基于DSP的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)的研究

摘 要： 針對汽車駕駛員疲勞駕駛檢測的要求，設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理DSP芯片DM6437的疲勞駕駛視覺檢測系統(tǒng)。通過DSP的GPIO口用軟件控制攝像頭軸上和軸外的兩種不同波長的近紅外光源(850 nm/950 nn)交替采集駕駛員圖像，根據(jù)亮瞳效應(yīng)兩幀圖像差分后粗定位人眼，用模板檢測提取人眼的邊界，根據(jù)PERCLOS值方法判斷駕駛員是否疲勞。根據(jù)人眼的不同狀態(tài)分別處理，用蜂鳴器作為報(bào)警系統(tǒng)提醒駕駛員。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)簡單實(shí)用，而且能夠全天候準(zhǔn)確快速地判斷駕駛員是否疲勞。
關(guān)鍵詞： 疲勞檢測； DSP； 亮瞳效應(yīng)； PERCLOS

　疲勞駕駛是造成交通事故的主要原因之一，根據(jù)公安部交通管理局發(fā)布的2009年全國道路交通事故情況顯示，2009年，全國共發(fā)生道路交通事故238 351起，造成67 759人死亡、275 125人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失9.1億元，其中疲勞駕駛造成的事故占一定比重。減少疲勞駕駛可以降低公共財(cái)產(chǎn)和個(gè)人人身財(cái)產(chǎn)損失，因此研究防疲勞駕駛系統(tǒng)具有重要的意義。

　國內(nèi)外有許多研究防疲勞駕駛監(jiān)測系統(tǒng)，就目前來看，防疲勞監(jiān)測系統(tǒng)并沒有實(shí)現(xiàn)市場化原因有兩點(diǎn)：一是各種方法都有一定的缺陷，比如用膚色變換提取人臉定位人眼的方法和灰度圖像積分投影的方法因受光照影響，定位不準(zhǔn)確；二是運(yùn)行時(shí)間慢，達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測。針對此兩點(diǎn)不足設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)用軸上和軸外的不同波長的近紅外光采集圖像，根據(jù)亮瞳效應(yīng)分別能得到亮瞳孔圖像和暗瞳孔圖像，差分后快速定位人眼，用模板檢測提取人眼邊界，判斷疲勞狀態(tài)。系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是人眼定位方法簡單準(zhǔn)確，疲勞判斷標(biāo)準(zhǔn)全面快速。

1 疲勞狀態(tài)檢測原理
1.1 人眼睜開程度檢測原理
　人的眼睛是一個(gè)精巧的光學(xué)成像系統(tǒng)，可以簡單地把人眼抽象成一個(gè)光學(xué)模型，晶狀體等效為一個(gè)凸透鏡，視網(wǎng)膜看做一個(gè)光屏。進(jìn)入人眼的光線是通過晶狀體后成像于視網(wǎng)膜上，并且光線能被視網(wǎng)膜反射出去。根據(jù)人眼的特性，設(shè)計(jì)出有效的光源使采集到的圖像出現(xiàn)亮瞳孔和暗瞳孔。

　亮瞳效應(yīng)(bright eye effect)[1]是美國著名的學(xué)者Hutchinson在眼睛運(yùn)動(dòng)檢測專利中提出的，當(dāng)靠近攝像頭光軸的紅外光源照射到人臉時(shí)，視網(wǎng)膜反射光會使瞳孔顯得很亮就是所謂的亮瞳效應(yīng)，當(dāng)然眼角膜也會反射光，會在眼球上出現(xiàn)比較小的亮點(diǎn)(glint)[2]，如圖1所示。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)亮瞳孔的亮度主要跟三個(gè)因素有關(guān)：離攝像頭光軸的距離、光源的波長、光照強(qiáng)度。距離攝像頭光軸的距離越近，反射光就越多進(jìn)入攝像頭，瞳孔就會顯得越亮。人眼瞳孔對近紅外光有較高的透射率，而人眼視網(wǎng)膜對不同的波長的光具有不同的反射量，對850 nm的紅外光能把90%的入射光反射回去，對950 nm的紅外光能把40%的入射光反射回去[3]。因此靠近攝像頭軸上的光源選擇850 nm的紅外光較好，容易產(chǎn)生亮瞳孔，軸外的光源選擇950 nm的紅外光較好，會出現(xiàn)暗瞳孔。由于外界可見光會影響到亮瞳效應(yīng)，因此在攝像頭上會加上近紅外濾光片，考慮到成本和使用效果用830 nm的高通濾光片就可以了。結(jié)合光源的光照強(qiáng)度和攝像頭的視角，本系統(tǒng)的使用范圍在40 cm~1 m之間，經(jīng)過測試可以滿足在汽車中的使用。

1.2 人眼疲勞狀況監(jiān)測原理
　系統(tǒng)主要是靠人眼的閉合程度和持續(xù)的時(shí)間來判斷駕駛員是否疲勞，采集到的圖像人眼只會存在三個(gè)狀態(tài)分別是：完全閉合、正常睜開、半睜半閉(瞇眼的情況)。系統(tǒng)必須根據(jù)不同狀態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間來判定疲勞狀態(tài)。

當(dāng)眼睛完全閉合時(shí)，采集的兩幀圖像并沒有亮瞳孔和暗瞳孔之分，不好定位人眼，這時(shí)將檢測不到人眼作為一個(gè)特征來處理。連續(xù)5次都檢測不到人眼說明人眼一直處于閉合狀態(tài)，證明駕駛員疲勞了，這時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提醒駕駛員。

　大多數(shù)情況下，采集到的圖像都是人眼睜開的狀態(tài)(包括正常睜開和瞇眼)，采用PERCLOS法判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。到目前為止PERCLOS法是判斷眼部疲勞狀態(tài)的最有效的方法[4]，PERCLOS是單位時(shí)間內(nèi)眼睛閉合所占時(shí)間的百分比[5]，比較科學(xué)的就是P80，即眼睛閉合80%所占時(shí)間的百分比。由于每個(gè)人的眼睛大小都不一樣，不能用同一閾值去判斷眼睛是否閉合了80%，通過圖像處理得到的參數(shù)是眼睛的高寬比h(t)，設(shè)定每次系統(tǒng)啟動(dòng)后把前10次得到的參數(shù)h(t)都存到一個(gè)數(shù)組A[10]中，然后在數(shù)組A[10]中找到最大的Amax存儲到一個(gè)固定的地址中，以后每次得到一個(gè)高寬比h(t)，人眼閉合程度p(t)就可以如式(1)求出：

在此系統(tǒng)中PERCLOS定義為5 s人眼閉合80%以上的幀數(shù)占圖像總幀數(shù)的百分比。當(dāng)PERCLOS大于40%時(shí)判定駕駛員疲勞，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提醒駕駛員。

2 駕駛員疲勞狀況監(jiān)測系統(tǒng)的研制
2.1 硬件系統(tǒng)
　設(shè)置在駕駛員前方的攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取駕駛員臉部視頻圖像，經(jīng)過視頻解碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，經(jīng)微處理器送入數(shù)據(jù)存儲器。本系統(tǒng)通過控制電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而獲取兩種不同波長光源照射的臉部圖像，通過軟件處理能夠快速確定人眼位置。為本系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序存放在程序存儲器中，系統(tǒng)上電時(shí)，通過引導(dǎo)程序?qū)⒋娣旁诔绦虼鎯ζ髦械膽?yīng)用程序自動(dòng)引導(dǎo)至微處理器中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)判定駕駛員處于駕駛疲勞狀態(tài)時(shí)，通過蜂鳴器給予警示。該系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

2.2 軟件系統(tǒng)
　軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示，利用亮瞳效應(yīng)，軸上和軸外不同波長的交替使用會得到兩幀瞳孔亮度差距很大的圖像，由于采集兩幀圖像的時(shí)間間隔非常短，只有20 ms，基本上駕駛員的位置沒有什么變化，所以兩幀圖像除瞳孔外，別的地方亮度差距不大。先對兩幀圖像中值濾波后，再差分，會得到瞳孔位置很突出的差分圖像，粗定位眼睛的位置，根據(jù)眼睛的特征設(shè)置模板，提取出人眼的邊界，最后計(jì)算PERCLOS值判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)，當(dāng)差分后找不到一對瞳孔時(shí)說明采集的兩幀圖像人眼都是完全閉合的，出現(xiàn)這種狀況時(shí)把找不到瞳孔作為一個(gè)特征來處理，連續(xù)出現(xiàn)找不到瞳孔時(shí)系統(tǒng)判定人眼一直閉合，判定駕駛員已經(jīng)疲勞，啟動(dòng)蜂鳴器提醒駕駛員。

2.3 系統(tǒng)模塊
　本系統(tǒng)分為4個(gè)模塊，分別為：圖像采集模塊、圖像處理模塊、疲勞判斷模塊和報(bào)警系統(tǒng)模塊。