疲勞駕駛AI提醒器

宋秀雙 河北省張家口市涿鹿縣涿鹿中學(xué)信息技術(shù)教師，曾榮獲張家口市信息技術(shù)教學(xué)新星、張家口市學(xué)科帶頭人等稱號(hào)。所做課程榮獲河北省“優(yōu)秀示范課”，輔導(dǎo)的學(xué)生曾獲“童創(chuàng)未來(lái)”全國(guó)青少年人工智能創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽金獎(jiǎng)、河北省第五屆中小學(xué)教育機(jī)器人暨創(chuàng)客競(jìng)賽創(chuàng)客項(xiàng)目高中組一等獎(jiǎng)。

教學(xué)背景

汽車在給我們帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了隱藏的危險(xiǎn)。我國(guó)現(xiàn)有的汽車保有量約為3億輛，在這么龐大的車輛數(shù)目面前，交通事故也是頻頻發(fā)生。其中，因?yàn)槠隈{駛所引發(fā)的車禍數(shù)不勝數(shù)。因此，本節(jié)課帶領(lǐng)學(xué)生制作一個(gè)疲勞駕駛AI提醒器，期望能在駕駛員因疲憊困倦而打瞌睡時(shí)，第一時(shí)間響鈴或亮燈示警，避免更多交通事故的發(fā)生，保障生命安全。

教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)會(huì)在Mind+的Python模式下，安裝pinpong庫(kù)、face_recognition人臉識(shí)別庫(kù);

2.掌握EAR人眼疲倦檢測(cè)開(kāi)源算法，應(yīng)用數(shù)學(xué)兩點(diǎn)距離公式;

3.利用face_recognition人臉識(shí)別庫(kù)獲取人眼坐標(biāo)，感受人工智能;

4.學(xué)會(huì)在Mind+的Python模式下，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)pinpong庫(kù)與micro：bit通信，掌握用Python代碼給各種常見(jiàn)的開(kāi)源硬件編程的方法。

5.學(xué)會(huì)積極觀察身邊發(fā)生的事情并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后從中找到解決問(wèn)題的辦法，在生活中養(yǎng)成良好的安全意識(shí)。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) EAR人眼疲倦檢測(cè)開(kāi)源算法原理及其使用方法。

教學(xué)難點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)pinpong庫(kù)與micro：bit通信。

教學(xué)過(guò)程

一、情境導(dǎo)入

師：貨車司機(jī)趙某2021年8月3日上午從山東出發(fā)前往陜西送貨，連續(xù)駕車13個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重疲勞駕駛的趙某不由得打起瞌睡，導(dǎo)致貨車失控，撞上護(hù)欄。同學(xué)們坐車時(shí)有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)司機(jī)疲勞駕駛呢？你當(dāng)時(shí)是怎么做的？

學(xué)生思考、回答。

師：對(duì)，我們發(fā)現(xiàn)后應(yīng)及時(shí)提醒司機(jī)停車休息，避免發(fā)生交通事故。有沒(méi)有更智能的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？我們可以用攝像頭來(lái)監(jiān)控司機(jī)的眼睛，利用人工智能算法判斷司機(jī)是否瞌睡，并進(jìn)行語(yǔ)音提醒。今天老師就帶領(lǐng)大家使用攝像頭和micro：bit擴(kuò)展板制造出一臺(tái)疲勞駕駛AI提醒器。

二、知識(shí)講授

（一）EAR人眼疲倦檢測(cè)開(kāi)源算法

EAR（eye aspect ratio）計(jì)算函數(shù)是指利用眼睛縱橫比，判斷眼睛是睜開(kāi)的還是閉合的，從而檢測(cè)眨眼動(dòng)作，判斷人是否疲勞。首先需要確定眼睛的位置，在確定眼睛位置之后，選擇6個(gè)點(diǎn)來(lái)表示眼睛，然后順時(shí)針繞著眼睛進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)的順序是從眼睛的左角開(kāi)始，如圖1所示。

根據(jù)這6個(gè)點(diǎn)，我們便可以判斷眼睛睜開(kāi)和閉合的狀態(tài)。當(dāng)眼睛睜開(kāi)的時(shí)候，上圖中豎著的黃色箭頭相對(duì)比較長(zhǎng)，而眼睛閉合（疲勞狀態(tài)）時(shí)，這個(gè)箭頭就會(huì)變短。由于觀看的距離不同，單純用高度來(lái)表示狀態(tài)缺少參考比較，因此提出如下公式表示眼睛的狀態(tài)：

EAR=

點(diǎn)間距離的計(jì)算可參考數(shù)學(xué)課上學(xué)過(guò)的兩點(diǎn)間距離公式：

AB=

通過(guò)大量測(cè)試，分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一般當(dāng)EAR小于0.25時(shí)，眼睛便是疲勞狀態(tài)。

（二）face_recognition人臉識(shí)別庫(kù)

師：face_recognition是世界上最簡(jiǎn)單的人臉識(shí)別庫(kù)，通過(guò)Python語(yǔ)言或命令行對(duì)圖像進(jìn)行人臉識(shí)別操作。它使用Dlib最先進(jìn)的人臉識(shí)別技術(shù)構(gòu)建而成，并具有深度學(xué)習(xí)功能。

首先打開(kāi)Mind+軟件，選擇Python模式中“庫(kù)管理”的“PIP模式”安裝face_recognition人臉識(shí)別庫(kù)，然后再去識(shí)別人臉關(guān)鍵點(diǎn)。使用電腦內(nèi)置攝像頭加載圖像后，face_recognition庫(kù)中相關(guān)函數(shù)可識(shí)別出人臉關(guān)鍵點(diǎn)信息，參數(shù)是加載的圖像image，返回值是包含面部特征字典的列表，列表中每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一張人臉，包括鼻子、眼睛、嘴唇、下巴等部分的信息，每個(gè)部分包含若干個(gè)特征點(diǎn)，總共有68個(gè)特征點(diǎn)。列表長(zhǎng)度就是圖中識(shí)別出的人臉數(shù)。

教師講解并演示識(shí)別結(jié)果。

（三）程序編寫(xiě)

1.提取兩眼坐標(biāo)并計(jì)算眼睛縱橫比

每只眼需要提取6個(gè)輪廓坐標(biāo)點(diǎn)，共12個(gè)。EAR計(jì)算函數(shù)方程的分子是垂直眼睛標(biāo)志之間的距離，而分母是水平眼睛標(biāo)志之間的距離，由于水平點(diǎn)只有一組，卻有兩組垂直點(diǎn)，所以分母乘以2，以保證兩組特征點(diǎn)的權(quán)重相同。

2.判斷是否處于瞌睡狀態(tài)

分別計(jì)算兩眼EAR值，然后取平均值，增加可信度。當(dāng)平均值小于限定的閾值時(shí)，判定為閉眼一次;若長(zhǎng)時(shí)間閉眼（大于2秒）時(shí)，判定為司機(jī)瞌睡。使用EAR算法，可避免人眼在圖像中近大遠(yuǎn)小而產(chǎn)生的影響。

教師重點(diǎn)講解使用平均值的意義、閾值的反復(fù)調(diào)試，并進(jìn)行演示操作，如圖2。

學(xué)生練習(xí)并反復(fù)調(diào)試，設(shè)定合理閾值。

三、硬件組裝與測(cè)試

（一）組裝硬件

連接組裝OLED顯示屏、喇叭、錄放模塊、LED燈、micro：bit擴(kuò)展板等設(shè)備。教師講解每個(gè)硬件的作用，演示組裝過(guò)程。

學(xué)生以6人為小組，進(jìn)行分工設(shè)計(jì)組裝。

（二）硬件測(cè)試

1.pinpong庫(kù)測(cè)試顯示屏

使用micro：bit主控板加擴(kuò)展板，OLED顯示屏連接在IIC接口上。安裝pinpong庫(kù)，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行顯示屏測(cè)試，編寫(xiě)測(cè)試代碼讓顯示屏顯示“Hello PinPong”，如圖3。

學(xué)生可自行設(shè)計(jì)，顯示不同的內(nèi)容。

2.pinpong庫(kù)測(cè)試LED燈

將LED燈接在擴(kuò)展板的P12引腳上，編寫(xiě)測(cè)試程序?qū)崿F(xiàn)LED燈1秒閃爍1次。測(cè)試代碼如下。

import time

from pinpong.board import Board，Pin

Board（"microbit"）.begin（） #初始化，選擇板型和端口號(hào)，不輸入端口號(hào)則進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別

led=Pin（Pin.D12， Pin.OUT） #引腳初始化為電平輸出

k=0

while True：

k=1-k

led.value（k）? ?#閃燈

time.sleep（1）? #等待1秒 保持狀態(tài)

教師講解程序代碼，并說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)LED燈循環(huán)閃爍。

學(xué)生在掌握基本方法后，可小組討論，利用其他方法實(shí)現(xiàn)LED燈閃爍。

3.pinpong庫(kù)測(cè)試錄放模塊

錄音模塊接在擴(kuò)展板的P14引腳上。測(cè)試代碼如下。

import time

from pinpong.board import Board，Pin

Board（"microbit"）.begin（） #初始化，選擇板型和端口號(hào)，不輸入端口號(hào)則進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別

sound = Pin（Pin.P14， Pin.OUT）? #引腳初始化為電平輸出

while True：

sound.value（1）? #輸出高電平

time.sleep（0.1）? #等待0.1秒 保持狀態(tài)

sound.value（0）? #輸出低電平

time.sleep（3）? #等待3秒 保持狀態(tài)

學(xué)生自己錄制“提醒音”，并進(jìn)行測(cè)試。

師：通過(guò)以上講解，請(qǐng)同學(xué)們整合一下各個(gè)分解任務(wù)的程序，形成完整程序。

學(xué)生組內(nèi)明確分工，合作完成任務(wù)。學(xué)生小組討論，不斷地調(diào)試、修正、完善程序，并在此過(guò)程中培養(yǎng)溝通、團(tuán)結(jié)合作的能力。（完整代碼掃描二維碼獲?。?/p>

四、拓展與提升

師：其實(shí)，我們生活中有很多場(chǎng)合都需要注意及時(shí)休息或提高注意力，如長(zhǎng)時(shí)間加班工作、上網(wǎng)課時(shí)……怎樣在我們疲勞瞌睡時(shí)，有一個(gè)更有效的提醒方式？請(qǐng)根據(jù)本節(jié)課所學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，使用如樹(shù)莓派、熊貓板等制作一款疲勞AI提醒器，并嘗試改進(jìn)它的不足之處。

教學(xué)反思

本課通過(guò)制作疲勞駕駛AI提醒器，讓學(xué)生學(xué)會(huì)觀察生活，發(fā)現(xiàn)生活中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，然后通過(guò)學(xué)習(xí)新的技術(shù)尋找解決問(wèn)題的方法。本課例是一個(gè)綜合性項(xiàng)目，不僅有開(kāi)源硬件和開(kāi)源算法的運(yùn)用，還涉及人工智能，既培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力，又培養(yǎng)了學(xué)生使用新技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）