驾驶员精神疲劳检测方法综述
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４ 展 望
综 合 来 看 ，通 过 车 辆 行 为 参 数 来判 别 技 术 上 较 容 易实现 ，成 本较低 ，但 易受外界影 响 ；随着生 理信 号非 接触 式采集 设备 的发展 ，生理信 号疲 劳检测相 关理 论也 越来越 成熟 ，受到 越来越 多 的关注 。在过 去 的２０多年 ， 驾驶 疲劳检 测技术 得到 了突 飞猛 进 的发展 ，相关理 论体 系 已经趋 于完善 ，但仍存 在不 少 问题 。一是 个体差 异 问 题 ，二是 用户体验 问题 。众 多 己成形 的产 品没有广 泛推 广开 来 ，主 要是 由于检测 失误 率较大 ，还没 有达到 用户 期望 的效 果 ，由于采集 设备 的繁琐 ，影 响用 户驾驶 时 的 舒适 度也 是一重要 原 因。 由于 大量数据 的采 集及计 算分 析 ，造成 系统延迟 较大 ，设备 成本 高等 问题 也是影 响设 备推广 的关键 因素 。
驾 驶 员在 精 神 疲 劳 时 往 往 会 在脸 部 表 现 出来 ，进 而面 部 表 情 与 正常 状 态 时 有 明 显差 异 ，通 过提 取 驾 驶 员打 哈气频率 及头 部转角 参数特 征可 以有效检 测驾驶 员 状 态 ，但面 部识别 系统 同样 要求 用户必 须在摄 像头 范 围 内，影响用户体验 。
眼睛行为 包括 眨眼频率 、瞳孔 大 小、眼睛 闭合度 、 眼睛转 动速 度 、闭眼持续 时 间 占空 比等 ，前人 的研 究主 要是 通过截 取驾驶 员驾驶 时 的图像 ，通过 图像 处理 来检 测驾 驶员 眼睛状态 。相 关人 眼快速检 测算法较 多 ，反映 出眼睛行为 是判 断疲 劳驾驶 的经济有 效指标 ，且技 术相 对成 熟 。但 利用 眼睛状 态来判 断驾驶 员疲 劳状况 ，视线 跟踪技 术也面临很 多问题 ，如在被测人头 自由转动 的情况 下 ，视线 很难准 确跟踪 到，导致 示警 系统不 能始终 如一 正 确地 告诉驾驶 员疲 劳出现 。 ２．２ 面部表情与头部运动
间存在 的视 网膜静 电位 ， 日本著名 眼睛厂 商ＪＩＮＳ在２０１４ 年 召开发 布会 ，推 出了一款利 用眼 部潜在传 感技术 来检 测 受试 者疲劳程度 的智能眼镜 ，通过检测 受试者８个方 向 的眼部 活动来判 断用 户疲 劳状态 。
肌 电图可 以确定周 围神经 、神经 元 、神 经肌 肉接头 及肌 肉本 身 的功 能状态 ，用 ｓＥＭＧ信 号 的时频分析可 以评 估 驾驶 员肌 肉疲 劳状态 。
大 脑 是控 制运 动 、产 生 感 觉 及 实 现 高 级 脑 功 能 的 高级神 经 中枢 ，通 过精密 的 电子 仪器 ，从 头皮上 将脑部 的 电位 变化放 大 ，并记 录下来 ，就是 脑 电图 ，共 有 ａ、 Ｂ、 ０、 ６四个波段 ，反映大脑不 同的状态 。
作 为 世 界 消 费 领 域 生物 传 感 技 术 的领 导 者 ，美 国 ＮｅｕｒｏＳｋｙ公司 开 发 了一 款 意念 控 制 的头 戴 式设 备 ，通 过检测 脑 电信号 ｎ和 Ｂ波段 的变化 判断用 户注 意力和 放 松度 ， 当脑 波位 于 Ｂ波 段 时，大脑 处于 专注状 态 ，而位 于 。波段 是处于 放松状 态 。脑 电信号 的四个波 段进 行简 单计 算如 （０＋ａ）／Ｂ有 很 明显 的变化 ，表 明利用脑 电 信 号不 同波段 的运算 法则提 取特 征量对 于判 别驾驶 员精 神疲 劳有 重要 意义 。更早 的研 究有功率 谱分 析等经 典信 号 处理 方法 ，将 脑 电信号 视为平 稳信 号 ，而 有研 究则表 明，脑 电信号具 有非 线性特 征 ，复杂度 、近似 熵等 非线 性特 征逐 渐被用 来分 析脑 电信号 变化规 律 。便 携式 无线 脑 电信 号采集 设备 的发展 ，大大 减小 了用户采 集脑 电信 号 时的厌 烦情绪 ，为 日后脑 电信 号 的理 论研 究走 向应用 奠 定 了基 础 ，脑 电信 号正 成为研 究驾驶 员疲 劳状态 的最 可靠指标之一 。 ３．２ 心电信号
心 电信 号是 指心脏 活动 时心 肌激动 产生 的生物 电信 号 ，与脑 电信 号相 比，众 多非接 触式 的心 电信号采 集设 备 也为 其在 驾驶疲 劳检测 中的应 用奠 定 了基 础 。对 心 电 信 号 的研究主 要是 提取心 率参量 ，观 察其 心率变 异性 ， 心率变 异性是 指心率 节奏 快慢或 ＲＲ间期随 时间所发 生 的 变 化情 况 ，反 映心脏 自主 神经 系统对 心血 管系统 的调控 以及该系 统对 各种影 响因素的应答 。
１ 基于车辆行为的驾驶疲劳检测
随着 驾驶 时 间的增加 ，驾驶员精 神疲 劳程度 逐渐 加 大 ，注意力 下降 ，进 而对 于 驾驶环 境 的认知 能力 下 降， 反 应 时间增 加 ，对 车辆 的控制 精度 降低 ，从而 驾驶员 对 汽 车 的操作 变量及 车辆 行驶 路线等参 量 的特征会 出现 变 化 ，因此可 以通过 车辆 行驶 状态参数 判 断驾驶 员疲劳 状 态 。利用 驾驶 员驾驶 时间 、方 向盘 转角等 设计 基于单 片 机 的疲劳 驾驶检 测系 统 ，成 本低 ，算法 简单 。这些技 术 相对 成熟 且成本 较低 ，但是 其灵敏 度不 高 ，且 易受 外界 环 境 影 响 ， 比如 车 道 偏 离报 警系 统 检 测 驾 驶 员疲 劳 状 况 ， 只有 在车道 边沿 有 白色 标 志线 的高速路段 和城 区路 段才 能使 用。
【４】周展鹏，孔 万增，王 奕直，等．基于心电和脑电的驾驶疲 劳检测研究田．杭 州电子科技 大学学报，２０１４（０３）：２５—２８．
［５】吴群．基 于心 电信 号 的驾驶 疲 劳检 测 方法研 究［Ｄ】． 杭 州：浙江大 学，２００８．
电 子世 界 ·６７ ·
从驾驶 员行 为特征 着手 ，主要通 过检测 驾驶 员面 部 特 征变化 来判 断疲劳 ，主要 包括 眨眼频率 、眼 睛转动 速 度 、 眼睛 闭合 度 、闭眼持续 时 间 占空 比、嘴部状 态 、头 部 位置 等参量 ，提取 其特征 量 ，以相应 的算法 判别 驾驶 员 是 否疲 劳 。 ２．１ 眼睛行为参量
０ 引言
２ 基 于驾 驶 员行 为特 征 的驾驶 疲 劳检 测
精神 疲 劳作为 大脑在 认知和 行为 控制过 程 中产 生 的 心理 生理现 象 ，对 驾驶 过程 中的安 全有着 极大 的负面 影 响 ，研 究 驾驶疲 劳检测 技术 ，对于 降低交通 事 故的频 率 有着极为重要 的意义 。
ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ａｉｒｃｒａｆｔ ｐｉｌｏｔｓ ａｎｄ ｃａｒ ｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ
ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｋｌｏａｄ，ｆａｔｉｇｕｅ ａｎｄ ｄｒｏｗｓｉｎｅｓｓ［Ｊ］． Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｂｉｏｂｅｈａｖｉｏｒａｌ Ｒｅｎｅｗｓ，２０１４（４４）：５８—７５．
参 考 文 献 … 屈 肖蕾．基 于转向操作和 车辆状 态的疲 劳驾驶检测 方 法研 究【Ｄ】．北京：清华 大学，２０１２． 【２】周云鹏，朱青，王耀南，等．面部 多特征 融合的驾驶员疲 劳检测方法Ⅱ】．电子测量与仪 器学报，２０１４（１０）：１１４０—１１４８． 【３］Ｂｏｒｇｈｉｎｉ Ｇ，Ａｓｔｏｌｆｉ Ｌ，Ｖｅｃｃｈｉａｔｏ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｍ ｅａｓｕｒｉｎｇ
３ 基于驾驶员生理信号的驾驶疲劳检测
主要通 过检测 驾驶 员脑 电信号 、心 电信 号 、血压 、
·６６· 电·争ｔ■Ｉ●
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探 索 ｓ观 察
肌 电信 号 、 眼 电信 号 等 生 理信 号 来 检 测 驾 驶 员疲 劳状 态 ，生 理信号 检测 驾驶 员疲劳状 态客观 有 效 ，且 准确率 高 ，尤其是脑 电信号 ，被誉为 “黄金标准 ”。 ３．１ 脑 电信号
驾驶 员疲劳 前后 心 电信 号 的时域 、频域及 非线 性特 征均 有 明显不 同 。参 加模 拟驾驶 任务后 ，受 试者 交感神 经 活动增 加而 副交感 神经 活动 降低 ，表 明心 电信 号变化 特征可 以作为检测 驾驶员疲劳状态 的指标之一 。 ３．３ 肌 电信号和眼 电信号
眼ห้องสมุดไป่ตู้电 图是测 量在视 网膜 色素 上皮和 光感 受器细 胞之
目前主 要从两 个方 面检测 驾驶 员 的疲 劳情况 ：一 是 从车 辆着 手 ，记 录并 分析车 辆行驶 路线 、速度 变化情 况 以及 方 向盘转动 特征 等 ，提 取参量 特征进 而判 断驾驶 员 状态 ；二 是从 驾驶 员入手 ，主观方 面 ，主要 是通过 自我 调 查 问卷 的形 式 了解 驾驶 员生活方 式等 进行 辅助判 断 ， 客 观方面 ，主 要是通 过检测 驾驶 员的生 理信 号 以及 眨 眼 频率和面 部表情 等特 征来判断驾驶员状态 。
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探 索 ｓ 观 察
驾驶员精 神疲 劳检测 方法综述
武警工程 大学信 息工程 系 徐龙顺
【摘要 】针对进 十几年 来驾驶 疲 劳检测技 术的发展 ，对驾驶 员疲 劳检 测相 关技 术和 方法进 行综述 。基 于驾驶 员的疲 劳 检测 方法主要 分为基 于行 为特 征 的检 测方法和基 于生理信号 的检 测方 法 ；基 于车辆 的检 测方 法主要 通过检 测 车辆行 驶 参数 来 间接判 断驾驶 员是 否疲 劳。详 细介绍 了过 去几十年 大家公认的 驾驶 疲劳检测技 术的可行 方法 ，并介绍 了相 关产 品及其优缺 点 ，最后探 讨 了驾驶 员疲 劳检 测技术的技术难点及发展趋势 。 【关键词 】疲劳检 测 ；生理信号 ；车辆行为
综 合 来 看 ，通 过 车 辆 行 为 参 数 来判 别 技 术 上 较 容 易实现 ，成 本较低 ，但 易受外界影 响 ；随着生 理信 号非 接触 式采集 设备 的发展 ，生理信 号疲 劳检测相 关理 论也 越来越 成熟 ，受到 越来越 多 的关注 。在过 去 的２０多年 ， 驾驶 疲劳检 测技术 得到 了突 飞猛 进 的发展 ，相关理 论体 系 已经趋 于完善 ，但仍存 在不 少 问题 。一是 个体差 异 问 题 ，二是 用户体验 问题 。众 多 己成形 的产 品没有广 泛推 广开 来 ，主 要是 由于检测 失误 率较大 ，还没 有达到 用户 期望 的效 果 ，由于采集 设备 的繁琐 ，影 响用 户驾驶 时 的 舒适 度也 是一重要 原 因。 由于 大量数据 的采 集及计 算分 析 ，造成 系统延迟 较大 ，设备 成本 高等 问题 也是影 响设 备推广 的关键 因素 。
驾 驶 员在 精 神 疲 劳 时 往 往 会 在脸 部 表 现 出来 ，进 而面 部 表 情 与 正常 状 态 时 有 明 显差 异 ，通 过提 取 驾 驶 员打 哈气频率 及头 部转角 参数特 征可 以有效检 测驾驶 员 状 态 ，但面 部识别 系统 同样 要求 用户必 须在摄 像头 范 围 内，影响用户体验 。
眼睛行为 包括 眨眼频率 、瞳孔 大 小、眼睛 闭合度 、 眼睛转 动速 度 、闭眼持续 时 间 占空 比等 ，前人 的研 究主 要是 通过截 取驾驶 员驾驶 时 的图像 ，通过 图像 处理 来检 测驾 驶员 眼睛状态 。相 关人 眼快速检 测算法较 多 ，反映 出眼睛行为 是判 断疲 劳驾驶 的经济有 效指标 ，且技 术相 对成 熟 。但 利用 眼睛状 态来判 断驾驶 员疲 劳状况 ，视线 跟踪技 术也面临很 多问题 ，如在被测人头 自由转动 的情况 下 ，视线 很难准 确跟踪 到，导致 示警 系统不 能始终 如一 正 确地 告诉驾驶 员疲 劳出现 。 ２．２ 面部表情与头部运动
间存在 的视 网膜静 电位 ， 日本著名 眼睛厂 商ＪＩＮＳ在２０１４ 年 召开发 布会 ，推 出了一款利 用眼 部潜在传 感技术 来检 测 受试 者疲劳程度 的智能眼镜 ，通过检测 受试者８个方 向 的眼部 活动来判 断用 户疲 劳状态 。
肌 电图可 以确定周 围神经 、神经 元 、神 经肌 肉接头 及肌 肉本 身 的功 能状态 ，用 ｓＥＭＧ信 号 的时频分析可 以评 估 驾驶 员肌 肉疲 劳状态 。
大 脑 是控 制运 动 、产 生 感 觉 及 实 现 高 级 脑 功 能 的 高级神 经 中枢 ，通 过精密 的 电子 仪器 ，从 头皮上 将脑部 的 电位 变化放 大 ，并记 录下来 ，就是 脑 电图 ，共 有 ａ、 Ｂ、 ０、 ６四个波段 ，反映大脑不 同的状态 。
作 为 世 界 消 费 领 域 生物 传 感 技 术 的领 导 者 ，美 国 ＮｅｕｒｏＳｋｙ公司 开 发 了一 款 意念 控 制 的头 戴 式设 备 ，通 过检测 脑 电信号 ｎ和 Ｂ波段 的变化 判断用 户注 意力和 放 松度 ， 当脑 波位 于 Ｂ波 段 时，大脑 处于 专注状 态 ，而位 于 。波段 是处于 放松状 态 。脑 电信号 的四个波 段进 行简 单计 算如 （０＋ａ）／Ｂ有 很 明显 的变化 ，表 明利用脑 电 信 号不 同波段 的运算 法则提 取特 征量对 于判 别驾驶 员精 神疲 劳有 重要 意义 。更早 的研 究有功率 谱分 析等经 典信 号 处理 方法 ，将 脑 电信号 视为平 稳信 号 ，而 有研 究则表 明，脑 电信号具 有非 线性特 征 ，复杂度 、近似 熵等 非线 性特 征逐 渐被用 来分 析脑 电信号 变化规 律 。便 携式 无线 脑 电信 号采集 设备 的发展 ，大大 减小 了用户采 集脑 电信 号 时的厌 烦情绪 ，为 日后脑 电信 号 的理 论研 究走 向应用 奠 定 了基 础 ，脑 电信 号正 成为研 究驾驶 员疲 劳状态 的最 可靠指标之一 。 ３．２ 心电信号
心 电信 号是 指心脏 活动 时心 肌激动 产生 的生物 电信 号 ，与脑 电信 号相 比，众 多非接 触式 的心 电信号采 集设 备 也为 其在 驾驶疲 劳检测 中的应 用奠 定 了基 础 。对 心 电 信 号 的研究主 要是 提取心 率参量 ，观 察其 心率变 异性 ， 心率变 异性是 指心率 节奏 快慢或 ＲＲ间期随 时间所发 生 的 变 化情 况 ，反 映心脏 自主 神经 系统对 心血 管系统 的调控 以及该系 统对 各种影 响因素的应答 。
１ 基于车辆行为的驾驶疲劳检测
随着 驾驶 时 间的增加 ，驾驶员精 神疲 劳程度 逐渐 加 大 ，注意力 下降 ，进 而对 于 驾驶环 境 的认知 能力 下 降， 反 应 时间增 加 ，对 车辆 的控制 精度 降低 ，从而 驾驶员 对 汽 车 的操作 变量及 车辆 行驶 路线等参 量 的特征会 出现 变 化 ，因此可 以通过 车辆 行驶 状态参数 判 断驾驶 员疲劳 状 态 。利用 驾驶 员驾驶 时间 、方 向盘 转角等 设计 基于单 片 机 的疲劳 驾驶检 测系 统 ，成 本低 ，算法 简单 。这些技 术 相对 成熟 且成本 较低 ，但是 其灵敏 度不 高 ，且 易受 外界 环 境 影 响 ， 比如 车 道 偏 离报 警系 统 检 测 驾 驶 员疲 劳 状 况 ， 只有 在车道 边沿 有 白色 标 志线 的高速路段 和城 区路 段才 能使 用。
【４】周展鹏，孔 万增，王 奕直，等．基于心电和脑电的驾驶疲 劳检测研究田．杭 州电子科技 大学学报，２０１４（０３）：２５—２８．
［５】吴群．基 于心 电信 号 的驾驶 疲 劳检 测 方法研 究［Ｄ】． 杭 州：浙江大 学，２００８．
电 子世 界 ·６７ ·
从驾驶 员行 为特征 着手 ，主要通 过检测 驾驶 员面 部 特 征变化 来判 断疲劳 ，主要 包括 眨眼频率 、眼 睛转动 速 度 、 眼睛 闭合 度 、闭眼持续 时 间 占空 比、嘴部状 态 、头 部 位置 等参量 ，提取 其特征 量 ，以相应 的算法 判别 驾驶 员 是 否疲 劳 。 ２．１ 眼睛行为参量
０ 引言
２ 基 于驾 驶 员行 为特 征 的驾驶 疲 劳检 测
精神 疲 劳作为 大脑在 认知和 行为 控制过 程 中产 生 的 心理 生理现 象 ，对 驾驶 过程 中的安 全有着 极大 的负面 影 响 ，研 究 驾驶疲 劳检测 技术 ，对于 降低交通 事 故的频 率 有着极为重要 的意义 。
ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ ａｉｒｃｒａｆｔ ｐｉｌｏｔｓ ａｎｄ ｃａｒ ｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ
ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｋｌｏａｄ，ｆａｔｉｇｕｅ ａｎｄ ｄｒｏｗｓｉｎｅｓｓ［Ｊ］． Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｂｉｏｂｅｈａｖｉｏｒａｌ Ｒｅｎｅｗｓ，２０１４（４４）：５８—７５．
参 考 文 献 … 屈 肖蕾．基 于转向操作和 车辆状 态的疲 劳驾驶检测 方 法研 究【Ｄ】．北京：清华 大学，２０１２． 【２】周云鹏，朱青，王耀南，等．面部 多特征 融合的驾驶员疲 劳检测方法Ⅱ】．电子测量与仪 器学报，２０１４（１０）：１１４０—１１４８． 【３］Ｂｏｒｇｈｉｎｉ Ｇ，Ａｓｔｏｌｆｉ Ｌ，Ｖｅｃｃｈｉａｔｏ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｍ ｅａｓｕｒｉｎｇ
３ 基于驾驶员生理信号的驾驶疲劳检测
主要通 过检测 驾驶 员脑 电信号 、心 电信 号 、血压 、
·６６· 电·争ｔ■Ｉ●
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探 索 ｓ观 察
肌 电信 号 、 眼 电信 号 等 生 理信 号 来 检 测 驾 驶 员疲 劳状 态 ，生 理信号 检测 驾驶 员疲劳状 态客观 有 效 ，且 准确率 高 ，尤其是脑 电信号 ，被誉为 “黄金标准 ”。 ３．１ 脑 电信号
驾驶 员疲劳 前后 心 电信 号 的时域 、频域及 非线 性特 征均 有 明显不 同 。参 加模 拟驾驶 任务后 ，受 试者 交感神 经 活动增 加而 副交感 神经 活动 降低 ，表 明心 电信 号变化 特征可 以作为检测 驾驶员疲劳状态 的指标之一 。 ３．３ 肌 电信号和眼 电信号
眼ห้องสมุดไป่ตู้电 图是测 量在视 网膜 色素 上皮和 光感 受器细 胞之
目前主 要从两 个方 面检测 驾驶 员 的疲 劳情况 ：一 是 从车 辆着 手 ，记 录并 分析车 辆行驶 路线 、速度 变化情 况 以及 方 向盘转动 特征 等 ，提 取参量 特征进 而判 断驾驶 员 状态 ；二 是从 驾驶 员入手 ，主观方 面 ，主要 是通过 自我 调 查 问卷 的形 式 了解 驾驶 员生活方 式等 进行 辅助判 断 ， 客 观方面 ，主 要是通 过检测 驾驶 员的生 理信 号 以及 眨 眼 频率和面 部表情 等特 征来判断驾驶员状态 。
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探 索 ｓ 观 察
驾驶员精 神疲 劳检测 方法综述
武警工程 大学信 息工程 系 徐龙顺
【摘要 】针对进 十几年 来驾驶 疲 劳检测技 术的发展 ，对驾驶 员疲 劳检 测相 关技 术和 方法进 行综述 。基 于驾驶 员的疲 劳 检测 方法主要 分为基 于行 为特 征 的检 测方法和基 于生理信号 的检 测方 法 ；基 于车辆 的检 测方 法主要 通过检 测 车辆行 驶 参数 来 间接判 断驾驶 员是 否疲 劳。详 细介绍 了过 去几十年 大家公认的 驾驶 疲劳检测技 术的可行 方法 ，并介绍 了相 关产 品及其优缺 点 ，最后探 讨 了驾驶 员疲 劳检 测技术的技术难点及发展趋势 。 【关键词 】疲劳检 测 ；生理信号 ；车辆行为