase consists of two stages.  In the  first stage, the driver  is  instructed on how to 

operate both comfort systems: with the vehicle stopped, he is given a crash course on the usage of 

both interfaces, given some tasks to perform in order to confirm the knowledge of the systems. The 

driver is instructed to only pass to the following stage when he or she feels confident about his or her 

ability to properly operate the comfort systems. In a second stage, the driver gets accustomed to the 

physical behavior of the vehicle. In this stage, he is instructed to drive along the road in a first stretch 

which occurs  in an urban scenario with a  lot of sharp curves to get the driver comfortable with the 

sensibility  of  the  steering wheel  and  the  accelerator  and  brake  pedals. Once  again,  the  driver  is 

instructed to only pass to the next stage when feeling confident with his or her driving skills. After 

these two stages, the usability experience itself is initiated. 

The  formal  test phase  is divided  into several stretches and sections as mentioned before. The  first 

section on every stretch has the purpose of inducing the driver into a monotonous state, as well as to 

assert that monotony state and, in the stretches where the user is performing tasks, to compare his 

46 

or her behavior with the stretch in which the only task is driving; the second section on each stretch 

aims at observing the driver’s behavior while in a monotonous state and road elements change. Each 

section  is  planned  to  be  driven  through  in  approximately  5 minutes.  In  the  second  section  of  all 

stretches, the questions and tasks (when applicable) are predetermined; in the first section, random 

questions and tasks may be introduced if necessary, to get the driver in the mood for the test. 

During this phase the examiner remains silent (except when instructing the driver to perform tasks or  

asking questions about the road environment) and the driver remains silent except when answering 

questions or if he or she has a doubt concerning the test. 

The third phase of the procedure consists in filling a quiz on the subjective opinion on the experiment 

conducted.  This quiz  includes questions  concerning perceived  attention  to  the environment while 

driving,  perceived  influence  of  the  tasks  involving  the  comfort  systems  in  the  driving  task  and 

perceived difference between attention levels while using either one of the interfaces. The quiz used 

can be consulted in Annex C: Quiz for the usability tests. 

6.2.4. Tasks using the comfort systems 

One set of tasks was used during the experiment: the same set was used all the times the driver was 

required to perform tasks using the comfort systems, to avoid differences in performance concerning 

different  tasks.  The  tasks were  carried  out  upon  request when  the  driver  reached  specific  places 

along the course. The set of tasks is based on the set used in [Por06] and include: 

• Changing the sound volume on the radio (either decrease or increase); 

• Changing the climate control fan speed (either decrease or increase); 

• Changing where the air flow is aiming (either feet and body or windshield); 

• Changing the radio frequency to a given preset (from 1 to 6) or to a given frequency; 

• Changing the climate control temperature (either increase or decrease). 

The actual tasks to perform depended on the actual state of the comfort system  (e.g.  if the sound 

volume was set to the maximum, the task will implicate decreasing the sound volume). A  list of the 

actual tasks, as well as the indication of when/where they are performed is available on the Annex D: 

Examiner form. 

6.2.5. Performance metrics 

Performance was measured  considering  two aspects: determination of  the monotony  state of  the 

driver and comparison between attention  levels while simply driving and while using either of  the 

comfort systems’  interfaces. The metrics used are speed, side deviation  in given stretches of road, 

47 

user  input on  the driving equipment  (pedals and  steering wheel), attention  (or not)  to  changes  in 

road  environment,  driving  errors  (collisions,  leaving  the  correct  lane,  etc.)  and  task  completion 

performance.   

Speed and side deviation aim mostly at determining if the driver is in a monotonous state. According 

to  [Hawo98]  these  are  some  of  the measures  of  fatigue  while  driving,  and  as  seen  in  previous 

sections  fatigue  can  be  related  to  the  psychological  dimension  of monotony,  thus  being  a  good 

metric for the state of monotony of the driver. Average speed is also used by Horberry et al in order 

to know whether  the user  is paying attention  to  the driving  task  [Horb06], while  side deviation  is 

used  by  [TB03]  in  order  to  test  for  reactions  to  slowly  developing  driving  errors  in monotonous 

driving.  To  simplify  the  processing  of  the  information,  these metrics will  be  analyzed  in  specific 

stretches of the course (the 3x2 sections, as mentioned previously), rather than in the whole course. 

Pedals and steering wheel behavior also provides a source of  information on the driver’s behavior. 

From this information it can be seen whether the user keeps constant pressure on the pedals or, on 

the contrary,  it keeps making small adjustments, allowing the determination of whether the user  is 

behaving monotonously or is in an attentive state. 

The  attention  to  changes  to  road  environment  again  aims  at  determining  if  the  driver  is  in  a 

monotonous  state. This particular metric has  the  specificity of being user‐dependent with  its pros 

and cons, given that for one hand it tends to keep the user alert to the road environment but on the 

other hand it enables us to suggest a monotonous state given certain trends in the drivers’ behavior 

(e.g., if he tends to detect less changes as the time goes by). 

Driving  errors  are  a metric  that was used  in  [Por06]  to  simply  evaluate driving performance.  The 

number  of  driving  errors  itself  does  not  yield much  information,  but  associating  the  number  of 

driving errors to the part of the course where they occur can provide useful  information about the 

attention  the driver pays  to  the  road. Errors are  identified as whether occurring while  the user  is 

simply driving or whether he or she  is performing  tasks on either system. Errors are classified  in 2 

classes:  

• Class A  errors:  errors  that  compromise  road  safety  but  are  not  associated with  an  actual 

hazard  (e.g. diverting  to  the wrong  lane or  to  road  shoulders,  reaching an excessively  low 

speed – below 40Km/h in regular roads with no obstacles); 

• Class  B  errors:  errors  that  compromise  road  safety  and  are  associated  with  an  actual 

hazardous situation (crashes, sudden pushes to the brake pedal); 

48 

A subjective appreciation of the reaction to the changes placed  in the scenario was also taken  into 

account when evaluating these aspects. Although subjective,  it takes  into account aspects  like time 

of reaction, the nature of the reaction (if any) and if the user is able to keep driving safely during and 

after the reaction to changes. 

Finally, task completion performance is measured by taking notes on whether a given task using the 

comfort system is correctly performed, either in the traditional and the integrated systems. The time 

to perform a given task is not taken into account, as it is already known that tasks with the integrated 

system take longer to accomplish (e.g. from the conclusions in [TJT05] and [Por06]). 

Some of the metrics correspond to values that are logged by the simulator, such as: 

• Instantaneous speed; 

• XYZ coordinates of the vehicle; 

• Stretch in which the vehicle is at a given time; 

• Pressure on the accelerator and brake pedals; 

• Angle of rotation of the steering wheel. 

49 

7. Results and analysis Results from the usability tests come from several sources: the log files, created for each course, the 

examiner form and the user quiz; the first accounts for data collected from the simulator, the second 

data was gathered by the examiner during the test, from observation of user reactions and behavior, 

and the last one reflects the users’ opinion on the test. Many possible analyses can be made from the 

available  data:  only  the  ones  considered  useful  for  the  discussion  in  hands  are  presented  in  this 

section. 

As mentioned  earlier, data  logged by  the  simulator  includes  instantaneous  speed, position  in  the 

scenario  (XYZ  coordinates),  amount of pressure on  the  accelerator  and brake pedals  and  steering 

wheel  turn  angle;  the  examiner  form  includes  data  about  attention  flaws  during  the  course  and 

errors  in  performing  the  tasks  using  the  comfort  systems;  the  user  quiz  assesses  the  subjective 

opinion  about  concentration  needs  and  perceived monotony  during  the  course.  These  data were 

used  for  two  distinct  purposes:  for  establishing  that  users  reached  a  state  of monotony  and  to 

observe their behavior in presence of such state, taking into account both the details on the course 

they were  supposed  to  take notice of  and  comparing  the  attention  levels when  the users  limited 

themselves  to  driving  or when  they were  using  one  of  the  two  comfort  systems  interface while 

driving. This section attempts to provide a comprehensive analysis of the data collected, focusing on 

the results yielding information that is useful to some degree. 

7.1. Sample population Users in this test are of both genders and are aged between 21 and 63 years old, with driver’s license 

time between 1 and 40 years. Figure 6.1 shows the distribution of the sample population both by age 

group and gender and age group. 

         

Figure 7.1. Charts illustrating the distribution of the sample population by gender and age groups. 

012345678

[18, 15] ]25,40] ]40, 55] ]55, …[

Num

ber o

f elemen

ts

Sample population  by age group

0

1

2

3

4

5

6

Male Young Male Old Female Young Female Old

Num

ber o

f elemen

ts

Sample population  by gender and age group

50 

Two age groups are considered: the young age group was constituted by 9 persons (5 males and 3 

females) aged 21 through 32 and with a driver’s  license since 1 to 14 years; the old age group was 

constituted  by  5  persons  (3 males  and  2  females)  aged  42  through  63  and  having  had  a  driver’s 

license since 24 to 40 years. Gender distribution was almost balanced both on the sample population 

(8 males against 6  females) and  in both age groups  (5 males and 4  females  in  the young group; 3 

males and 2 females in the old group).  

7.2. Log data Log  data  are  recorded  every  half  second  and  the  logging  period  is  divided  in  6  stretches.  These 

stretches are numbered as 11, 12, 21, 22, 31 and 32:  the  first digit denotes  the driving variant  (1: 

driving  task  only;  2:  driving  and  performing  tasks  using  the  traditional  interface;  3:  driving  and 

performing  tasks using  the  integrated  interface) while  the  second digit denotes  the nature of  the 

stretch  (1:  monotony  control  stretch;  2:  stretch  in  which  tasks  are  performed  and  question 

concerning the course are asked). With this  in mind,  it  is reasonable to use the data from stretches 

11, 21 and 31 to determine if the driver is in a state of monotony, and data from stretches 12, 22 and 

32 to analyze the driver’s behavior in presence of other elements in the road. 

7.3. State of monotony Determination of a state of monotony  is done  taking  into account  the data on  the users’ behavior 

while driving on  the purely monotonous stretches  (11, 21 and 31). These stretches consist of  long 

straight  roads  with  unchanging  profile  (single  carriageway,  one  lane  in  each  direction)  and  no 

roadside features at all. In these stretches, users are simply required to maintain the speed close to 

80 Km/h and keep the vehicle in the correct lane. In these conditions users are expected to reach a 

state of monotony characterized by diminishing attention  to vehicle behavior,  including unwanted 

speed and side deviation variations. 

For each stretch considered (of a total of 14x6 stretches) 2 charts were made to compare the logged 

variables. Chart A plots instantaneous speed and accelerator pedal pressure in terms of elapsed time, 

chart B plots  side deviation  (X or Z, whichever  represents  the  transversal axis) and  steering wheel 

position in terms of elapsed time. Figure 7.2 (in the next page) shows the 6 charts plotted for a given 

user for the monotony control stretches, as an example of what can be seen in the charts. 

After  observing  the  charts,  two  good  indicators  of  what  a  monotony  condition  can  be  were 

determined:  the  inability  to maintain  a  constant  speed  (by  increasing  or  decreasing  it  too much 

without acknowledging it) and the inability to keep the vehicle in a straight line. 

51 

 

 

   

Figure 7.2. Charts plotting speed and accelerator pedal pressure (A, right column) and side deviation and steering wheel position (B, left column) for each of the 3 monotony control stretches (each row). 

In Figure 7.2., accelerator units are expressed  in a scale from 0 to 200, where 0  is the rest position 

and  200  is  the  maximum  pressure.  Steering  wheel  rotation  is  expressed  in  percentage  of  the 

maximum turn angle: given that the maximum turn angle is of about 90° in each direction, ‐100 is a 

rotation of 90° to the left, 0 is the rest position and 100 is a rotation of 90° to the right. Side deviation 

is expressed in OpenGL units, whereas 1 OpenGL unit equals 0.5 meters at real world scale. 

0

50

100

150

200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

05:36.9 06:36.9 07:36.9 08:36.9

Accelerator

Spee

d (Km/h)

Elapsed time (mm:ss.)

Stretch 11

Speed (t) Accelerator pedal  (t)

‐20

0

208235

8257.5

05:36.9 06:36.9 07:36.9 08:36.9

Stee

ring

 whe

el rotation (%

 of max angle)

Side

 deviation

 (Ope

nGL un

its)

Elapsed time (mm:ss.)

Stretch 11

Side deviation (t) Steering wheel position (t)

0

50

100

150

200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

15:32.7 16:32.7 17:32.7 18:32.7

Accelerator

Spee

d (Km/h)

Elapsed time (mm:ss.)

Stretch 21

Speed (t) Accelerator pedal  (t)

‐20

0

2017595

17617.5

15:32.7 16:32.7 17:32.7 18:32.7

Stee

ring

 whe

el rotation (%

 of max angle)

Side

 deviation

 (Ope

nGL un

its)

Elapsed time (mm:ss.)

Stretch 21

Side deviation (t) Steering wheel position (t)

0

50

100

150

200

0

20

40

60

80

100

120

140

160

25:12.9 26:12.9 27:12.9 28:12.9

Accelerator

Spee

d (Km/h)

Elapsed time (mm:ss.)

Stretch 31

Speed (t) Accelerator pedal  (t)

‐20

0

20‐12183.7

‐12159.4

‐12135.1

25:12.9 26:12.9 27:12.9 28:12.9 Stee

ring

 whe

el rotation (%

 of max angle)

Side

 deviation

 (Ope

nGL un

its)

Elapsed time (mm:ss.)

Stretch 31

Side deviation (t) Steering wheel position (t)

52 

7.3.1. Speed monotony 

The  first  indicator,  which  is  obtained  based  on  the  chart  plotting  speed  and  accelerator  pedal 

pressure,  shall be  called  “speed monotony”. This  indicator  is essentially obtained by  counting  the 

number of periods  in which  the driver  is  either  letting  speed  increase or decrease  too much but 

keeps a constant accelerator pedal pressure, as such behavior can be assumed as unconscious; this 

can be followed or not by a sudden release or full press on the accelerator pedal. 

Some assumptions are made on this indicator. First, there has to be a reasonable minimum time for 

such behavior to be counted as monotonous (because no driver can keep the car at a constant speed 

at  all  times,  slight  variations occur!);  after observation of  the  charts,  a period of  10  seconds was 

considered  enough,  as  it  corresponds  to  a distance of 225 meters  at  the  recommended  speed of 

80Km/h,  and  although  being  10  seconds  a  high  enough  value  to  qualify  for monotony,  it  is  still 

possible to have almost 20 such periods in each stretch for each user. Second, speed variation has to 

diverge from the recommended speed of 80Km/h – if a user is able to keep the speed constant it is 

not  certain  that he  is  in monotony, he  can  just be  good  at  it;  also,  if  a user  is  converging  to  the 

recommended speed, even if slowly, the occurrence of monotony is not certain for the same reason. 

Third, the minimum threshold for considering the user  is entering a “speed monotony” period  is of 

more or  less 10 Km/h with  an  accelerator pedal pressure  variation of more or  less  than 25 units 

(12,5%) allowing for sensibility issues. 

 

Figure 7.3. Chart showing valid (A, B and C, green) and invalid (D, E, F and G, red) “speed monotony” periods. 

Figure 7.3 shows the chart for stretch 11 of a given user, illustrating which periods are considered of 

“speed monotony”  and which  ones  are  not.  Period  A  shows  a  behavior  similar  to  the  expected 

53 

normal behavior, in which the driver keeps a speed close to 80 Km/h although slightly changing (in a 

30 second period the speed changes between 65 and 75 Km/h), while maintaining a regular pressure 

on the accelerator pedal (except for some periods  in which the accelerator  is released and pressed 

again, but this has to do with the way each user controls the vehicle). 

Periods  B,  C  and  D  represent  “speed monotony  periods”:  in  period  B,  the  driver  lets  the  speed 

increase to more than 100Km/h while keeping the accelerator almost constant, and at the end the 

driver  releases  the  accelerator  pedal  and  speed  starts  decreasing;  period  C  is  a  new  “speed 

monotony”  period  because, while  losing  speed,  the  driver  presses  the  accelerator  again,  but  not 

enough to keep the desired speed, and speed keeps decreasing until the end of period C, when the 

driver accelerates again to regain control; period D again is a “speed monotony” period because for 

some reason the driver decides to release the accelerator pedal and lets speed decrease to near 50 

Km/h, after which the driver presses the accelerator again to regain control. 

Periods E, F and G show periods that appear to be “speed monotony” periods, but are not. Periods E 

and F show the vehicle’s speed decreasing constantly, but  the decrease  is  less than 10 Km/h away 

from the recommended speed and is considered simply speed adjustment behavior; period G shows 

a decrease in speed slightly bigger than 10 Km/h but because it happens around the recommended 

speed, it is again considered as speed adjustment behavior. So this chart shows three periods, period 

B with a total  length of 30 seconds, and periods C and D with approximately 10 seconds each. This 

accounts for 5 “speed monotony” periods. 

  All  Young Old Stretch 11 3.2 2.7 4.2Stretch 21 4.1 4.1 4.0Stretch 31 4.6 3.6 6.0Global  10.9 9.1 14.2

Table 7.1. Average number of “speed monotony” periods by age group and by stretch. 

Table 7.1. shows the average number of “speed monotony” periods by stretch and by age group. As 

can  be  observed,  the  average  number  of  “speed monotony”  periods  is  between  3  and  6  for  all 

stretches  and  considering  the  global  stretch,  slightly  smaller  among  the  young  users  and  a  little 

higher  among  the  old  users  (except  for  stretch  21).  This  is  a  good  indicator  that  the  course  is 

monotonous, because  in average users spend a  total of near 110 seconds  (11 periods)  in a “speed 

monotony” condition, more than 18% of the global stretch (considering the stretches are designed to 

take 3x200 seconds to traverse at the recommended speed of 80Km/h). 

54 

 

Figure 7.4. Chart depicting the number of users having “speed monotony” period in terms of stretches. 

It is interesting to look at these data through a slightly different perspective: the number of persons 

who happen to have a given number of “speed monotony” periods in each stretch. Figure 7.4 shows 

the  chart  for  this  perspective, with  the  number  of  users  experiencing  a  given  number  of  speed 

monotony periods in each stretch, as well as a global average for the 3 stretches. 

As seen in the figure 7.4, the number of users experiencing 0 or 1 “speed monotony” periods in each 

stretch  is  significantly  less  than  the  two  other  categories  and  similar  to  the  number  of  users 

experiencing more than 8 such periods. Also, globally, most users experience between 2 to 7 “speed 

monotony” periods per stretch, which translates to 85% of the users spending between 10% and 35% 

of the total course time in “speed monotony”. 

7.3.2. Side deviation monotony 

The second  indicator, obtained  from  the chart plotting side deviation and steering wheel position, 

shall be called “side deviation monotony”. This indicator essentially counts the number of periods in 

which the driver is letting the vehicle deviate from the center of the lane while keeping the steering 

wheel in a constant position; this can be followed or not by a sudden turn of the steering wheel and a 

zigzagging behavior for a brief period. Again some assumptions are made on this indicator. First, the 

minimum period of time for such behavior to be counted as monotonous  is of 10 seconds. Second, 

the deviation must  take place without  relevant movements  to  the steering wheel  (in which case  it 

could  be  interpreted  as  lack  of  steering  sensibility  by  the  user).  Third,  such  behavior  must  be 

followed by an adjustment  to  the direction  resulting  in  sharp  steering wheel movement  (that  can 

indicate the driver suddenly realizing the vehicle was diverting). 

0

2

4

6

8

10

12

[0,1] [2,4] [5,7] [8,…[

Num

ber o

f users

Number of speed monotony periods

Number of users having speed monotony periods in terms of stretches

Stretch 11

Stretch 21

Stretch 31

Global Average

55 

 

Figure 7.5. Chart showing 2 valid (A and B) “side deviation monotony” periods. 

Figure 7.5 shows the chart for stretch 31 of a given user, illustrating the periods considered of “side 

deviation monotony”. Both periods A and B exhibit the above behavior, as the user deviates towards 

the lane limit while keeping the steering wheel at a constant position. Between periods A and B the 

adjustment  is  exaggerated  and  in  period  B  the  vehicle  starts  deviating  in  the  opposite  direction, 

causing the  intense adjustments that follows period B. Period A  lasts for approximately 50 seconds 

and  period  B  lasts  for more  or  less  10  seconds,  accounting  for  5  +  1  “side  deviation monotony” 

periods in this stretch for this user. 

  Global  Young  Old Stretch 11 4.9 4.5 5.5Stretch 21 5.4 4.0 7.5Stretch 31 6.1 5.8 6.5Global  16.4 14.3 19.5

Table 7.2. Average number of “side deviation monotony” periods by age group and by stretch. 

Table 7.2  shows  the average number of “side deviation monotony” periods by  stretch and by age 

group. As  can be observed,  the  average number of  “side deviation monotony” periods  is  roughly 

between 5 and 6, being slightly lower for the young group and slightly higher for the old group. Again 

this is a good indicator of a monotonous course, because on average users spend near 165 seconds 

(16.5 periods) in a “side deviation monotony” condition, more than 27% of the global stretch (again 

considering the stretches are designed to take 3x200 seconds to traverse at the recommended speed 

of 80Km/h). 

56 

Figure 7.6  shows  the  chart  for  the number of users who have  a  given number of  “side deviation 

monotony” periods in each stretch, as well as a global average for the 3 stretches. 

 

Figure 7.6. Chart depicting the number of users having “side deviation monotony” period in terms of stretches. 

As  seen  in  the  above  figure,  the  number  of  users  experiencing  0  through  4  “side  deviation 

monotony” periods  is much  less  than  the number of users experiencing 5 or more such periods  in 

every stretch (except for stretch 21, where this number  is roughly equal). Also, globally, most users 

experience between 5 and 7 “side monotony deviation” periods per stretch, translating to 70% of the 

users spending from 25% to 35% of the total course time in “side deviation monotony”. 

The results obtained with these two indicators are coherent with the users’ perceived opinion on the 

course, as 13 out of 14 users considered it to be monotonous. 

7.4. Behavior while in monotony The  following  section  attempts  to  compare drivers’ behavior when  just  driving with  the behavior 

when  performing  tasks  using  one  of  the  comfort  systems, while  in  a  state  of monotony.  Several 

indicators are used for this purpose, and they are presented here. 

It  is  important  to say  that  in stretches 12, 22 and 32  the analysis of monotony patterns gives very 

little information, as the stretches have curves and obstacles exist at certain places, forcing the user 

do  take  detours  and  causing  speed  and  route  changes. However,  certain  indicators  are  useful  in 

understanding  drivers’  behavior  on  such  stretches  and  comparing  it with  the  behavior  in  straight 

stretches 11, 21 and 31. 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

[0,1] [2,4] [5,7] [8, …[

Num

ber o

f users

Number of side deviation monotony periods

Number of users having "side deviation monotony" periods in terms of stretches

Stretch 11

Stretch 21

Stretch 31

Global Average

57 

7.4.1. Mean and minimum speed 

When comparing the mean and minimum speeds in the set of stretches 11, 21 and 31 with the mean 

and minimum speeds  in each of the stretches 12, 22 and 32, some  interesting results are obtained. 

Figure 7.7 shows the chart for the mean speed in the those stretches while figure 7.8 shows the chart 

for the minimum speed in the same stretches, both in terms of age groups. 

 

Figure 7.7. Mean speed in stretches in terms of age group. 

 

Figure 7.8. Minimum speed in stretches in terms of age group. 

Stretches are named according to their use  in the usability test: stretches 11, 21 and 31 count as a 

single “Just Driving” stretch; stretch 12 is the “Driving & Attention” stretch because in it the driver is 

asked questions about the surrounding environment; stretch 22 and 32 are respectively the “Driving 

& Traditional” and “Driving and Integrated” stretches because when in it, in addition to the questions 

asked, the users must perform tasks using one of the interfaces. 

60

65

70

75

80

85

90

Just Driving Driving & Attention

Driving & Traditional

Driving & Integrated

Spee

d (Km/h)

Mean speed in stretches, by age groups

General

Young

Old

05101520253035404550

Just Driving Driving & Attention

Driving & Traditional

Driving & Integrated

Spee

d (Km/h)

Minimum speed in stretches, by age groups

General

Young

Old

58 

Figure 7.7  suggests  that  speed decreases when  the cognitive  load  increases: when  just driving  the 

average speed  is higher,  it decreases a  little when the user starts paying attention to details  in the 

surrounding environment and decreases even more when the user starts using the comfort systems. 

This behavior is visible whether considering the whole sample population or when considering each 

individual age group. The difference  in mean  speeds between  stretches when using each  comfort 

system interface is small for the whole population, with the average speed being a little higher when 

using the traditional system for the young group and a little higher when using the integrated system 

for  the old group. Additionally, when  just driving,  the young group kept an average  speed  slightly 

higher than the recommended 80 Km/h, while the old group kept a slightly lower speed. 

The analysis of the minimum speed chart in figure 7.8 is similar to that of the mean speed: minimum 

speed tends to decrease when the cognitive load increases. The only abnormal behavior appears to 

be that of the old group in the “Driving & Attention” stretch, but this can be due to the limitation on 

the statistical behavior of this group, because of its reduced number of elements. 

Both these indicators (mean and minimum speed) can be interpreted as meaning that when the user 

is confronted with a greater cognitive load he tends to let the vehicle lose speed, causing it to reach 

lower average and minimum speeds. 

7.4.2. Attention flaws 

First we will analyze the figures concerning attention flaws during the course. Attention flaw, in this 

context,  refers  to elements or  characteristics of  the  course  the user  is expected  to  take notice of 

(which he or she was warned about before the beginning of the usability test and during the practice 

stretch) but was unable to see or correctly identify. Examples of attention flaws can be not noticing a 

given traffic sign, not noticing a different tree on the road shoulder, etc.  

Figures 7.9 and 7.10 show the comparison, for each user, of the number of attention flaws observed 

in the 3 tested situations (just driving, driving and using the traditional comfort system, driving and 

using the  integrated comfort system). The charts  in  figure 6.9 show the comparison globally, while 

the charts in figure 6.10 address also age groups. The value chosen for the “equal” category does not 

correspond to 0%, as it would not be representative of small differences in behavior and because the 

number of possible attention flaws close to 10 for each of the 3 situations it would result in a useless 

metric. The margin considered for the equal value was set to 7%, empirically, considering the values 

for each difference. The charts plot the histogram for the difference in percentage between attention 

flaws  in  the  situations considered; negative values correspond  to a better performance of  the  left 

value,  positive  values  correspond  to  a  better  performance  of  the  right  value.  The  plotted  charts 

already take this into account. 

59 

 

 

Figure 7.9. Charts comparing the number of users performing better in each combination of situations.  

 

  

Figure 7.10. Comparing the number of users performing better in each combination of situations by age group. 

02468

10

Best when  just driving

Equal behavior      [‐7%,7%]

Best when using traditional

Num

ber o

f users

Attention flaws comparison

02468

10

Best when  just driving

Equal behavior      [‐7%,7%]

Best when using integrated

Num

ber o

f users

Attention flaws comparison

02468

10

Best when using traditional

Equal behavior      [‐7%,7%]

Best when using integrated

Num

ber o

f users

Attention flaws comparison

60 

Looking  at  figure  7.9,  one  can  see  that when  comparing  the  behavior while  just  driving with  the 

behavior while  driving  and  using  the  traditional  comfort  system,  the  population  is  almost  evenly 

distributed:  the  highest  bar  is  the  one  corresponding  to  the  equal  behavior,  and  the  difference 

between  users who  performed  better  while  just  driving  and  those who  performed  better while 

driving and using the traditional system is small, with little advantage to the behavior while using the 

traditional  system.  This  suggests  that  a  given user had no  significant difference  in  the number of 

attention flaws between when just driving and when using the traditional system. 

The difference  in behavior  is quite different when  comparing  the  situations  in which  the user  just 

drives  and when  he  or  she  uses  the  integrated  comfort  systems,  or when  comparing  the  user’s 

behavior when using either comfort system:  in both cases,  the user has  less attention  flaws when 

using the  integrated system, therefore showing better behavior. There are some users who behave 

better when using the traditional system when comparing with the integrated system, but none who 

behaves better when just driving. This is quite a surprising observation, especially when considering 

the integrated system has a much greater mental workload [BGI03].  

This can be explained by  the  fact  that  the driver’s awareness of  the demanding nature of  the  task 

causes him or her to be more alert to the surrounding environment and thus has less attention flaws; 

this way,  the number of attention  flaws decreases as  the mental workload  increases, because  the 

user gets more aware of the surrounding environment and that it can change unexpectedly.   

When  looking  at  the  same  comparisons  separated  by  age  group,  in  figure  7.10,  the  same  global 

tendency remains: the behavior while using the integrated system is better than when just driving or 

when using the traditional system, and the difference between just driving and using the traditional 

system  is small, but with a slightly better behavior while using the traditional system. However, old 

users  tend  to perform better when  just driving  than young users, and  tend  to  the equal behavior 

when comparing  just driving with using  the  integrated  interface. This can be explained by  the  fact 

that old users tend to have more limited skills and thus the usage of such interfaces tends to go from 

“monotony” to “overwhelming” and the concepts of distraction in [Por06] take place. 

Comparing  the  logged  behavior  in  terms  of  attention  flaws with  user  awareness  of  the  attention 

devoted to driving  in these situations  is also  interesting. Figure 7.11 shows the chart  for the users’ 

perceived attention to the course in the situations mentioned previously, as obtained from the user 

quiz. 

61 

 

Figure 7.11. Users’ perceived attention to the course. 

As  can  be  seen  in  figure  7.11,  half  the  users  considered  themselves  to  be more  attentive  to  the 

course while driving and performing tasks using the comfort systems, whereas a little more than 25% 

considered themselves more attentive while  just driving. This  is coherent with the  logged behavior, 

especially when comparing the behavior while just driving with the behavior while driving and using 

the integrated interface. 

7.4.3. Task errors 

Task errors are defined in this work as the inability to complete the task at hand, using the comfort 

system, or not being able to complete the task before the next task was to be performed. Users were 

expected to perform a total of 14 tasks, 7 tasks using either system. The number of tasks with error 

per user can be seen in the chart in figure 7.12. 

   

Figure 7.12. Charts depicting the number of users in terms of tasks with error and age groups. 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Best when just driving Identical Best when driving & tasks

Num

ber o

f users

Users' perceived attention to the course

62 

A closer look at figure 7.12 shows that the number of users committing errors when performing tasks 

with  the  traditional  system  is  much  lower  than  the  number  of  users  committing  errors  when 

performing  tasks  with  the  integrated  system.  11  out  of  14  users  made  no  mistakes  using  the 

traditional  interface, while  10  out  of  14  users made  one  or more mistakes  using  the  integrated 

interface. The distribution is very similar when looking at the sample population as a whole and when 

looking at any of the age groups. 

Another interesting result is observed when comparing the difference between the number of errors 

a given user makes using each comfort system interface: while a  little less than half the users make 

the  same  number  of  mistakes  in  either  interface,  the  other  half  makes  more  errors  using  the 

integrated  interface; no single user makes more mistakes using the traditional  interface than using 

the  integrated  interface.  This  is  expected  behavior  based  on  [Por06],  [BGI03]  and  others,  but 

together  with  the  results  from  the  attention  flaws  provides  a  better  explanation  for  the 

phenomenon:  as  the user  is more  concerned with  the obstacles  that might  show up on  the  road 

while using the integrated system, it dedicates more cognitive skills to actually driving and watching 

the  road,  sacrificing  the  accessory  task  of  using  the  comfort  system.  This  is  a  strong  result  that 

suggests that using the integrated interface has a more intense effect in breaking the monotony than 

using  the  traditional  interface, as  it makes users more attentive  to  the  road environment, even  if 

they  can  not  correctly  perform  the  desired  task.  This  behavior  is  coherent  with  the  perceived 

behavior by users,  as 9 out of 14  considered  that using  the  integrated  interface demanded more 

concentration  than  using  the  traditional  system  to  perform  the  same  tasks,  thus  implying  the 

integrated interface was more error‐prone than the traditional one. 

63 

8. Conclusions The results obtained from the experiment point to several conclusions. The first and foremost is that 

the simulator was able to achieve the proposed goals, because it induced most drivers into a state of 

monotony during the course. Remembering the use of two  indicators, “speed monotony” and “side 

deviation monotony”,  in average 18% of  the  control  stretch  time was  spent  in “speed monotony” 

and 27% in “side deviation monotony”; additionally, 85% of the users spent from 10% to 35% of the 

control  stretch  time  in  “speed monotony”  and  70%  of  the  users  spent  from  25%  to  35%  of  the 

control  stretch  time  in  “side deviation monotony”. Also, 92% of  the users  found  the  course  to be 

monotonous and tedious, which is a good indicator that drivers were indeed in a state of monotony. 

We  were  able  to  conclude  that  there  are  differences  in  behavior  when  a  driver  in  a  state  of 

monotony  is  confronted  with  a  varying  surrounding  environment:  as  cognitive  skills  demands 

increase  a  decrease  in mean  speed  is  observed,  as  drivers  attempt  to  compensate  for  the  new 

demands. Minimum speed also decreases as users lose trust in their capabilities and attempt to drive 

safer. 

The  use  of  the  comfort  systems  interfaces  forces  the  user  to  be more  aware  to  the  surrounding 

environment as he becomes conscious of the demanding nature of the task. Drivers’ attention levels 

are higher when  the  tasks demand greater mental workload, as  less attention  flaws are observed 

while  the  users  drive  and  perform  tasks  using  the  integrated  interface  than  when  using  the 

traditional interface or than simply driving. On the contrary, more attention flaws are observed when 

comparing the “just driving” situation with when the driver uses the traditional system. This might be 

due to de decreasingly demanding nature of the tasks: as users are more accustomed to using the 

traditional  interface, the cognitive  load  is  lower than when using the  integrated  interface, and even 

lower when  using  none  of  them.  Users  have  a  perception  of  this  difference, with  half  of  them 

considering their attention  levels higher when driving and performing tasks, and more than 70% at 

least considering their attention levels equal or higher. 

However, more attention to the road and its environment translates into less accuracy in performing 

tasks, as the number of errors and unaccomplished tasks while using the integrated interface is much 

bigger  than  that  of  the  traditional  interface. Once  again  users  show  a  correct  perception  of  this 

difference, as the majority of them considered that using the  integrated  interface demanded more 

concentration than using the traditional one. 

When comparing the two age groups,  it  is possible to realize that older users drive slower  in every 

situation, are more  susceptible  to monotony as  they  spend  larger amounts of  time  in each of  the 

64 

monotony states suggested by the indicators – this is consistent with the results in [SD04]. They also 

perform worse when using the comfort systems than the young, both in terms of attention flaws and 

in terms of task accuracy, as it is possible that in such situations they go from a “monotony state” to 

an “overwhelming state”, getting this age group closer to the study in [Por06]. 

8.1. Possible future improvements Future work on this subject should take place because some of the conclusions stated herein could 

be  stronger  if  the  investigation  had  been made with  other  conditions.  Improvements  in  the  test 

procedure  could  be  of  2  distinct  natures:  one more  concerned with  the  technical  aspects  of  the 

simulation, the other concerning the part of the usability tests in this work. Also, this work could be 

driven to follow new directions, considering aspects  like roadside furniture and external distracting 

elements as a way to decrease monotony in the situations studied. 

On  the  technical  improvements  to  the present work,  it would be  important  if  the  tests  could be 

redone  in  a more  realistic  simulator,  like  the  NADS  simulator  from  the  National  (United  States) 

Highway Traffic Safety Administration or  the UCF Driving Simulator  from  the University of Central 

Florida. More  important than the use of a more realistic simulator  is the use of the actual comfort 

systems available  (both  integrated  like  iDrive or MMI and  traditional  from different brands) which 

can only be done in a simulator that uses a car body or, at least, the car console integrated with the 

simulator.  The  use  of  a  more  realistic  simulator  would  also  provide  for  additional  metrics  for 

comparison  (like  the  use  of  direction  lights  in  crossroads  or  the  awareness  of  changing  lighting 

conditions),  better  mistake  determination  (like  determining  distance  to  shoulders  or  lane  limit 

crossing)  and  testing  the  reaction  to  a  larger  variety  of  hazards  like  other  vehicles,  animals, 

pedestrians, etc, as well as making the courses less repetitive albeit still monotonous. 

The use of sound effects and the study of how sound may influence highway hypnosis would also be 

of  interest. On the one hand, modern automobiles are greatly soundproofed and the sounds of the 

car engine and the friction between tires and the road are but discrete humming sounds, which are 

known  to  induce  fatigue.  In  fact, countries everywhere  [Hawo98] are  introducing  rumble  strips on 

the  shoulder marks, using  sound  to maintain drivers alert  to  the  road environment. On  the other 

hand,  the  influence of  the  sound  coming out of  the entertainment  systems  should be  studied, as 

people are known to put the volume  levels on their radios high when  in fatigue, attempting not to 

fall asleep. 

In terms of usability testing, future tests should take longer time (probably a couple of hours, which 

would probably imply the need for paid volunteers) and involve a larger set of users. The set of tasks 

should be more diverse  (which would be easy using  the actual devices  instead of emulations) and 

65 

especially,  these usability  experiences  should be made  in  cooperation with  traffic  authorities  and 

traffic  safety  institutions  (which  do  not  exist  in  Portugal)  and  also  in  cooperation  with medical 

schools to better deal with the psychomotor aspects of the subject. 

In  this  work  it  was  concluded  that  the  demanding  nature  of  the  accessory  task  (using  comfort 

systems) somehow compensates for the under‐demanding nature of the road environment, leading 

attention  levels  to  where  it  is  required.  It  is  interesting  to  remember  that  studies  like  the  one 

described  in  [Horb06]  consider  that  the  amount  of  visual  information  from  the  surrounding  road 

environment  is another cause of driver distraction. This author points out that drivers inadvertently 

spend  considerable  time  looking  at  roadside  advertising,  which  can  become  a  hazard  in  driving 

situations where no distraction is allowed. The referred work is, indeed, a study on the influence of 

both  in‐vehicle  (interior) and exterior distracting elements on  the driving  task. However, as  it was 

seen in the present work that some of the factors that can induce distraction in presence of an over‐

demanding  task  (like  using  comfort  systems  interfaces while  driving) may,  in  the  context  of  road 

monotony and under‐demanding  tasks, return  the driver  into controlled‐mode driving,  thus having 

an opposite effect. In this context, it would be interesting to study the influence of roadside furniture 

together with  the  influence  of  internal  distracting  elements  in  the  driving  task,  combined with  a 

monotonous  road environment. This study would be similar  to  the one described  in  [Horb06] but, 

instead of being  concerned with distraction  and  the driver being overwhelmed by  the distracting 

factors, this new study would be focused on road monotony and the possibility of using these factors 

to reduce driving safety risks. 

66 

Bibliography [AutoWe00]  –  Voice  Recognition  For  BMW  7  Series,  in  autoweb.com,  seen  on  2007/06/26  at 

http://www.autoweb.com.au/cms/newsarticle.html?&start=45&showall=&id=BMW&doc=bmw0003

035 . 

[BGI03]  –  P.  Bengtsson,  C. Grane  and  J.  Isaksson, Haptic/Graphic  Interface  for  In‐Vehicle  Comfort 

Functions‐ a  Simulator Study and an Experimental Study,  in   Proceedings of  the  IEEE  International 

Workshop on Haptic, Audio and Visual Environments and their Applications 2003, pp. 25‐29. Ottawa, 

Canada. Article reference 0‐7803‐8108‐4/03, © 2003 IEEE. 

[BMWwA]  –  BMW  Technology  –  Voice  Recognition,  in  BMWWorld.com,  seen  on  2007/06/26  at 

http://www.bmwworld.com/technology/voice_recognition.htm . 

[BP01] – G. Burnett and J. Porter, Ubiquitous computing within cars: Designing controls for non‐visual 

use, in International Journal of Human‐Computer Studies 2001, 55(4), pp. 521‐531. 

[Brau04]  –  K.  Brauer,  Why  iDrive  Won’t  Fly,  in  Edmunds.com,  posted  on  2004/07/08,  seen  on 

2007/05/14 at http://www.edmunds.com/news/column/carmudgeon/102470/article.html. 

[CarP05]  ‐  Evolutionary  Interface  System  Set  To  Be  Standard  Fit  On  New  Jaguar  XK,  2005,  in 

carpages.co.uk,  seen  on  2007/05/15  at  http://www.carpages.co.uk/jaguar/jaguar‐xk‐alpine‐28‐10‐

05.asp?switched=on&echo=922645605. 

[Day04] –  J. Day, Can BMW’s  iDrive Pass  Its Road Test Now?,  in Electronic Design, 2004,  seen on 

2007/05/10 at http://www.elecdesign.com/Articles/Print.cfm?ArticleID=8246. 

[Dix98] – A. Dix,  J.  Finlay, G. Abowd e R. Beale, Human‐Computer  Interaction, 2nd  edition  , 1998, 

Prentice Hall, ISBN 0‐13‐239864‐8 

[Drap96]  – M. Draper,  Can  your  eyes make  you  sick?:  Investigating  the  Relationship  between  the 

Vestibulo‐ocular  Reflex  and  Virtual  Reality,  1996/04/29,  seen  on  2007/05/10  at 

http://www.hitl.washington.edu/publications/r‐96‐3/ . 

[eMer07] – 2007 S‐Class COMAND System Demonstration,  in eMercedesBenz,   seen on 2007/05/17 

at http://www.emercedesbenz.com/Jul06/11_2007_S_Class_COMAND_System_Demo.html . 

[Fernandes] – A. Fernandes, Billboarding Tutorial, in www.lighthouse3d.com, seen on 2007/05/10 at 

http://www.lighthouse3d.com/opengl/billboarding/ . 

[Ferr07] – J. Ferreira, Suporte de Tarefas Perceptivas e Motoras em Simuladores, 2007, Artigo para a 

disciplina de Introdução à Investigação, IST. 

67 

[Ford07] – Ford  'Voice to Control'(V2C): Comunicação Interactiva e em Português,  in Em destaque – 

notícias  do  site  oficial  da  Ford  Portugal,  seen  on  2007/06/26  at 

http://www.ford.pt/Noticias/Inst_14/cv_news_item251/‐/‐/15/37 . 

[GB05] – C. Grane and P. Bengtsson, Menu Selection with a Rotary Device Founded on Haptic and/or 

Graphic  Information,  in First  Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic  Interfaces  for 

Virtual  Environment  and  Teleoperator  Systems  2005  (WHC'05),  pp.  475‐476.  Article  reference  0‐

7695‐2310‐2/05 © 2005 IEEE. 

[GC00] – R. Graham and C. Carter, Comparison of speech  input and manual control of in‐car devices 

while on the move, in  Personal and Ubiquitous Computing, June 2000, vol. 4, nos. 2‐3, pp. 155‐164. 

DOI 10.1007 / BF01324122.  

[GC99] – R Graham and C. Carter, Comparison of Speech Input and Manual Control of In‐Car Devices 

while on‐the‐move,  in Proceedings of  the W4: Second Workshop on Human Computer  Interaction 

with Mobile Devices, 1999. 

[Hawo98] – N. Haworth, Fatigue and  fatigue  research:  the Australian experience, presented  in  the 

Biennial Australasian Traffic Education Conference, Speed, Alcohol, Fatigue, Effects, February 1998, 

seen on 2007/05/10 at http://www.monash.edu.au/muarc/reports/papers/fatigue.html. 

[Horb06] – T. Horberry, J. Anderson, M. Regan, T. Triggs e J. Brown, Driver distraction: the effects of 

concurrent  in‐vehicle  tasks,  road  environment  complexity  and  age  on  driving  performance,  in 

Accident Analysis and Prevention 38 (2006), pp. 185–191. 

[Howa06]  –  B.  Howard,  Car  Controllers  Evolve,  in  Technoride,  published  on  2/10/2006,  seen  on 

2007/05/14 at http://www.technoride.com/print_article/Car+Controllers+Evolve/171294.aspx. 

[Kerr91] –  J. Kerr, Driving without attention mode  (DWAM): a  formalization of  inattentive states  in 

driving, in Vision in Vehicle III, 1991, pp. 473‐479. 

[Llan02] – R. Llaneras,  In‐Vehicle Navigation Systems:  Interface Characteristics and  Industry Trends, 

Rockville, MD, USA,  in Driving Assessment  2003,  2nd  International Driving  Symposium  on Human 

Factors in Driver Assessment. 

[McBa70] – W. McBain, Arousal, monotony, and accidents  in  line driving,  in  J. Appl. Phsycology no. 

54, 1970, pp 509‐519. 

[Mei06]  –  L. Meillaud, Quand  la  voiture  anticipe  sur  les  accidents,  in  ViaMichelin,  2006,  seen  on 

2007/05/17  at  http://www.viamichelin.com/viamichelin/fra/tpl/mag4/art20060115/htm/tech‐pre‐

crash‐system.htm. 

68 

[Mot05]  –  BMW  adds  super‐vision  to  night  driving,  2005,  seen  on  2007/05/14  at 

http://motoring.co.za/index.php?fArticleId=2621784. 

[Murr01]  –  Interface  Concerns  Stall  The  In‐Car  PC,  in  techweb.com,  seen  on  2007/06/26  at 

http://www.techweb.com/wire/story/TWB20010117S0010 . 

[Nels97] – T. Nelson, Fatigue, mindset and ecology in the hazard dominant environment, in Accident 

Anal. Prevention 29, 1997, pp 409‐415. 

[Newc07]  –  D.  Newcomb,  Technology  Review:  2007  Jaguar  XKR,  in  autos.msn.com,  seen  on 

2007/07/17 at http://autos.msn.com/advice/article.aspx?contentid=4024652. 

[Nie94]  –  J.  Nielsen,  (1994b).  Heuristic  evaluation.  In  Nielsen,  J.,  and Mack,  R.L.  (Eds.),  Usability 

Inspection Methods, John Wiley & Sons, New York, NY. 

[Ozk05] – Ö. Özkurt, Pronto? I’m almost there, Thesis report, Interaction Design Institute Ivrea, 2005. 

http://people.interaction‐ivrea.it/o.ozkurt/. 

[Pete06] – T. Peterson, The New S550: Sportier, Sexier, More Expensive, in BusinessWeek, 2006, seen 

at  http://www.businessweek.com//autos/content/may2006/bw20060510_812584.htm  on 

2007/05/14. 

[Por06]  –  A.  Porta  Nova,  Sistema  Integrado  de  Comandos  Auxiliares  e  Navegação  Rodoviária, 

Relatório  de  Trabalho  Final  de  Curso  em  Engenharia  Informática  e  de  Computadores,  Instituto 

Superior Técnico, 2006. 

[Porsche]  –  Comfort  ‐  Cayenne  S  in  Detail,  in  Porsche.com.uk,  seen  on  2007/07/17  at 

http://www.porsche.com/uk/models/cayenne/cayenne‐s/indetail/comfort/. 

[Prot97] – J. Prothero et al, Do Visual Background Manipulations Reduce Simulator Sickness?, 1997, 

seen on 2007/05/10 at http://www.hitl.washington.edu/publications/r‐97‐12/. 

 [SD04] – D. Strayer and F. Drews, Profiles in Driver Distraction: Effects of Cell Phone Conversations on 

Younger and Older Drivers, in Human Factors vol. 46, No. 4, Winter 2004, pp. 640‐649. 

[Solo98]  –  J.  Solomon,  Are  You  Sick  of  Games?,  1998,  seen  on  2007/05/10  at 

http://www.loonygames.com/content/1.2/feat/. 

[ST70] – R. Shor and R. Thackray, A program of research in highway hypnosys: a preliminary report, in 

Accident Anal. Prevention 2, 1970, pp. 103‐109. 

[Stee04]  –  T.  Steele,  T.  Cutmore,  D.  James  e  A.  Rakotonirainy,  An  investigation  into  peripheral 

physiological  markers  that  predict  monotony,  in  Road  Safety  Research,  Policing  and  Education 

Conference Proceedings, 2004. 

69 

[TB03] – P. Thiffault and J. Bergeron, Monotony of road environment and driver fatigue: a simulator 

study, in Accident Analysis and Prevention 35 (2003), pp. 381–391. 

[TB03b] – P. Thiffault and  J. Bergeron, Fatigue and  individual differences  in monotonous  simulated 

driving, in Personality and Individual Differences 34 (2003), pp. 159–176. 

[Time07]  –  The  50  Worst  Cars  of  All  Time,  in  Time  Magazine,  seen  on  2007/09/10  at 

http://www.time.com/time/specials/2007/article/0,28804,1658545_1658544_1658541,00.html. 

 [TJT05]  –  A.  Thatcher,  J.  James  and  A.  Todd,  Multifunctional  systems  in  vehicles:  a  usability 

evaluation,  in  Proceedings  of  CybErg  2005,  the  Fourth  International  Cyberspace  Conference  on 

Ergonomics, Johannesburg, South Africa. 

[Ward07]  – C. Wardlaw, Mercedes  vaults  to  the  head  of  the  luxury  sedan  class,  in  autobytel.com 

(2007),  seen  on  2007/05/10  at  http://www.autobytel.com/content/shared/articles/ 

templates/index.cfm/article_page_order_int/1/article_id_int/2064. 

[Wert91] – A. Wertheim, Explaining highway hypnosis: a theoretical analysis,  in Vision  in Vehicle III, 

1991, pp 467‐472. 

70 

Glossary  Attention flaws ...................................... 50, 59, 64 

Attention: 

Automatic vs. Controlled ............................. 16  

Sustained ..................................................... 15 

Cognitive skills ....................................... 10, 17, 63 

Comfort devices, see Comfort systems 

Comfort systems .................. 10, 13, 17, 19, 25‐33 

Interfaces, see Interfaces, For comfort systems 

Distraction ............................................. 11, 13, 17 

When using comfort systems ...................... 19 

Driving assisting devices .................................... 25 

Driving Without Attention Mode ................ 11, 16 

DWAM, see Driving Without Attention Mode 

Fatigue ............................................................... 14 

Haptic: 

Feedback ...................................................... 20 

Feedback, combined with graphic feedback 20 

Switches ....................................................... 20 

Highway hypnosis ........................................ 10, 16 

In‐car telematics, see Comfort systems 

Interfaces: 

Differences between types .......................... 25 

For comfort systems ............................... 25‐33 

Integrated .................................................... 25 

Traditional .................................................... 25 

Usability .................................................. 19‐23 

Monotonous: 

Road environment ............................ 13, 17, 42 

Task ............................................................. 15 

Monotony 

Behavior while in ......................................... 13 

Dimensions of .............................................. 13   

In a task ....................................................... 15   

Internal state of ........................................... 14 

Side deviation monotony ............................ 51 

Speed monotony ......................................... 51 

Predictability ..................................................... 13 

Simulator: 

Partial driving simulators............................. 40 

Pros & cons of using simulators .................. 34 

Used in this work .............................. 39, 42‐44  

With car bodies ........................................... 36 

Stimuli, shift from internal to external ............. 15 

Task: 

Errors ................................................ 17, 47, 62 

Automatic vs. Controlled ............................. 19   

Usability of interfaces, see Interfaces, Usability 

Vigilance ....................................................... 13‐15 

Vision, need when using comfort systems ....... 19 

Voice control and comfort systems .................. 20 

 

 

71 

Annex A. Changes to the simulator 

 

A.1. Introduction 

The simulator used in this work is an expansion of the simulator used in [Por06]. It introduces some 

changes to make  it adequate to the work at hands,  including the use of a new scenario, changes to 

the  behavior  of  the  vehicle  and  the  creation  of  new  scenario  elements  for  simplicity  and  added 

flexibility  in defining the course for the usability tests. This annex  is the technical documentation of 

the changes made to the simulator, and does not intend to replace the previously technical manual. 

For more details on the simulator, including features that remain unchanged please refer to Annex B 

in [Por06] (in Portuguese). For better comprehension, a brief presentation of the simulator is made in 

the following sections. 

Certain parts of this technical manual require basic to medium knowledge of certain mathematical 

(like  vector  and  quaternion  mathematics)  and  computer  science  and  engineering  subjects  (like 

software architecture and UML) as well as minimum understanding on the fundamentals of OpenGL. 

A.1.1. Platform 

The simulator was developed on the Microsoft Windows XP platform, using Microsoft’s Visual Studio 

2005 development environment. It’s a graphical 3D application built on the OpenGL graphics norm, 

with source code  in C++, based on  the AVTGL 2.4 API, which  is used at  IST by  two courses, AVT – 

Animação e Visualização Tridimensional (3D Visualization and Animation) and CV – Complementos de 

Visualização  (Visualization Complements).  Interaction with  the  input devices  (joystick and  steering 

wheel) is made through the Microsoft DirectInput 9.0 API. 

The application  runs on a  single computer using,  in addition  to  the usual  input  (mouse, keyboard) 

and output devices  (display),  two  joystick devices  (a  steering wheel and a  joystick  itself). A  touch 

72 

screen  is used, but  the  input  interface  is built on  top of  the mouse  input  layer. The  application’s 

installation diagram is shown in figure A.1. 

 

Figure A.1. UML instalation diagram for the simulator. 

A.1.2. Architecture 

The simulator  follows the typical 3D game architecture of the update   draw cycle:  in the update 

phase, changes to the inner state of the application are processed, as consequence of outside events 

like user  input, the passing of time, object collision, etc.;  in the draw phase, the scene  is drawn on 

screen using  the graphics norm, according  to  the  inner  state of  the application. A  simplified  state 

diagram is shown in figure A.2. 

 

Figure A.2. Simplified state diagram for the simulator. 

Simulator

gl tga

ImageLib

MicrosoftDirectInput

Scew XML Parser

GLUT

AVTGL

Computer

«device»Joystick

«device»SteeringWheel

«device»Keyboard

«device»Mouse

73 

A.2. Changes to scenario definitions 

The scenario for the simulation is loaded from a XML file from a predefined location, using a supplied 

class XMLConfig  for parsing  (using  to  the Scew  library, as  referred  in  the original documentation). 

Changes  in  the  scenario  definitions  include  the  creation  of  two  new ways  to  define  roads  (road 

stretches and road curves), the possibility to create billboards from the XML  (previously, billboards 

had to be inserted directly in the source code) and the ability to pre‐load textures which can be used 

by other elements (namely the new added ones). 

A.2.1. Assumptions made on the scenario 

When creating the simulator some assumptions were made on the scenario. Firstly, the entire scene 

is planar, which means the vehicle travels along the scenario with a constant elevation (implying that 

the  lower  Y  coordinate  of  every  object  is  constant,  in  this  case  0). Also,  considering  the OpenGL 

defaults, it was defined that, regarding the initial camera position, the X axis runs from right to left, 

the Y axis  in the upright direction, and the Z axis runs towards the  inside of the monitor. These are 

the  same  assumptions  that were made  in  the  previous  version  of  the  simulator,  as most  of  the 

elements  in the scenario remain the same. As before, the scenario  is reticulated  in a grid of 45x45 

OpenGL  units,  and  the  correspondence  between  OpenGL  units  and  real  world metrics  is  of  0.5 

meters per OpenGL unit. The elements which are not mentioned in this annex were not changed, and 

readers must  refer  to  [Por06]  for  reference  (in  Portuguese).  The  following  sections  describe  the 

changes made to the simulator for this work. 

A.2.2. Road stretches 

Road stretches correspond to stretches of road in a straight line in a given direction and with a given 

length. In the previous version of the simulator, considering the use of a given grid dimension N x N, 

the creation of a straight road with a given length L implied the declaration of L road elements, one 

for  each  unit  of  the  grid. Road  stretches were  created  to  prevent  this  need  and  adding  an  extra 

feature,  the  possibility  to use  a  texture  for  road  shoulders  (e.g.  simulating  vegetation)  as well  as 

defining which sides of the road actually use this texture. 

Road stretches are implemented as a separate class named RoadStretches and are placed under the 

group TrechosEstrada in the definition file. As with the road elements in which they are based, road 

stretches are declared in a group with several instances, in which the position is defined in multiples 

of  the defined  grid dimension. An  example of  a  road  stretch definition  is provided below, with  a 

graphical scheme for better comprehension. 

74 

 

Figure A.3. Example placement of 2 road stretches according to the specified format. The black lines along the road stretches represent the shoulders and the arrows the direction span of the stretches. 

The sample image displayed above can be declared like this: 

 

Figure A.4. XML source code corresponding to the scheme in figure A.3. 

The declaration of  Road1  includes  the  declaration of  the  texture  file  in  the  tag  tgaFile,  the  grid 

dimension  in  the  parameters  width  and  height,  shoulderTexName  and  shoulderHeight  are 

respectively the name of the texture to use  in the shoulders (previously defined  in the texture pre‐

loading module  explained  later)  and  the  height  of  the  shoulder  in  OpenGL  dimensions.  In  each 

instance, declared by means of a Instancia  tag, one declares  the position  in which  the  starting 

element  is placed (in the  image,  in  lighter green/red), the direction  in which road spans  is given by 

the rotation parameter (in the image, an arrow shows the road span direction), length is defined in 

multiples of the grid dimensions. The parameter shoulderSide defines whether the shoulder is to be 

drawn  on  all  2  sides,  on  either  the  left  or  the  right  side,  or  on  none  of  them.  The  mirror 

parameter defines  texture mirroring options:  if mirror has  the  value  1,  the  texture will be drawn 

mirrored. All three parameters length, shoulderSide and mirror are optional, being their default 

values respectively 1, all and 0. 

<RoadStretches> <Road1 tgaFile="road1.tga" width="45" height="45" shoulderTexName="shoulder1" shoulderHeight="7"> <Instancia position="3,0,0" rotation="0" length="3" shoulderSide=”right” mirror=”1”/> <Instancia position="-2,0,3" rotation="90" length="3" shoulderSide=”both”/>

</Road1> </RoadStretches>

75 

A.2.3. Road curves 

Road curves correspond to stretches of road spanning along 90° curves. The previous version of the 

simulator did not allow for the definition of curves in a scenario and defaulted to the use of textures 

to create curves. This element allows for the creation of curves according to several parameters such 

as the curve radius (given in grid coordinates) and its placement in the scenario. 

Road curves are implemented in a separate class named RoadCurves and are placed under the group 

CurvasEstrada in the definitions file. As with road stretches, road curves are declared in a group with 

several  instances,  in which  the position  is defined  in multiples  of  the defined  grid  dimension. An 

example of a road curve definition is shown below. 

 

Figure A.5. Example placement of 2 road curves according to the specified format. The black lines along the road stretches represent the shoulders and the arrows the direction span of the curves. 

The sample image displayed above can be declared like this: 

 

Figure A.6. XML source code corresponding to the scheme in figure A.5. 

The declaration of Curve1  includes  the declaration of  the  texture  file  in  the tgaFile  tag,  the grid 

dimension  in  the  parameters  width  and  height,  shoulderTexName  and  shoulderHeight  are 

<RoadCurve> <Curve1 tgaFile="road1.tga" width="45" height="45" shoulderTexName="shoulder1" shoulderHeight="7"> <Instancia position="-2,0,2" rotation="0" radius="3" shoulderSide=”left”/> <Instancia position="2,0,1" rotation="90" radius="3"/>

</Curve1> </RoadCurve>

76 

respectively the name of the texture to use  in the shoulders (previously defined  in the texture pre‐

loading module  explained  later)  and  the  height  of  the  shoulder  in  OpenGL  dimensions.  In  each 

instance, declared by means of a Instancia  tag, one declares  the position  in which  the  starting 

element  is placed (in the  image,  in  lighter green/red), the direction  in which road spans  is given by 

the rotation parameter (in the image, an arrow shows the road span direction), radius is defined in 

multiples of the grid dimensions. The parameter shoulderSide defines whether the shoulder is to be 

drawn  on  all  2  sides,  on  either  the  left  or  the  right  side,  or  on  none  of  them.  The  mirror 

parameter defines  texture mirroring options:  if mirror has  the  value  1,  the  texture will be drawn 

mirrored. All three parameters length, shoulderSide and mirror are optional, being their default 

values respectively 1, all and 0. 

Curves are always drawn with a positive 90° angle; if a curve with a negative 90° angle is desired, it 

must be drawn with an adequate rotation angle and starting point as to describe a positive 90° angle 

relatively to its starting point and orientation. 

A.2.4. Billboards 

In  the  context  of  computer  graphics  and  simulations,  billboards  are  objects  that  are  constantly 

directed towards a given object or direction, typically the camera. Billboards are typically used to cut 

back on the number of polygons for objects which have the same aspect regardless of the direction 

from where they are looked at (trees are typical examples of objects benefiting from this technique). 

Billboards  consist essentially of  textured polygons  (typically  rectangles) which  are  rotated  at each 

frame so that they always face the desired object. For further details on the billboarding technique 

please refer to [Fernandes], on which both this  introduction and the source code for the billboards 

on this simulator are based. 

Billboards were already available in the previous version of the simulator (in fact, they come with the 

AVTGL framework on which the simulator was built), but the need for further usage pushed the need 

to define these objects  in the scenario definitions file. This required a change to the AVTBillboard 

class, as well as the creation of a new group BillBoards for their declaration. 

Unlike  other  elements,  the  declaration  of  billboards  is  done  in  absolute OpenGL  coordinates. An 

example of a billboard declaration group is given below. 

 

Figure A.7. XML sample code of a billboard declaration group. 

<BillBoards> <Billboard1 texName="texture1" type="CYLINDRICAL_MATRIX" position="0,0,0" width="5" height="10" centered="0"/> </BillBoards>

77 

All  billboards  are  declared  inside  the  BillBoards  group.  This  particular  billboard  is  named 

Billboard1  and uses  the  texture named  texture1  (previously defined  in  the  texture pre‐loading 

module  explained  later).  The  type  parameter  defines  the  type  of  billboarding  desired  (it  can  be 

either  SPHERICAL_MATRIX,  for  rotation  on  all  3  axis,  or  CYLINDRICAL_MATRIX,  which  limits  the 

rotation around the vertical Y axis (only the X and Z values are changed). The location and dimensions 

in  OpenGL  coordinates  are  respectively  defined  in  the  position  parameter  and  in  the  pair  of 

parameters width and height. The centered parameters defines the placement of the center point 

for  spherical billboarding,  as well as placement options,  in  the  following manner:  if centered has 

value  1,  then  the  center  point  for  billboarding  is  the  center  of  the  rectangle,  and  that  point 

corresponds to the position coordinate (meaning that, given a height of 10, the Y coordinate of the 

billboard  will  vary  between  ‐5  and  5);  if  centered  has  the  value  0,  then  the  center  point  for 

billboarding is in the center of the side of the rectangle which has the lowest Y value (meaning that, 

given a height of 10, the Y coordinate will vary between 0 and 10). Typically spherical billboards will 

use centered with value 1, and cylindrical billboards will use centered with value 0. 

A.2.5. Texture pre­loading 

There are situations  in which the same texture  is used  in elements of different types. For example, 

one could wish to use the same texture for creating a billboard and as a shoulder  in a road stretch. 

This allows for better graphics memory usage besides other advantages.  

Texture pre‐loading was already available on the simulator (through the classes AVTTextureManager 

and  AVTLogicalTexture,  both  from  the  AVTGL  framework)  and  can  now  be  achieved  through 

declaration  in  the XML definitions  file, and  these  textures can be used  in other elements  (such as 

billboards or shoulders  for road stretches and road curves). Textures are declared  in  the Texturas 

group. An example of a texture pre‐loading block is given in the figure below. 

 

Figure A.8. XML sample code of a texture pre‐loading declaration group. 

In the example above, there are 2 textures, named tex1 and tex2, respectively corresponding to the 

files  texture1.tga  and  texture2.tga  which  are  defined  by  the  tgaFile  parameter.  The  following  2 

parameters define which  loader  is used:  if special  is 0  the  IL  texture  loader  (from  the DevIL object 

loader)  is used,  if special  is 1 the GL_TGA texture  loader  is used  instead. In the  latter case, one can 

<Texturas> <Texture1 name="tex1" tgaFile="texture1.tga" special="1" tgaMode="GL_RGBA"/> <Texture2 name="tex2" tgaFile="texture2.tga" special="0"/>

</Texturas>

78 

define the desired mode (either GL_RGBA, GL_RGB, or default). For further details on modes, please 

consult the GL_TGA documentation.  

A.2.6. Transparency modes 

Images must be  loaded  in TGA format, either with 3 channels  (RGB) or 4 channels  (RGB plus alpha 

channel). Transparency in TGA files must be created using their alpha channel, rather than a specific 

palette color (as with GIF files). For details on how to create alpha channels on TGA, please refer to 

the manual on your favorite image editor. 

A.3. New logging behavior 

The  usability  tests  intended  for  this work made  it  necessary  for  a  reformulated  logging module, 

allowing that some  logging parameters were defined  in a definitions file (so they could be changed 

from test to test and for increased flexibility). Also, some features were added for comfort and better 

modularization. The changes to the logging behavior include different log data, a new way to define 

the log options, the concept of log stretches and the possibility to log only parts of the course, which 

are explained  in detail afterwards. Also,  for  convenience  sake,  file  creation behavior was  changed 

and  now  every  execution  of  the  application  produces  a  different  file,  numbered  sequentially;  as 

before, different  sessions of  the  simulator  are possible  if  the  simulation  is  started multiple  times 

without exiting  the application. The actual data  to be  logged  is still source‐code dependent, and  is 

specified in the Vehicle update routine. 

A.3.1. Log definitions 

Some logging definitions are now made on XML, in a file logDefs.xml placed under the data folder. A 

sample logging definitions file is shown in figure A.9. 

 

Figure A.9. Sample XML source code in a logDefs.xml file. 

The file consists of a LogDefs base tag with 2 groups  in  it: the Logger definitions and the Stretches 

group, which are used to define the stretches in the scenario in which logging occurs. More details on 

log  stretches  follow  in  the  next  section.  As  for  the  Logger  tag,  it  has  4  parameters:  logFolder 

specifies the  folder  in which the  log  files are to be stored  (relative path  from the  folder containing 

the  executable  file),  logFileName  specifies  the  prefix  to  the  log  file  name  (to  which  sequential 

<LogDefs> <Logger logFolder="logs/" logFileName="log" logExtension=".txt" timeBetweenLogs="1000"/> <Stretches> <Stretch number="1" tileSize="45" entryPoint="3,0,0" exitPoint="-2,0,4"/>

</Stretches> </LogDefs>

79 

numbering  is  added  by  the  application),  logExtension  specifies  the  suffix  for  the  log  file  name 

(typically  the  file  extension).  In  the  given  example,  log  files  will  be  named  log0000.txt, 

log0001.txt, … Finally, timeBetweenLogs specifies the time in milliseconds between log entries. 

A.3.2. Log stretches 

Log stretches are the parts of the course which are to be logged. A log stretch is defined in multiples 

of a given grid dimension, having an entry point which triggers the beginning of the log session and 

an exit point triggering the end of the log session. In this manner, tileSize defines, in OpenGL units, 

the  dimension  of  the  tiles  (a  square  grid  is  assumed),  entryPoint  defines  the  entry  point  and 

exitPoint the exit point, both in grid coordinates. 

 

Figure A.10. Graphic scheme of the stretch defined in figure A.9. Whatever path is described by the vehicle (in purple), logging will begin when it enters the red circle and end when it enters the green circle. 

The meaning of the entry and exit points is as follows: when the vehicle approaches the entry points, 

logging  starts; when  the  vehicle  approaches  the  exit  point,  logging  ends;  approaching means  the 

vehicle is inside the circle inscribed in the tile where the corresponding entry or exit points is located. 

The entry and exit of a given stretch  is registered on the  log file with an appropriate message. The 

logger makes no assumptions on the path connecting the entry and exit points for a given stretch, as 

it works on  the basis of proximity  to a given point  in  the  scenario. Also,  the vehicle  can be  inside 

multiple stretches at a given time, in which case it will log the data as if it was inside a single stretch 

(there  is only one  log file and repeated  log entries are not written).  If  it  is  intended that the whole 

course  is  logged  it  is necessary  to create a  log stretch beginning  in  the vehicle’s start position and 

ending at a place where the vehicle will never pass. 

80 

A.4. Other minor changes 

A.4.1. Changes to vehicle behavior 

The behavior of  the  vehicle was  changed  for more  realistic  reactions  to both  steering wheel  and 

pedal movements, with changes to the meaning of the parameters on the vehicle declaration in the 

XML definitions file. 

The new behavior of  the  vehicle  follows mathematical  formulas which  vary  according  to  gearbox 

definitions and current speed (which can be seen in the comments in the source code) and produce 

the change of speed  in terms of parameters such as current speed, the amount of pressure on the 

accelerator and brake pedals, which are multiplied respectively by the parameters maxAcceleration 

and  maxBreak  in  the  vehicle  definition  to  obtain  the  influence  of  these  pedals  in  the  vehicle’s 

behavior. 

A.4.2. Changing the comfort systems interface during the simulation 

Changing  the comfort systems  interface used  is now possible on‐the‐fly while  the simulation  runs, 

avoiding the need to exit the course and re‐starting. To change the simulator interface, the user must 

press the 1 key (change to the traditional interface) or 2 key (change to the integrated interface). This 

change implied slight changes in the menu loading module, which now allows for multiple interface 

definition files to be provided. For details please consult the source code, as the changes are minimal 

(mostly to the AVTScenegraph class,  including a handler block for the relevant key presses, and the 

Menu class for handling the multiple interface definition files). 

A.4.3. New course 

A new course was designed  for  the simulator, using old and newly available primitives. Taking  the 

goals  for  the work  into  account,  and  the  consequent  change  in  fog  definitions,  the  flat  shadows 

functionality was disabled for coherence. 

A.4.4. Minor bugs 

Some minor bugs to the code were also corrected, the most important ones being the non‐drawing 

of billboards on rearview mirrors (because of the reflection transformation the normal vectors were 

wrong –  this was corrected by changing the cullface behavior when drawing rearview mirrors) and 

the vehicle’s crashing behavior which led to some situations in which the vehicle would cross some of 

the  obstacles.  Also,  some  bugs  related  to  misreading  of  parameters  from  XML  files  were  also 

corrected  (some  parameters were  being  ignored  in  the  vehicle  definitions,  and  some  parameters 

were being wrongly parsed as integers rather than floating point numbers). 

81 

A.5. Acknowledgements 

The simulator uses the AVTGL framework, made by Bruno Araújo for use  in the course Animação e 

Visualização  Tridimensional  (3D  Animation  and  Visualization)  at  Instituto  Superior  Técnico;  this 

framework uses the following libraries: 

• GLM, by Nate Robins (http://www.pobox.com/~nate); 

• DevIL, available at http://openil.sourceforge.net ; 

• GL_TGA, by Nate Miller ([email protected]); 

• STurboCD, by Mauro Figueiredo ([email protected]). 

Parts  of  the menu  structure,  as  well  as  some  of  the  vehicle  control  logic  was  inspired  on  the 

OmegaSpeeder2 project, developed by the author and by João Proença and Nuno Cruces. 

Street textures on the urban part of the course were made by the author based on textures available 

from http://www.turbosquid.com/FullPreview/Index.cfm/ID/220910. 

Road  textures on  the  rural part of  the course were made by  the author based on  tarmac  textures 

available from http://dundee.cs.queensu.ca/wiki/index.php/Will's_Notes. 

Stone  ground  and  grass  textures  are  based  on  the  textures  available  from 

http://www.lunerouge.org/. 

3D objects from the free object collection of http://www.max‐realms.com/ . 

Traffic  sign  textures  are  either  based  on  the  images  available  from www.highwaycode.gov.uk  or 

made by the author. 

The skybox texture used is the Example Skybox Texture Set from SkyMatter, freely available for non‐

commercial use from http://skymatter.thegamecreators.com/?f=sample. 

All other unidentified resources were created by the author. 

 

82 

Annex B. User’s Manual This  annex  intends  to  explain  briefly  the  simulator  usage,  describing  the  set‐up  for  its  use,  the 

sequence of steps to start a simulator session, and possible user options during the simulation. This 

annex is the translation to English of the Annex C in [Por06], with slight changes to accommodate the 

modifications introduced in the simulator. 

B.1. Material 

In order  to use  the  simulator  it  is necessary,  in  addition  to  the  software  application,  to have  the 

following: 

• One joystick (in this simulator a Logitech Force 3D Force Feedback Joystick is used); 

• One gaming set of steering wheel and pedals (in this simulator a Thrustmaster Ferrari GT 2‐

in‐1 is used). 

The  following  instructions  assume  the  usage  of  the  indicated  devices. When  using  other  devices, 

some adjustments are required. 

 

Figure B.1. Screen sequence for activating the centering spring (from top to bottom). 

83 

B.1.1. Device installation 

The first step  is to  install the  input devices on the computer, using the drivers provided. During the 

installation the default options can be assumed.  

Afterwards, it is necessary to configure the joystick to enable the centering spring function. This can 

be done  in  the Control Panel,  in  the Game Controllers option.  In  this  screen, press  the «Settings» 

button; next, activate  the «Enable Centering Spring  in Force Feedback Games» option, and set  the 

«Centering Spring Strength»  to  its maximum value  (150%). After all  is done, press «OK» on every 

screen until every screen is closed. 

B.2. Running the simulator 

To  run  the  simulator,  start  the batch  file Simulador.bat, which  can be  found on  the Simulador-

Executavel folder. This folder should be copied to a temporary location on the hard disk drive with 

write  permission  so  that  the  log  file  can  be  written  and  all  the  files  needed  by  the  underlying 

framework can be created. 

Upon entrance, the application shows some menu options. Selection of the wanted option in menus 

is made using  the  arrow  keys  (up  and down);  activation of  the  selected option  is made with  the 

space key. On the application menu, the user has the option of starting the simulation or exiting the 

simulator. In the following menu, the user can choose between the (only) course available or going 

back to the previous menu.  

B.2.1. Driving the vehicle 

The vehicle  is controlled by the steering wheel and pedals,  just  like any automobile: steering turns 

the  vehicle  to  either  side,  the  left  pedal  is  the  brake  and  the  right  pedal  is  the  accelerator.  The 

paddles on the back of the steering wheel control the direction  in which the car goes: pressing the 

left  paddle  (steering  wheel  button  9)  puts  the  car  in  reverse  driving;  pressing  the  right  paddle 

(steering wheel button 10) puts the car back in forward drive. Changing the car direction can only be 

made with the vehicle at full stop. 

Alternatively,  for debugging purposes,  the  arrow  keys  can  be  used  to  control  the  vehicle:  the up 

arrow works as the accelerator, the down arrow as the brake, and the left and right arrows steer the 

vehicle.  If wanted,  a  cruise  control  option  is  available.  It  can  be  activated  by  pressing  the  cruise 

control button (steering wheel button 11) while none of the pedals  is pressed. To deactivate cruise 

control, simply press one of the pedals or press the cruise control button again. Cruise control was 

not  used  in  the  test  procedure  in  this  work,  but  is  available  from  the  previous  version  of  the 

simulator. 

84 

B.2.2. Comfort systems – traditional interface 

Control of  the comfort systems  through  the  traditional  interface  is done by pressing  the adequate 

button  on  the  touch  screen  (or  alternatively  using  a  mouse).  Steering  wheel  buttons  are  also 

available but not used  in the test procedure for this work. The usage of the system  is similar to the 

use of a production vehicle comfort system: for better comprehension the figure below displays the 

interfaces and the function of each button. 

 

Figure B.2. Integrated interface controls. 

B.2.3. Comfort systems – integrated interface 

The  joystick  is  used  to  control  the  integrated  system  by  navigating  through  the menu  structure. 

There are 4 basic movements: pushing the joystick  left, right, forward or backwards. There  is also a 

button that can be pressed (the trigger button). None of the other buttons are used here. 

Options  are  selected  by  pushing  the  joystick  towards  the  appropriate  direction  (according  to  the 

graphical  representation  on  the  screen)  and  activated  by  pressing  the  trigger  button.  On  every 

screen where effective manipulation of parameters is done (e.g. changing the volume) no activation 

is required: the change happens on selection. Some options require the user to repeatedly push the 

joystick in the appropriate direction, then back to the center and then again back to the appropriate 

direction,  as  to  navigate  along  the  sequence  of  options  (e.g.  in  the  air  flow  options  screen). 

85 

Nonetheless, to exit those options, upon pushing the joystick backwards, it is also necessary to press 

the trigger button. Two screen examples are shown in the following figure. 

 Figure B.3. Two example screen for the integrated interface: the top level menu of the climate control (left) and 

the volume control menu for the sound system (right). 

On  the  left  screen of  the above  figure, pushing  the  joystick  in each of  the 4 directions selects  the 

respective option (left selects «Fan Speed», forward selects «Temperature Setting», right selects «Air 

Flow Options», back selects «Main Menu»). Activation happens when  the user presses  the  trigger 

button. On the right screen, pushing the  joystick right  increases the sound volume and pushing the 

joystick  left decreases; however, to return to «Radio Options», the user must first select the option 

and then activate it. 

86 

Annex C. Quiz for the usability tests 

 

Highway hypnosis and in‐car telematics ‐ Influence in driving and safety Mestrado em Engenharia Informática e de Computadores 

Acácio Carreira Porta Nova 

Introdução 

Este questionário diz  respeito a um  trabalho de mestrado, em desenvolvimento,  relacionado  com  interfaces para os comandos de conforto de um automóvel. Concretamente, pretende‐se estudar a  ligação entre o uso dos sistemas de conforto de um automóvel e a condução em ambiente monótono. Para esse fim, foi desenvolvido um simulador, com o objectivo de levar os utilizadores a realizar um percurso predefinido durante o qual os utilizadores têm de realizar certas tarefas usando os sistemas de conforto disponíveis. 

O que lhe pedimos é que, depois de ter interagido com o sistema, responda a este breve questionário, relatando a sua experiência. Todos os dados são confidenciais e serão usados, única e exclusivamente, para análise estatística no âmbito do trabalho em curso. 

Informação estatística 

Idade:      anos 

 

Sexo:  Masculino    Feminino   

 

É titular de uma carta de condução?  Sim Não  

  Se sim, há quanto tempo?   

 

Perguntas sobre o percurso 

1. Durante a simulação, teve a sensação de que o percurso era monótono / repetitivo / aborrecido? 

  Sim    Não    Não sei   

 

2. Como considera o seu estado de atenção durante a realização do percurso (apreciação geral)? 

  Elevado    Médio    Baixo   

 

3. Comparando o seu estado de atenção em dois períodos (período em que se limitou a conduzir o veículo e período em que desempenhou tarefas com os sistemas de conforto), acha que estava?... 

  Estava mais atento no período em que me limitei a conduzir     

  Estava mais atento no período em que desempenhei tarefas com os sistemas de conforto     

  Estava igualmente atento em ambos os períodos     

87 

 

4. Classifique, de 1 (mau) a 5 (excelente) o seu grau de atenção ao percurso nas seguintes fases: 

  Enquanto só conduzia     

  Enquanto conduzia e realizava tarefas recorrendo ao sistema tradicional     

  Enquanto conduzia e realizava tarefas recorrendo ao sistema integrado     

 

5.  Durante o percurso foi‐lhe pedido que identificasse, quando os avistasse, certos elementos característicos – árvores, obstáculos, …  

 

 

5.1. Considera que, durante o percurso, houve alguma situação em que não se apercebeu da aparição de certos elementos, ou só se apercebeu da sua aparição passado algum tempo? 

  Sim    Não   

 

 

5.2. Se respondeu sim à pergunta anterior, descrimine a sua resposta relativamente a 3 partes do percurso. Para este efeito, classifique da seguinte forma: 

‐ Atribua 0 à(s) parte(s) em que julga ter‐se apercebido da aparição de todos os elementos; ‐ Para o(s) troço(s) em que julga ter deixado escapar algum elemento, classifique de 1 (deixou escapar menos) a 3 (deixou escapar mais). 

    Troço em que só conduzia     

    Troço em que conduzia e realizava tarefas recorrendo ao sistema tradicional     

    Troço em que conduzia e realizava tarefas recorrendo ao sistema integrado     

 

6.  Qual a sua percepção do tempo que levou a desempenhar as tarefas com os sistemas de conforto tradicional e integrado? 

  Demorei mais tempo com o sistema tradicional     

  Demorei mais tempo com o sistema integrado     

  Demorei mais ou menos o mesmo tempo com ambos os sistemas     

 

7.  Classifique, de 1 (muita) a 5 (pouca) a necessidade de se concentrar ao usar a interface dos sistemas de conforto para realizar tarefas: 

  Recorrendo ao sistema tradicional     

  Recorrendo ao sistema integrado     

 

Outros comentários.   

 

 

 

 

Fim do questionário. 

Muito obrigado pelo seu tempo 

88 

Annex D. Examiner form 

 

   

Troço 0:    Perguntas aleatórias para introduzir o tipo de perguntas possíveis. 

Troço 1:   Segmento 0:      Cruzamento:     Para onde era a viragem? Esquerda.    Ao fim de alguns minutos:  O perfil da estrada mudou desde o cruzamento? Não.   Segmento 1:     Depois do S:    A curva foi esq‐dir ou dir‐esq? Esq‐dir.    Primeiro conjunto de árvores:  Viste a árvore de cor diferente? Verde, à esquerda, 1.     Cruzamento:     Viste a árvore? Árvore verde à esquerda, 1    Segundo conjunto de árvores:  Havia árvores verdes dos dois lados, esq ou dir? Dos 2, 1 em cada lado.    Alargamento:    Havia um sinal a indicar o alargamento do outro lado? Não.     Obstáculo 1:     IGNORAR.    Obstáculo 2:     O obstáculo era para desviar do quê? Árvores, 3, vermelhas.     Cruzamento:     Direcção? Esquerda. 

Troço 2:     Segmento 0:  Erros sem tarefas     Fim da curva:  Curva sempre na mesma direcção ou mudou a meio? Mudou Tipo A  Tipo B    Ao fim de alguns minutos:          Muda o rádio para a pré‐sintonia 5.        Estava ali um 40 ou eu vi mal? Vi mal.  

  Segmento 1:  Erros tradicional    Depois do S:   Reparaste que a curva à esq era apertada e a à dir gradual? Sim. Tipo A  Tipo B    Alargamento:   IGNORAR.       Sinais:         Muda o som do rádio.         Reparaste na árvore junto ao sinal da direita? Sim, verde, 1.    Curva / contra curva:       Mete a ventoinha no máximo.       Qual era o perfil da estrada durante a curva? 2+2    Estreitamento       A/C para corpo e pés       Viste o sinal a avisar do estreitamento? Não existia.    Árvores:       Rádio na frequência N abaixo da actual.      Havia árvores do lado esquerdo da estrada? Não.    Obstáculo:       Mete a temperatura a 30°.       Quantas árvores haviam no obstáculo? 3.    Depois do estreitamento:       Muda para pré‐sintonia 1.       Antes de estreitar, o traço contínuo era simples ou duplo? Duplo. 

 

89 

 

Troço 3:  

Segmento 0:  Erros sem tarefas     Fim da curva:     Qual foi maior, a curva esq ou a curva dir? Esq.  Tipo A  Tipo B     Ao fim de alguns minutos:            Muda o rádio para a pré‐sintonia 5.           Viste a árvore do lado esquerdo? Não existia.      

Segmento 1:  Erros integrado     Depois da curva:   Que tipo de traço tinha a curva? Descontinuo. Tipo A  Tipo B    Alargamento:     IGNORAR.         Sinais:           Muda o som do rádio.           Quantas árvores havia junto aos sinais? 2, 1 verde esq e 1 vermelho dir.    Curva / contra curva:         Mete a ventoinha no máximo.         Não havia um sinal de trânsito a avisar da curva? Não.       Estreitamento:         A/C para corpo e pés.         Antes do estreitamento, quantas faixas havia em sentido oposto? 2.       Árvores:         Rádio na frequência N abaixo da actual.         Quantas árvores verdes? 3.       Obstáculo:         Mete a temperatura a 30°.         Viste a árvore verde? Não existia.       Depois do estreitamento:         Muda para pré‐sintonia 1.         Havia um sinal de trânsito do lado oposto? Não.