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，隨著計算機和集成電路制造技術(shù)的進步，機動車駕駛?cè)似隈{駛預(yù)防的研究得到了進一步的發(fā)展。結(jié)果表明：一般人的閉眼時間在0.12～0.13 s之間，如果開車時閉眼時間達到0.15 s，很容易引發(fā)交通事故。PERCLOS算法檢測特定時間內(nèi)閉眼時間的百分比，作為心理生理疲勞的度量。為了在駕駛過程中對駕駛員進行監(jiān)控，可以實現(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)用于實際道路環(huán)境，實現(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、頭部活動度來推斷駕駛員的疲勞狀態(tài)，并給出報警和采取相應(yīng)的措施，為駕駛員和乘客提供主動智能安全。目前，有一種由美國開發(fā)的駕駛員瞌睡檢測系統(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)時測試儀（The psychomotor vigilance test，PVT）、日本研制的電子“清醒帶”等系統(tǒng)，下面分別進行詳細介紹。

2.1 美國開發(fā)的駕駛員睡意檢測系統(tǒng)

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

2.2 方向盤監(jiān)視器

該項發(fā)明的用于監(jiān)測方向盤異?；顒拥膫鞲衅餮b置匹配于各種類型汽車。方向盤正常移動時，傳感器裝置不會發(fā)出警報。如果方向盤在4 s內(nèi)沒有移動，S.A.M會發(fā)出預(yù)警，直至方向盤繼續(xù)正常移動。S.A.M固定在車內(nèi)錄音機旁，方向盤下的拉桿上安裝有磁帶，用來監(jiān)測方向盤的移動軌跡。使用S.A.M并不代表支持延長駕駛時間，而是提醒司機開車時不要打瞌睡。另外，使用S.A.M結(jié)合錄像機可以為保險公司提供證據(jù)。

2.3 反應(yīng)時測試儀

根據(jù)駕駛員對儀表屏幕上隨機出現(xiàn)的光點的反應(yīng)速度（光點出現(xiàn)時敲擊鍵盤），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，固定在司機頭上，將“清醒帶”一端的插頭插入車內(nèi)點煙器的插座內(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和預(yù)警產(chǎn)品，如通過手腕運動檢測疲勞的疲勞報警手鐲，以及可以掛在眼睛和腿上，利用加速度運動信息檢測頭部運動的疲勞檢測眼鏡。

3 疲勞駕駛檢測方法

3.1 基于駕駛?cè)松硖卣鞣磻?yīng)的監(jiān)測方法

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

利用人臉識別技術(shù)對眼睛、鼻尖和嘴角進行定位，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駕駛員的點頭動作。該傳感器通過電容式傳感器陣列從各個傳感器輸出駕駛員頭部的位置，可以實時跟蹤頭部的位置，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)測方法一般采用非接觸測量，對疲勞狀態(tài)具有較為準確的識別精度和較好的實用價值。

3.2 基于駕駛?cè)笋{駛行為的監(jiān)測方法

基于駕駛員操作行為的駕駛員疲勞狀態(tài)識別技術(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對駕駛員方向盤操作數(shù)據(jù)進行處理，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量技術(shù)的關(guān)鍵問題。

3.3 基于車輛行駛軌跡的檢測方法

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，也不會對駕駛員的正常駕駛造成干擾，具有較高的實用價值。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)識別駕駛員疲勞狀態(tài)的方法。實驗表明，該方法的識別結(jié)果與利用駕駛員眨眼次數(shù)的識別結(jié)果基本一致。

4 PERCLOS算法介紹

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

結(jié)果表明，視網(wǎng)膜對850 nm紅外的反射率大概為90%，對940 nm紅外的反射率大概為40%。臉部的其他部分對這兩個波長的反射率一致。當(dāng)用相同照度的兩個波長的紅外光源照射時，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)膜的灰度值相對較大。由此得出，從人像圖中找出眼睛的位置和計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等光強的紅外光源，紅外攝像機在同一時間提取駕駛員臉部反射圖像的兩個波長，濾波器對850 nm和940 nm波長的反射圖像分別進行濾波，圖像功能處理模塊完成圖像減法、眼位置跟蹤和眼面積補償計算；控制系統(tǒng)控制各模塊的同步，控制紅外線燈陣的光強；報警系統(tǒng)輸出聲光報警信息，提醒疲勞駕駛?cè)薣3]。

5 系統(tǒng)設(shè)計與研究

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

本系統(tǒng)采用高級材質(zhì)，具有防雷電、防輻射等功能，檢測系統(tǒng)靈敏度也更高。同時，在一些其他產(chǎn)品的不足上進行改進創(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)新功能為每個監(jiān)視器都有其固定的二維碼，在手機上下載完APP后可與其進行綁定，可實現(xiàn)專屬定制，還可進行GPS 定位、語音提示等功能。此 APP在為駕駛員服務(wù)的同時，也可提供消遣娛樂的功能，APP上會推送各個領(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，不必擔(dān)心駕駛員的安全問題。同時，家人也可以在了解駕駛員的位置信息時，在APP中閱讀各種書籍以及實時資訊，隨時注意駕駛員的去向，這款監(jiān)視器對于司機及其家人來說，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)用實現(xiàn)

PERCLOS算法通常有3個標(biāo)準。

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

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

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

本系統(tǒng)采用P80標(biāo)準。根據(jù)F的定義，F(xiàn)的范圍是0＜F≤1。根據(jù)以往的研究，駕駛員清醒時的F值遠低于疲勞時的F值。當(dāng)駕駛員清醒時，F(xiàn)值非常低，一般在F≤0.15的范圍內(nèi)。實驗表明，當(dāng)駕駛員疲勞時，F(xiàn)值將超過0.4；當(dāng)駕駛員處于睡眠狀態(tài)時，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。實驗結(jié)果表明，該閾值對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，因此研究檢測駕駛員在駕駛過程中的生理疲勞狀態(tài)對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)外對于駕駛員疲勞駕駛檢測的研究現(xiàn)狀，對比分析其原理和優(yōu)勢，然后以檢測駕駛員瞳孔狀態(tài)為基本實現(xiàn)原理，研究設(shè)計了一套駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過雷達掃描駕駛員瞳孔狀態(tài)，制定判斷標(biāo)準，對采集數(shù)據(jù)進行分析比對后，輸出系統(tǒng)結(jié)果，對駕駛員的疲勞狀態(tài)進行預(yù)警，為實現(xiàn)駕駛員疲勞駕駛檢測預(yù)警提供了參考。