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首都师范大学硕士学位论文 基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 摘要 据交通部门的统计，我国是道路交通事故死亡人数最高的国家，连续数年一直居世 界第一位。汽车司机疲劳驾驶是引发交通事故的一个重要原因，许多国家正积极进行驾 驶疲劳检测的研究。因此，如何有效的监测和防止驾驶员疲劳驾驶，对于降低交通事故 及人员死亡率，有着十分重要的现实意义。 本文设计了一套基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统，根据疲劳的各种生理特征与 疲劳的相关性，选用p e r c l o s ( 单位时间内眼睛闭合时间所占的百分率) 作为判定疲劳 程度的依据。采用机器视觉和图像处理的方式检测眼睛的变化信息，提出了一种车载的、 非接触式的、实时的驾驶疲劳检测系统基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统。 首先从生理学的角度分析了肌肉疲劳和精神疲劳，研究了驾驶疲劳的生理学机理。 重点研究了眼睛的疲劳机理，借鉴美国联邦公路管理局f i - i w a ( f c d c f a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 有关研究驾驶疲劳方面的文献，讨论了p e r c l o s 和其他眼睛活动测量 方法的有效性，确认测量机动车驾驶疲劳最好的方法是p e r c l o s 。 然后针对疲劳检测算法中大数据量、高速传输、复杂运算的实际需要，构建了由 c c d 、t m s 3 2 0 d m 6 4 2 、t p 5 1 5 0 、s a a 7 1 2 1 等芯片组成的视频采集系统。该系统采用 c c d 摄像头采集数据，用d m 6 4 2 实时进行视频的采集、处理和显示，整个系统可以作 为疲劳检测算法、视频和图像处理的硬件平台。 最后设计人脸和眼睛的实时检测及定位的算法。本文采用的基于肤色特征和差分帧 相结合的算法对人脸检测、进行人脸实时定位，克服了以前使用单一人脸定位算法的缺 点；并设计了一种新的方法累计直方图阈值法将脸部图像二值化后，就可以把眼睛 从人脸肤色中分离出来，降低了对光照的敏感性，然后利用最大连通域搜索算法提取睁 眼程度，避免了左右眼的分割，提高了计算速度；接着利用基于眼睛色度图的眼睛提取 算法可以进行快速、准确的眼睛定位；分别计算眨眼持续时间和p e r c l o s 两个参数来 判断疲劳程度。 实验分析表明，本系统能够实时准确地检测眼睛的眨动次数和闭合程度，从而有效 地检测疲劳程度。 关键词：驾驶疲劳人脸检测肤色模型眼睛检测累计直方图p e r c l o s 首都师范大学硕士学位论文 基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h et r a n s p o r ts e c t o rs t a f f s t i c s , o u rc o u n a ti st h ef i r s ti nt h ew o r l dt h a tt h e h i 曲e s tn u m b e ro f d e a t h si nr e a dt r a f f i ca c c i d e n t sh a sb e e nf o rs e v e r a ly e a r s d r i v e r s f a t i g u e 嘶v i n gi sam a j o rc a u s eo f t r a m ca c c i d e n t si nm a n yc o u n t r i e s ，w h i c ha r ea c t i v e l yr e s e a r c h i n g d r i v i n gf a t i g u e sd e t e c t i o n t h e r e f o r e ，h o wt oe f f e c t i v e l ym o n i t o ra n dp r e v e n td r i v e rf a t i g u e d r i v i n gh a sm u c h r e a ls i g n i f i c a n c et or e d u c et r a f 珏ca c c j 田础a n dp e r s o n n e lm o r t a u t y as e to fr e a l - t i m ef a t i g u ed r i v i n gd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nd s pi sd e s i g n e du n d e rt h e r e l e v a n c eo ft h ev a r i o u sf a t i g u ea n df a t i g u ec h a r a c t e r i s t i c s ；t h ep e r c l o s ( e y e sc l o s e dt i m e u n i tt i m ep e r c e n t a g e ) i ss e l e c t e da st h eb a s i st od e t e r m i n et h ee x t e n to ff a t i g u e , d r i v i n g f a t i g u em e a s u r i n gs y s t e r nb a s e do nd s pt h a tv e h i c l em o u n t , n o n - c o n t a c ts t y l e r e a l - t i m e s y s t e mi sb r o u g h tf o r w a r du s i n gm a c h i n ev i s i o na n di m a g op r o c e s s i n gm e t h o d st od e t e c t i n g c h a n g e si nt h ee y e so f i n f o r m a t i o n f i r s t l y , m u s c l ef a t i g u ea n dm e n t a lf a t i g u ea f ea n a l y z e d 矗d mt h ep h y s i o l o g yp m s m i v 岛 a n ds t u d i e dt h ep h y s i o l o g yo fd r i v i n gf a t i g u em e c j t a n i s m s e s p e c i a l l ys t u d i e sf o c u so nt h e e y e sf a t i g u e , f r o mt h eu sf e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s l r a t i o nf h w a ( f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) ，t h es t u d yo fr e s e a r c hl i t e m t u r ed r i v i n gf a t i g u e , d i s c u s s e dp e r c l o sa n d o t h e re y em e a s u r e m e n to ft h ee f f e c t i v e n e s so fa c t i v i t i e s ，r e c o g n i z i n gf a t i g u em e a s u r e m e n t v e h i c l ed r i v i n gi st h eb e s tw a yt oe x p r e s st h e i rf a t i g u el e v e lu s i n gp e r c l o sa si n d i c a t o r s t h e i lv i d e ec o l l e c t i o n s y s t e r ni sc o m p o s e do fc c d t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，t p 5 1 5 0 , s a a 7 1 2 1c h i p sf o rf a t i g u ed e t e c t i o na l g o r i t h mb e c a u s eo fd a t av o l u m e h i g h - s p e e d t r a n s m i s s i o n t h er e a l - t i m en o c d so fc o m p l e xo p e r a t i o n s n ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mu s e d c 甜n e r ac o n t r o lt om e e tt h er e a l - t i m em u l t i - w a yv i d e oa c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n g n e e d s ，i tc o u l ds c t v ea sf a t i g u ed e t e c t i o na l g o r i t h m s , v i d e op r o c e s s i n ga n di m a g ep r o c e s s i n g h a r d w a r ep l a t f o r m f i n a l l yt h ef a c ea n de y e so ft h er e a l - t i m ep o s i t i o n i n ga n dd e t e c t i o na l g o r i t h ma r e d e s i g n e d w h i c hu s es k i nc o l o u rm o d e lb a s e d o nt h ef a c ec h a r a c t e r i s t i 娼a n dd i f f e r e n c ef l a m e c o m b i n i n ga l g o r i t h m sf o rh u m a nf a c er e a l t i m ep o s i t i o na n dd e t e c t i o n t h ep a p e l d e s i g nan f f w a p p r o a c h - c u m u l a t i v eh i s t o g r a m st h r e s h e l dm e t h o df o rh u m a nf a c eb i n a r i z a t i o n ，w ec a nk e e p o b re y e sf r o mt h ef a c ec o l o u rs e p a r a t e da n dr e d u c e dt oi l l u m i n a t i o ns e n s i t i v i t y , a n d 。t h e nu s e t h ec o n n e c t i v i t yd o r a a i ns e a r c ha l g o r i t h mf r o mn o t h i n ge x t e n ta r o u n dt h ee y e st oa v e i d f r a g m e n t a t i o na n di m p r o v et h ec a l c u l a t i o ns p e e d 1 1 1 c l lt h ee y e sa r ea c c u r a t e l yp o s i t i o n e d u s i n ge y ei m a g ef o re x t r a c t i n ge y e sf r o mh u m a nf a c er a p i d l ya n de x a c t l y f i n a l l yt h ef a t i g u e d e g r e ei sj u d g c dr e s p e c t i v e l yp e r c l o sa n ds h e r td u r a t i o n o de y e st w op a r a m e t e r s m a n yt e s t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a r ld e t e c tb l i n k i n gt i m e sa n dv i s i b l ep u p i la r e a i nr e a l t i m e s oi tc a l ld e t e c tt h ed e g r e eo f f a t i g u ee 币c a c i o u s l y k e yw o r d s ：d r i v i n gf a t i g u eh u m a nf a c ed e t e c t i o ns k i nc o l o rm o d e le y ed e t e c t i o n a c c u m u l a t i v eh i s t o g r a mp e r c l o s i l 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 英文缩略词 n h t s a 州a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 美国国家高速公路交通安全管理 局 f h w a ( f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 联邦高速公路管理局 a a a ( a m e r i c a n a u t o m o b i l e a s s o c i a t i o n ) 美国汽车联合会 s a m ( s t e e r i n g a t t e n t i o nm o n i t o r ) 方向盘监视装置 a d s ( a n t i - d r o w s i n e s ss y s t e m ) 防瞳睡系统 e e g ( e l 删a l o g m m ) 脑电图 e m gr e l c c t r o r n y o g r a p h y ) 胍电图 e o g ( e l e c t r o o c u l o g r a p h y ) 艰电图 e k g ( e l e c t r o c a r d i o g r a p h y ) 心电图 p e r c l o s 僻e r c e n t a g e o f e y e l i d c l o s u r e o v e r t h e p u p i l o v e r t i m e ) 在单位时间里眼睛闭 合时间所占的百比率 c c d ( c h 越g e - c o u p l e md e “o e ) 电祷耦合器件 d s p ( d i g i t a l 、s i g n a lp r o c e s s i n g ) 数字信号处理 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 现场可编程门阵列 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 第一章绪论 1 1 疲劳驾驶检测的背景和意义 机动车辆作为社会发展、人类文明和科学技术进步的产物，为人类文明进步和社会 经济发展做出了巨大贡献。然而，随着机动车辆的增加，交通事故发生量有不断增加的 趋势。随着我国交通运输业的发展，交通事故的发生也日趋频繁，给人们的生产、生活 带来了严重的影响。表1 1 是近年来我国道路交通事故发生的统计数据”。 表卜1 我国道路交通事故统计表 年份事故次数 直接损失( 亿元)死亡人数 受伤人数1 0 万人口死亡率 2 0 6 1 6 9 7 l2 & 78 3 9 5 34 1 8 7 2 l7 3 2 0 0 l7 s 4 争1 93 0 9l 9 3 05 4 6 4 8 58 5 2 0 0 2 7 7 3 1 3 7 3 3 2 l 3 8 1 5 6 2 1 1 6 1 3 7 2 0 0 36 6 7 5 0 73 3 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 41 0 8 2 伽1 45 1 7 8 8 92 3 91 0 7 0 7 74 8 0 8 6 49 9 2 0 0 54 5 0 2 5 4 1 8 8 9 8 7 3 8 4 6 9 9 1 l 7 6 从上表可以看出，在“十五”( 2 0 0 1 2 0 0 5 ) 期间，我国的交通事故居高不下。自2 0 0 5 年以来，全国交通事故死亡人数首次回落到l o 万人以下。公安部交通管理局2 0 0 4 年与 2 0 0 5 年的统计结果表明：2 0 0 4 年与2 0 0 5 年的疲劳驾驶直接导致的死亡人数分别为2 7 9 9 和2 5 6 6 ，产生的死亡率分射是2 6 1 4 和2 5 9 9 。但是疏忽大意、判断错误、措施不当 三项相加分别是1 8 8 和2 0 2 9 ：产生的死亡率是1 8 6 和2 0 8 4 ，而这三项事故原 因中往往夹杂着驾驶疲劳。 据交通部门统计，我国是道路交通事故死亡人数最高的国家，连续数年直居世界 第一。2 0 0 1 年中国交通事故死亡人数为1 0 6 万人，而同年美国的数字为4 万人，日本 为1 万人。据全球各交通部门的统计，2 0 0 3 年全世界交通事故死亡人数为5 0 万人。其 中，中国交通事故死亡人数为1 0 4 万人，美国、俄罗斯的死亡人数分别为4 万人和2 6 万人。我国的交通事故统计资料显示 2 】，交通事故的主要加害者是机动车驾驶员，而行 人、乘车人和骑自行车的人是交通事故中的三大受害群体，死亡人数中的四分之三是行 人、乘车人和骑自行车的人。这些交通事故给国家财产和人民生命财产安全带来了巨大 损失。 在每年发生的大量交通事故中，约有三分之二的交通事故责任在驾驶员一方。我国 首都师范大学碗士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 交通事故的致死率也是世界最高的，为2 7 3 0 o ，而美国为1 3 ，日本只有o 9 。拿两 个规模相当的城市比较，北京的交通事故致死率为1 4 ，东京则为o 7 。 现在，全世界由机动车辆事故导致的受伤人数约有2 5 0 0 万人，两每一年由于交逶 事故的原因至少使5 0 万人死亡。统计资料表明。全球道路交通事故瓣总数约占安全事 故的9 0 左右，造成的伤亡人数占所有安全事故伤亡人数的8 0 n , 6 以上。在非正常死亡 之中，道路交通事故已成为名剐其实的。第一系乎”。 国外的疲劳驾驶与交通事故研究的统计数据同样令人触目惊心。 美国卡内基梅隆大学在驾驶模拟器上研究f 3 i 表明。机动车辆重大事故率9 1 归因于 驾驶员驾驶疲劳，而夜晚疲劳驾驶重大事故率选1 9 9 。 英国交通研究实验室( t r a n s p o r tr e s e a r c hl a b 0 皤o f y ) 1 4 l 认为驾驶疲劳导致的路蘧交 通事故占全部交通事故率的1 0 。 据漠大利亚联邦议会统计圈：在2 0 0 0 年，司机疲劳驾驶造成的交通事故占所有交 通事故的2 0 到3 0 。专家认为这只是保守统计，实际所占的比倒可能更大。 2 0 0 4 年美国国家交通安全委员会n t s b ( t h en a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o ns a f e t yb o a r d ) 检 查了1 0 7 起由驾驶员造成的卡车交通事故，表明有5 8 的交通事故与驾驶员疲劳驾驶有 关 6 1 。 美国国家公路交通安全管理局( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ， n h t s a ) 最近几年的调查【7 】显示：每年平均有5 6 0 0 0 起车祸与疲劳驾驶相关，造成7 6 0 0 0 人受伤，1 5 4 4 人死亡( 占交通事故死亡总人数的3 7 ) ，调查还显示有2 7 的受访者表 示有过开车打瞌睡的经历。 美国汽车联合会( a m e r i c a na u t o m o b i l ea s s o c i a t i o n ，a a a ) 的交通安全部初步估计 4 1 5 9 的重型卡车交通事故与疲劳驾驶有关【8 】。 据我国交通部报道，驾驶疲劳造成的交通事故无论是绝对数字还是所占比例都是最 高的。从我国历年交通事故的大量案例分析中得出的结论：驾驶员因疲劳驾驶所造成的 道路交通事故约占总数的1 0 至2 5 ，由此可知，驾驶疲劳是造成交通事故的主要原 因，也是引发驾驶员职业病的主要原因。因此，开展驾驶疲劳的研究工作意义重大。 1 2 驾驶疲劳检测的国内外研究现状 驾驶疲劳研究分为主观和客观两种方法，主观的研究方法有主观调查表、驾驶员自 2 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 我记录表、睡眠习惯调查表和斯坦福睡眠尺度表四种。这些反映主观方面的调查表格虽 然使用简单，但是由于填写者本身对表格项目的理解存在一定的差异，填写的准确性必 然大打折扣，其结果常常不能令人满意，因此不能作为驾驶疲劳评测的通用标准尺度。 客观的方法有脑电图( e e g ) 、眼电图( e o g ) 、肌电图( e m g ) 、呼吸气流( 鼻声传感器) 、 呼吸效果( 胸腔部传感器) 、动脉血液氧饱和( 手指探针) 时的体温( 用红外线耳朵探针获取) 和心电图e g g ( 开车和睡眠时) 等测量方法。尽管这些方法是比较准确的，但是由于这些 方法一般是在驾驶前或驾驶后测量是超前或滞后的，是非实时的。况且在驾驶室有限 的空间内安置复杂的检测仪器也是十分困难的。而且驾驶员脱离驾驶室或未进入驾驶室 的精神状态是不同的，再精确的仪器其测量结果也会大受影响。因此，开发一种车载的、 实时的、非接触式的疲劳检测装置已成为国内外专家学者共同的目标。 早期的驾驶疲劳测评主要从医学角度出发，借助医疗器械进行。这些研究可以追溯 到1 9 3 5 年美国交通部管辖的洲际商业协会i c c ( t h ei n t e r s t a t ec o m m c o m m i s s i o n ) 要 求美国公共卫生服务署u s p h s ( t h eu n i t e ds t a t e sp u b l i ch e a l t hs e r v i c e ) 负责调查城市间 商业机动车驾驶的服务时间【9 h o s ( t h eh o u r so f s e r v i c e ) 的管理条例，但是驾驶疲劳真正 进行实质性的研究工作是从2 0 世纪8 0 年代由美国国会批准交通部实施的驾驶服务时间 ( h o s ) 改革开始的。此时，美国已把驾驶疲劳的研究提高到了立法高度。 随着科学技术的进步，驾驶疲劳测量方法有了很大的发展，其中最有代表性的有基 于生理信号的检测方法、基于身体反应的检测方法、基于操控行为的检测方法、基于汽 车行为的检测方法、基于驾驶员反应的检测方法以及基于行驶条件的检测方法几种，表 1 - 2 对这几种方法的准确性和实用性做了一个比较。 表1 - 2 疲劳检测技术 检测技术描述准确性 实用性 基于生理信号主要检测脑电波、眨眼频率、心率、脉搏频率以及皮肤很好很差 的检测方法电压等的变化 基于身体反应主要检测驾驶员头部倾斜度、身体姿势的下垂度、眼睛很好好 的检测方法闭合的频率、驾驶员掌控方向盘的力度等的变化 基于操控行为 检测各种操挣器( 如：方向盘、加速器、刹车踏板、档好很好 的检测方法位等) 的变换 基于汽车行为检测汽车本身的行为( 如：速度、侧向加速度、偏行速好很好 的检测方法 率、侧向位移等) 的变化 基于驾驶员反定期检查驾驶员的反应 好很差 应的检测方法 基丁行驶条件检测行驶时间以及行驶条件( 如：白天或者晚上、行驶很差好 的检测方法速度等) 首都师范大学硕士学位论文 基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 从表中可以看到不同的方法各有优缺点，其中基于驾驶员身体反应的疲劳检测方 法相对于其他方法在各项指标都较好。多年来，世界各国纷纷展开驾驶疲劳车载电子检 测装置的开发研究工作。下面介绍几种典型的试验型产品和研究思路； ( 1 ) 日本尼桑汽车公司研制出一种能自动提醒司机驾车时不要打瞌睡的电子报警 系统，该系统的工作原理是，通过安装在汽车仪表盘上的屯跟随时摄下司机的跟部图像， 然后籍图像信息避入处理嚣避行分柝。霉帆腑贬眼次数、频事与人当劈缒清醒程度有直 接的关系，如果司机眨眼的次数过多，系统的电子报警嚣就会鸣响，并向驾驶室喷放一 种含有薄荷和柠檬等醒脑物质的香气，及时清除司机睡意。 ( 2 ) 日本电脑便民公司最近开发出一种及时提醒司机注意的软件，可以防止事故发 生。这个仪器是在方向盘上安装导电性强的探测装置，可以感知手握方向盘时的脉搏蹒 动。车上搭载的软件随时给予解析，通过数据嬲断精神压力、情绪紧张、注意力不集中、 瞳睡等精神和生理的状况，超过一定的指标。较件将通过各种装鬣向司机自动发出警告。 警告的方法多种多样，包括发出声音、喷射气体、光线刺激、振动座椅、汽车导航系统 发出信号等。 ( 3 ) 日本丰田公司研制的疲劳报警装置，只要驾驶员在操纵转向盘时有一点迟钝， 或脉搏有一点异常变化，该装置就能测出这些反应，并发出警告，令坐垫振动或自动刹 车。 ( 4 ) 日本东京大学研制出的疲劳测试器，可戴在司机的手腕上。该测试器内部装有 一小型氧气电池电极，能测量司机汗液中的乳酸、氨和酒精含量。然后通过小塑无线电 发射器把数据传送到研究中心。研究中心通过电脑分析，判定司机的疲劳程度，及时向 司机发出警告，避免交通事故的发生。 ( 5 ) 德国人发明了一种奇特的眼镜，这种眼镜有一个灵敏的光电开关，与驾驶室里 的电灯和声音发生器连接。司机在途中打瞌睡，眼镜里的光电开关会自动接通电源，使 司机眼前的灯光发亮，引起司机警觉。如未奏效，声音发生器会发出更大的声音。如司 机仍未清醒，开关会接通制动器，强制停车。 ( 6 ) 法国的一些研究机构在联手研制一种监测司机注意力下降的系统，它可以通过 声音或光信号提醒司机。他们计划用五种传感器：视频传感器( 用来不间断的测量并分 析汽车与旁侧车道白线间的距离) 、方向盘传感器( 监控方向盘的活动情况) 、脚踏板传感 器( 监控脚踏板上的压力状况) 、眼睑传感器( 监控眼睑眨动持续的时间) 、汽车速度传感 4 首都师范大学硕士学位论文 基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 器( 监控汽车行驶的速度) 。负责这项技术开发的法国图卢兹西门子v d o 汽车公司希望 能在2 0 0 6 年给汽车安装上这套装置。这项研究工作已经在去年上马，总投资是1 7 0 0 万 法郎，主要是对车上安装这一套装置的可行性进行研究。 ( 7 ) 英国科学家为司机研制的防瞌睡报警系统，可以监视司机开车时的眼睛和肌肉 运动，大脑活动及心率等，如发现异常，系统能及时发出报警。 ( 8 ) 西班牙的防瞌睡系统( a n t i - d r o w s i n c s ss y s t e m ) ，测量驾驶时手对方向盘的握 力，旦检测到疲劳发生，利用汽车的灯不停的闪烁，提醒周围的交通车辆。 ( 9 ) 日本发明一种疲劳报警器，在汽车的后视镜装有一种嵌入式摄像机，而这种摄 像机的镜头中心对准的正是司机的眼睛，当摄像机自动监测到司机的眼睛长期处于不睁 开状态时，它就会发出警告。 ( 1 0 ) 方向盘监视装置s a m ( s t e e r i n g a 岫nm o n 栅) 。一种监浏方向盘非正常运 动的传感器装置，方向盘下面的杆上装有一条磁性带，用以监涮方向盘的运动。另外， s a m 与录像机配合使用可以为保险公司提供证据。 ( i i ) 1 9 9 6 年世界知名学者k n i p l i n g ，w a n g 和k a n i a n t h r a 等人测量眼睛的开闭、眼 睛的运动和眼睛的生理学表现形态来研究机动车驾驶员的疲劳问题，他们认为利用眼睛 来判断疲劳是非常恰当的，并且也是行之有效的方法【l o l 。 ( 1 2 ) 1 9 9 9 年4 月美国联邦公路管理局口。d e f a i h i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 的技术论坛上 发表题为“o c a rm e a s u r e so f d r i v e r a l c p m c s s ”的文章，首先提出把p e r c l o s ( p c r c e n t a g e o f e y e f i dc l o s u r e0 v e i t h eh 嚼lo v 盯t i m e 闭眼所占的时间) 作为预测机动车驾驶员驾驶 疲劳的可行方法。因为生理学表现形态能够充分提供机动车驾驶员的警觉状态的信息， 眼睛的视觉表现行为能够被测量。研究结果表明：一般情况下，人们眼睛闭合的时间在 0 1 0 3 秒之间，如果在驾驶时，眼睛闭合时间达到0 5 3 秒时，则很容易出现事故。 d i n g e s 1 1 】认为，p e r c l o s 能相当准确地反映疲劳状态。目前，p e r c l o s 方法已被公 认是最有效的、车载的、实时的驾驶疲劳测评方法。 国内在人脸识别技术和驾驶员疲劳检测的研究方面起步较晚。目前国内在驾驶员 疲劳检测方面的研究有： ( 1 ) 浙江大学j 下在研究驾驶防瞌睡装置，该装置通过实时监测一段时间内驾驶人员 眼睛的活动如眼睛的闭合时问、闭合频率等参数，来判断当前驾驶人员的注意力程度， 从而识别驾驶员是否疲劳。 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 ( 2 ) 北京航天航空大学的眼动测量系统，利用光学系统中的图像传感器获得眼睛运 动的瞬时模拟图像，然后交由图像处理系统，经滤波、放大、以及a d 转换产生含有 瞳孔位置信息的数字信号。由数字检测系统负黉瞳孔中心坐标检溅及数据转换，并以异 步串行通信方式和计算机进行通讯，将瞳孔中心坐标数据传输给计算机完成标定等上 作。计算机对于背景视场摄像机传输来的图像和标定后的瞳孔中心坐标进行叠加及数据 后处理。 ( 3 ) 中国农业大学车辆与交遥工程学院正在进行机动车驾驶员疲劳测评方法的研 究，他们使用c c d 摄像头来采集图像数据，数据采集到计算机后，先利用高斯肤色模 型进行驾驶员人脸定位，然后根据人脸图像的灰度分布检测出眼睛在图像中的具体位 置，最后利用模板匹配技术翔断出人眼的开闭状态，并计算出眼睛的闭合时问和 p e r c l o s 值，当眼睛的持续闭合时闻大于3 秒，p e r c i o s 值大于8 0 * o 时，就认为驾 驶员处于疲劳驾驶状态，发出警告。 ( 4 ) 吉林大学、山东大学、福州大学等遴行了类似的研究，而西南交通大学、重庆 大学等则开展了驾驶疲劳机理的研究。 综观国内外的发展现状，研究如何利用机器视觉技术、图像处理技术、人脸识别技 术和p e r c l o s 疲劳检测方法相结合，开发出实用的市场所能接受的驾驶员疲劳识别系 统是当前的一个研究热点。随着计算机图像技术和信号系统的高速发展，研究p e r c l o s 与d s p 相结合的方法已经成为当前检测驾驶员疲劳的一个目标。 为了适应汽车工业的高速发展，彻底保证驾驶员的安全，必须寻求一种车载的、非 接触式的、实时的检测驾驶疲劳的装置基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统，这就 是本课题研究的初衷。 1 3 论文的研究内容与组织 据资料显示，道路交通因疲劳驾驶导致事故呈上升趋势。因此，如何有效的监测和 防止驾驶员疲劳驾驶，对于降低交通事故及人员死亡率，有着十分现实的重要意义。 本文设计了一套基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统，根据疲劳的各种生理特征与 疲劳的相关性后，选用p e r c l o s ( 单位时间内眼睛闭合时间所占的百分率1 作为判定疲 劳程度的依据。采用机器视觉和图像处理的方式检测眼睛的变化信息，提出了一种具有 车载的、非接触式的、实时的驾驶疲劳检测系统基于d s p 的驾驶疲劳检测系统。 6 首都师范大学硕士学位论文 基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 论文组织如下： 第一章：绪论。分析了开展驾驶疲劳课题研究的意义，介绍了当前国内外驾驶疲劳 理论研究、装置研究的现状。 第二章：驾驶疲劳机理研究和检测。介绍了驾驶疲劳的定义与产生的原因，从生理 学、心理学和行为科学的角度分析了驾驶疲劳的机理，研究了眼睛闭合时间所占的百分 率p e r c l o s 方法，眼睛闭合持续时闶的大小与疲劳之闯的关系，提出了眼睛开、闭的 测量方法和驾驶疲劳检测的算法框图。 第三章：基于d s p 的驾驶疲劳检测系统。研究适合车载的疲劳检测设备基于 d s p 的驾驶疲劳检测系统，介绍了基于d s p 的视频采集系统的开发与设计。 第四章：人脸检测和定位。研究基于人脸皮默色聚类特征和差分法的人脸实时检测， 克服了以前使用单一人脸定位算法的缺点。这一章深入研究了人脸肤色在色彩空间中的 聚类特征，然后采用动态图像分析方法差分法进行人脸检测，提取脸部区域。按照 肤色模型进行肤色检澳和差分法相结合，实现人脸实时定位。 第五章：眼睛检测、定位和疲劳识别。研究在自然光照条件下，利用对已经定位的 人脸进行眼睛检测，设计一种新的方法一累计直方图阈值法将脸部图像二值化，将五官 从人脸肤色中完整的分离出来，降低了对光照的敏感性，以此来进行眼睛特征参数的提 取：接着利用基于眼睛色度图的眼睛提取算法可以进行快速、准确的眼睛定位；最后分 别计算眨眼持续时间和p e r c l o s 两个参数来判断疲劳程度。 第六章：总结与展望。对全文做了总结，并提出了现存的一些问题，指出了今后应 努力的方向。 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 第二章驾驶疲劳机理研究和检测 2 1 疲劳与驾驶疲劳的相关理论 2 1 1 1 瘦势的檑荚理论 ( 1 ) 疲劳的概念 人类对疲劳的研究，至今已有1 0 0 多年的历史，到目前为止，世界上对疲劳在理论 上和现象上都缺乏统一的定义。因为疲劳是一种复杂的生理、心理现象，其生理、心理 机理还处于不断的研究和探索之中，理论上难以作定量的准确描述，现象上也因人丽异。 工程实践中，往往根据作业者的行为能力、工作效率等来间接地定义疲劳。即疲劳 是指劳动生产过程中，作业机能衰退，作业能力出现明显下降，有时伴有疲倦感等主观 症状地一种现象。 医学上认为疲劳是人体困顿、倦怠的感觉，它通常是需要休息和放松的信号。任何 从事脑力和体力劳动的人都会有不同程度的疲劳感觉。但是，疲劳表现出来现象的某些 生理、心理和行为科学指标可以通过实验来测定，如用肌电图( e m g ) 来描述肌肉疲劳现 象，用脑电图( e e g ) 来描述脑力疲劳现象，用眼电图( e o g ) 来描述眼睛的视觉方向和眼 睛疲劳现象。 ( 2 ) 疲劳的产生原因 从疲劳的产生原因看，主要分功能性和病理性两种。功能性疲劳又包括体力疲劳、 脑力疲劳、心理( 精神) 疲劳和混合性疲劳等4 种。体力疲劳就是人们常说的“累了”。 干活或运动时间较长或强度较大，都会产生累的感觉。当人体在持续长时间、大强度的 体力活动时，肌肉( 骨骼肌) 群持久或过度收缩，在消耗肌肉内能源物质的同时，产生乳 酸、二氧化碳和水等代谢产物。这些代谢产生的废物( 乳酸、二氧化碳，被称为疲劳素) 如在肌肉内堆积过多，就会妨碍肌肉细胞的活动能力。疲劳素进入血液并运行全身，会 进一步刺激中枢神经系统，使人产生体乏无力以及不快的感觉，削弱了体力，并对工作 失去兴趣，疲劳就产生了。脑力活动持续时间过久，也会产生疲劳。当人们用心看书或 演算时间过长时，会感到头昏脑胀，记忆力下降，思维变得迟钝了，这就是脑力疲劳。 它产生的机制与体力疲劳相仿，是细胞活动所需的氧气和营养物质供不应求的结果，也 r 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 是脑力活动中产生的疲劳素堆积造成的。病理性疲劳不是本论文讨论韵范畴。 ( 3 ) 疲劳的生理特征变化简介 疲劳会产生脑电变化。大脑皮层兴奋与抑制时，其脑电图上的表现是不相同的。 兴奋时，脑电图表现为低波幅、快活动( 称p 波，频率在1 3 h z 以上) ；抑制时，脑电图 表现为高波幅、慢活动( 称0 波，频率为4 - 7 h z ) ；高度抑制，如深睡时，出现高幅更慢 的波( 称8 波，频率为0 孓碓乜 ：人在疲劳钧时候会在脑电图反应出来。有人把脑电图 看成是测量瞌睡的“金标准”。根据脑电图的频率分布和波形，可推测大脑活动韵功能 状态，从而推测是否存在心理疲劳。 疲劳会产生脸部表情煎变化，如眼睛驰关闭，眼睑眨动变慢，眼睑下垂，点头， 打哈欠等。 脉搏和心率盼变化。 瞳孔直径的变化。如果长时间疲劳驾驶，或饮滔导致血液中酒糟含量升高，人的 瞳孔直径因光线变化而变化的程度就会加尉。据测试，通常情况下，糟神振奋者的瞳孔 直径变化频率平均为每分钟5 至l o 次，而长时间未睡眠休息者的瞳孔直径变化频率平 均每分钟可达1 5 次。 其他的生理变化，如身体的温度变化，人体的阻抗变化等。 2 1 2 驾驶疲劳的定义及产生晨因 驾驶疲劳1 2 1 是脑力、体力同时参与的技术性疲劳。由于驾驶员动作反复、连续，且 重复的次数太多，使其生理上、心理上发生某种变化，在客观上出现驾驶机能低落的现 象。 疲劳的表现可分为身体症状、精神症状和神经症状。身体症状表现在身体有倦怠、 沉重、硬板的感觉，下车后弯腰感到困难，以及周身疼痛、手脚和小腿发胀等；精神症 状表现为思考不周全、健忘、精神涣散、焦虑、急躁等；神经症状主要表现在动作失调、 脸部的其它肌肉颤动、手脚发抖、精神不振等。 心理疲劳也称为精神疲劳或心因性疲劳。它与体力疲劳和脑力疲劳不同，一般不是 发生在驾驶过程之中，而往往在刚刚驾驶开始甚至还没有开始时，就表现出感觉很累， 不想活动，对驾驶失去兴趣，严重者会感到厌烦。有些驾驶员，还没有驾驶就觉厌倦、 打不起精神来等等，这些都属于心理疲劳。 酋都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 驾驶员在行车中，身体负荷除了与一般的劳动有相同点之外，由于长时间精神高度 集中，坐在一个坐位上，动作受到一定限制，忙于判断处理车内外刺激信息。精神状态 格外紧张，从而更容易出现驾驶疲劳。当驾驶疲劳啦现后，注意力容易分散，严重时甚 至困倦打瞳睡，无法正常接受和处理外界的信息，使驾驶操作失误或完全失去驾驶能力。 这时候驾驶员最容易因为疲劳产生事故。我们就是研究在这种情况下的驾驶疲劳的测量 和评价方法。 机动车驾驶员驾驶疲劳的测量和评价方法f 1 3 j 对驾驶员的要求是除了具备正确的操 作控制车辆，了解交通法规，捧除简单故障外。还应具有健康的身体，正常的生理和心 理状态，以便能对路面及车辆出现的情况做出及时正确的反应。本论文研究的驾驶疲劳 特指驾驶员在连续行车所产生的生理、心理机能以及驾驶操作效能下降的现象，也就是 正常的机动车驾驶员( 年龄2 0 岁至6 0 岁，身体状况良好，有一年以上道路驾驶经验) 由 于身体状况、精神状态、连续驾驶时间过长等原因造成的不能对意外情况做出及时正确 的反应并正常操作控锖4 机动车辆的身体状态。本文首先从心理学、生理学、行为科学等 几方面来阐述驾驶疲劳的机理。 2 2 驾驶疲劳的心理学机理 机动车是现代社会的重要运输上具，它们在照个交通运输中占有举足轻重的地位。 驾驶员作为一个独立的社会人，他有思想，有感情，有个性，因此对机动车驾驶员驾驶 疲劳应当从心理学角度分析发生的原因及其表现形式，这对于研究疲劳检测系统十分重 要的。 2 2 1 驾驶疲劳的心理学分析 机动车驾驶是复杂的“人一车一路”闭环系统，在该系统里，驾驶员的心理状态会 发生各种各样的变化。驾驶员的主要工作内容是驾车行路，但这驾车行路中包含着千头 万绪的具体事情。驾驶员的劳动内容、层次异常丰富，且内容的是不断变换着、流动着 的。 驾驶员的劳动是复杂的，多样的。正是由于其复杂多样性，就更需要驾驶员随时 做出及时而准确的反应。一方面，驾驶工作内容的大流量，行车过程中对外界信息是千 变万化的，驾驶员很难准确捕捉信息和对情况事先做出正确的估计和判断，这就要求驾 1 n 首都师范大学硕士学位论文基于d s p 的驾驶疲劳实时检测系统研究 驶员提高技术的熟练程度和增强迅速接受及处理各种信息的心理承受能力。但是，人在 面对复杂的劳动内容时，所能接受的信息和具有的心理承受能力总是有限的，就注意的 范围来说，成年人在一秒的时间内，一般能注意到四至六个毫无联系的孤立对象。在很 短的时间内，眼球还来不及转动，因而人所把握的对象非常有限。在高速行车的过程中， 信息变化过快，驾驶员接受大量的信息会发生困难，信息的出现超过驾驶员所能接受和 处理的临界线，这就要求驾驶员把车速控制在一定的范围内，与其接受和处理信息的能 力相匹配。另一方面则应训练自己的心理承受力，以提高接受和处理信息的能力。在疲 劳状态下，其心理活动效能低下，感知判断容易出错，动作反应迟钝，容易导致车祸； 在疲劳状态下，分心的状态则会使驾驶员对车前的车辆、行人视而不见，充耳不闻，驾 驶员处于高度警觉的应激状态，对刺激做出瞬闻的迅速反应有困难。人的心理状态体现 着人在从事某种活动时心理的激活程度与脑功能的积极性水平。驾驶员要想行车平安， 就应注意随时调整自己的心理状态，确保自己在良好的心理状态下行车。 值得一提的是，机动车驾驶具有流动性和连续持久性。驾驶机