CN104269028A - 一种疲劳驾驶检测方法及*** - Google Patents

一种疲劳驾驶检测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种疲劳驾驶检测方法及***,其中疲劳驾驶检测方法包括如下步骤:S1、采集图像和预处理;S2、人脸定位和检测;S3、人脸跟踪;S4、眼睛检测和状态识别;S5、计算疲劳PERCLOS值;S6、将得到的PERCLOS值与预设的阈值进行比较,判定驾驶员是否疲劳驾驶。采用本发明的设计,能够自动捕捉驾驶员的脸部微观变化,通过科学的概率计算判别驾驶员状态,并及时警示处于疲劳驾驶状态的驾驶员,保证行车安全。

Description

一种疲劳驾驶检测方法及***
技术领域
本发明设计汽车安全技术领域,特别设计一种疲劳驾驶检测方法及***。
背景技术
随着经济社会的发展,机动车辆急剧增加,因此疲劳驾驶导致的交通事故也越来越多。针对这一问题,产生了许多疲劳驾驶检测技术,归纳起来有三种。
(1)基于生理信号的检测技术,根据驾驶员的血压,脑电波等生理信号判断是否疲劳,需要有高精度的检测仪器,而且接触驾驶员,对驾驶员有一定的影响且成本高。
(2)基于行车信息的疲劳检测技术,当方向盘长时间未修正方向,或者车辆左右摇晃频率或幅度过大,车速不稳定就判断为疲劳驾驶,但是针对不同驾驶习惯的驾驶员,以及不同道路上的行车状况,难以行车统一标准,精确度不高。
(3)基于生理特征的疲劳检测技术,当驾驶员疲劳时候,会表现出低头和闭眼频率增加等生理特征。通过机器视觉的方法,检测驾驶员的上述生理特征,可以判断驾驶员是否疲劳。基于机器视觉检测驾驶员生理特征的方法,具有非接触,成本低等,精确度高等优点,被广泛采用于目前的疲劳检测***。
上述三种方法中,第三种方法明显优于前两种方法。但它也有缺点,目前第三种方法大多通过图像处理技术,定位人脸,再在人脸的范围内分析眼睛的状态,判断是否疲劳。其中定位人脸是为了缩小眼睛的搜索范围,提高处理效率,是疲劳检测关键的一步。其中定位人脸和眼睛常用的方法有两种,一种是基于图像形态学的方法,一种是基于机器学习即分类器的方法。前者计算量大,速度慢,受光照影响大。后者计算速度快,受光照影响小,被广泛采用与人脸定位技术中。但是目前采用的分类器定位人脸的技术中,当驾驶员头部动作过大,无法采集到正脸图像时,不能正确定位人脸位置,存在疲劳检测算法失效问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明公开一种疲劳驾驶检测方法及***,本发明采用如下技术方案来解决上述技术问题:
一种疲劳驾驶检测方法,包括如下步骤:
S1、采集图像和预处理,通过图像采集接口采集驾驶员图像信息并传输至中枢处理器,中枢处理器对采集图像进行预处理;
S2、人脸定位和检测,采用基于Haar特征的人脸分类器,检测驾驶员人脸区域;
S3、人脸跟踪,采用卡尔曼滤波器算法的人脸跟踪算法,跟踪人脸;
S4、眼睛检测和状态识别,采用睁眼分类器定位驾驶员眼睛并识别眼睛状态,记录识别结果;
S5、计算疲劳PERCLOS值,得到眼睛的状态识别结果后,通过计算单位时间内眼睛闭合时间所占的百分比即PERCLOS(Percentage of Eyelid ClosureOver Time):
S6、将得到的PERCLOS值与预设的阈值进行比较,判定驾驶员是否疲劳驾驶。
优选的,在上述的一种疲劳驾驶检测方法中,所述步骤S2具体包括步骤A,采用基于卡尔曼滤波器算法参数跟踪人脸:
A1、建立***状态方程;
X(k+1)=A(k)X(k)+W(k)
A2、建立***观测方程;
Z(k)=H(k)X(k)+V(k)
A3、预测人脸位置,根据卡尔曼滤波器的预测方程组,滤波器使用上一阶段状态的估计,做出对当前状态的估计;
预测方程组:
(1)预测状态
X(k|k-1)=A(k)X(k|k-1)
(2)预测估计协方差矩阵
P(k|k-1)=A(k)P(k-1|k-1)AT (k)+Q(k)
A4、检测实际人脸位置,在预测了当前人脸所在的位置后,调用Haar分类器在预测区域内检测人脸,获取当前状态信息;当在预测区域检测不到人脸,就在全图检测人脸;当在全图也检测不到人脸的时候,说明驾驶员头部动作过大,无法检测到人脸;
A5、通过更新方程组使用当前的实际人脸位置来更新卡尔曼滤波器,让卡尔曼滤波器的预测值与真实值越来越接近,达到跟踪的效果;
更新方程组:
(3)最优卡尔曼增益
K(k)=P(k|k-1)HT k[H(k)P(k|k-1)HT (k)+R(k)]-1
(4)更新的状态估计
X(k|k)=X(k|k-1)+K(k)[Z(k+1)-H(k)X](k|k-1)
(5)更新的协方差估计
P(k|k)=[E-K(k)H(k)]P(k|k-1)
A6、在输入图像中标记出人脸区域。
其中Xk为在人脸在k时刻的状态估计,A(k)是作用在X(k)上的状态转移矩阵,H(k)是***的观测矩阵,Z(k)是***的观测变量,W(k)是过程噪声,并假设其符合均值为零协方差矩阵为Q(k)的高斯分布,即Wk~N(0,Q(k));V(k)是观测噪声,亦假设其符合均值为零协方差矩阵为R(k)的高斯分布,即Vk~N(0,R(k));Pk为误差相关矩阵,度量估计值的精确程度;
优选的,在上述的一种疲劳驾驶检测方法中,所述步骤S3中的睁眼分类器经如下步骤训练:
B1、收集人脸的样本源,截取人脸样本源的人眼区域和非人眼区域,即为正样本和负样本;
B2、使用机器学习算法训练睁眼分类器。
优选的,在上述的一种疲劳驾驶检测方法中,步骤S5中,PERCLOS值采用如下公式计算:
PERCLOS值=(眼睛闭合的帧数/固定帧数)*100%
优选的,在上述的一种疲劳驾驶检测方法中,所述步骤B2包括:
B21、生成正负样本描述文件;
B22、生成正样本的向量描述文件;
B23、使用OpenCV自带的可执行文件进行训练。
与现有技术相比,本发明具有如下技术效果:
采用本发明的设计,能够自动捕捉驾驶员的脸部微观变化,通过科学的概率计算判别驾驶员状态,并及时警示处于疲劳驾驶状态的驾驶员,保证行车安全。同时本发明使用卡尔曼滤波器及相关算法经过不断的预测,更新,将使得预测值和真实值越来越接近,在容许的误差范围内,可将预测值视为真实值。当驾驶员头部动作过大,无法通过分类器定位人脸位置的时候,使用卡尔曼滤波器跟踪,用预测的人脸位置代替真实的人脸位置,继续疲劳驾驶检测,避免了无法定位人脸,疲劳检测算法失效的问题。
附图说明
图1为本发明原理示意图;
图2为本发明中人脸跟踪原理示意图;
图3为本发明中卡尔曼滤波器递推过程;
图4为本发明中睁眼分类器的训练方法流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明,但是本发明不仅仅局限于以下实施例,如图1、图2、图3所示:
本发明所述的一种疲劳驾驶检测方法,包括如下步骤:
S1、采集图像和预处理,通过图像采集接口采集驾驶员图像信息并传输至中枢处理器,中枢处理器对采集图像进行灰度化、直方图均衡化等预处理;
S2、人脸定位和检测,采用基于Haar特征的人脸分类器,检测驾驶员人脸区域;
S3、人脸跟踪,采用卡尔曼滤波器算法的人脸跟踪算法,跟踪人脸,具体包括如下步骤:
A1、建立***状态方程;
X(k+1)=A(k)X(k)+W(k)
A2、建立***观测方程;
Z(k)=H(k)X(k)+V(k)
A3、预测人脸位置,根据卡尔曼滤波器的预测方程组,滤波器使用上一阶段状态的估计,做出对当前状态的估计;
预测方程组:
(1)预测状态
X(k|k-1)=A(k)X(k|k-1)
(2)预测估计协方差矩阵
P(k|k-1)=A(k)P(k-1|k-1)AT (k)+Q(k)
A4、检测实际人脸位置,在预测了当前人脸所在的位置后,调用Haar分类器在预测区域内检测人脸,获取当前状态信息;当在预测区域检测不到人脸,就在全图检测人脸;当在全图也检测不到人脸的时候,说明驾驶员头部动作过大,无法检测到人脸;
A5、通过更新方程组使用当前的实际人脸位置来更新卡尔曼滤波器,让卡尔曼滤波器的预测值与真实值越来越接近,达到跟踪的效果;
更新方程组:
(3)最优卡尔曼增益
K(k)=P(k|k-1)HT k[H(k)P(k|k-1)HT (k)+R(k)]-1
(4)更新的状态估计
X(k|k)=X(k|k-1)+K(k)[Z(k+1)-H(k)X](k|k-1)
(5)更新的协方差估计
P(k|k)=[E-K(k)H(k)]P(k|k-1)
A6、在输入图像中标记出人脸区域。
其中Xk为在人脸在k时刻的状态估计,A(k)是作用在X(k)上的状态转移矩阵,H(k)是***的观测矩阵,Z(k)是***的观测变量,W(k)是过程噪声,并假设其符合均值为零协方差矩阵为Q(k)的高斯分布,即Wk~N(0,Q(k));V(k)是观测噪声,亦假设其符合均值为零协方差矩阵为R(k)的高斯分布,即Vk~N(0,R(k));Pk为误差相关矩阵,度量估计值的精确程度;
直接用分类器进行人脸定位,存在计算量大,耗时久,误检测高等问题。为了提高人脸定位的速度和正确率,本发明采用基于卡尔曼滤波器的人脸的跟踪算法。
但是卡尔曼滤波器算法适用于线性***,实际中几乎所有的***都是非线性的,只有将实际***近似为线性***,才能使用卡尔曼滤波器算法。考虑到视频中每两帧之间,时间间隔短,目标的速度和位置在两帧之间基本一致,这样可将人脸的运动近似为匀速直线运动,符合卡尔曼滤波器对***的线性假设。
利用卡尔曼滤波器算法跟踪目标,首先需要建立***模型,再通过滤波器算法跟踪目标。
1.1建立线性***模型:
卡尔曼滤波器的状态由以下两个变量表示:X(k)为k时刻的状态的估计;Pk为误差相关矩阵,用来度量估计值的精确程度;
***的一般数学模型为:X(k+1)=A(k)X(k)+W(k)(***状态方程)、Z(k)=H(k)X(k)+V(k)(***观测方程)。X(k)是K时刻的***状态变量序列,X(k)={x,y,w,h,vx,vy,vw,vh)T,本发明选取的状态序列为脸部区域几何中心的坐标(x,y)和速度(vx,vy),脸部外接矩形的宽和高(w,h),以及宽和高的变化速度(vw,vh)。A(k)是作用在X(k)上的状态转移矩阵;H(k)是***的观测矩阵;Z(k)是***的观测变量;W(k)是过程噪声,并假设其符合均值为零,协方差矩阵为Q(k)的高斯分布,即Wk~N(0,Q(k))。V(k)是观测噪声,亦假设其符合均值为零,协方差矩阵为R(k)的高斯分布,即Vk~N(0,R(k))。
建立***模型,需要建立***状态方程,和观测方程。
(1)建立***状态方程:
由于视频中每两帧之间时间间隔短,下一帧中目标的位置(x(k+1),y(k+1))和速度(vx(k+1),vy(k+1)),宽和高(w(k+1),hk+1)),以及宽和高的变化速度(vw(k+1),vh(k+1))都不会有太大变化,则可以近似得到下列方程:
x ( k + 1 ) = x ( k ) + v x ( k ) y ( k + 1 ) = y ( k ) + v y ( k ) w ( k + 1 ) = w ( k ) + v w ( k ) h ( K + 1 ) = h ( k ) + v h ( k ) v x ( k + 1 ) = + v x ( k ) v y ( k + 1 ) = + v y ( k ) v w ( k + 1 ) = + v w ( k ) v h ( k + 1 ) = + v h ( k )                             式(1)
又因为前面令K时刻的状态变量为:
X(k)={x(k) y(k) w(k) h(k) vx(k) vy(k) vw(k) vh(k)}T
下一时刻的状态变量为X(k+1),则方程组(1)可以转化为:
X ( k + 1 ) = 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X ( k )     式(2)
则方程组(2)可以转换为:
X(k+1)=A(k)·X(k)
由于这只是近似的线性运动,所以不是完全可信,存在一定误差,这个误差是个随机值,也叫做过程噪声。卡尔曼滤波器假设***的随机误差符合均值为0的高斯分布。设过程噪声W(k)符合均值为零,协方差矩阵为Q(k)的高斯分布,即Wk~N(0,Q(k)),通过多次试验取经验值Q(k)=0.01×E,E为8*8的单位矩阵。则考虑噪声后的***状态方程变为:
X(k+1)=A(k)X(k)+W(k)
(2)建立***观测方程:
这么多***状态变量中,我们最终只关心目标的位置(x,y)宽高(w,h)的值,即观测向量Z(k)={x y w h}T。所以得到方程组:
Z ( k ) = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 X ( k )        式(3)
式(3)可表示为:Z(k)=H(k)·X(k)
和***状态方程一样,***的观测变量也是存在随机误差的,叫做观测噪声,卡尔曼滤波器假设观测噪声也服从均值为0的高斯分布。设观测噪声V(k)符合均值为零,协方差矩阵为Q(k)的高斯分布,即Vk~N(0,R(k)),通过多次试验取经验值R(k)=0.1×E,E为8*8的单位矩阵。则考虑噪声后的***状态方程变为:
Z(k)=H(k)X(k)+V(k)
1.2卡尔曼滤波器的跟踪过程:
卡尔曼滤波器的操作包括预测与更新两个阶段。在预测阶段,滤波器使用上一状态的估计,做出对当前状态的估计。在更新阶段,滤波器利用对当前状态的观测值优化在预测阶段获得的预测值,以获得一个更精确的新估计值。
预测方程组:(a)预测状态
X(k|k-1)=A(k)X(k|k-1)
(b)预测估计协方差矩阵
P(k|k-1)=A(k)P(k-1|k-1)AT (k)+Q(k)
更新方程组:(c)最优卡尔曼增益
K(k)=P(k|k-1)HT k[H(k)P(k|k-1)HT (k)+R(k)]-1
(d)更新的状态估计
X(k|k)=X(k|k-1)+K(k)[Z(k+1)-H(k)X](k|k-1)
(e)更新的协方差估计
P(k|k)=[E-K(k)H(k)]P(k|k-1)
通过式(a),可以预测得到目标在下一时刻的状态X(1|0)。当下一时刻到来后,在预测位置附近,对图像进行局部检测,检测出目标的实际状态X(1),通过式(b)至式(e)完成对卡尔曼滤波器的更新,为预测再下一时刻的目标状态做好准备。如此不断的递推,可以不断预测下一时刻运动目标的状态,如图3所示。
由上述步骤可看出,卡尔曼滤波器经过不断的预测,更新,将使得预测值和真实值越来越接近,在容许的误差范围内,可将预测值视为真实值。当驾驶员头部动作过大,无法通过分类器定位人脸位置的时候,可使用卡尔曼滤波器跟踪,用预测的人脸位置代替真实的人脸位置,继续疲劳驾驶检测。这样就避免了无法定位人脸,疲劳检测算法失效的问题
S4、眼睛检测和状态识别,采用睁眼分类器定位驾驶员眼睛并识别眼睛状态,记录识别结果,使用的睁眼分类器经如下方法训练,如图4所示:
B1、尽可能多的采集样本,包括正负样本,其中正样本为睁开状态的人眼,负样本为闭合状态的人眼和其他非睁眼区域;
B21、生成正负样本描述文件;
B22、生成正样本的向量描述文件;
B23、使用OpenCV自带的可执行文件进行训练。
根据图4的三个步骤即可进行分类器的训练。
第一步的生成样本的描述文件,主要指的是描述正样本的路径以及目标图像-睁眼图像在图像中的个数以及位置。负样本仅需描述其样本的路径即可。因此正样本的格式如下,
<样本的文件路径><目标图像的个数><目标图像的在图像中的位置>。
其余正样本格式以此类推。
负样本仅需描述样本在图像中的路径,其格式如下:
<样本的图像中的位置>
其余负样本的描述格式以此类推
第二步的生成正样本的向量描述文件,调用相关的文件。
第三步的使用OpenCV自带的可执行文件进行训练。
本发明按照AdaBoost的方法训练分类器,规定训练每一层强分类器的检测率为0.998,误检率为0.5。最开始是使用收集的样本,包括正负样本共25000个样本集,进行训练,训练的过程中,每层强分类器必须满足0.998的检测率以及0.5的误检率,从而使得训练得到分类器效果可以满足***的要求。
使用AdaBoost算法预先训练好睁眼分类器进行目标检测,相比其它的检测方法,处理的速度快,收光照的影响小,准确率高。并且直接训练睁眼分类器,在定位眼睛的同时就能判断出眼睛处于睁开状态,当没有检测到眼睛都时候,都视为闭眼状态,这样将眼睛的定位和状态检测结合起来,提高了检测效率。
S5、计算疲劳PERCLOS值,得到眼睛的状态识别结果后,通过计算单位时间内眼睛闭合时间所占的百分比即PERCLOS(Percentage of Eyelid ClosureOver Time);
S6、将得到的PERCLOS值与预设的阈值进行比较,判定驾驶员是否疲劳驾驶。
步骤S4中,PERCLOS值即单位时间内眼睛闭合时间所占的百分比,使用PERCLOS值判别驾驶员的疲劳状态是目前公认的最有效的方法,其计算公式如下:
PERCLOS值=(眼睛闭合时间/固定时间)*100%
为了便于编程,上式左边的分子分母同时除以每次检测的平均时间,得到下式:
PERCLOS值=(眼睛闭合的帧数/固定帧数)*100%
步骤S5中,预设的阈值通常根据大量的实验数据及行车环境根据经验预设,将得到的PERCLOS值与预设的阈值进行比较,当PERCLOS值大于等于预设阈值时,***判定驾驶员为疲劳驾驶并驱使***发出警报,提醒驾驶员休息,以保证行车安全。
采用本发明的设计,能够自动捕捉驾驶员的脸部微观变化,通过科学的概率计算判别驾驶员状态,并及时警示处于疲劳驾驶状态的驾驶员,保证行车安全。同时本发明使用卡尔曼滤波器及相关算法经过不断的预测,更新,将使得预测值和真实值越来越接近,在容许的误差范围内,可将预测值视为真实值。当驾驶员头部动作过大,无法通过分类器定位人脸位置的时候,使用卡尔曼滤波器跟踪,用预测的人脸位置代替真实的人脸位置,继续疲劳驾驶检测,避免了无法定位人脸,疲劳检测算法失效的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种疲劳驾驶检测方法,其特征在于,包括如下步骤: 
S1、采集图像和预处理,通过图像采集接口采集驾驶员图像信息并传输至中枢处理器,中枢处理器对采集图像进行预处理; 
S2、人脸定位和检测,采用基于Haar特征的人脸分类器,检测驾驶员人脸区域; 
S3、人脸跟踪,采用卡尔曼滤波器算法的人脸跟踪算法,跟踪人脸; 
S4、眼睛检测和状态识别,采用睁眼分类器定位驾驶员眼睛并识别眼睛状态,记录识别结果; 
S5、计算疲劳PERCLOS值,得到眼睛的状态识别结果后,通过计算单位时间内眼睛闭合时间所占的百分比即PERCLOS(Percentage of Eyelid Closure Over Time); 
S6、将得到的PERCLOS值与预设的阈值进行比较,判定驾驶员是否疲劳驾驶。 
2.根据权利要求1所述的一种疲劳驾驶检测方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括步骤A,采用基于卡尔曼滤波器算法参数跟踪人脸: 
A1、建立***状态方程; 
X(k+1)=A(k)X(k)+W(k)
A2、建立***观测方程; 
Z(k)=H(k)X(k)+V(k)
A3、预测人脸位置,根据卡尔曼滤波器的预测方程组,滤波器使用上一阶段状态的估计,做出对当前状态的估计; 
预测方程组: 
(1)预测状态 
X(k|k-1)=A(k)X(k|k-1)
(2)预测估计协方差矩阵 
P(k|k-1)=A(k)P(k-1|k-1)AT (k)+Q(k)
A4、检测实际人脸位置,在预测了当前人脸所在的位置后,调用Haar分类器在预测区域内检测人脸,获取当前状态信息;当在预测区域检测不到人脸,就在全图检测人脸;当在全图也检测不到人脸的时候,说明驾驶员头部动作过大,无法检测到人脸; 
A5、通过更新方程组使用当前的实际人脸位置来更新卡尔曼滤波器,让卡尔曼滤波器的预测值与真实值越来越接近,达到跟踪的效果; 
更新方程组: 
(3)最优卡尔曼增益 
K(k)=P(k|k-1)HT k[H(k)P(k|k-1)HT (k)+R(k)]-1
(4)更新的状态估计 
X(k|k)=X(k|k-1)+K(k)[Z(k+1)-H(k)X](k|k-1)
(5)更新的协方差估计 
P(k|k)=[E-K(k)H(k)]P(k|k-1)
A6、在输入图像中标记出人脸区域。 
其中Xk为在人脸在k时刻的状态估计,A(k)是作用在X(k)上的状态转移矩阵,H(k)是***的观测矩阵,Z(k)是***的观测变量,W(k)是过程噪声,并假设其符合均值为零协方差矩阵为Q(k)的高斯分布,即Wk~N(0,Q(k));V(k)是观测噪声,亦假设其符合均值为零协方差矩阵为R(k)的高斯分布,即Vk~N(0,R(k));PK为误差相关矩阵,度量估计值的精确程度; 
状态转移矩阵
***观测矩阵
3.根据权利要求1所述的一种疲劳驾驶检测方法,其特征在于:所述步 骤S3中的睁眼分类器经如下步骤训练: 
B1、收集人脸的样本源,截取人脸样本源的人眼区域和非人眼区域,即为正样本和负样本; 
B2、使用机器学习算法训练睁眼分类器。 
4.根据权利要求1所述的一种疲劳驾驶检测方法,其特征在于:步骤S5中,PERCLOS值采用如下公式计算: 
PERCLOS值=(眼睛闭合的帧数/固定帧数)*100%。 
5.根据权利要求3所述的一种疲劳驾驶检测方法,其特征在于,所述步骤B2包括: 
B21、生成正负样本描述文件; 
B22、生成正样本的向量描述文件; 
B23、使用OpenCV自带的可执行文件进行训练。 
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