基于PERCLOS算法的駕駛疲勞預警系統設計與研究

趙 爽

（吉林工商學院工學院 吉林 長春 130507）

1 引言

自2000年以來，隨著計算機和集成電路制造技術的進步，機動車駕駛人疲勞駕駛預防的研究得到了進一步的發展。結果表明：一般人的閉眼時間在0.12～0.13 s之間，如果開車時閉眼時間達到0.15 s，很容易引發交通事故。PERCLOS算法檢測特定時間內閉眼時間的百分比，作為心理生理疲勞的度量。為了在駕駛過程中對駕駛員進行監控，可以實現以下功能：①采用快速簡單的算法，確定駕駛員眼睛在人臉圖像和其他面部特征中的準確位置；②跟蹤多幅正面面部特征圖像，監控駕駛員是否疲勞。高精度、高可靠性，可應用于實際道路環境，實現全天候工作，減少因駕駛員疲勞駕駛或注意力分散引起的交通事故[1]。

2 駕駛疲勞預警系統現狀分析

駕駛疲勞預警系統是一種基于駕駛員生理反應特征的駕駛人疲勞監測預警產品，是根據駕駛員的生理圖像反應，利用駕駛員的面部特征、眼信號、頭部活動度來推斷駕駛員的疲勞狀態，并給出報警和采取相應的措施，為駕駛員和乘客提供主動智能安全。目前，有一種由美國開發的駕駛員瞌睡檢測系統(The Drowsy Driver Detection System，DDDS)、方向盤監視裝置(steering at tention monitor，S.A.M)、日本研制的DAS2000 型路面警告系統、反應時測試儀（The psychomotor vigilance test，PVT）、日本研制的電子“清醒帶”等系統，下面分別進行詳細介紹。

2.1 美國開發的駕駛員睡意檢測系統

通過多普勒雷達和復雜的信號處理方式，獲取駕駛員不穩定的情緒活動、眨眼頻率及持續時間，判斷駕駛員是在打瞌睡還是在睡覺。該系統可以做成一個小型儀表，安裝在司機頭部上方的駕駛室內，不影響司機的正常駕駛活動。

2.2 方向盤監視器

該項發明的用于監測方向盤異常活動的傳感器裝置匹配于各種類型汽車。方向盤正常移動時，傳感器裝置不會發出警報。如果方向盤在4 s內沒有移動，S.A.M會發出預警，直至方向盤繼續正常移動。S.A.M固定在車內錄音機旁，方向盤下的拉桿上安裝有磁帶，用來監測方向盤的移動軌跡。使用S.A.M并不代表支持延長駕駛時間，而是提醒司機開車時不要打瞌睡。另外，使用S.A.M結合錄像機可以為保險公司提供證據。

2.3 反應時測試儀

根據駕駛員對儀表屏幕上隨機出現的光點的反應速度（光點出現時敲擊鍵盤），判斷駕駛員的疲勞程度。

2.4 日本研制的電子化“清醒帶”

使用時，固定在司機頭上，將“清醒帶”一端的插頭插入車內點煙器的插座內，安裝在腰帶內的半導體熱電偶冷卻平頂在前額的鋁板，消除睡意，讓駕駛員耳目一新。

除上述系統外，還有一些其他的疲勞檢測和預警產品，如通過手腕運動檢測疲勞的疲勞報警手鐲，以及可以掛在眼睛和腿上，利用加速度運動信息檢測頭部運動的疲勞檢測眼鏡。

3 疲勞駕駛檢測方法

3.1 基于駕駛人生理特征反應的監測方法

基于駕駛人生理特征反應的監測方法是利用駕駛員的眼動特征和頭部運動特征，來推斷駕駛員的疲勞狀態。駕駛員的眼動和眨眼信息被認為是疲勞的重要特征。閃爍幅度、閃爍頻率和平均閉合時間可直接用于檢測疲勞。基于眼動機制的駕駛疲勞研究有很多算法。廣泛使用的算法包括PERCLOS，即一段時間內眼瞼閉合時間的百分比，作為生理疲勞的度量。

利用人臉識別技術對眼睛、鼻尖和嘴角進行定位，將眼睛、鼻尖和嘴角結合起來，然后根據眼睛跟蹤，獲取駕駛員的注意力方向，判斷駕駛員的注意力是否分散。

頭部位置傳感器用于檢測駕駛員的點頭動作。該傳感器通過電容式傳感器陣列從各個傳感器輸出駕駛員頭部的位置，可以實時跟蹤頭部的位置，并根據頭部位置的變化規律判斷駕駛員是否有睡意。研究發現，點頭行為與嗜睡有很好的相關性[2]。

基于駕駛人生理特征反應的監測方法一般采用非接觸測量，對疲勞狀態具有較為準確的識別精度和較好的實用價值。

3.2 基于駕駛人駕駛行為的監測方法

基于駕駛員操作行為的駕駛員疲勞狀態識別技術是指，通過駕駛員的操作行為如方向盤操作來推斷駕駛員的疲勞狀態。

利用FFT對駕駛員方向盤操作數據進行處理，結果在一定程度上揭示了駕駛員方向盤操作與疲勞的關系。方向盤操作是判斷駕駛疲勞的有效方法。駕駛員的操作不僅與疲勞狀態有關，還受個人習慣、行駛速度、道路環境和操作技能的影響。車輛的行駛狀態還與車輛特性、道路等諸多環境因素有關。因此，如何提高駕駛員狀態的推斷精度是這種間接測量技術的關鍵問題。

3.3 基于車輛行駛軌跡的檢測方法

利用車輛行駛軌跡變化、車道偏離等信息，可以推斷出駕駛員的疲勞狀態。該方法與基于駕駛員操作行為的疲勞狀態識別技術一樣，基于車輛現有設備，不需要添加太多的硬件設備，也不會對駕駛員的正常駕駛造成干擾，具有較高的實用價值。日本三菱汽車公司開發了一種利用車輛橫向位移和駕駛員操作等綜合參數識別駕駛員疲勞狀態的方法。實驗表明，該方法的識別結果與利用駕駛員眨眼次數的識別結果基本一致。

4 PERCLOS算法介紹

PERCLOS是閉眼百分比的縮寫，是指在一定時間段內眼睛閉上的時間比例。在具體實驗中，有P70、P80和EM測量方法。其中，P80被認為是表征駕駛員疲勞的最優方法。T1為全開至關閉時間20%；T2為全開至關閉時間80%；T3為全開至下次打開時間20%；T4為全開至下次打開時間80%。通過測量t1到t4的值，我們可以計算PERCLOS的值f，即f=（t3-t2）/（t4-t1）。F是規定時間內閉眼時長所占的百分比。對于P80測量方法，當PERCLOS值f＞0.15時，判斷駕駛員此時進入疲勞階段。

結果表明，視網膜對850 nm紅外的反射率大概為90%，對940 nm紅外的反射率大概為40%。臉部的其他部分對這兩個波長的反射率一致。當用相同照度的兩個波長的紅外光源照射時，唯有視網膜的灰度不一樣，其他部位的灰度基本一致。如果兩幅圖像相抵消，臉部大部分區域的灰度值趨近于0，唯有視網膜的灰度值相對較大。由此得出，從人像圖中找出眼睛的位置和計算瞳孔面積是十分簡單的。

紅外燈陣列是包含波長為850 nm/940 nm等光強的紅外光源，紅外攝像機在同一時間提取駕駛員臉部反射圖像的兩個波長，濾波器對850 nm和940 nm波長的反射圖像分別進行濾波，圖像功能處理模塊完成圖像減法、眼位置跟蹤和眼面積補償計算；控制系統控制各模塊的同步，控制紅外線燈陣的光強；報警系統輸出聲光報警信息，提醒疲勞駕駛人[3]。

5 系統設計與研究

本系統具有導航定位功能、紅外線探測功能、智能語音提醒功能、自動識別瞳孔功能、可清洗功能、太陽能充電功能等。除此之外，我們還設計連接APP，APP不止有設置導航功能和實時監控功能，在其中我們還加入了社交娛樂功能，實時推送一些娛樂信息等。

本系統采用高級材質，具有防雷電、防輻射等功能，檢測系統靈敏度也更高。同時，在一些其他產品的不足上進行改進創新，還采用了太陽能蓄電池，可以用太陽能來充電，節能環保。本系統最大的創新功能為每個監視器都有其固定的二維碼，在手機上下載完APP后可與其進行綁定，可實現專屬定制，還可進行GPS 定位、語音提示等功能。此 APP在為駕駛員服務的同時，也可提供消遣娛樂的功能，APP上會推送各個領域的文章，例如娛樂、新聞、健身、科技、美食等。這就使得駕駛員在空閑之余不再拘泥于僅有的工作學習等，也能使家人更加放心，不必擔心駕駛員的安全問題。同時，家人也可以在了解駕駛員的位置信息時，在APP中閱讀各種書籍以及實時資訊，隨時注意駕駛員的去向，這款監視器對于司機及其家人來說，不僅能豐富他們的生活，還增加了安全系數。

6 PERCLOS算法應用實現

PERCLOS算法通常有3個標準。

（1）P70：眼瞼覆蓋瞳孔的面積至少大于眼睛的面積，并以閉合時間的百分比為標準。

（2）P80：眼瞼覆蓋瞳孔的面積至少大于眼睛的面積，并以閉合時間的百分比作為標準。

（3）Em：眼瞼覆蓋瞳孔面積至少一半為閉眼，并以閉眼時間百分比為標準。

本系統采用P80標準。根據F的定義，F的范圍是0＜F≤1。根據以往的研究，駕駛員清醒時的F值遠低于疲勞時的F值。當駕駛員清醒時，F值非常低，一般在F≤0.15的范圍內。實驗表明，當駕駛員疲勞時，F值將超過0.4；當駕駛員處于睡眠狀態時，F值為1。因此，系統以0.4作為判斷值，切斷了列車駕駛員疲勞駕駛狀態的閾值。實驗結果表明，該閾值對列車駕駛員疲勞駕駛狀態的判斷具有較高的靈敏度和較好的效果。

7 結語

疲勞駕駛是交通安全的潛在隱患，因此研究檢測駕駛員在駕駛過程中的生理疲勞狀態對于道路安全暢通和駕駛人自身安全都有重要意義。本文基于PERCLOS算法，首先研究了目前國內外對于駕駛員疲勞駕駛檢測的研究現狀，對比分析其原理和優勢，然后以檢測駕駛員瞳孔狀態為基本實現原理，研究設計了一套駕駛員疲勞檢測系統，該系統通過雷達掃描駕駛員瞳孔狀態，制定判斷標準，對采集數據進行分析比對后，輸出系統結果，對駕駛員的疲勞狀態進行預警，為實現駕駛員疲勞駕駛檢測預警提供了參考。