【最终版】防疲劳驾驶的图像处理预警系统(方案书)

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2010年“丁颖杯”课外学术科技作品竞赛

方案书

作品名称：防疲劳驾驶的图像处理报警系统

学院名称：工程学院

申报者姓名

（集体名称）：蓝江林、薛昆南、严沛权、汤永亨、程英杰、

邱德鸿

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

科技发明制作A类

□科技发明制作B类

防疲劳驾驶的图像处理预警系统

摘要

随着社会经济的发展，机动车辆与日俱增，由驾驶疲劳引起的交通问题越来越受到人们的关注。因此，为减少疲劳驾驶而引起的交通事故和保障人们的人身安全，研究有效的方法来实时检测驾驶员的疲劳状态是非常必要和具有重要意义的。

尽管目前已有一些简单的防疲劳驾驶的检测方法，但是具有非接触式的、实时性的、高灵敏度和可靠性防疲劳驾驶的监测方法至今在国内尚未得到很好的解决。

本文主要研究了疲劳驾驶的预警问题。本文针对疲劳驾驶检测技术的难点，提出防疲劳驾驶图像处理预警系统的合理性能指标（友好性、实时性、可靠性、鲁棒性）；根据系统的性能指标确定疲劳驾驶检测方法、图像处理器和图像处理算法的最优方案，此方案是基于DSP的具有非接触性、实时性等特点防疲劳驾驶数字图像预警系统；最后，介绍系统的实现原理与功能。

本设计是通过在视频中使用Kalman法对人脸进行自动跟踪，找出眼部图像，然后利用DSP进行一系列图像处理，最后得到眼睛的二值化图像，从而判断出眼睛开合状态或眨眼频率。根据采集的数据，结合PERCLOS法来判断驾驶员是否出现疲倦，并在出现疲倦特征的时候做出警告。如果在多次警告后驾驶员的精神状态依然没有改善的情况下，系统会自动降低车速，并通过汽车后窗上的电子屏以文字“疲劳驾驶，正在减速，请您留意”提示，以保证行车安全。同时，系统还会持续地发出警告，直到驾驶员重新复位系统。而且，该系统还具有行车记录功能，每秒钟都会把当前行车的部分数据，如当前时间、车速、驾驶员眨眼次数、精神状况等记录下来。

本文的亮点在于：所设计的系统具有非接触性，实时性等特点，而且具有行车记录功能，且汽车后窗上用电子屏显示提醒后面的司机，共同注意疲劳驾驶，很人性化。

关键词：疲劳驾驶人脸自动跟踪疲劳判断 DSP 预警系统

目录

1前言 (1)

1.1 背景及意义 (1)

1.2 疲劳驾驶检测技术的研究难点 (2)

1.3 本作品较为突出的难题 (2)

2 功能与指标. (2)

2.1 功能介绍 (2)

2.2 指标介绍 (3)

2.2.1 性能指标 (3)

2.3.2 指标介绍 (3)

3 方案论证及其选择 (3)

3.1 防疲劳驾驶检测方法的方案论证 (3)

3.2 图像处理器方案论证 (4)

3.3 图像处理算法方案论证 (5)

4 防疲劳驾驶的数字图像预警系统的设计 (5)

4.1系统基本框架 (5)

4.2硬件结构 (6)

4.3软件结构 (7)

5 人脸检测 (8)

5.1 肤色建模 (8)

5.2 肤色模型的选择与建立 (8)

5.3 肤色相似度分割 (11)

5.4 阈值的选取及二值化 (11)

5.5 肤色区域的验证 (12)

6 基于卡尔曼（Kalman）滤波的人脸区域跟踪 (13)

7 人眼定位 (14)

7.1 人眼粗略定位 (14)

7.2 人眼精确定位 (15)

8 驾驶疲劳判定 (15)

8.1 PERCLOS的测量原理 (15)

8.1.1 PERCLOS测量模型 (15)

8.1.3 PERCLOS方法的三种标准 (16)

8.1 PERCLOS与眨眼频率相结合的疲劳分析 (16)

9 单片机控制部分 (16)

9.1 电路原理图 (17)

9.2 实现功能及工作流程 (19)

10 总结与展望 (19)

11 参考文献 (21)

12 附录 (22)

1 前言

疲劳驾驶是当今交通安全的重要隐患之一。驾驶人在疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力都有不同程度的下降，因此很容易发生交通事故。统计数据表明，在2007 年至2008 年我国直接由疲劳驾驶导致的死亡人数分别占机动车驾驶人交通肇事总死亡人数的11.35% 、10.91% 和12.5%]1[，大约每年有9000 人死于疲劳驾驶。因此，研究开发高性能的驾驶人疲劳状态实时监测及预警技术，对改善我国交通安全状况意义重大。

在智能化技术迅猛发展的今天，汽车驾驶也在朝着智能化、安全化的方向发展，对驾驶员的疲劳状态的检测已成为汽车智能辅助驾驶的关键技术。

1.1 背景及意义

随着社会经济的发展, 机动车辆与日俱增,随之而来的行车安全问题越来越受到人们关注。根据美国印第安那大学对交通事故原因的调查研究发现：85%的事故与驾驶员有关，车辆和环境因素只占15%]2[。同时有资料表明，高速公路发生的交通事故中，有50%以上是由于长时间疲劳驾驶或所见目标单调使司机注意力不集中、甚至打瞌睡等原因造成的。驾驶员在事故发生前一瞬间的行为故障直接导致了事故的发生，这些行为包括知觉的延迟、对环境的决策错误、对危险情况的处理不当等。在所有的驾驶员错误中，最常见的是知觉错误和决策错误，这些错误会产生注意力不集中、反应迟钝、操作不当等，产生这些错误的根本原因是疲劳驾驶。如图1给出了驾驶疲劳导致错误的驾驶行为操作，进一步导致交通事故的示意过程。

疲劳驾驶是指驾驶员由于睡眠不足或长时间持续驾驶造成的反应能力下降，这种下降表现在驾驶员困倦、打瞌睡、驾驶操作失误，警觉能力下降或甚至完全丧失驾驶能力，从而让交通安全事故发生的机会大大增加。驾驶疲劳反映在生理和心理两个方面，生理反应包括神经系统的功能、血液和眼睛的变化；心里反应包括反应时间延长、注意力分散、动作不协调。

图1 驾驶疲劳导致错误的驾驶行为操作分类图

要降低交通意外的发生，最重要的一个途径就是防止驾驶员疲劳驾驶。而要防止疲劳驾驶，最重要的一点是要时刻监测着驾驶员的精神状况。因此，如何检测驾驶员的精神状态并实时发出疲劳预警信号及采取相应的措施，已成为疲劳驾驶问题的重要举措。