趙 爽

（吉林工商學(xué)院工學(xué)院 吉林 長春 130507）

1 引言

自2000年以來，隨著計(jì)算機(jī)和集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)似隈{駛預(yù)防的研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展。結(jié)果表明：一般人的閉眼時(shí)間在0.12～0.13 s之間，如果開車時(shí)閉眼時(shí)間達(dá)到0.15 s，很容易引發(fā)交通事故。PERCLOS算法檢測(cè)特定時(shí)間內(nèi)閉眼時(shí)間的百分比，作為心理生理疲勞的度量。為了在駕駛過程中對(duì)駕駛員進(jìn)行監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：①采用快速簡單的算法，確定駕駛員眼睛在人臉圖像和其他面部特征中的準(zhǔn)確位置；②跟蹤多幅正面面部特征圖像，監(jiān)控駕駛員是否疲勞。高精度、高可靠性，可應(yīng)用于實(shí)際道路環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全天候工作，減少因駕駛員疲勞駕駛或注意力分散引起的交通事故[1]。

2 駕駛疲勞預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

駕駛疲勞預(yù)警系統(tǒng)是一種基于駕駛員生理反應(yīng)特征的駕駛?cè)似诒O(jiān)測(cè)預(yù)警產(chǎn)品，是根據(jù)駕駛員的生理圖像反應(yīng)，利用駕駛員的面部特征、眼信號(hào)、頭部活動(dòng)度來推斷駕駛員的疲勞狀態(tài)，并給出報(bào)警和采取相應(yīng)的措施，為駕駛員和乘客提供主動(dòng)智能安全。目前，有一種由美國開發(fā)的駕駛員瞌睡檢測(cè)系統(tǒng)(The Drowsy Driver Detection System，DDDS)、方向盤監(jiān)視裝置(steering at tention monitor，S.A.M)、日本研制的DAS2000 型路面警告系統(tǒng)、反應(yīng)時(shí)測(cè)試儀（The psychomotor vigilance test，PVT）、日本研制的電子“清醒帶”等系統(tǒng)，下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 美國開發(fā)的駕駛員睡意檢測(cè)系統(tǒng)

通過多普勒雷達(dá)和復(fù)雜的信號(hào)處理方式，獲取駕駛員不穩(wěn)定的情緒活動(dòng)、眨眼頻率及持續(xù)時(shí)間，判斷駕駛員是在打瞌睡還是在睡覺。該系統(tǒng)可以做成一個(gè)小型儀表，安裝在司機(jī)頭部上方的駕駛室內(nèi)，不影響司機(jī)的正常駕駛活動(dòng)。

2.2 方向盤監(jiān)視器

該項(xiàng)發(fā)明的用于監(jiān)測(cè)方向盤異?；顒?dòng)的傳感器裝置匹配于各種類型汽車。方向盤正常移動(dòng)時(shí)，傳感器裝置不會(huì)發(fā)出警報(bào)。如果方向盤在4 s內(nèi)沒有移動(dòng)，S.A.M會(huì)發(fā)出預(yù)警，直至方向盤繼續(xù)正常移動(dòng)。S.A.M固定在車內(nèi)錄音機(jī)旁，方向盤下的拉桿上安裝有磁帶，用來監(jiān)測(cè)方向盤的移動(dòng)軌跡。使用S.A.M并不代表支持延長駕駛時(shí)間，而是提醒司機(jī)開車時(shí)不要打瞌睡。另外，使用S.A.M結(jié)合錄像機(jī)可以為保險(xiǎn)公司提供證據(jù)。

2.3 反應(yīng)時(shí)測(cè)試儀

根據(jù)駕駛員對(duì)儀表屏幕上隨機(jī)出現(xiàn)的光點(diǎn)的反應(yīng)速度（光點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)敲擊鍵盤），判斷駕駛員的疲勞程度。

2.4 日本研制的電子化“清醒帶”

使用時(shí)，固定在司機(jī)頭上，將“清醒帶”一端的插頭插入車內(nèi)點(diǎn)煙器的插座內(nèi)，安裝在腰帶內(nèi)的半導(dǎo)體熱電偶冷卻平頂在前額的鋁板，消除睡意，讓駕駛員耳目一新。

除上述系統(tǒng)外，還有一些其他的疲勞檢測(cè)和預(yù)警產(chǎn)品，如通過手腕運(yùn)動(dòng)檢測(cè)疲勞的疲勞報(bào)警手鐲，以及可以掛在眼睛和腿上，利用加速度運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)頭部運(yùn)動(dòng)的疲勞檢測(cè)眼鏡。

3 疲勞駕駛檢測(cè)方法

3.1 基于駕駛?cè)松硖卣鞣磻?yīng)的監(jiān)測(cè)方法

基于駕駛?cè)松硖卣鞣磻?yīng)的監(jiān)測(cè)方法是利用駕駛員的眼動(dòng)特征和頭部運(yùn)動(dòng)特征，來推斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。駕駛員的眼動(dòng)和眨眼信息被認(rèn)為是疲勞的重要特征。閃爍幅度、閃爍頻率和平均閉合時(shí)間可直接用于檢測(cè)疲勞。基于眼動(dòng)機(jī)制的駕駛疲勞研究有很多算法。廣泛使用的算法包括PERCLOS，即一段時(shí)間內(nèi)眼瞼閉合時(shí)間的百分比，作為生理疲勞的度量。

利用人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)眼睛、鼻尖和嘴角進(jìn)行定位，將眼睛、鼻尖和嘴角結(jié)合起來，然后根據(jù)眼睛跟蹤，獲取駕駛員的注意力方向，判斷駕駛員的注意力是否分散。

頭部位置傳感器用于檢測(cè)駕駛員的點(diǎn)頭動(dòng)作。該傳感器通過電容式傳感器陣列從各個(gè)傳感器輸出駕駛員頭部的位置，可以實(shí)時(shí)跟蹤頭部的位置，并根據(jù)頭部位置的變化規(guī)律判斷駕駛員是否有睡意。研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)頭行為與嗜睡有很好的相關(guān)性[2]。

基于駕駛?cè)松硖卣鞣磻?yīng)的監(jiān)測(cè)方法一般采用非接觸測(cè)量，對(duì)疲勞狀態(tài)具有較為準(zhǔn)確的識(shí)別精度和較好的實(shí)用價(jià)值。

3.2 基于駕駛?cè)笋{駛行為的監(jiān)測(cè)方法

基于駕駛員操作行為的駕駛員疲勞狀態(tài)識(shí)別技術(shù)是指，通過駕駛員的操作行為如方向盤操作來推斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。

利用FFT對(duì)駕駛員方向盤操作數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果在一定程度上揭示了駕駛員方向盤操作與疲勞的關(guān)系。方向盤操作是判斷駕駛疲勞的有效方法。駕駛員的操作不僅與疲勞狀態(tài)有關(guān)，還受個(gè)人習(xí)慣、行駛速度、道路環(huán)境和操作技能的影響。車輛的行駛狀態(tài)還與車輛特性、道路等諸多環(huán)境因素有關(guān)。因此，如何提高駕駛員狀態(tài)的推斷精度是這種間接測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵問題。

3.3 基于車輛行駛軌跡的檢測(cè)方法

利用車輛行駛軌跡變化、車道偏離等信息，可以推斷出駕駛員的疲勞狀態(tài)。該方法與基于駕駛員操作行為的疲勞狀態(tài)識(shí)別技術(shù)一樣，基于車輛現(xiàn)有設(shè)備，不需要添加太多的硬件設(shè)備，也不會(huì)對(duì)駕駛員的正常駕駛造成干擾，具有較高的實(shí)用價(jià)值。日本三菱汽車公司開發(fā)了一種利用車輛橫向位移和駕駛員操作等綜合參數(shù)識(shí)別駕駛員疲勞狀態(tài)的方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法的識(shí)別結(jié)果與利用駕駛員眨眼次數(shù)的識(shí)別結(jié)果基本一致。

4 PERCLOS算法介紹

PERCLOS是閉眼百分比的縮寫，是指在一定時(shí)間段內(nèi)眼睛閉上的時(shí)間比例。在具體實(shí)驗(yàn)中，有P70、P80和EM測(cè)量方法。其中，P80被認(rèn)為是表征駕駛員疲勞的最優(yōu)方法。T1為全開至關(guān)閉時(shí)間20%；T2為全開至關(guān)閉時(shí)間80%；T3為全開至下次打開時(shí)間20%；T4為全開至下次打開時(shí)間80%。通過測(cè)量t1到t4的值，我們可以計(jì)算PERCLOS的值f，即f=（t3-t2）/（t4-t1）。F是規(guī)定時(shí)間內(nèi)閉眼時(shí)長所占的百分比。對(duì)于P80測(cè)量方法，當(dāng)PERCLOS值f＞0.15時(shí)，判斷駕駛員此時(shí)進(jìn)入疲勞階段。

結(jié)果表明，視網(wǎng)膜對(duì)850 nm紅外的反射率大概為90%，對(duì)940 nm紅外的反射率大概為40%。臉部的其他部分對(duì)這兩個(gè)波長的反射率一致。當(dāng)用相同照度的兩個(gè)波長的紅外光源照射時(shí)，唯有視網(wǎng)膜的灰度不一樣，其他部位的灰度基本一致。如果兩幅圖像相抵消，臉部大部分區(qū)域的灰度值趨近于0，唯有視網(wǎng)膜的灰度值相對(duì)較大。由此得出，從人像圖中找出眼睛的位置和計(jì)算瞳孔面積是十分簡單的。

紅外燈陣列是包含波長為850 nm/940 nm等光強(qiáng)的紅外光源，紅外攝像機(jī)在同一時(shí)間提取駕駛員臉部反射圖像的兩個(gè)波長，濾波器對(duì)850 nm和940 nm波長的反射圖像分別進(jìn)行濾波，圖像功能處理模塊完成圖像減法、眼位置跟蹤和眼面積補(bǔ)償計(jì)算；控制系統(tǒng)控制各模塊的同步，控制紅外線燈陣的光強(qiáng)；報(bào)警系統(tǒng)輸出聲光報(bào)警信息，提醒疲勞駕駛?cè)薣3]。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

本系統(tǒng)具有導(dǎo)航定位功能、紅外線探測(cè)功能、智能語音提醒功能、自動(dòng)識(shí)別瞳孔功能、可清洗功能、太陽能充電功能等。除此之外，我們還設(shè)計(jì)連接APP，APP不止有設(shè)置導(dǎo)航功能和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，在其中我們還加入了社交娛樂功能，實(shí)時(shí)推送一些娛樂信息等。

本系統(tǒng)采用高級(jí)材質(zhì)，具有防雷電、防輻射等功能，檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度也更高。同時(shí)，在一些其他產(chǎn)品的不足上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，還采用了太陽能蓄電池，可以用太陽能來充電，節(jié)能環(huán)保。本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新功能為每個(gè)監(jiān)視器都有其固定的二維碼，在手機(jī)上下載完APP后可與其進(jìn)行綁定，可實(shí)現(xiàn)專屬定制，還可進(jìn)行GPS 定位、語音提示等功能。此 APP在為駕駛員服務(wù)的同時(shí)，也可提供消遣娛樂的功能，APP上會(huì)推送各個(gè)領(lǐng)域的文章，例如娛樂、新聞、健身、科技、美食等。這就使得駕駛員在空閑之余不再拘泥于僅有的工作學(xué)習(xí)等，也能使家人更加放心，不必?fù)?dān)心駕駛員的安全問題。同時(shí)，家人也可以在了解駕駛員的位置信息時(shí)，在APP中閱讀各種書籍以及實(shí)時(shí)資訊，隨時(shí)注意駕駛員的去向，這款監(jiān)視器對(duì)于司機(jī)及其家人來說，不僅能豐富他們的生活，還增加了安全系數(shù)。

6 PERCLOS算法應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

PERCLOS算法通常有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）P70：眼瞼覆蓋瞳孔的面積至少大于眼睛的面積，并以閉合時(shí)間的百分比為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）P80：眼瞼覆蓋瞳孔的面積至少大于眼睛的面積，并以閉合時(shí)間的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)。

（3）Em：眼瞼覆蓋瞳孔面積至少一半為閉眼，并以閉眼時(shí)間百分比為標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)采用P80標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)F的定義，F(xiàn)的范圍是0＜F≤1。根據(jù)以往的研究，駕駛員清醒時(shí)的F值遠(yuǎn)低于疲勞時(shí)的F值。當(dāng)駕駛員清醒時(shí)，F(xiàn)值非常低，一般在F≤0.15的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)駕駛員疲勞時(shí)，F(xiàn)值將超過0.4；當(dāng)駕駛員處于睡眠狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)值為1。因此，系統(tǒng)以0.4作為判斷值，切斷了列車駕駛員疲勞駕駛狀態(tài)的閾值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該閾值對(duì)列車駕駛員疲勞駕駛狀態(tài)的判斷具有較高的靈敏度和較好的效果。

7 結(jié)語

疲勞駕駛是交通安全的潛在隱患，因此研究檢測(cè)駕駛員在駕駛過程中的生理疲勞狀態(tài)對(duì)于道路安全暢通和駕駛?cè)俗陨戆踩加兄匾饬x。本文基于PERCLOS算法，首先研究了目前國內(nèi)外對(duì)于駕駛員疲勞駕駛檢測(cè)的研究現(xiàn)狀，對(duì)比分析其原理和優(yōu)勢(shì)，然后以檢測(cè)駕駛員瞳孔狀態(tài)為基本實(shí)現(xiàn)原理，研究設(shè)計(jì)了一套駕駛員疲勞檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過雷達(dá)掃描駕駛員瞳孔狀態(tài)，制定判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)后，輸出系統(tǒng)結(jié)果，對(duì)駕駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，為實(shí)現(xiàn)駕駛員疲勞駕駛檢測(cè)預(yù)警提供了參考。