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基于DSP的疲劳驾驶检测系统的设计解析
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2017-11-30
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疲劳驾驶是造成交通事故的主要原因之一，根据公安部交通管理局发布的2009年全国道路交通事故情况显示，2009年，全国共发生道路交通事故238 351起，造成67 759人死亡、275 125人受伤，直接财产损失9.1亿元，其中疲劳驾驶造成的事故占一定比重。减少疲劳驾驶可以降低公共财产和个人人身财产损失，因此研究防疲劳驾驶系统具有重要的意义。
国内外有许多研究防疲劳驾驶监测系统，就目前来看，防疲劳监测系统并没有实现市场化原因有两点：一是各种方法都有一定的缺陷，比如用肤色变换提取人脸定位人眼的方法和灰度图像积分投影的方法因受光照影响，定位不准确；二是运行时间慢，达不到实时监测。针对此两点不足设计了本系统。
本系统用轴上和轴外的不同波长的近红外光采集图像，根据亮瞳效应分别能得到亮瞳孔图像和暗瞳孔图像，差分后快速定位人眼，用模板检测提取人眼边界，判断疲劳状态。系统的创新点是人眼定位方法简单准确，疲劳判断标准全面快速。
1 疲劳状态检测原理
1.1 人眼睁开程度检测原理
人的眼睛是一个精巧的光学成像系统，可以简单地把人眼抽象成一个光学模型，晶状体等效为一个凸透镜，视网膜看做一个光屏。进入人眼的光线是通过晶状体后成像于视网膜上，并且光线能被视网膜反射出去。根据人眼的特性，设计出有效的光源使采集到的图像出现亮瞳孔和暗瞳孔。
亮瞳效应（bright eye effect）［1］是美国著名的学者Hutchinson在眼睛运动检测专利中提出的，当靠近摄像头光轴的红外光源照射到人脸时，视网膜反射光会使瞳孔显得很亮就是所谓的亮瞳效应，当然眼角膜也会反射光，会在眼球上出现比较小的亮点（glint）［2］，如图1所示。经过试验发现，出现亮瞳孔的亮度主要跟三个因素有关：离摄像头光轴的距离、光源的波长、光照强度。距离摄像头光轴的距离越近，反射光就越多进入摄像头，瞳孔就会显得越亮。人眼瞳孔对近红外光有较高的透射率，而人眼视网膜对不同的波长的光具有不同的反射量，对850 nm的红外光能把90%的入射光反射回去，对950 nm的红外光能把40%的入射光反射回去［3］。因此靠近摄像头轴上的光源选择850 nm的红外光较好，容易产生亮瞳孔，轴外的光源选择950 nm的红外光较好，会出现暗瞳孔。由于外界可见光会影响到亮瞳效应，因此在摄像头上会加上近红外滤光片，考虑到成本和使用效果用830 nm的高通滤光片就可以了。结合光源的光照强度和摄像头的视角，本系统的使用范围在40 cm~1 m之间，经过测试可以满足在汽车中的使用。
1.2 人眼疲劳状况监测原理
国内外有许多研究防疲劳驾驶监测系统，就目前来看，防疲劳监测系统并没有实现市场化原因有两点：一是各种方法都有一定的缺陷，比如用肤色变换提取人脸定位人眼的方法和灰度图像积分投影的方法因受光照影响，定位不准确；二是运行时间慢，达不到实时监测。针对此两点不足设计了本系统。
本系统用轴上和轴外的不同波长的近红外光采集图像，根据亮瞳效应分别能得到亮瞳孔图像和暗瞳孔图像，差分后快速定位人眼，用模板检测提取人眼边界，判断疲劳状态。系统的创新点是人眼定位方法简单准确，疲劳判断标准全面快速。
1 疲劳状态检测原理
1.1 人眼睁开程度检测原理
人的眼睛是一个精巧的光学成像系统，可以简单地把人眼抽象成一个光学模型，晶状体等效为一个凸透镜，视网膜看做一个光屏。进入人眼的光线是通过晶状体后成像于视网膜上，并且光线能被视网膜反射出去。根据人眼的特性，设计出有效的光源使采集到的图像出现亮瞳孔和暗瞳孔。
亮瞳效应（bright eye effect）［1］是美国著名的学者Hutchinson在眼睛运动检测专利中提出的，当靠近摄像头光轴的红外光源照射到人脸时，视网膜反射光会使瞳孔显得很亮就是所谓的亮瞳效应，当然眼角膜也会反射光，会在眼球上出现比较小的亮点（glint）［2］，如图1所示。经过试验发现，出现亮瞳孔的亮度主要跟三个因素有关：离摄像头光轴的距离、光源的波长、光照强度。距离摄像头光轴的距离越近，反射光就越多进入摄像头，瞳孔就会显得越亮。人眼瞳孔对近红外光有较高的透射率，而人眼视网膜对不同的波长的光具有不同的反射量，对850 nm的红外光能把90%的入射光反射回去，对950 nm的红外光能把40%的入射光反射回去［3］。因此靠近摄像头轴上的光源选择850 nm的红外光较好，容易产生亮瞳孔，轴外的光源选择950 nm的红外光较好，会出现暗瞳孔。由于外界可见光会影响到亮瞳效应，因此在摄像头上会加上近红外滤光片，考虑到成本和使用效果用830 nm的高通滤光片就可以了。结合光源的光照强度和摄像头的视角，本系统的使用范围在40 cm~1 m之间，经过测试可以满足在汽车中的使用。
1.2 人眼疲劳状况监测原理
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