車(chē)載生物識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用趨勢(shì)分析

左培文 齊濤 熊鳴

摘要：生物識(shí)別與感知技術(shù)使汽車(chē)具備一些類(lèi)似生物的感知能力，能夠使車(chē)機(jī)更加人性化的和車(chē)內(nèi)人員進(jìn)行交互。通過(guò)對(duì)駕駛員人體相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛狀態(tài)，快速實(shí)現(xiàn)一些功能。例如，對(duì)駕駛員狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)人機(jī)界面的實(shí)時(shí)調(diào)整，使車(chē)內(nèi)氣氛、交互環(huán)境與駕駛員當(dāng)前駕駛狀態(tài)吻合，這也是未來(lái)智能駕艙人性化和情感化的表現(xiàn)。生物識(shí)別數(shù)據(jù)對(duì)于智能駕艙而言，能夠提高汽車(chē)與人的交互效率，本文將重點(diǎn)對(duì)眼球追蹤、人臉識(shí)別兩類(lèi)生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：眼球追蹤;人臉識(shí)別;狀態(tài)檢測(cè);身份識(shí)別;情緒檢測(cè)

1 眼球追蹤技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

車(chē)載眼球追蹤技術(shù)是測(cè)量駕駛員眼睛的運(yùn)動(dòng)情況、估計(jì)視線方向與眼睛注視點(diǎn)位置的技術(shù)，一般實(shí)現(xiàn)眼球追蹤的設(shè)備包括紅外光源、光學(xué)傳感器及視點(diǎn)計(jì)算芯片等主要部件。由紅外光源投射駕駛員眼睛形成紅外圖像，光學(xué)傳感器捕獲人眼紅外圖像提取人眼特征，最終通過(guò)視點(diǎn)計(jì)算芯片計(jì)算駕駛員視點(diǎn)位置。

1.2技術(shù)特點(diǎn)

車(chē)載眼球追蹤技術(shù)的應(yīng)用包含以下方面：第一類(lèi)是眼控交互，應(yīng)用在如HUD及其他顯示界面的交互場(chǎng)景中，包括：虹膜解鎖車(chē)輛、眼球運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)HUD操控等。第二類(lèi)是疲勞檢測(cè)，駕駛員疲勞檢測(cè)的識(shí)別方式是根據(jù)眨眼時(shí)的眼皮位置、瞳孔與眼瞼遮擋比例來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，缺點(diǎn)是必須在駕駛員嚴(yán)重疲勞眼皮將近閉合或者明顯扭頭的情況才能預(yù)警，主要針對(duì)①駕駛員注視點(diǎn)停留時(shí)長(zhǎng)，②眼跳幅度、頻率、頻繁眨眼，③注視點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間集中在非重點(diǎn)區(qū)域等場(chǎng)景或指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。第三類(lèi)是行為規(guī)范檢測(cè)，眼球追蹤可以進(jìn)行注意力檢測(cè)，比如啟動(dòng)車(chē)輛前是否檢查左后視鏡、是否注意路旁情況時(shí)間太長(zhǎng)等。相比傳統(tǒng)方法只能根據(jù)頭部動(dòng)作來(lái)檢測(cè)具有一定優(yōu)勢(shì)：一則頭部動(dòng)作無(wú)法精細(xì)到識(shí)別注視方位的程度，二則如果駕駛員頭部正對(duì)前方僅用眼睛去瞄目標(biāo)時(shí)傳統(tǒng)方案是無(wú)法識(shí)別的。主要針對(duì)駕駛員①啟動(dòng)車(chē)輛、轉(zhuǎn)向、倒車(chē)時(shí)的視線方向，②頭部和視線方位關(guān)系，③玩手機(jī)，④低頭、仰頭、側(cè)頭、離席等場(chǎng)景或指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

1.3技術(shù)難點(diǎn)

第一，復(fù)雜光照。傳統(tǒng)或者普通的眼球追蹤應(yīng)用場(chǎng)景都是室內(nèi)，室內(nèi)的光照一般是小于600Lux。例如，使用紅外燈源投射至眼球的技術(shù)方案，室內(nèi)的可見(jiàn)光對(duì)光斑影響較小;但是在太陽(yáng)光環(huán)境下，太陽(yáng)紅外光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)范圍較復(fù)雜，加之外界各種燈、光的反射、折射，對(duì)于眼球光斑和光斑中心的眼部特征提取影響很?chē)?yán)重。

第二，誤操作。駕駛員駕駛過(guò)程中對(duì)中控、儀表等多個(gè)屏幕的觀察以及行車(chē)過(guò)程中需左右擺頭對(duì)路況的觀察，相比室內(nèi)使用電腦顯示屏的眼球追蹤，頭部擺動(dòng)范圍更大。如實(shí)現(xiàn)儀表屏、中控屏、副駕駛屏等多個(gè)屏幕的眼控功能，一方面受硬件的影響，采集眼圖受限，另外一方面，對(duì)算法的要求也更高。

第三，車(chē)輛行駛顛簸。當(dāng)車(chē)輛顛簸達(dá)到一定頻率時(shí)致使相機(jī)捕獲的眼圖模糊，難以辨別光斑中心及瞳孔中心，所以車(chē)輛顛簸的各種路況也是眼球追蹤技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)之一。

2 人臉識(shí)別技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

車(chē)載人臉識(shí)別技術(shù)是基于駕駛員臉部特征信息進(jìn)行駕駛員身份識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)的一種生物識(shí)別技術(shù)，通常采用車(chē)內(nèi)攝像機(jī)采集含有駕駛員人臉的圖像或視頻流，并自動(dòng)在圖像中檢測(cè)和跟蹤駕駛員人臉。

2.2技術(shù)特點(diǎn)

車(chē)載人臉識(shí)別的流程則主要包含以下幾個(gè)部分，即人臉圖像的采集與預(yù)處理、人臉檢測(cè)、人臉特征提取及運(yùn)算。

人臉圖像的采集與預(yù)處理：通過(guò)駕艙內(nèi)的攝像機(jī)在設(shè)備的可拍攝范圍內(nèi)自動(dòng)實(shí)時(shí)抓取駕駛員人臉圖像并完成采集工作。對(duì)駕駛員人臉圖像的預(yù)處理的目的是在系統(tǒng)對(duì)人臉圖像的檢測(cè)基礎(chǔ)之上，對(duì)人臉圖像做出進(jìn)一步的處理以利于人臉圖像的特征提取。

駕駛員人臉檢測(cè)：系統(tǒng)會(huì)精準(zhǔn)的定位出人臉的位置和大小，在挑選出有用的圖像信息的同時(shí)自動(dòng)剔除掉其他多余的圖像信息來(lái)進(jìn)一步的保證人臉圖像的精準(zhǔn)采集。

人臉特征提取及運(yùn)算：特征提取的方法一般包括基于知識(shí)的提取方法或者基于代數(shù)特征的提取方法。以基于知識(shí)的人臉識(shí)別提取方法中的一種為例，因?yàn)槿四樦饕怯裳劬?、額頭、鼻子、耳朵、下巴、嘴巴等部位組成，對(duì)這些部位以及它們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系都是可以用幾何形狀特征來(lái)進(jìn)行描述的，也就是說(shuō)每一個(gè)駕駛員的人臉圖像都可以有一個(gè)對(duì)應(yīng)的幾何形狀特征，它可以幫助我們作為識(shí)別人臉的重要差異特征，這也是基于知識(shí)的提取方法中的一種。將獲得的人臉特征數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)設(shè)的人臉識(shí)別算法進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而識(shí)別輸出駕駛員的面部情緒、駕駛注意力等駕駛員狀態(tài)。

2.3技術(shù)難點(diǎn)

汽車(chē)駕艙內(nèi)的人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用仍具有一定挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，由駕駛員人臉目標(biāo)內(nèi)在的變化引起：①人臉具有相當(dāng)復(fù)雜的細(xì)節(jié)變化和不同的表情（眼、嘴的開(kāi)與閉等），不同的人臉具有不同的外貌，如臉形、膚色等;②人臉的遮擋，如眼鏡、頭發(fā)和頭部飾物等。其次，由外在條件變化引起：①由于駕駛員駕駛車(chē)輛時(shí)的路況觀察致使成像角度的不同造成人臉的多姿態(tài)，如頭部的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)等;②車(chē)輛行駛中導(dǎo)致駕駛艙內(nèi)光線的影響，如圖像中的亮度、對(duì)比度的變化和陰影等;③圖像的成像條件，如攝像設(shè)備在車(chē)輛顛簸時(shí)焦距、成像距離的處理等。

3 應(yīng)用趨勢(shì)分析

3.1 駕駛員狀態(tài)檢測(cè)

利用安裝在車(chē)上的眼球追蹤及人臉識(shí)別技術(shù)的相關(guān)設(shè)備，在駕駛員駕駛過(guò)程中，通過(guò)接觸或非接觸的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員的狀態(tài)，能夠檢測(cè)到駕駛員危險(xiǎn)駕駛行為，并提醒駕駛員預(yù)警?？蓪?shí)現(xiàn)以下預(yù)警功能：

第一，疲勞駕駛預(yù)警。由于駕駛員缺少休息或長(zhǎng)時(shí)間駕駛等原因，產(chǎn)生生理機(jī)能和心理機(jī)能的失調(diào)而出現(xiàn)的駕駛過(guò)程中反應(yīng)時(shí)間變慢、視力與協(xié)調(diào)性變差、或處理外界信息延遲等現(xiàn)象的駕駛狀態(tài)。能夠通過(guò)面部檢測(cè)的方式檢測(cè)到駕駛員疲勞駕駛產(chǎn)生疲勞駕駛預(yù)警。

第二，分神駕駛預(yù)警。駕駛員在駕駛過(guò)程中，因注意力未集中于觀察前方道路狀況而可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的駕駛狀態(tài)，該駕駛狀態(tài)包括但不限于低頭、左顧右盼等。車(chē)載終端應(yīng)能夠通過(guò)視頻的方式檢測(cè)到駕駛員分神狀態(tài)，產(chǎn)生分神警告，且能夠區(qū)分車(chē)輛轉(zhuǎn)向、駕駛員觀察后視鏡等情況與分神駕駛狀態(tài)。

第三，抽煙預(yù)警。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)載終端應(yīng)能夠通過(guò)接觸或非接觸的方式檢測(cè)到駕駛員抽煙的行為產(chǎn)生預(yù)警。

第四，接打電話預(yù)警。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)載終端應(yīng)能夠通過(guò)接觸或非接觸的方式檢測(cè)到駕駛員接打電話的行為產(chǎn)生預(yù)警，且具備以下功能：

第五，駕駛員異常預(yù)警。車(chē)輛行駛過(guò)程中，用于檢測(cè)駕駛員狀態(tài)的攝像頭未檢測(cè)到人臉面部特征達(dá)到3秒以上的情形。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，終端檢測(cè)到駕駛員異常時(shí)，應(yīng)能產(chǎn)生駕駛員異常預(yù)警，對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警提示。

可設(shè)置報(bào)警分級(jí)速度閾值的功能，提供不同等級(jí)的疲勞駕駛警告預(yù)警。當(dāng)車(chē)輛速度低干預(yù)警分級(jí)速度閾值時(shí)，若檢測(cè)到疲勞駕駛，產(chǎn)生一級(jí)預(yù)警，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警提示或者顯示預(yù)警提示;當(dāng)車(chē)輛速度高于預(yù)警分級(jí)速度閾值時(shí)，若檢測(cè)到疲勞駕駛，產(chǎn)生二級(jí)預(yù)警，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警提示或者顯示預(yù)警提示。產(chǎn)生二級(jí)預(yù)警時(shí)，車(chē)載終端可向相關(guān)客服或管理平臺(tái)發(fā)送駕駛預(yù)警信息。

3.2駕駛員身份識(shí)別

具備對(duì)駕駛員面部特征識(shí)別功能，當(dāng)檢測(cè)到駕駛員離開(kāi)監(jiān)控畫(huà)面再返回時(shí)，終端應(yīng)能將重新出現(xiàn)的駕駛員面部特征與離開(kāi)前的駕駛員面部特征相對(duì)比。若駕駛員面部特征不同，則產(chǎn)生駕駛員身份異常事件，并不能啟動(dòng)駕駛車(chē)輛。

3.3駕駛員情緒檢測(cè)

通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)判斷駕駛員的情緒狀態(tài)，基于駕駛員相應(yīng)的預(yù)警信息，提示駕駛員是否處于情緒異常狀態(tài)。例如，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員過(guò)于焦慮或易怒的情況，從而判定駕駛員能否專心駕駛，在駕駛員怒路癥發(fā)作而感到焦躁不安時(shí)，播放駕駛員最喜歡的歌曲使其平緩情緒，未來(lái)駕駛員的情緒識(shí)別可與半自動(dòng)駕駛車(chē)輛相互結(jié)合，如在無(wú)法緩解駕駛員情緒的情況下，轉(zhuǎn)由車(chē)載系統(tǒng)控制車(chē)輛的駕駛操控，進(jìn)而保證駕駛安全。