基于防疲勞駕駛下的智能語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)

河南理工大學(xué)電氣學(xué)院 金谷香 張宏偉

在進(jìn)行司機(jī)面部動(dòng)態(tài)識(shí)別時(shí)拍攝整體頭部頭像的同時(shí)進(jìn)行人景分離，將人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理之后提取特征量，通過(guò)不同特征向量與第一個(gè)閾值進(jìn)行比對(duì)，超過(guò)閾值則進(jìn)行語(yǔ)音提醒。檢測(cè)車(chē)輛的偏航角時(shí)結(jié)合司機(jī)面部動(dòng)態(tài)檢測(cè)模塊來(lái)排除司機(jī)主觀換道因素。若偏航角超過(guò)所設(shè)的第二個(gè)閾值，無(wú)論是否是司機(jī)主觀換道，都應(yīng)提醒司機(jī)注意行車(chē)安全。通過(guò)檢測(cè)司機(jī)的腦電波，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)程序算法來(lái)檢測(cè)人腦的活躍程度，若低于第三個(gè)閾值，則進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音提醒。針對(duì)之前所提及的三個(gè)檢測(cè)模塊，通過(guò)賦予不同比例的權(quán)重來(lái)設(shè)定第四個(gè)閾值，若檢測(cè)到的三個(gè)模塊均超過(guò)所設(shè)閾值，則觸發(fā)語(yǔ)音模塊報(bào)警，并對(duì)預(yù)先設(shè)置的用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，提醒司機(jī)在就近服務(wù)區(qū)?？啃菹ⅰ?/p>

相較于市面上的防疲勞駕駛系統(tǒng)，該防疲勞駕駛系統(tǒng)所考慮的因素更全面，算法也更為精確?；谠械乃惴ㄖ?，運(yùn)用多重分類(lèi)的思想，不僅綜合了多方面的因素，還增加了分度等級(jí)表，根據(jù)不同的危險(xiǎn)等級(jí)，發(fā)出不同的警報(bào)聲，更加具備用戶(hù)友好性。

1 傳統(tǒng)方法檢測(cè)疲勞駕駛存在的問(wèn)題

目前關(guān)于檢測(cè)疲勞駕駛的研究方法已經(jīng)比較準(zhǔn)確，但是由于這些方法一般是在駕駛前或者駕駛后測(cè)量的，均有不同程度的超前或滯后，而非實(shí)時(shí)性檢測(cè)。除此之外，在駕駛室有限的空間內(nèi)安裝檢測(cè)儀器也具有不小的難度；況且司機(jī)在進(jìn)入或離開(kāi)駕駛室的精神狀態(tài)呈現(xiàn)波動(dòng)，使用精確的儀器測(cè)量出的結(jié)果也會(huì)大打折扣。關(guān)于檢測(cè)疲勞駕駛的系統(tǒng)中：基于生理現(xiàn)象的檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)良，但在檢測(cè)心率、脈搏以及皮膚電壓等的變化實(shí)用性較差；基于操控行為的檢測(cè)技術(shù)，其可擴(kuò)展性較差；基于行駛條件的檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)的準(zhǔn)確性較差。目前的防疲勞駕駛設(shè)計(jì)中，大多數(shù)是以面部識(shí)別、眼部識(shí)別、嘴部識(shí)別、壓力傳感器與檢測(cè)車(chē)輛是否偏離車(chē)道線為主，很少有對(duì)行車(chē)路況的檢測(cè)。而在實(shí)際應(yīng)用中，人們更傾向于車(chē)載、實(shí)時(shí)非接觸式、能進(jìn)行實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)钠跈z測(cè)裝置。

2 改進(jìn)措施

2.1 車(chē)輛偏移量檢測(cè)

針對(duì)市面上行車(chē)時(shí)計(jì)算偏離車(chē)道線的算法，本裝置加入面部檢測(cè)裝置，排除司機(jī)主觀換道因素后計(jì)算車(chē)輛的偏航角。若偏航角過(guò)大，無(wú)論是否是司機(jī)主觀換道，都應(yīng)提醒司機(jī)注意行車(chē)安全。偏航角較大時(shí)，如果閾值設(shè)定過(guò)大，在車(chē)速較快的情況下駕駛?cè)藢o(wú)法及時(shí)調(diào)整車(chē)輛方向；如果閾值設(shè)定過(guò)小，為保證預(yù)警實(shí)時(shí)性，檢測(cè)幀數(shù)很少，則會(huì)影響預(yù)警系統(tǒng)準(zhǔn)確性。算法計(jì)算得出將大偏航角設(shè)定為10°較合理。如果此時(shí)的偏航角小于0°，則當(dāng)前車(chē)輛行駛狀態(tài)為左偏，反之為右偏。如果連續(xù)2幀圖像的檢測(cè)結(jié)果顯示車(chē)輛位置處于大偏航角狀態(tài)，即偏航角絕對(duì)值大于10°，則立即提醒。偏航角較小時(shí)，將閾值設(shè)定3°，車(chē)輛位置處于小偏航角狀態(tài)時(shí)，如果連續(xù)15幀圖像檢測(cè)結(jié)果顯示車(chē)輛偏航角絕對(duì)值大于3° 且處于持續(xù)增大過(guò)程，則觸發(fā)提醒。

2.2 面部動(dòng)態(tài)檢測(cè)

主要檢測(cè)司機(jī)頭部?jī)A斜程度、頭部下垂度、眼睛閉合頻率等的變化。人臉和背景存在灰度差異，包括毛發(fā)等都?xì)w類(lèi)為背景，拍攝整體頭部圖像后分離人臉，去除干擾后通過(guò)定位、采點(diǎn)、標(biāo)記、計(jì)算和提取特征量將灰度值地的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，與正常值進(jìn)行比對(duì)。若采取到的數(shù)值在預(yù)先設(shè)置的容許偏移量之間，則不觸發(fā)提醒；反之，進(jìn)行智能語(yǔ)音播報(bào)。

2.3 腦電波檢測(cè)

腦電波檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)人的腦電波來(lái)判別人的疲勞程度，將人的腦電波這種電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，處理后根據(jù)程序算法的計(jì)算來(lái)檢測(cè)人腦的活躍程度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)司機(jī)處于疲勞駕駛時(shí)，通過(guò)用戶(hù)預(yù)先設(shè)定的人聲進(jìn)行智能語(yǔ)音播報(bào)，以提醒司機(jī)需要適時(shí)休息。若司機(jī)當(dāng)時(shí)處于疲勞狀態(tài)，但離下一個(gè)服務(wù)區(qū)距離較近，則可通過(guò)該模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸獲知信息，以便進(jìn)行分析判斷是否應(yīng)就近服務(wù)區(qū)進(jìn)行?？啃菹?。

2.4 智能語(yǔ)音提醒與家人防擔(dān)憂系統(tǒng)

現(xiàn)在市面上的普通系統(tǒng)都是冰冷的機(jī)器音，不僅會(huì)讓人感到不適，還無(wú)法有效的提醒車(chē)主。因此采用了溫暖的親人語(yǔ)音提醒，只需提前錄入幾段語(yǔ)音，就可以自動(dòng)進(jìn)行提醒，司機(jī)即使身在外，也依然能感受到家人的溫暖，來(lái)自親人的親切話語(yǔ)也會(huì)使得司機(jī)駕駛時(shí)更加的小心，從而降低事故發(fā)生率。與此同時(shí)，家人防擔(dān)憂模塊還能夠?qū)④?chē)主駕駛時(shí)的信息實(shí)時(shí)傳輸給他的家人，讓家人們不再擔(dān)心并且能第一時(shí)間了解到司機(jī)的狀況。

3 工作原理

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智能親人語(yǔ)音提醒軟件系統(tǒng)，方法利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)音合成技術(shù)合成人聲語(yǔ)音，通過(guò)計(jì)算機(jī)音箱提醒。具體流程圖如圖1所示：

圖1 語(yǔ)音提醒模塊流程圖

系統(tǒng)采用 STC89C51 單片機(jī)作為控制芯片、麥克風(fēng)和NE5532組成的放大電路，其中帶通濾波器和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器則負(fù)責(zé)語(yǔ)音信號(hào)采集，D/A轉(zhuǎn)換器和揚(yáng)聲器將負(fù)責(zé)語(yǔ)音回放，外部存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)語(yǔ)音存儲(chǔ)，而 LED 點(diǎn)陣顯示屏即負(fù)責(zé)呈現(xiàn)提示信息，另有單片機(jī)自帶鍵盤(pán)可負(fù)責(zé)控制語(yǔ)音錄入和回放。

當(dāng)按下錄入鍵，語(yǔ)音信號(hào)由MIC錄入，經(jīng)過(guò)放大和濾波后，送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)，在單片機(jī)的控制下，就將語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。當(dāng)按下回放鍵，單片機(jī)提取相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，而經(jīng)濾波和功率放大后，將由揚(yáng)聲器輸出，同時(shí)屏幕在單片機(jī)控制下，將會(huì)顯示語(yǔ)音信息的編號(hào)。

本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心控制芯片進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)錄音、放音、對(duì)于中斷命令的響應(yīng)和對(duì)外部存儲(chǔ)器RAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作?？刂菩酒刂茀f(xié)調(diào)各部分電路，將語(yǔ)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器; 當(dāng)收到回放請(qǐng)求，則調(diào)出數(shù)字信號(hào)并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。

存儲(chǔ)器采用隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM。這是一種存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器，因此選取此類(lèi)外部存儲(chǔ)芯片就大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

本裝置加入了智能親人語(yǔ)音提醒模塊與家人防擔(dān)憂模塊?，F(xiàn)在市面上的普通系統(tǒng)都是冰冷的機(jī)器音，不僅會(huì)讓人感到不適，還無(wú)法有效的提醒車(chē)主。因此我們采用了溫暖的親人語(yǔ)音提醒，只需提前錄入幾段語(yǔ)音，就可以自動(dòng)進(jìn)行提醒，讓車(chē)主即使身在外，也依然能感受到家人的溫暖，來(lái)自親人的親切話語(yǔ)也會(huì)使得車(chē)主駕駛時(shí)更加的小心，從而降低事故發(fā)生率。與此同時(shí)，家人防擔(dān)憂模塊還能夠?qū)④?chē)主駕駛時(shí)的信息實(shí)時(shí)傳輸給他的家人，讓家人們不再擔(dān)心并且能第一時(shí)間了解到車(chē)主的狀況。

行車(chē)時(shí)檢測(cè)前方道路情況時(shí)，如果前方道路一路平坦，結(jié)合司機(jī)行車(chē)時(shí)間，進(jìn)行防疲勞檢測(cè)，如司機(jī)行車(chē)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，為防止司機(jī)心神疲憊，進(jìn)行語(yǔ)音提醒；如有服務(wù)區(qū)，則提醒距離前方服務(wù)區(qū)有多遠(yuǎn)距離以及距離下一個(gè)服務(wù)區(qū)有多遠(yuǎn)距離，提醒司機(jī)注意休息。目前的防疲勞駕駛設(shè)計(jì)中，大多數(shù)是以面部識(shí)別、眼部識(shí)別、嘴部識(shí)別、壓力傳感器與檢測(cè)車(chē)輛是否偏離車(chē)道線為主，很少有對(duì)行車(chē)路況的檢測(cè)，我們加入這個(gè)功能，可能對(duì)檢測(cè)疲勞駕駛只起到了輔助作用，最大的作用在于預(yù)防之上，在容易發(fā)生疲勞駕駛的時(shí)刻對(duì)司機(jī)進(jìn)行提醒，并對(duì)服務(wù)區(qū)的距離進(jìn)行提醒，可以有效防止司機(jī)發(fā)生疲勞駕駛的情況。

目前已有的防疲勞駕駛系統(tǒng)針對(duì)的只是一個(gè)群體，雖然已經(jīng)考慮到了許多方面的因素，但由于每個(gè)人的生活習(xí)慣與身體狀況都不一樣，本設(shè)置所設(shè)計(jì)的算法并不是完全精確，因此我們考慮將目前已有的防疲勞駕駛軟件與大數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，構(gòu)造一個(gè)可以精確到個(gè)人的基于大數(shù)據(jù)庫(kù)下的防疲勞駕駛系統(tǒng)。從車(chē)主購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品時(shí)開(kāi)始計(jì)算，將其平時(shí)的行為習(xí)慣都記錄在內(nèi)，如果行車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)異于平常并符合本設(shè)置算法的行為，則可以精確的認(rèn)定其為疲勞駕駛，然后發(fā)出警報(bào)。這也是下一步所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

4 應(yīng)用前景

目前已有的防疲勞駕駛系統(tǒng)針對(duì)的只是一個(gè)群體，雖然已經(jīng)考慮到了許多方面的因素，但由于每個(gè)人的生活習(xí)慣與身體狀況都不一樣，所設(shè)計(jì)的算法并不是完全精確，因此考慮將目前已有的防疲勞駕駛軟件與大數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，構(gòu)造一個(gè)可以精確到個(gè)人的基于大數(shù)據(jù)庫(kù)下的防疲勞駕駛系統(tǒng)。從車(chē)主購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品時(shí)開(kāi)始計(jì)算，將其平時(shí)的行為習(xí)慣都記錄在內(nèi)，如果行車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)異于平常并符合我們的算法的行為，則可以精確的認(rèn)定其為疲勞駕駛，然后發(fā)出警報(bào)。

在目前這個(gè)忙碌的社會(huì)，工作者們每天都在為生活而奔波。在駕駛車(chē)輛時(shí)，經(jīng)常會(huì)有疲勞駕駛的狀況發(fā)生。為減少疲勞駕駛所帶來(lái)的危害，該系統(tǒng)可以給駕駛員發(fā)送語(yǔ)音或振動(dòng)信號(hào)，及時(shí)提醒駕駛員糾正當(dāng)前的駕駛行為，從而防止事故的發(fā)生。據(jù)估計(jì)，防疲勞系統(tǒng)可以減少約30%的車(chē)道偏離傷亡事故。所提出的算法是基于現(xiàn)有的防疲勞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因而更容易與現(xiàn)有系統(tǒng)集成，并具有較高的可靠性和應(yīng)用前景。