基于面部特征的駕駛員疲勞警報(bào)器設(shè)計(jì)

劉 鑫 ，陳 娜 ，潘長(zhǎng)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(guó)社會(huì)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(jī)械也越來(lái)越普及，但長(zhǎng)時(shí)間行駛會(huì)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(guó)在疲勞駕駛方面的研究對(duì)比國(guó)外相對(duì)落后，但也取得了一些有價(jià)值的研究成果。周玉彬等在頭盔上安裝攝像頭來(lái)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(lái)，但因?yàn)槠洳捎昧酥苯咏佑|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(hào)特征來(lái)檢測(cè)疲勞駕駛的方法，無(wú)論是采用腦電信號(hào)還是心信號(hào)，都需要對(duì)身體直接接觸，對(duì)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(cè)疲勞駕駛等方面的研究對(duì)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(huì)導(dǎo)致駕駛員疲勞駕駛。睡眠不足會(huì)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?yàn)樗卟坏?個(gè)小時(shí)引發(fā)的[4]。由于駕駛員長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)車，身體的各部分機(jī)能器官無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分的休息，導(dǎo)致生理機(jī)能下降，反應(yīng)力下降、注意力下降、開(kāi)車效率下降。眾所周知，在開(kāi)車時(shí)人體是長(zhǎng)時(shí)間處于高度緊張的心神狀態(tài)，因?yàn)樵陂_(kāi)車時(shí)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(dòng)作。當(dāng)然還有許多外部原因也會(huì)導(dǎo)致疲勞駕駛，例如長(zhǎng)時(shí)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(jī)能。由于部分駕駛員缺乏這種疲勞駕駛的潛在意識(shí)，導(dǎo)致因疲勞駕駛造成的交通事故越來(lái)越多。

2 疲勞警報(bào)器工作原理

基于面部特征的駕駛員疲勞警報(bào)器，能夠自動(dòng)檢測(cè)駕駛員是否疲勞駕駛，同時(shí)也可解決駕駛員無(wú)主觀意識(shí)的車道偏離問(wèn)題或確認(rèn)前方行車距離。當(dāng)駕駛員反應(yīng)變慢，動(dòng)作遲緩、注意力不集中時(shí)，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(dòng)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?yàn)榇藱z測(cè)方法和駕駛員不會(huì)直接接觸，屬于一種間接接觸的檢測(cè)方法，所以不會(huì)對(duì)駕駛員的正常操作造成干擾[5]。而疲勞警報(bào)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(cè)到以上行為時(shí)，自動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)內(nèi)層會(huì)發(fā)出刺耳的警報(bào)，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(shí)也保證了側(cè)方車輛和路人的人身安全。

此警報(bào)器的工作原理是當(dāng)駕駛員開(kāi)啟車輛的同時(shí)，疲勞警報(bào)器就會(huì)自動(dòng)開(kāi)始工作。通過(guò)采用感光傳感器和CMOS圖像接觸器可以通過(guò)非接觸人體的方式，實(shí)時(shí)檢測(cè)駕駛員眼部、嘴部和頭部，將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)侥M解碼電路，由數(shù)據(jù)處理平臺(tái)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(shí)，會(huì)觸發(fā)介于警報(bào)裝置和噴霧裝置的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并噴出水霧，直到裝置檢測(cè)不到駕駛員疲勞駕駛特征時(shí)終止。疲勞警報(bào)器原理圖如圖1所示。

圖1 疲勞警報(bào)器原理圖

3 疲勞警報(bào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于面部特征的駕駛員疲勞警報(bào)器采用內(nèi)層、外層和夾層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其外層由噴口和攝像頭口構(gòu)成，內(nèi)層由警報(bào)器和水霧加濕器構(gòu)成，夾層由攝像頭、感光傳感器和自動(dòng)開(kāi)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(huì)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(kāi)車時(shí)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(dòng)開(kāi)關(guān)連接內(nèi)層的警報(bào)器和水霧加濕器。此裝置功能更多、穩(wěn)定性更好、開(kāi)放性更高，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 疲勞警報(bào)器結(jié)構(gòu)圖

4 圖像處理

為了能夠精確地對(duì)駕駛員面部進(jìn)行疲勞度檢測(cè)，需要對(duì)輸入的圖像進(jìn)行提前處理。因?yàn)檎鎸?shí)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(jué)背景下呈現(xiàn)出不一樣的行為狀態(tài)，因此給人臉檢測(cè)帶來(lái)很大的困難，其中光照是檢測(cè)疲勞精準(zhǔn)度的重要影響因素之一。

對(duì)于顯著特征的面部檢測(cè)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(huì)出現(xiàn)在人臉的外表，而無(wú)法檢驗(yàn)到比較完備的面部邊緣，邊緣信息被遮擋就會(huì)在識(shí)別過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

隨著人臉識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)對(duì)光照補(bǔ)償?shù)拇罅垦芯浚F(xiàn)階段對(duì)面部光照問(wèn)題的處理主要有兩種，一種是基于變換的光照補(bǔ)償法，另一種是基于光照樣本合成的光照補(bǔ)償法。基于變換的光照補(bǔ)償法主要通過(guò)圖像技術(shù)的處理來(lái)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(hào)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(duì)人臉圖像的影響。基于光照樣本合成的光照補(bǔ)償法則是運(yùn)用面部光照的圖像實(shí)現(xiàn)光照條件的估測(cè)，通過(guò)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?qǐng)D像[6]。

5 疲勞警報(bào)器檢測(cè)原理

5.1 眼部檢測(cè)原理

人體眼部疲勞主要表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)間眼睛閉合和在一定時(shí)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(lái)檢測(cè)駕駛員的眼部疲勞程度，即通常取1 min或者30 s的單位時(shí)間內(nèi)眼睛閉合固定的比例（例如70%或80%）所占的時(shí)間，當(dāng)眼睛閉合時(shí)，上眼皮和下眼皮的特征點(diǎn)距離變小，相當(dāng)于眼睛的長(zhǎng)寬比改變[7]。

針對(duì)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(guò)70%就算眼睛閉合，總計(jì)在固定時(shí)間內(nèi)眼睛閉合而占用的時(shí)間比值。P80指瞳孔的面積被眼瞼遮住超過(guò)80%就算眼睛閉合，總計(jì)在固定時(shí)間內(nèi)眼睛閉合而占用的時(shí)間比值。EM指瞳孔的面積被眼瞼遮住超過(guò)50%就算眼睛閉合，總計(jì)在固定時(shí)間內(nèi)眼睛閉合而占用的時(shí)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(cè)量原理如圖3所示，P80標(biāo)準(zhǔn)的PERCLOS值計(jì)算公式如下：

圖3 PERCLOS值的測(cè)量原理

5.2 嘴部檢測(cè)原理

人體嘴部疲勞主要表現(xiàn)為打哈欠，人在打哈欠時(shí)，嘴巴在閉上和張開(kāi)時(shí)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(kāi)和閉合時(shí)的長(zhǎng)寬比不同[9]。由于每個(gè)人嘴唇的厚度不同，嘴部的外輪廓對(duì)比與嘴部的內(nèi)輪廓更能體現(xiàn)出嘴巴張開(kāi)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(kāi)程度。采用下式計(jì)算：

5.3 頭部檢測(cè)原理

當(dāng)駕駛員疲勞駕駛時(shí)，頭部的狀態(tài)也同時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)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(diǎn)頭動(dòng)作，或者長(zhǎng)時(shí)間不改變狀態(tài)等行為動(dòng)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(kāi)始點(diǎn)頭、搖頭和擺頭，三維空間直角坐標(biāo)系也會(huì)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(jì)算偏側(cè)角度，當(dāng)角度大于設(shè)定值，則檢測(cè)出駕駛疲勞。

6 市場(chǎng)前景

基于面部特征的駕駛員疲勞警報(bào)器，是一種新型的多功能控制裝置，能有效利用機(jī)動(dòng)車空間。同時(shí)具有耗能較低、易于管理、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、無(wú)需值守、穩(wěn)定性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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(fèi)者、運(yùn)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(lái)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(shí)也可進(jìn)行單獨(dú)銷售，市場(chǎng)空間大，推廣價(jià)值高。