駕駛員頭部運動與換道意圖的分析研究

黃賢丞，唐陽山，李棟梁

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

前言

駕駛人頭部位置及頭的轉動方向都會影響駕駛人的視線方向。研究表明在視線搜索過程中，頭部運動在時序上先于眼睛運動2s[2]。因此，在駕駛人的視覺行為特性的研究當中，對頭部參數的研究是優先考慮的。駕駛人頭部位置參數較多，本文只對轉動參數進行研究，分析頭部水平方向的轉動角度。采用高倍攝像頭對駕駛人頭部進行跟蹤拍攝，通過對錄像分析，逐幀分析每幅畫面中的注視點位置，進而確定每個注視點所對應的注視目標。

1 頭部姿勢估計

圖1 頭部三維標示

圖2 三維頭部轉換過程圖

利用攝像機對頭部運動進行拍攝和檢測，在三維世界中表示出人體頭部的位置和角度，即通過采集人體面部圖像，并設為參照，利用POSIT算法，將提取的待測圖像的特征點信息進行迭代估計，得到了頭部相較于標準正面頭部姿勢的三個自由度，獲得頭部姿勢估計[4]。

駕駛人頭部位置參數較多，本文只對轉動參數進行研究，分析頭部水平方向的轉動角度就，即圖中yaw方向。

2 頭部姿勢特征分析

2.1 頭部轉動姿勢

基于駕駛人注視興趣區域的劃分，結合實際情況分析，頭部轉動姿勢可分為前向，左向和右向，這里借鑒眼部注視的區域劃分，對頭部轉動的區域和角度進行劃分。

圖3 駕駛員注視范圍

圖4 駕駛員頭部轉動區域

頭部轉動區域中，1—前向區域，2—左向區域，3—右向區域。

2.2 頭部姿勢保持時間

駕駛人對交通環境（如道路、行人情況、車流信息）進行信息觀察時，會產生注視時間，相應的會產生頭部姿勢保持時間，下圖可以看出，頭部姿勢在左向、右向保持時間百分比要小于前向區域，但是比例都是超過 60%，說明駕駛人觀察道路環境時，頭部姿勢的保持和觀察是主要方式。也就是說，駕駛人在換道的過程中需要對交通情況進行包括安全性和可通過性評估，也就是需要通過頭部姿勢的保持專注觀察，但是還需要擺動頭部關注如后視鏡、相鄰車道等的情況，導致減少頭部姿勢的保持時間。

圖5 不同行駛階段頭部姿勢保持時間

2.3 頭部轉動次數

頭部轉動次數指的是單個樣本時間段頭部轉動落在某個區域的次數，該指標反映的是駕駛人對某一區域關注的頻繁程度。通常注視次數越多，表示駕駛人觀察的目標物越多，分配到每個目標物上的注意力越少。箱線圖給出了不同意圖階段的總注視次數的分布情況。

可以看出，左、右換道意圖階段的頭部姿勢保持次數分布范圍較廣，中位數以上數據顯著大于車道保持階段。左、右換道意圖階段的頭部姿勢保持次數平均值約為6次，而車道保持階段為4次。分別對左、右換道意圖階段和車道保持階段的頭部姿勢保持次數進行獨立樣本T檢驗，P值分別為0.003和0.005，均小于0.05，說明不管是左換道意圖階段還是右換道意圖階段都和車道保持階段的頭部姿勢保持次數存在顯著差異。

圖6 不同行駛階段頭部保持次數

3 數據預處理和正態性檢驗

樣本實驗中無可避免會出現異常值，去除異常值的意義有利于提高檢查結果的準確性和精度。實驗過程中的駕駛人的一些隨機動作，有可能會導致異常數據的產生。

這里采用拉伊達法則法則進行數據預處理，基本思想可表示為：|xi-ˉx|＞3δ，即當樣本中的測量數據xi與其測量結果的均值ˉx之差的絕對值大于3δ（標準差δ）時，該數據就是異常值。拉伊達法則法則操作簡單，理論清晰。

通過研究頭部轉動角度的均值與方差，證明頭部轉動角度能否應用于駕駛員換道意圖的判斷。對數據進行正態性檢驗，這里利用matlab中Statistics Toolbox工具箱函數進行處理，基于概率紙檢驗正態分布的原理，對樣本觀測值進行由小到大的次序排列：X(1)≤X(2)≤…≤X(n)，將（X(i)，(i=1,2….n)進行概率紙處理可以觀測：

圖7 正態概率紙檢驗

從結果來看，這些點明顯接近一條直線，所以說這些觀測值的為正態分布是適當的[3]。

4 頭部水平方向轉動角度標準差

為駕駛人頭部水平方向轉角標準差的分布情況，車道保持階段的樣本的標準差分布較為集中，且大都在分布在 5°以下，說明在車道保持階段駕駛人頭部在水平方向上轉動較平穩；左換道意圖階段的水平方向轉角標準差的平均值為9.14 0，右換道意圖階段為10.52 0，車道保持階段為1.83 0，可以看出不論是左換道意圖階段還是右換道意圖階段，駕駛人水平轉角標準差總體分布都大于車道保持階段，說明換道意圖階段，駕駛人通過頭部轉動進行視覺補償觀察交通情況。

圖8 駕駛人不同行駛意圖頭部運動標準差

進一步對比發現，右換道意圖階段的分布比左換道意圖階段更分散，這主要是因為左、右后視鏡相對于駕駛人位置的差異性造成的。進行獨立樣本T檢驗，p（L&S）=0.004＜0.05，p（R&S）=0.001＜0.05，說明換道意圖階段和車道保持階段的駕駛人頭部水平方向轉角標準差存在明顯差異。駕駛人頭部水平方向轉角標準差可以作為表征駕駛人換道意圖的參數[5]。

5 結論

本文對駕駛員頭部運動的姿勢進行分析和視頻分析，得到頭部姿勢估計，然后對駕駛過程中的頭部轉動進行區域劃分，對視頻采集的數據進行預處理和獨立樣本T檢驗，得到表征指標，確定了頭部運動姿勢可以表征駕駛人換道意圖的結論。為后續模型的訓練提供支撐。

[1] 李航.統計學習方法[M].清華大學出版社,2012:187-188.

[2] Doshi A, Trivedi M M. On the Roles of Eye Gaze and Head ynamics in Predicting Driver's Intent to Change Lanes[C], IEEE Transactions on Intelligent Transportation System, 2009, 10(3):453-462.

[3] 周洪偉.正態性檢驗的幾種常用的方法[J].南京曉莊學院學報,2012(3):13-18.

[4] 邢世蒙.頭部運動姿態檢測分析與設計[D].西安工業大學,2015年.

[5] 楊誠.基于隱馬爾可夫理論的駕駛人換道意圖識別研究[D].吉林大學,2016.