基于DSP虹膜識別防疲勞駕駛報警系統(tǒng)的研究*
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何明山，羅衛(wèi)東，陳啟新，張 立
（貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025）
摘要：防止疲勞駕駛以主觀監(jiān)測和客觀檢測為主，但其在可靠性、成本、檢測方法上存在不足，為此，設(shè)計了一套基于DSP虹膜識別防止疲勞駕駛報警系統(tǒng)。借鑒國內(nèi)外學(xué)者的研究，遵循實時性、準確性、簡潔性及經(jīng)濟性的設(shè)計原則，以虹膜識別算法為依據(jù)，DSP微處理器控制技術(shù)為基礎(chǔ)進行了開發(fā)，該報警系統(tǒng)可在不干擾駕駛員的情況下，識別駕駛員身份，記錄駕駛時間，識別疲勞駕駛并報警。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了模塊化。虹膜識別模塊、計時模塊基本滿足了準確性和實時性的要求。
關(guān)鍵詞：DSP；疲勞駕駛；虹膜識別；主觀監(jiān)測
中圖分類號：X951 doi: 10．11731/j．issn．1673-193x．2016. 01. 024
0 引 言
疲勞駕駛已成為導(dǎo)致交通安全事故的重要原因之一。每年疲勞駕駛引發(fā)的交通事故占發(fā)生的事故總數(shù)的20 %以上，因此，研究防止疲勞駕駛系統(tǒng)具有重要意義。
目前根據(jù)國內(nèi)外對防止疲勞駕駛系統(tǒng)的研究，可分為主觀監(jiān)測和客觀檢測兩大類，其中主觀監(jiān)測是基于駕駛員打卡或者簽到記錄的行車時間，來判斷駕駛員是否疲勞駕駛。客觀檢測主要是基于生理信號、個體特征、車輛參數(shù)的變化來判斷駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)。
雖然檢測疲勞駕駛的方法有很多，但是，基于生理信號和個體特征變化的檢測方法存在檢測技術(shù)上的局限性，性價比低及可靠性差等問題。另外，在檢測的過程中采取的是接觸式檢測方法，影響駕駛員的注意力。而基于車輛參數(shù)變化的檢測方法準確率低，不人性化。雖然主觀監(jiān)測具有檢測方法簡便，系統(tǒng)機構(gòu)簡單，成本低的特點，并且已經(jīng)在汽車上應(yīng)用。但是，存在兩個主要的問題：①系統(tǒng)只解決連續(xù)駕駛的情況，而中途停車再次啟動時系統(tǒng)不會自動識別駕駛員身份，計時模塊也是靠人為去調(diào)整計時，使準確度低；②通過打卡或簽到的方式計時，存在做假漏洞。因此，本文提出通過虹膜識別結(jié)合DSP來解決基于主觀監(jiān)測存在的不足，實現(xiàn)在連續(xù)駕駛及中途停車過程中自動識別駕駛員身份，并保證計時模塊能實時地作出回應(yīng)。通過虹膜識別模塊徹底解決在主觀監(jiān)測方法上存在的漏洞。另外，實現(xiàn)了非
接觸式的檢測方法。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
虹膜識別是一項安全可靠的新技術(shù)，人的虹膜具有終生不變性，高度的準確性及不可修改性。因此，本文采用虹膜識別新技術(shù)識別駕駛員身份，基于駕駛員連續(xù)駕駛時間判斷駕駛狀態(tài)。設(shè)計一套檢測方法簡便，技術(shù)成熟可靠，實時性高的防止疲勞駕駛系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由5部分組成：車輛狀態(tài)檢測模塊、圖像采集模塊、虹膜識別模塊、計時模塊、報警和電源管理模塊。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：
1)實時性：系統(tǒng)硬件能夠隨著環(huán)境的變化及時地識別駕駛員身份。計時模塊能夠?qū)崟r地作出回應(yīng)。
2)準確性：系統(tǒng)能夠準確地檢測虹膜，降低誤判率；能夠準確地記錄駕駛時間和停車時間。
3)簡潔性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，以降低系統(tǒng)的故障率。檢測方法應(yīng)簡單快捷，減少信號的傳輸路徑。
4)經(jīng)濟性：系統(tǒng)應(yīng)盡可能的利用車上已有硬件，對于不能利用車上已有的硬件，應(yīng)選擇通用的、標準化的、易購買的硬件。
1.1 車輛狀態(tài)檢測模塊
車輛狀態(tài)檢測模塊采用霍爾式曲軸位置傳感器及霍爾式輪速傳感器。因為霍爾式傳感器的頻率響應(yīng)高，抗電磁波干擾能力強，輸出電信號電壓振幅值不受轉(zhuǎn)速的影響，所以能夠準確地檢測車輛狀態(tài)。
1.2 圖像采集模塊
圖像采集模塊選用的是SONY420紅外CCD攝像頭。這種攝像頭優(yōu)點是：能夠感應(yīng)外界光線，若外界光線滿足要求時，則采集的圖像為普通彩色圖像；若外界光線不足時，攝像頭自動打開鏡面上的LED紅外燈，利用LED發(fā)出的紅外光作為光源，此時采集的圖像為紅外圖像，這樣保證系統(tǒng)能夠在全天氣候下工作。另外，人眼中的視網(wǎng)膜不會感知到紅外光，在檢測過程中駕駛員不會產(chǎn)生強烈的不適感。
1.3虹膜識別模塊
虹膜識別模塊的處理器選用TI公司的TMS320DM642型DSP處理器。因為該處理器有8個獨立計算的功能單元，具有很高的運算速度，很強的數(shù)字處理功能，高度的可編程性。虹膜識別模塊的硬件電路主要包括：DSP處理器、視頻解碼器芯TVP5150、SDRAM和FLASH存儲器、報警裝置、計時裝置。視頻解碼器芯片TVP5150是將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為DSP識別的數(shù)字信號。因為系統(tǒng)斷電后，DSP中的數(shù)據(jù)會丟失，所以在DM642外部擴展FLASH和SDRAM存儲器。SDRAM主要存儲視頻解碼器芯片TVP5150轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號，作為后處理的數(shù)據(jù)來源。FLASH主要存儲虹膜識別的算法和已注冊的虹膜庫。計時裝置用來記錄駕駛員的駕駛時間，報警裝置主要是用來發(fā)出警告信號。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.4計時模塊及報警模塊
為了滿足系統(tǒng)硬件簡潔性、經(jīng)濟性的設(shè)計原則。計時模塊選用CYPRESS公司生產(chǎn)的CY22381FC計時芯片。因為CY22381FC計時芯片結(jié)構(gòu)簡單，頻率范圍寬，驅(qū)動能力強，工作時能同時提供多個時鐘電路，工作電壓為3.3 V。報警模塊采用物美價廉的蜂鳴器。
1.5 電源模塊
嵌入式供電系統(tǒng)最常用的有3種：集成開關(guān)電源芯片供電系統(tǒng)，DC - DC電源模塊供電系統(tǒng)，三端穩(wěn)壓器供電系統(tǒng)。為了滿足系統(tǒng)硬件設(shè)計的原則，電源供電系統(tǒng)采用集成開關(guān)電源芯片供電系統(tǒng)。電路穩(wěn)壓器采用物美價廉的LM3150開關(guān)穩(wěn)壓，電源采用汽車蓄電池。因為DSP -般需要兩種電壓：一種是DSP的內(nèi)核電源電壓，一般為1.4 V;另一種是外接設(shè)備的工作電壓，通常為3.3 V。而汽車一般使用的是12 V的電源，所以需要將蓄電池電壓降壓后供給DSP。DSP是一個大功耗處理器，并且整個系統(tǒng)有多個芯片同時工作。為了降低系統(tǒng)工作時的熱損耗，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定。選用TI公司生產(chǎn)的輸出電壓可調(diào)、轉(zhuǎn)換率高的TPS54310芯片來輸出系統(tǒng)工作需要的電壓[1叫。電源模塊電路如圖2。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是關(guān)于虹膜識別模塊的軟件設(shè)計。虹膜識別系統(tǒng)軟件部分包括圖像預(yù)處理、特征提取、虹膜匹配。虹膜識別程序流程如圖3所示。
2.1 圖像預(yù)處理
虹膜預(yù)處理主要包括：虹膜定位、去噪、增強圖像。因為實際采集到的虹膜圖像并不是完整的眼部圖像，包含有其他的背景和不完整的眼部圖像，這樣容易使程序?qū)缒び騽澐皱e誤，所以利用圖像預(yù)處理技術(shù)對光照及噪聲影響等問題進行糾正。
2.2特征提取
虹膜的特征提取和匹配是整個虹膜識別模塊的核心部分。虹膜的特征提取主要是通過Canny邊緣算子提取出虹膜的外側(cè)邊緣，通過Hough變換求解出內(nèi)圓圓心及半徑，通過基于單行梯度最大值法計算出虹膜外側(cè)邊緣；最后通過二維Cabor小波變換提取出虹膜特征。二維Gabor小波公式如下：
在提取虹膜特征時需要在二維Gabor小波變換的極坐標下完成。因為這樣可以避免因虹膜大小的改變及瞳孔的膨脹而導(dǎo)致提取的虹膜特征發(fā)生變化。二維Gabor小波在極坐標公式如下：
2.3虹膜匹配
虹膜匹配就是待測試的虹膜特征向量與存儲器中的虹膜特征向量進行相似性的比較。虹膜識別模塊的最終目的是要準確地找出相匹配的虹膜。虹膜匹配采用的是基于比較兩虹膜特征向量的海明距離( Hammingdistance，HD)來實現(xiàn)虹膜匹配。該匹配方法具有簡單、快速、方便等優(yōu)點。公式如下
式中：A i，B i為要比較的虹膜特征碼；N為虹膜特征碼的位數(shù)；①表示異或運算。
3 系統(tǒng)的工作過程
系統(tǒng)的計時模塊是參照《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》中規(guī)定的連續(xù)駕駛時間及停車休息時間，來設(shè)置駕駛員的連續(xù)駕駛時間和休息時間。系統(tǒng)的檢測方法是通過虹膜識別駕駛員身份，通過計時模塊記錄該人連續(xù)駕駛時間。根據(jù)連續(xù)駕駛時間，來判斷是否疲勞駕駛。系統(tǒng)主要檢測兩個過程：①檢測連續(xù)駕駛中途不停車；②檢測駕駛中途停車。
3.1 連續(xù)駕駛中途不停車
當(dāng)駕駛員行駛在高速公路上或者是交通狀況良好的城市道路上時，駕駛員一般都是連續(xù)駕駛中途不停車。此時系統(tǒng)的檢測過程：ECU接收到傳感器信號后，命令CCD攝像頭采集圖像，DSP命令計時模塊計時，視頻解碼器進行圖像轉(zhuǎn)換，虹膜識別模塊進行虹膜識別。匹配完成后鎖定該虹膜，即鎖定這個駕駛員。通過計時模塊記錄駕駛員連續(xù)行車時間H，來判斷駕駛員是否疲勞駕駛。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
3.2 中途停車
現(xiàn)實生活中駕駛員并不一定是連續(xù)駕駛，有可能中途停車換駕駛員，也有可能因為某種原因停車，這樣系統(tǒng)在檢測過程中必須能夠及時地作出響應(yīng)。中途停車時，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示，此過程主要是根據(jù)虹膜識別結(jié)果，停車時間危及連續(xù)駕駛時間H這3個量來判斷計時模塊是重新工作，還是繼續(xù)接著上次駕駛時間計時，以及報警模塊是否要發(fā)出報警信號。
3.3 測試與分析
目前國內(nèi)外還沒有建立標準的虹膜庫。為了便于試驗，在不同時間、環(huán)境下采集了20人，每人8張（左眼4張，右眼4張），大小為640×480的虹膜圖像。其中4張作為測試樣本，另外4張作為訓(xùn)練樣本。試驗方法就是將全部的測試樣本和訓(xùn)練樣本進行對比匹配�？偣惨瓿�20 x4 +20 x4 =160次匹配。同時記錄，每次虹膜識別成功后，時鐘模塊作出反應(yīng)的滯后時間，試驗結(jié)果如表1。
對試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，虹膜識別時，錯誤率為4.39%。存在誤判的原因：①由于光照強度的影響，雖然本系統(tǒng)采用的是光照自適應(yīng)的CCD紅外攝像頭，但是考慮到成本等問題，采用的濾光設(shè)備效果一般，對檢測的結(jié)果產(chǎn)生影響；②由于駕駛過程中駕駛員的姿勢多變，影響采集圖像的效果。
對計時模塊研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)虹膜識別成功后，計時模塊的反應(yīng)有些滯后，平均滯后時間1. 51 s，滯后的時間仍在可接受的范圍內(nèi)。
4 結(jié)論與展望
1)本文提出了一種基于DSP虹膜識別防止疲勞駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)由車輛狀態(tài)檢測模塊、圖像處理模塊、虹膜識別模塊、計時模塊及報警模塊5部分組成，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化。
2)本文在虹膜特征提取中，主要采用Gabor小波變換法。在虹膜匹配上，采用簡單通用、計算快捷的海明距( Hamming distance，HD)法。結(jié)果表明：160個虹膜樣本匹配中，錯誤率為4. 39%，說明系統(tǒng)有較高的準確性。在虹膜識別成功后，計時模塊有些滯后，雖然平均滯后時間為1. 51 s，但是仍能滿足系統(tǒng)實時性的要求。
3)本系統(tǒng)試驗的虹膜樣本比較少，雖然能給以后的研究提供一些參考，但是為了讓研究更加準確，還需要采集更多的虹膜樣本，進行大量的試驗，建立虹膜樣本庫。
