王軍

摘要：本文完成了疲勞駕駛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)和DSP硬件設(shè)計(jì)。把眼睛檢測(cè)及跟蹤算法移植到專用DSP上，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、抗干擾濾波處理等幾個(gè)軟件功能模塊。硬件方面自行設(shè)計(jì)并制作了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電路板等。

關(guān)鍵詞：疲勞駕駛；人眼識(shí)別；監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)汽車保有量逐年增加，隨之產(chǎn)生的交通事故問(wèn)題引起人們的高度重視。疲勞駕駛是發(fā)生交通事故的重要原因之一，有效的疲勞檢測(cè)系統(tǒng)可以避免由疲勞駕駛所引起的交通事故的發(fā)生，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，該文提出了一種防疲勞駕駛的嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從而判斷駕駛員是否疲勞。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于的疲勞駕駛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由如下幾部分構(gòu)成視頻圖像的采集、視頻圖像的顯示輸出、各種同步邏輯控制、視頻圖像的分析和處理、結(jié)果顯示及報(bào)警裝置。

（一）圖像采集模塊

圖像采集模塊選用的是SONY420紅外CMOC攝像頭。這種攝像頭優(yōu)點(diǎn)是：能夠感應(yīng)外界光線，若外界光線滿足要求時(shí)，則采集的圖像為普通彩色圖像；若外界光線不足時(shí)，攝像頭自動(dòng)打開(kāi)鏡面上的LED紅外燈，利用LED發(fā)出的紅外光作為光源，此時(shí)采集的圖像為紅外圖像，這樣保證系統(tǒng)能夠在全天氣候下工作。另外，人眼中的視網(wǎng)膜不會(huì)感知到紅外光，在檢測(cè)過(guò)程中駕駛員不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感。

（二）人眼識(shí)別模塊

人眼識(shí)別模塊的處理器選用TI公司的TMS320DM642型DSP處理器。因?yàn)樵撎幚砥饔?個(gè)獨(dú)立計(jì)算的功能單元，具有很高的運(yùn)算速度，很強(qiáng)的數(shù)字處理功能，高度的可編程性。人眼識(shí)別模塊的硬件電路主要包括：DSP處理器、視頻解碼器芯TVP5150、SDRAM和FLASH存儲(chǔ)器、報(bào)警裝置、計(jì)時(shí)裝置。視頻解碼器芯片TVP5150是將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為DSP識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。因?yàn)橄到y(tǒng)斷電后，DSP中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，所以在DM642外部擴(kuò)展FLASH和SDRAM存儲(chǔ)器。

（三）計(jì)時(shí)模塊及報(bào)警模塊

為了滿足系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)原則。計(jì)時(shí)模塊選用CYPRESS公司生產(chǎn)的CY22381FC計(jì)時(shí)芯片。因?yàn)镃Y22381FC計(jì)時(shí)芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率范圍寬，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作時(shí)能同時(shí)提供多個(gè)時(shí)鐘電路，工作電壓為3.3V。報(bào)警模塊采用物美價(jià)廉的蜂鳴器。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)中采用的μC/OS-Ⅱ是著名的源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)，包含小部分匯編代碼，使之可以供不同構(gòu)架的微處理器使用。

（一）圖像預(yù)處理

人眼預(yù)處理主要包括：人眼定位、去噪、增強(qiáng)圖像。因?yàn)閷?shí)際采集到的人眼圖像并不是完整的眼部圖像，包含有其他的背景和不完整的眼部圖像，這樣容易使程序?qū)θ搜塾騽澐皱e(cuò)誤，所以利用圖像預(yù)處理技術(shù)對(duì)光照及噪聲影響等問(wèn)題進(jìn)行糾正。

（二）特征提取

人眼的特征提取和匹配是整個(gè)人眼識(shí)別模塊的核心部分。人眼的特征提取主要是通過(guò)Canny邊緣算子提取出人眼的外側(cè)邊緣，通過(guò)Hough變換求解出內(nèi)圓圓心及半徑，通過(guò)基于單行梯度最大值法計(jì)算出人眼外側(cè)邊緣；最后通過(guò)二維Gabor小波變換提取出人眼特征。在提取人眼特征時(shí)需要在二維Gabor小波變換的極坐標(biāo)下完成。因?yàn)檫@樣可以避免因人眼大小的改變及瞳孔的膨脹而導(dǎo)致提取的人眼特征發(fā)生變化。

（三）人眼匹配

人眼匹配就是待測(cè)試的人眼特征向量與存儲(chǔ)器中的人眼特征向量進(jìn)行相似性的比較。人眼識(shí)別模塊的最終目的是要準(zhǔn)確地找出相匹配的人眼。人眼匹配采用的是基于比較兩人眼特征向量的海明距離（Hammingdistance，HD）來(lái)實(shí)現(xiàn)人眼匹配。該匹配方法具有簡(jiǎn)單、快速、方便等優(yōu)點(diǎn)。

三、系統(tǒng)的工作過(guò)程

系統(tǒng)的計(jì)時(shí)模塊是參照《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》中規(guī)定的連續(xù)駕駛時(shí)間及停車休息時(shí)間，來(lái)設(shè)置駕駛員的連續(xù)駕駛時(shí)間和休息時(shí)間。系統(tǒng)主要檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程具體如下：

（一）連續(xù)駕駛中途不停車

當(dāng)駕駛員行駛在高速公路上或者是交通狀況良好的城市道路上時(shí)，駕駛員一般都是連續(xù)駕駛中途不停車。此時(shí)系統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程：ECU接收到傳感器信號(hào)后，命令cm。C攝像頭采集圖像，DSP命令計(jì)時(shí)模塊計(jì)時(shí)，視頻解碼器進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換，人眼識(shí)別模塊進(jìn)行人眼識(shí)別。匹配完成后鎖定該人眼，即鎖定這個(gè)駕駛員。通過(guò)計(jì)時(shí)模塊記錄駕駛員連續(xù)行車時(shí)間H，來(lái)判斷駕駛員是否疲勞駕駛。

（二）中途停車

現(xiàn)實(shí)生活中駕駛員并不一定是連續(xù)駕駛，有可能中途停車換駕駛員，也有可能因?yàn)槟撤N原因停車，這樣系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中必須能夠及時(shí)地作出響應(yīng)。中途停車時(shí)此過(guò)程主要是根據(jù)人眼識(shí)別結(jié)果，停車時(shí)間h及連續(xù)駕駛時(shí)間H這3個(gè)量來(lái)判斷計(jì)時(shí)模塊是重新工作，還是繼續(xù)接著上次駕駛時(shí)間計(jì)時(shí)，以及報(bào)警模塊是否要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

四、測(cè)試與分析

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有建立標(biāo)準(zhǔn)的人眼庫(kù)。為了便于試驗(yàn)，在不同時(shí)間、環(huán)境下采集了20人，每人8張（左眼4張，右眼4張），大小為640×480的人眼圖像。其中4張作為測(cè)試樣本，另外4張作為訓(xùn)練樣本。試驗(yàn)方法就是將全部的測(cè)試樣本和訓(xùn)練樣本進(jìn)行對(duì)比匹配。總共要完成20×4+20×4=160次匹配。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，人眼識(shí)別時(shí)，錯(cuò)誤率為4.39%。對(duì)計(jì)時(shí)模塊研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人眼識(shí)別成功后，計(jì)時(shí)模塊的反應(yīng)有些滯后，平均滯后時(shí)間1.51s，滯后的時(shí)間仍在可接受的范圍內(nèi)。

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