基于FPGA的司機眼球跟蹤疲勞檢測報警系統(tǒng)

摘要：

本系統(tǒng)是針對現(xiàn)有市場上銷售的車輛多注重于事故發(fā)生時對人身安全的保障(如安全氣囊等)，忽略了防范事故于未然的考慮而提出的。基于FPGA的司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)可以很好的解決上述問題，且相較于傳統(tǒng)的DSP實現(xiàn)具有集成度高、處理速度快、功能更強大、方便改進內(nèi)部設(shè)計等諸多優(yōu)點。

1、研究意義

視頻實時跟蹤作為一個應用性研究方向，其應用愈加廣泛，如軍事、航空、防盜、視頻會議等場合，特別是重要場合的安檢系統(tǒng)成為新的應用領(lǐng)域。本系統(tǒng)將視頻實時跟蹤應用于對疲勞駕駛的司機報警，以避免交通事故的發(fā)生。“交通事故猛于虎”。近年來，國民擁有私家車的數(shù)量不斷提高，與此同時交通事故的發(fā)生率也不斷上升，車輛與安全問題已成為社會關(guān)注的熱點。而其中疲勞駕駛引發(fā)的交通事故占事故總數(shù)的20%左右，占特大交通事故的40%以上;日本的一項事故調(diào)查統(tǒng)計顯示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1%~1.5%;法國國家警察總署事故報道，因疲勞瞌睡而發(fā)生車禍的，占人身傷害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%;美國國家公路交通安全管理局保守估計，每年因為疲勞駕駛而導致的車禍大約有10萬起?？梢哉f疲勞已成為安全行車的大敵。

現(xiàn)有市場上銷售的車輛多注重于事故發(fā)生時對人身安全的保障(如安全氣囊等)，忽略了防事故于未然的考慮。司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)的設(shè)計可以很好的解決上述問題。傳統(tǒng)的視頻跟蹤的圖像處理過程采用DSP實現(xiàn)，首先在外圍設(shè)備的設(shè)計上具有很高的布線復雜度，且測量精度受布線影響較大，其次設(shè)計調(diào)試具有很高的難度，在實際車內(nèi)空間內(nèi)往往需要更改某些參數(shù)設(shè)計等，這在實際使用中會受到較大的限制。為了克服以上缺點，急需研制一種功能強大、集成度高、方便更新內(nèi)部器件的電路設(shè)計系統(tǒng)。

司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)應用視頻實時跟蹤原理，實時跟蹤捕捉司機眼球(通過臉部圖像跟蹤和眼球識別)，分析司機眼睛的睜閉情況并計算閉合時間，以此判斷是否提出報警。本系統(tǒng)由攝像頭及視頻解碼模塊、顯示器、LCD顯示模塊、開發(fā)板四部分組成。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，我們以FPGA器件作為硬件基礎(chǔ)，運用Xilinx的MicroBlaze嵌入式軟核處理器，結(jié)合圖像處理和動態(tài)目標識別算法，輔以必要的外圍電路完成整個系統(tǒng)的搭建。為了提高系統(tǒng)處理速度，所有的主要處理過程都通過硬件方式實現(xiàn)，其中包括視頻圖像的實時采集、中值濾波器與FIR濾波器、相關(guān)圖像處理算法等很多內(nèi)容。

本設(shè)計主要適用于經(jīng)常需要長途開車的司機，也可以面向各品牌的汽車制造商或一些交通安全保障部門。

2、系統(tǒng)原理

系統(tǒng)可分為四個模塊：圖像采集、特征提取、數(shù)據(jù)存儲、人機交互界面

(1)面部圖像數(shù)據(jù)的實時采集

通過攝像頭獲得的視頻流經(jīng)過外部的一個視頻解碼芯片，實現(xiàn)模擬視頻信號向數(shù)字視頻信號的轉(zhuǎn)換，使其能夠送入到FPGA內(nèi)部做進一步的處理。

(2)圖像處理功能

實現(xiàn)眼部特征的提取是本設(shè)計的核心算法部分，根據(jù)獲得的眼部特征判斷眼睛的閉合狀態(tài)。利用MicroBlaze強大的運算能力，大部分算法由此軟核運行C代碼實現(xiàn) 。

(3)數(shù)據(jù)存儲

FPGA內(nèi)部的用戶自定義模塊可以將眼睛閉合時間超過設(shè)定門限值時的視頻信息存儲到CF卡中，在發(fā)生交通意外的情況下這些數(shù)據(jù)可以作為分析事故原因的重要資料。用戶還可以通過選擇，將存儲在CF卡中視頻信息在顯示器中顯示出來。

(4)人機交互界面

設(shè)計中使用高分辨率彩色LCD屏，實現(xiàn)可視化操作界面，根據(jù)用戶需要，在發(fā)生報警時可以顯示提示信息。同時利用觸控屏，對界面進行功能選擇，例如控制視頻數(shù)據(jù)的存儲等。

3、技術(shù)特點

(1)順應時勢的功能設(shè)計。隨著社會生活的日益改善，汽車已經(jīng)成為人們必備的出行工具，伴隨而來的是交通事故頻發(fā)，人員傷亡時有發(fā)生。而疲勞駕駛是交通事故的重要誘因之一。因此，設(shè)計出能夠?qū)崟r監(jiān)測司機疲勞程度的檢測器，當發(fā)現(xiàn)司機疲勞過度時報警，避免發(fā)生交通意外，防患于未然，通過這種方式來減少交通事故的發(fā)生。

(2)開發(fā)的周期短，可以很快的投入使用。利用MicroBlaze處理器的平臺實現(xiàn)一種司機眼球疲勞跟蹤系統(tǒng)，從設(shè)計理念上來說，利用軟件實現(xiàn)必要的硬件連接，不僅在工作穩(wěn)定性上有所提高，減少硬件連接，而且可移植能力增強，便于更快開發(fā)。

(3)實時的檢測能力。因為汽車的速度往往是很快的，一旦檢測到司機疲勞，需要迅速作出反應并報警提醒司機。系統(tǒng)利用MicroBlaze的強大數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計出具有很好的實時性的監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)。

(4)高度的集成性。相比其他的視頻跟蹤系統(tǒng)，基于Xilinx公司FPGA的 MicroBlaze處理器內(nèi)部具有豐富的外圍設(shè)備，因此在芯片外部只需要很少的外圍芯片即可。一方面可以降低成本，降低了開發(fā)和調(diào)試的難度，另一方面系統(tǒng)的體積也可以大大縮小，甚至可以做成單芯片系統(tǒng)，大大方便攜帶和使用。

(5)成本低，功耗小。由于MicroBlaze處理器的強大功能，可以減少很多外圍芯片的使用，一方面可以減少產(chǎn)品的成本，另一方面可以降低功耗，這對需要一直“在線”的設(shè)備來說是很重要的。

(6)即時地大量數(shù)據(jù)存儲。實時視頻跟蹤過程中會有大量的數(shù)據(jù)需要保存下來，利用MicroBlaze軟核處理器的優(yōu)勢，引入CF卡可以方便地對這些視頻數(shù)據(jù)進行存儲，在司機沒有及時對報警作出反應而導致發(fā)生交通意外的情況下，這些數(shù)據(jù)可以作為分析事故原因的重要證據(jù)。

圖1 系統(tǒng)功能圖

圖2 基于MicroBlaze的系統(tǒng)硬件框圖