摘 要： 針對車載疲勞駕駛檢測的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于TMS320DM642嵌入式平臺的疲勞檢測系統(tǒng)。首先在YCbCr空間進(jìn)行膚色分割，之后采用基于人眼特征的改進(jìn)混合投影算法定位人眼區(qū)域，然后計(jì)算人眼區(qū)域的高度并判斷人眼的睜閉狀態(tài)，最后利用PERCLOS算法對疲勞程度做出檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)準(zhǔn)確率高、實(shí)時性好，能很好地滿足車載疲勞駕駛檢測的需要。
關(guān)鍵詞： TMS320DM642；疲勞駕駛檢測；混合投影；PERCLOS算法
隨著近年來我國汽車數(shù)量的快速增長，交通事故的發(fā)生變得愈加頻繁。而疲勞駕駛往往是造成這些事故的主要因素，因此對防范疲勞駕駛的研究引起了眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)的廣泛重視。研究車載的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對駕駛員疲勞狀態(tài)的監(jiān)控，在保障駕駛員安全駕駛方面有重要的應(yīng)用價值和實(shí)際意義。
在各種疲勞檢測系統(tǒng)中，基于人眼參數(shù)的疲勞檢測由于其準(zhǔn)確率高、受主觀因素影響小以及非接觸的優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。其檢測原理為駕駛員眼睛閉合頻率與疲勞程度的相關(guān)性，如何準(zhǔn)確地定位人眼是該類系統(tǒng)研究的主要問題。目前常用的人眼定位方法有模板匹配法、霍夫變換法以及灰度投影法等[1]。
模板匹配法[2]事先選取人眼的模板，通過在圖像中進(jìn)行匹配來定位人眼。但其準(zhǔn)確度十分依賴選取的模板，且定位過程中需要匹配左右兩只人眼，計(jì)算量較大、實(shí)時性差?；舴蜃儞Q法[3]提取待檢測圖像的邊緣，用霍夫曼的圓檢測法定位人眼。該方法要求邊緣提取具有較好的效果，并且圖像中的眼球具有明顯的圓形特征。這意味著對原圖進(jìn)行大量的預(yù)處理，并且當(dāng)人眼閉合或半閉合時檢測率降低?；叶韧队胺╗4]對人臉圖像的灰度值進(jìn)行投影統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)極值點(diǎn)的位置定位人眼。該方法計(jì)算量小、運(yùn)算速度快，但是容易受到眉毛部分的影響。
本文設(shè)計(jì)了基于TMS320DM642圖像處理硬件平臺的車載疲勞駕駛檢測系統(tǒng)。為了盡量提高系統(tǒng)的實(shí)時性、保證駕駛員的駕駛安全，系統(tǒng)采用實(shí)時性最好的灰度投影法進(jìn)行人眼的定位，并在此基礎(chǔ)上針對灰度投影法的不足進(jìn)行了改進(jìn)。整個疲勞駕駛檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對駕駛員疲勞程度的檢測，并且有較高的準(zhǔn)確率和實(shí)時性，具有很好的實(shí)用性。
1 系統(tǒng)硬件平臺
本系統(tǒng)硬件平臺采用DSP芯片TMS320DM642作為核心處理器，外設(shè)模塊包括視頻解碼與編碼模塊、SDRAM內(nèi)存模塊、時鐘模塊、電源與復(fù)位模塊等。視頻解碼模塊采用1片SAA7113，將攝像機(jī)采集的模擬視頻信號解碼為BT656（YCbCr 4：2：2）格式的復(fù)合視頻信號，分辨率為720×576。視頻編碼模塊采用1片SAA7105，將視頻口2輸出的疲勞檢測后的圖像信號編碼為模擬視頻信號。SDRAM模塊采用2片MT48C4M32芯片，總空間大小為32 MB。系統(tǒng)通過模擬攝像頭采集視頻，經(jīng)由SAA7113解碼送入DM642的視頻口0，然后將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)由EMIF（External Memory Interface）搬移到SDRAM中進(jìn)行處理[6]，最后將處理好的視頻數(shù)據(jù)送入視頻口2，由SAA7105芯片編碼為模擬信號后輸出到監(jiān)視器顯示。硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 疲勞檢測算法的研究
如何提高人眼定位的準(zhǔn)確率是疲勞檢測的主要研究內(nèi)容，常用的人眼定位方法有：模板匹配法、霍夫變換法以及灰度投影法等。其中模板匹配法和霍夫變換法定位精度高，但是運(yùn)算量較大，難以實(shí)時檢測駕駛員的疲勞程度?；叶韧队胺ㄋ惴ê唵?、運(yùn)算速度快，較為適合本文的實(shí)時疲勞檢測。根據(jù)上述分析，本文采用實(shí)時性最好的灰度投影法來定位人眼，并針對常用的灰度投影法進(jìn)行了改進(jìn)。針對積分投影算法精度不高和易受眉毛部分干擾的問題，采用了基于人眼特征的改進(jìn)混合投影算法來實(shí)現(xiàn)人眼的準(zhǔn)確定位。
疲勞檢測主要流程為：膚色分割、人眼定位、疲勞檢測。首先在YCbCr空間進(jìn)行膚色分割，得到人臉膚色區(qū)域，并根據(jù)人臉“三庭五眼”的特征框定出人眼檢測區(qū)域；之后在灰度圖像的待檢測區(qū)域內(nèi)采用改進(jìn)混合投影算法進(jìn)行人眼定位，最后對駕駛員的疲勞狀態(tài)做出判斷。算法流程如圖2所示。
2.1 基于YCbCr空間的膚色分割
本文首先根據(jù)人類膚色在YCbCr顏色空間的聚類性，根據(jù)各像素的Cb和Cr值將原始圖像二值化為膚色區(qū)域和非膚色區(qū)域。之后根據(jù)二值圖像和人臉“三庭五眼”的特征，在原始圖像的亮度分量中標(biāo)記出人臉區(qū)域和去除了眉毛的人眼檢測區(qū)域。后續(xù)定位只在人眼檢測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，在降低運(yùn)算量的同時提高了定位的準(zhǔn)確率。圖3分別為原始圖像、膚色分割后的二值圖像、框定的人臉區(qū)域、以及人眼檢測區(qū)域。
2.2 人眼定位
2.2.1 基于人眼特征的改進(jìn)混合投影算法
傳統(tǒng)的灰度投影算法大多采用積分投影實(shí)現(xiàn)，該方法根據(jù)人眼區(qū)域內(nèi)像素的灰度明顯低于其他區(qū)域的特性，分別在水平和垂直方向上統(tǒng)計(jì)各行和各列像素灰度的均值，并找出均值最小的行和列作為人眼中心位置的水平和垂直坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)人眼中心位置的定位。并進(jìn)一步以該位置為中心，分別向上下和左右方向查找各自均值的極大值，從而完成人眼上下和左右邊界的定位。由于該方法只考慮了灰度的均值變化，因此當(dāng)某一區(qū)域內(nèi)的灰度均值相同時，無論該區(qū)域內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度呈何種分布都無法進(jìn)行區(qū)分[7]。因此人眼定位精度不高且定位結(jié)果容易受到眉毛部分的干擾，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。
經(jīng)分析可知，灰度圖像中人眼區(qū)域的像素具有其特有的灰度分布特征。在水平投影方向，人眼區(qū)域的灰度值變化很劇烈，灰度的方差值很大，且越靠近人眼中心越大。而眉毛附近像素的灰度值變化卻較平穩(wěn)，灰度方差較小，使得人眼和眉毛具有很明顯的差異。同時，在垂直投影方向，人眼區(qū)域的像素也有相同的分布特性。因此本文采用一種混合投影算法定位人眼，即采用均值函數(shù)和方差函數(shù)的加權(quán)值作為人眼的定位函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對灰度總體分布和局部變化的同時反映?；旌贤队昂瘮?shù)如下：
2.2.2 人眼定位步驟
人眼檢測區(qū)域主要包含人眼和眉毛部分，其中眉毛會對人眼的定位產(chǎn)生影響。由于人眼的水平投影具有很大方差，和眉毛有明顯區(qū)別。故先水平投影確定人眼上下邊界后，再在該邊界內(nèi)垂直投影確定人眼左右邊界，以減小眉毛對人眼左右邊界定位的影響，實(shí)現(xiàn)人眼的準(zhǔn)確定位。由于在行車過程中駕駛員會不停轉(zhuǎn)動頭部，會出現(xiàn)只能檢測到一只人眼的情況。因此本文只檢測更接近畫面中心的一只人眼，根據(jù)雙眼狀態(tài)的一致性，另外一只人眼也應(yīng)該具有相同的睜閉狀態(tài)，這樣既提高了檢測準(zhǔn)確率，也降低了運(yùn)算量。
具體步驟如下：
?。?）計(jì)算框定的人臉區(qū)域左邊界到人眼檢測區(qū)域左邊界距離Ll，以及人臉區(qū)域右邊界到人眼檢測區(qū)域右邊的距離Lr。若Ll≤Lr，則說明駕駛員頭部向左轉(zhuǎn)動，此時右眼更接近畫面中心，后續(xù)步驟中只定位右眼。反之，則定位左眼。
（2）在人眼檢測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行水平投影，查找投影最大值出現(xiàn)的行，該行即為人眼垂直中心位置。再從該位置分別向上和向下查找投影極小值出現(xiàn)的行，得到人眼的上下邊界Eyeup、Eyedown。
?。?）在人眼上下邊界內(nèi)的人眼檢測區(qū)域中進(jìn)行垂直投影，得到人眼的水平中心位置和左右邊界Eyel和Eyer，完成人眼的定位。
實(shí)驗(yàn)過程中采用基于人眼特征的改進(jìn)混合投影算法分別對多個角度的人臉進(jìn)行了人眼定位，并與積分投影定位和傳統(tǒng)混合投影定位進(jìn)行了結(jié)果對比，結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于只對灰度總體分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使得傳統(tǒng)的積分投影定位容易受到眉毛的干擾，甚至將眉毛誤檢測為人眼；而傳統(tǒng)的混合投影由于沒有考慮人眼區(qū)域特有的灰度分布特征，使得對于人眼邊界的定位精度不高；而本文所采用的投影算法能夠更加準(zhǔn)確地對人眼各邊界進(jìn)行定位。
2.3 疲勞檢測
本文采用PERCLOS算法來判斷駕駛員的疲勞程度[8]。PERCLOS即單位時間內(nèi)人眼閉合時間所占百分比，在本文中的計(jì)算公式為：
實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)測試者處于清醒狀態(tài)時，系統(tǒng)檢測出的PERCLOS值均小于0.4，當(dāng)測試者處于模擬疲勞狀態(tài)時，PERCLOS值均大于0.4，在兩種狀態(tài)下均未出現(xiàn)錯檢情況。實(shí)驗(yàn)中本系統(tǒng)疲勞檢測幀率為21.8幀/s，而傳統(tǒng)積分投影為22.3幀/s。測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)，且具有很好的實(shí)時性，能夠滿足車載疲勞駕駛檢測的需求。
針對車載疲勞駕駛檢測的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了基于TMS320DM642的駕駛員疲勞駕駛檢測系統(tǒng)。首先在YCbCr色彩空間進(jìn)行膚色分割并框定出人眼檢測區(qū)域，再采用基于人眼特征的改進(jìn)混合投影算法定位人眼，最后根據(jù)定位出的人眼的高度檢測駕駛員的疲勞狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確率高、實(shí)時性好，具有較高的實(shí)用價值。
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