一种基于机器视觉的疲劳驾驶检测预警系统及方法与流程
本发明涉及机器视觉技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的疲劳驾驶检测预警系统及方法。
背景技术：
随着我国经济社会的快速发展，国民收入的提高，越来越多汽车逐步走入寻常百姓家，汽车在给我们的生活带来高效便捷舒适的同时，也给我们带来了交通事故的烦恼，据我国交通部门的统计，因疲劳驾驶造成的交通事故约占总交通事故的20％，特大交通事故的40％以及交通死亡人数的83％。
现有技术中，是通过在驾驶员的耳上佩戴具有重力感应的耳机，检测驾驶员是否存在低头现象进而判断驾驶员是否存在疲劳驾驶。但这种疲劳检测方法往往检测不够准确，容易造成误判的现象，如当驾驶员仅仅是低头查看东西或者检掉在车上的东西时或者其他低头动作时会误触发。再则，长时间佩戴该耳机，容易造成驾驶员的不适，使驾驶员产生排斥情绪。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种基于机器视觉的疲劳驾驶检测预警系统及方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种基于机器视觉的疲劳驾驶检测预警系统，该系统包括：驾驶时长获取模块、中央处理模块、人脸视频图像采集模块和预警模块；驾驶时长获取模块、人脸视频图像采集模块、预警模块皆与中央处理模块连接；驾驶时长获取模块，用于获取驾驶员的驾驶时长，并发送至中央处理模块；中央处理模块根据驾驶员的驾驶时长，判断驾驶员的驾驶状态，并在判定驾驶员处于疲劳驾驶状态时驱动人脸视频图像采集模块采集驾驶员的人脸视频图像；中央处理模块接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒。
优选地，该系统还包括：设置于汽车内的环境参数采集模块；
环境参数采集模块，用于采集车内的环境参数，并发送至中央处理模块；
中央处理模块根据车内的环境参数，确定当前环境下的参考驾驶时长阈值，并将驾驶员的驾驶时长与参考驾驶时长阈值进行比较，当驾驶员的驾驶时长超过参考驾驶时长阈值时，判定驾驶员处于疲劳驾驶状态。
优选地，环境参数采集模块包括：空气质量检测传感器单元、湿度传感器单元、温度传感器单元和气压传感器单元；
空气质量检测传感器包括：co浓度传感器、co2浓度传感器、pm2.5传感器中的一种或者多种。
优选地，在中央处理模块中，根据车内的环境参数，确定当前环境下的参考驾驶时长阈值，具体是：利用通过下式确定当前环境下的参考驾驶时长阈值：
式中，d′为当前环境下的参考驾驶时长阈值，d0为标准车内环境参数下的驾驶时长阈值，aq、h、t、p分别为当前环境下的空气质量系数、车内湿度、车内温度和车内气压，aq0为标准车内环境参数下的空气质量系数、车内湿度、车内温度和车内气压，α、β、γ为权重因子，其满足α+β+γ＝1。
优选地，中央处理模块接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒，具体是：
(1)对接收到的连续m帧人脸视频图像依次进行灰度化处理，并进行人脸识别，提取面部图像，其中，m为预设帧数；
(2)对面部图像进行人眼定位，标记出眼部的6个特征点，根据标记出的眼部的6个特征点，利用下式计算眼睛纵横比：
式中，ear为眼睛纵横比，
(3)根据计算得到的眼睛纵横比判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒。
优选地，根据计算得到的眼睛纵横比判断驾驶员是否为疲劳驾驶，具体是：若所述m帧的人脸视频图像中，至少有一帧人脸视频图像中的眼睛纵横比小于预设眼睛纵横比，则判定该驾驶员为疲劳驾驶，此时驱动预警模块发出报警提醒。
本发明提供的疲劳驾驶检测预警系统具有如下有益效果：
(1)该系统首先判断驾驶员的驾驶时长，初步判断驾驶员是否进入疲劳驾驶状态，若进入，则驱动人脸视频图像采集模块开启并采集人脸视频图像，进一步精确判断该驾驶员是否为疲劳驾驶，从而避免人脸视频图像采集模块持续工作，延长该系统的寿命，降低能量损耗。
(2)使用人脸视频图像采集模块采集人脸视频图像，并进一步对采集的人脸视频图像进行人眼定位以及人眼闭合状态检测，进而实现对驾驶员的疲劳检测，相比于现有技术通过佩戴产品进行检测是否低头能让驾驶员使用更方便，提高该系统的友好度。
(3)基于机器视觉对人脸检测和人眼定位，比现有技术的检测是否低头更精准，误判率更低。
(4)该系统通过非接触方式进行疲劳检测，可令驾驶员使用更为方便。
(5)使用人眼眼部六个特征点进行检测并且计算，数据分析结果更为准确。
本发明第二方面提供了一种基于机器视觉的疲劳驾驶检测预警方法，该方法包括：
中央处理模块接收驾驶时长获取模块发送的驾驶员的驾驶时长，其中，驾驶时长获取模块，用于获取驾驶员的驾驶时长；
中央处理模块根据驾驶员的驾驶时长，判断驾驶员的驾驶状态，并在判定驾驶员处于疲劳驾驶状态时驱动人脸视频图像采集模块采集驾驶员的人脸视频图像；
中央处理模块接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒。
优选地，该方法进一步包括：
中央处理模块接收环境参数采集模块采集的车内的环境参数，其中，环境参数采集模块设置于车内，其用于采集车内的环境参数；
中央处理模块根据车内的环境参数，确定当前环境下的参考驾驶时长阈值，并将驾驶员的驾驶时长与参考驾驶时长阈值进行比较，当驾驶员的驾驶时长超过参考驾驶时长阈值时，判定驾驶员处于疲劳驾驶状态。
优选地，该方法进一步包括：
中央处理模块接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒，具体过程是：
(1)对接收到的连续m帧人脸视频图像依次进行灰度化处理，并进行人脸识别，提取面部图像，其中，m为预设帧数；
(2)对面部图像进行人眼定位，标记出眼部的6个特征点，根据标记出的眼部的6个特征点，利用下式计算眼睛纵横比：
式中，ear为眼睛纵横比，
(3)根据计算得到的眼睛纵横比判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒。
本发明提供的疲劳驾驶检测预警方法具有如下有益效果：
(1)该疲劳驾驶检测预警方法首先判断驾驶员的驾驶时长，初步判断驾驶员是否进入疲劳驾驶状态，若进入，则驱动人脸视频图像采集模块开启并采集人脸视频图像，进一步精确判断该驾驶员是否为疲劳驾驶，从而避免人脸视频图像采集模块持续工作，延长该系统的寿命，降低能量损耗。
(2)使用人脸视频图像采集模块采集人脸视频图像，并进一步对采集的人脸视频图像进行人眼定位以及人眼闭合状态检测，进而实现对驾驶员的疲劳检测，相比于现有技术通过佩戴产品进行检测是否低头能让驾驶员使用更方便，提高该系统的友好度。
(3)基于机器视觉对人脸检测和人眼定位，比现有技术的检测是否低头更精准，误判率更低。
(4)该疲劳驾驶检测预警方法通过非接触方式进行疲劳检测，可令驾驶员使用更为方便。
(5)使用人眼眼部六个特征点进行检测并且计算，数据分析结果更为准确。
本发明第三方面提供了一种计算机程序，该计算机程序用于使得计算机执行如上所述的疲劳驾驶检测预警方法。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的疲劳驾驶检测预警系统框架结构图；
图2是本发明实施例提供的疲劳驾驶检测预警方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的眼部的6个特征点的分布图。
附图标记：环境参数采集模块1；驾驶时长获取模块2；人脸视频图像采集模块3；预警模块4；中央处理模块5。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
图1示出了一种基于机器视觉的疲劳驾驶检测预警系统，该系统包括：环境参数采集模块1、驾驶时长获取模块2、人脸视频图像采集模块3、预警模块4和中央处理模块5；其中，环境参数采集模块1、驾驶时长获取模块2、人脸视频图像采集模块3、预警模块4皆与中央处理模块连接。
环境参数采集模块1设置于该汽车内，其用于采集车内的环境参数，并发送至中央处理模块5；中央处理模块5根据车内的环境参数，确定当前环境下的参考驾驶时长阈值，并将驾驶员的驾驶时长与参考驾驶时长阈值进行比较，当驾驶员的驾驶时长超过参考驾驶时长阈值时，判定驾驶员处于疲劳驾驶状态。
在一个可选的实施例中，环境参数采集模块1包括：空气质量检测传感器单元、湿度传感器单元、温度传感器单元和气压传感器单元；
空气质量检测传感器包括：co浓度传感器、co2浓度传感器、pm2.5传感器中的一种或者多种。
在中央处理模块5中，根据车内的环境参数，确定当前环境下的参考驾驶时长阈值，具体是：利用通过下式确定当前环境下的参考驾驶时长阈值：
式中，d′为当前环境下的参考驾驶时长阈值，d0为标准车内环境参数下的驾驶时长阈值，aq、h、t、p分别为当前环境下的空气质量系数、车内湿度、车内温度和车内气压，aq0为标准标准车内环境参数下的空气质量系数、车内湿度、车内温度和车内气压，α、β、γ为权重因子，其满足α+β+γ＝1。作为优选，标准车内环境参数下的驾驶时长阈值d0为4小时。
由于车内环境条件会对驾驶员的生理参数产生影响，因此，在进行驾驶时长预判时，利用上式对驾驶时长阈值d0进行修订，进而在进行疲劳驾驶预判时，将环境因素考虑在内，从而得到当前环境下的参考驾驶时长阈值，进而实现对驾驶员的驾驶状态进行准确预判，提高了该系统疲劳检测的准确性。
驾驶时长获取模块2，用于获取驾驶员的驾驶时长，并发送至中央处理模块5；中央处理模块5根据驾驶员的驾驶时长，判断驾驶员的驾驶状态，并在判定驾驶员处于疲劳驾驶状态时驱动人脸视频图像采集模块3采集驾驶员的人脸视频图像；中央处理模块5接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块5发出报警提醒。优选地，该人脸视频图像采集模块3为ccd摄像头或者csi摄像头。
在一个可行的实施例中，该预警模块5为语音播报模块，该语音播报模块通过语音播报的方式提醒驾驶员切勿疲劳驾驶。
在一个可行的实施例中，中央处理模块5为树莓派cpu。
在一个可行的实施例中，该系统还包括：通过stm32f103c8t6单片机与树莓派cpu通信连接的oled12864显示屏，该oled12864显示屏可用来显示当前的眼睛纵横比，也可以通过按键对预设的眼睛纵横比的大小进行调整，以适应不同人群。
优选地，中央处理模块5接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块4发出报警提醒，具体是：
(1)对接收到的连续m帧人脸视频图像依次进行灰度化处理，并进行人脸识别，提取面部图像，其中，m为预设帧数；
(2)对面部图像进行人眼定位，标记出眼部的6个特征点(如图3所示)，根据标记出的眼部的6个特征点，利用下式计算眼睛纵横比：
式中，ear为眼睛纵横比，
(3)根据计算得到的眼睛纵横比判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块4发出报警提醒。优选地，该预警模块4为语音报警器，当驾驶员处于疲劳驾驶状态时，通过语音播报的方式提醒驾驶员停车休息，避免疲劳驾驶。
优选地，根据计算得到的眼睛纵横比判断驾驶员是否为疲劳驾驶，具体是：若接收到的m帧的人脸视频图像中，至少有一帧人脸视频图像中的眼睛纵横比小于预设眼睛纵横比，则判定该驾驶员为疲劳驾驶，此时驱动预警模块发出报警提醒。预设眼睛纵横比可根据驾驶员的实际情况进行设置。需要说明的是，上述的具体接收到的帧数可根据实际情况进行设定，作为优选，m＝20。
在一个可行的实施例中，可使用机器视觉库opencv实时检测从csi摄像头读入20fps的视频流中，通过dlib进行人脸检测，提取人脸面部信息，然后通过stm32f103c8t6单片机驱动oled12864显示当前的纵横比，通过按键实现预设的眼睛纵横比的调整并通过串口发送给树莓派，如果接收到的m帧的人脸视频图像中，存在一帧或者多帧人脸视频图像中的驾驶员的眼睛纵横比小于预设眼睛纵横比，则认为驾驶员为疲劳驾驶状态，此时树莓派驱动语音播报模块以播报预警信息。
本发明提供的疲劳驾驶检测预警系统具有如下有益效果：
(1)该系统首先判断驾驶员的驾驶时长，初步判断驾驶员是否进入疲劳驾驶状态，若进入，则驱动人脸视频图像采集模块3开启并采集人脸视频图像，进一步精确判断该驾驶员是否为疲劳驾驶，从而避免人脸视频图像采集模块3持续工作，延长该系统的寿命，降低能量损耗。
(2)使用人脸视频图像采集模块3采集人脸视频图像，并进一步对采集的人脸视频图像进行人眼定位以及人眼闭合状态检测，进而实现对驾驶员的疲劳检测，相比于现有技术通过佩戴产品进行检测是否低头能让驾驶员使用更方便，提高该系统的友好度。
(3)基于机器视觉对人脸检测和人眼定位，比现有技术的检测是否低头更精准，误判率更低。
(4)该系统通过非接触方式进行疲劳检测，可令驾驶员使用更为方便。
(5)使用人眼眼部六个特征点进行检测并且计算，数据分析结果更为准确。
图2示出了一种疲劳驾驶检测预警方法，该方法包括：
中央处理模块5接收环境参数采集模块采集的车内的环境参数，其中，环境参数采集模块1设置于车内，其用于采集车内的环境参数；
中央处理模块5根据车内的环境参数，确定当前环境下的参考驾驶时长阈值，并将驾驶员的驾驶时长与参考驾驶时长阈值进行比较，当驾驶员的驾驶时长超过参考驾驶时长阈值时，判定驾驶员处于疲劳驾驶状态。
中央处理模块5接收驾驶时长获取模块2发送的驾驶员的驾驶时长，其中，驾驶时长获取模块2，用于获取驾驶员的驾驶时长，该驾驶员的驾驶时长指的是：该驾驶员连续开车的时长；
中央处理模块5根据驾驶员的驾驶时长，判断驾驶员的驾驶状态，并在判定驾驶员处于疲劳驾驶状态时驱动人脸视频图像采集模块3采集驾驶员的人脸视频图像；
中央处理模块5接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒。
优选地，该方法进一步包括：
中央处理模块5接收人脸视频图像并根据接收到的人脸视频图像判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块发出报警提醒，具体过程是：
(1)对接收到的连续m帧的人脸视频图像依次进行灰度化处理，并进行人脸识别，提取面部图像,其中，m为预设帧数；
(2)对面部图像进行人眼定位，标记出眼部的6个特征点，根据标记出的眼部的6个特征点，利用下式计算眼睛纵横比：
式中，ear为眼睛纵横比，
(3)根据计算得到的眼睛纵横比判断驾驶员是否为疲劳驾驶，若判定驾驶员为疲劳驾驶，则驱动预警模块4发出报警提醒。
本发明提供的疲劳驾驶检测预警方法具有如下有益效果：
(1)该疲劳驾驶检测预警方法首先判断驾驶员的驾驶时长，初步判断驾驶员是否进入疲劳驾驶状态，若进入，则驱动人脸视频图像采集模块3开启并采集人脸视频图像，进一步精确判断该驾驶员是否为疲劳驾驶，从而避免人脸视频图像采集模块3持续工作，延长该系统的寿命，降低能量损耗。
(2)使用人脸视频图像采集模块3采集人脸视频图像，并进一步对采集的人脸视频图像进行人眼定位以及人眼闭合状态检测，进而实现对驾驶员的疲劳检测，相比于现有技术通过佩戴产品进行检测是否低头能让驾驶员使用更方便，提高该系统的友好度。
(3)基于机器视觉对人脸检测和人眼定位，比现有技术的检测是否低头更精准，误判率更低。
(4)该疲劳驾驶检测预警方法通过非接触方式进行疲劳检测，可令驾驶员使用更为方便。
(5)使用人眼眼部六个特征点进行检测并且计算，数据分析结果更为准确。
本发明第三方面提供了一种计算机程序，该计算机程序用于使得计算机执行如上所述的疲劳驾驶检测预警方法。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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