基于面部特征的駕駛員疲勞警報器設(shè)計

劉 鑫 ，陳 娜 ，潘長天 ，王宗杰 ，周其超

（青島恒星科技學(xué)院，山東 青島 266100）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人均汽車擁有量大幅度增加，農(nóng)業(yè)機械也越來越普及，但長時間行駛會讓駕駛員疲勞感增加，注意力降低，從而造成交通事故。目前我國在疲勞駕駛方面的研究對比國外相對落后，但也取得了一些有價值的研究成果。周玉彬等在頭盔上安裝攝像頭來捕捉駕駛員的眼部特征，從而把眼睛區(qū)域從采集圖像中分離出來，但因為其采用了直接接觸的方法，因此受到了應(yīng)用的限制[1]。還有一種利用生理信號特征來檢測疲勞駕駛的方法，無論是采用腦電信號還是心信號，都需要對身體直接接觸，對人駕駛車輛具有一定的侵害性，也容易影響駕駛員的注意力和精神力[2]。因此，為了確保駕駛員的安全，檢測疲勞駕駛等方面的研究對廣大人民群眾的生命安全尤為重要。

1 駕駛員疲勞產(chǎn)生原理

有多種原因會導(dǎo)致駕駛員疲勞駕駛。睡眠不足會產(chǎn)生疲勞，并且睡眠的質(zhì)量也與駕駛員疲勞有著直接的關(guān)系。充足的睡眠是消除駕駛員疲憊感、快速恢復(fù)精神、進(jìn)行休息整頓的最有效途徑[3]。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)大約有15%的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員睡眠不足導(dǎo)致的，并且接近50%的交通事故是因為睡眠不到6個小時引發(fā)的[4]。由于駕駛員長時間開車，身體的各部分機能器官無法實現(xiàn)充分的休息，導(dǎo)致生理機能下降，反應(yīng)力下降、注意力下降、開車效率下降。眾所周知，在開車時人體是長時間處于高度緊張的心神狀態(tài)，因為在開車時眼睛需要不斷看向前方和后視鏡，手部需要換擋和按喇叭，腳部需要踩剎車和油門等各種動作。當(dāng)然還有許多外部原因也會導(dǎo)致疲勞駕駛，例如長時間駕駛汽車、車速較快、環(huán)境噪聲、氣候等原因都能消耗駕駛員的身體機能。由于部分駕駛員缺乏這種疲勞駕駛的潛在意識，導(dǎo)致因疲勞駕駛造成的交通事故越來越多。

2 疲勞警報器工作原理

基于面部特征的駕駛員疲勞警報器，能夠自動檢測駕駛員是否疲勞駕駛，同時也可解決駕駛員無主觀意識的車道偏離問題或確認(rèn)前方行車距離。當(dāng)駕駛員反應(yīng)變慢，動作遲緩、注意力不集中時，都可能造成駕駛出現(xiàn)異常。例如行車速度不穩(wěn)定導(dǎo)致駕駛偏離了正常的路線、方向盤的突然晃動和變向等行為都可判斷出駕駛員是否處于疲勞的狀態(tài)。因為此檢測方法和駕駛員不會直接接觸，屬于一種間接接觸的檢測方法，所以不會對駕駛員的正常操作造成干擾[5]。而疲勞警報器就是采用這種間接方式，也就是非接觸方式，當(dāng)該裝置檢測到以上行為時，自動開關(guān)打開內(nèi)層會發(fā)出刺耳的警報，有助于駕駛者提神醒腦，防止疲勞駕駛，保障駕駛員安全，降低每年因疲勞駕駛的死亡率，同時也保證了側(cè)方車輛和路人的人身安全。

此警報器的工作原理是當(dāng)駕駛員開啟車輛的同時，疲勞警報器就會自動開始工作。通過采用感光傳感器和CMOS圖像接觸器可以通過非接觸人體的方式，實時檢測駕駛員眼部、嘴部和頭部，將檢測結(jié)果傳輸?shù)侥M解碼電路，由數(shù)據(jù)處理平臺根據(jù)駕駛員各部位疲勞條件判斷是否疲勞。當(dāng)駕駛員即將達(dá)到或已達(dá)到疲勞駕駛條件時，會觸發(fā)介于警報裝置和噴霧裝置的自動開關(guān)，自動發(fā)出警報并噴出水霧，直到裝置檢測不到駕駛員疲勞駕駛特征時終止。疲勞警報器原理圖如圖1所示。

圖1 疲勞警報器原理圖

3 疲勞警報器結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于面部特征的駕駛員疲勞警報器采用內(nèi)層、外層和夾層的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其外層由噴口和攝像頭口構(gòu)成，內(nèi)層由警報器和水霧加濕器構(gòu)成，夾層由攝像頭、感光傳感器和自動開關(guān)等組成。外層與內(nèi)層夾層的結(jié)構(gòu)能更好地保護(hù)攝像頭組織結(jié)構(gòu)，使攝像頭不會輕易損壞，也可以在外層包一層橡膠提高外層的耐磨性和彈性，在開車時也能防止內(nèi)層小型噴霧器振蕩損壞。在夾層里還裝有感光傳感器和自動開關(guān)連接內(nèi)層的警報器和水霧加濕器。此裝置功能更多、穩(wěn)定性更好、開放性更高，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 疲勞警報器結(jié)構(gòu)圖

4 圖像處理

為了能夠精確地對駕駛員面部進(jìn)行疲勞度檢測，需要對輸入的圖像進(jìn)行提前處理。因為真實光照環(huán)境多樣、駕駛員的坐姿各異、駕駛背景不同等，駕駛員面部在不同的視覺背景下呈現(xiàn)出不一樣的行為狀態(tài)，因此給人臉檢測帶來很大的困難，其中光照是檢測疲勞精準(zhǔn)度的重要影響因素之一。

對于顯著特征的面部檢測主要依賴人臉器官，如嘴巴、眼睛、頭部等的幾何結(jié)構(gòu)特征，其提取完全依靠面部圖像的邊緣信息，當(dāng)光照的角度發(fā)生改變，陰影就會出現(xiàn)在人臉的外表，而無法檢驗到比較完備的面部邊緣，邊緣信息被遮擋就會在識別過程中出現(xiàn)問題。

隨著人臉識別技術(shù)的進(jìn)步，通過對光照補償?shù)拇罅垦芯浚F(xiàn)階段對面部光照問題的處理主要有兩種，一種是基于變換的光照補償法，另一種是基于光照樣本合成的光照補償法?；谧儞Q的光照補償法主要通過圖像技術(shù)的處理來變化面部圖像的灰度分布特征，把面部圖像作為基礎(chǔ)信號在空、頻域上進(jìn)行線性或非線性的變換，從而減小光照因素對人臉圖像的影響?；诠庹諛颖竞铣傻墓庹昭a償法則是運用面部光照的圖像實現(xiàn)光照條件的估測，通過模擬標(biāo)準(zhǔn)光照環(huán)境，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)光照環(huán)境下的面部光照圖像[6]。

5 疲勞警報器檢測原理

5.1 眼部檢測原理

人體眼部疲勞主要表現(xiàn)為長時間眼睛閉合和在一定時間內(nèi)眨眼頻率的增加。以此為基礎(chǔ)，以眼睛上下閉合的距離為核心，采用了卡內(nèi)基梅隆所提出的PERCLOS原理來檢測駕駛員的眼部疲勞程度，即通常取1 min或者30 s的單位時間內(nèi)眼睛閉合固定的比例（例如70%或80%）所占的時間，當(dāng)眼睛閉合時，上眼皮和下眼皮的特征點距離變小，相當(dāng)于眼睛的長寬比改變[7]。

針對PERCLOS原理，制定了三種標(biāo)準(zhǔn)，分別是：P70指瞳孔的面積被眼瞼遮住超過70%就算眼睛閉合，總計在固定時間內(nèi)眼睛閉合而占用的時間比值。P80指瞳孔的面積被眼瞼遮住超過80%就算眼睛閉合，總計在固定時間內(nèi)眼睛閉合而占用的時間比值。EM指瞳孔的面積被眼瞼遮住超過50%就算眼睛閉合，總計在固定時間內(nèi)眼睛閉合而占用的時間比值[8]。其中P80的PERCLOS值與疲勞程度關(guān)系最優(yōu)，因此使用P80作為疲勞標(biāo)準(zhǔn)的判定，其測量原理如圖3所示，P80標(biāo)準(zhǔn)的PERCLOS值計算公式如下：

圖3 PERCLOS值的測量原理

5.2 嘴部檢測原理

人體嘴部疲勞主要表現(xiàn)為打哈欠，人在打哈欠時，嘴巴在閉上和張開時上嘴唇和下嘴唇的距離不同和左右嘴角有所區(qū)別，也就是嘴巴在張開和閉合時的長寬比不同[9]。由于每個人嘴唇的厚度不同，嘴部的外輪廓對比與嘴部的內(nèi)輪廓更能體現(xiàn)出嘴巴張開程度的大小。因此能夠直接代表嘴巴狀態(tài)的重要指標(biāo)就是嘴巴的張開程度。采用下式計算：

5.3 頭部檢測原理

當(dāng)駕駛員疲勞駕駛時，頭部的狀態(tài)也同時會出現(xiàn)對應(yīng)的變化，駕駛員的疲勞狀態(tài)主要表現(xiàn)在頭部變成側(cè)偏，不間斷的點頭動作，或者長時間不改變狀態(tài)等行為動作[10]。根據(jù)以上情況建立三維空間直角坐標(biāo)系，分為俯仰角、傾斜角和搖擺角。設(shè)頭部為初始坐標(biāo)，當(dāng)頭部開始點頭、搖頭和擺頭，三維空間直角坐標(biāo)系也會明顯發(fā)生改變。記錄頭部初始坐標(biāo)和發(fā)生疲勞后的坐標(biāo)計算偏側(cè)角度，當(dāng)角度大于設(shè)定值，則檢測出駕駛疲勞。

6 市場前景

基于面部特征的駕駛員疲勞警報器，是一種新型的多功能控制裝置，能有效利用機動車空間。同時具有耗能較低、易于管理、操作簡單、便于維護(hù)、無需值守、穩(wěn)定性高、價格低廉等優(yōu)點，而且還可以更有效地減少駕駛員因疲勞駕駛造成的交通事故，非常適合經(jīng)常需要外出工作的消費者、運輸服務(wù)行業(yè)以及各大汽車制造生產(chǎn)廠商等，應(yīng)用前景廣闊。未來可以和各品牌汽車廠商合作，在汽車內(nèi)置配備本設(shè)備，同時也可進(jìn)行單獨銷售，市場空間大，推廣價值高。