基于FPGA的司機眼球跟蹤疲勞檢測報警系統

摘要：

本系統是針對現有市場(chǎng)上銷(xiāo)售的車(chē)輛多注重于事故發(fā)生時(shí)對人身安全的保障(如安全氣囊等)，忽略了防范事故于未然的考慮而提出的?；?strong>FPGA的司機眼球跟蹤疲勞報警系統可以很好的解決上述問(wèn)題，且相較于傳統的DSP實(shí)現具有集成度高、處理速度快、功能更強大、方便改進(jìn)內部設計等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1、研究意義

視頻實(shí)時(shí)跟蹤作為一個(gè)應用性研究方向，其應用愈加廣泛，如軍事、航空、防盜、視頻會(huì )議等場(chǎng)合，特別是重要場(chǎng)合的安檢系統成為新的應用領(lǐng)域。本系統將視頻實(shí)時(shí)跟蹤應用于對疲勞駕駛的司機報警，以避免交通事故的發(fā)生。“交通事故猛于虎”。近年來(lái)，國民擁有私家車(chē)的數量不斷提高，與此同時(shí)交通事故的發(fā)生率也不斷上升，車(chē)輛與安全問(wèn)題已成為社會(huì )關(guān)注的熱點(diǎn)。而其中疲勞駕駛引發(fā)的交通事故占事故總數的20%左右，占特大交通事故的40%以上;日本的一項事故調查統計顯示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1%~1.5%;法國國家警察總署事故報道，因疲勞瞌睡而發(fā)生車(chē)禍的，占人身傷害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%;美國國家公路交通安全管理局保守估計，每年因為疲勞駕駛而導致的車(chē)禍大約有10萬(wàn)起?？梢哉f(shuō)疲勞已成為安全行車(chē)的大敵。

現有市場(chǎng)上銷(xiāo)售的車(chē)輛多注重于事故發(fā)生時(shí)對人身安全的保障(如安全氣囊等)，忽略了防事故于未然的考慮。司機眼球跟蹤疲勞報警系統的設計可以很好的解決上述問(wèn)題。傳統的視頻跟蹤的圖像處理過(guò)程采用DSP實(shí)現，首先在外圍設備的設計上具有很高的布線(xiàn)復雜度，且測量精度受布線(xiàn)影響較大，其次設計調試具有很高的難度，在實(shí)際車(chē)內空間內往往需要更改某些參數設計等，這在實(shí)際使用中會(huì )受到較大的限制。為了克服以上缺點(diǎn)，急需研制一種功能強大、集成度高、方便更新內部器件的電路設計系統。

司機眼球跟蹤疲勞報警系統應用視頻實(shí)時(shí)跟蹤原理，實(shí)時(shí)跟蹤捕捉司機眼球(通過(guò)臉部圖像跟蹤和眼球識別)，分析司機眼睛的睜閉情況并計算閉合時(shí)間，以此判斷是否提出報警。本系統由攝像頭及視頻解碼模塊、顯示器、LCD顯示模塊、開(kāi)發(fā)板四部分組成。在系統設計過(guò)程中，我們以FPGA器件作為硬件基礎，運用Xilinx的MicroBlaze嵌入式軟核處理器，結合圖像處理和動(dòng)態(tài)目標識別算法，輔以必要的外圍電路完成整個(gè)系統的搭建。為了提高系統處理速度，所有的主要處理過(guò)程都通過(guò)硬件方式實(shí)現，其中包括視頻圖像的實(shí)時(shí)采集、中值濾波器與FIR濾波器、相關(guān)圖像處理算法等很多內容。

本設計主要適用于經(jīng)常需要長(cháng)途開(kāi)車(chē)的司機，也可以面向各品牌的汽車(chē)制造商或一些交通安全保障部門(mén)。

2、系統原理

系統可分為四個(gè)模塊：圖像采集、特征提取、數據存儲、人機交互界面

(1)面部圖像數據的實(shí)時(shí)采集

通過(guò)攝像頭獲得的視頻流經(jīng)過(guò)外部的一個(gè)視頻解碼芯片，實(shí)現模擬視頻信號向數字視頻信號的轉換，使其能夠送入到FPGA內部做進(jìn)一步的處理。

(2)圖像處理功能

實(shí)現眼部特征的提取是本設計的核心算法部分，根據獲得的眼部特征判斷眼睛的閉合狀態(tài)。利用MicroBlaze強大的運算能力，大部分算法由此軟核運行C代碼實(shí)現 。

(3)數據存儲

FPGA內部的用戶(hù)自定義模塊可以將眼睛閉合時(shí)間超過(guò)設定門(mén)限值時(shí)的視頻信息存儲到CF卡中，在發(fā)生交通意外的情況下這些數據可以作為分析事故原因的重要資料。用戶(hù)還可以通過(guò)選擇，將存儲在CF卡中視頻信息在顯示器中顯示出來(lái)。

(4)人機交互界面

設計中使用高分辨率彩色LCD屏，實(shí)現可視化操作界面，根據用戶(hù)需要，在發(fā)生報警時(shí)可以顯示提示信息。同時(shí)利用觸控屏，對界面進(jìn)行功能選擇，例如控制視頻數據的存儲等。

3、技術(shù)特點(diǎn)

(1)順應時(shí)勢的功能設計。隨著(zhù)社會(huì )生活的日益改善，汽車(chē)已經(jīng)成為人們必備的出行工具，伴隨而來(lái)的是交通事故頻發(fā)，人員傷亡時(shí)有發(fā)生。而疲勞駕駛是交通事故的重要誘因之一。因此，設計出能夠實(shí)時(shí)監測司機疲勞程度的檢測器，當發(fā)現司機疲勞過(guò)度時(shí)報警，避免發(fā)生交通意外，防患于未然，通過(guò)這種方式來(lái)減少交通事故的發(fā)生。

(2)開(kāi)發(fā)的周期短，可以很快的投入使用。利用MicroBlaze處理器的平臺實(shí)現一種司機眼球疲勞跟蹤系統，從設計理念上來(lái)說(shuō)，利用軟件實(shí)現必要的硬件連接，不僅在工作穩定性上有所提高，減少硬件連接，而且可移植能力增強，便于更快開(kāi)發(fā)。

(3)實(shí)時(shí)的檢測能力。因為汽車(chē)的速度往往是很快的，一旦檢測到司機疲勞，需要迅速作出反應并報警提醒司機。系統利用MicroBlaze的強大數據處理能力，設計出具有很好的實(shí)時(shí)性的監測跟蹤系統。

(4)高度的集成性。相比其他的視頻跟蹤系統，基于Xilinx公司FPGA的 MicroBlaze處理器內部具有豐富的外圍設備，因此在芯片外部只需要很少的外圍芯片即可。一方面可以降低成本，降低了開(kāi)發(fā)和調試的難度，另一方面系統的體積也可以大大縮小，甚至可以做成單芯片系統，大大方便攜帶和使用。

(5)成本低，功耗小。由于MicroBlaze處理器的強大功能，可以減少很多外圍芯片的使用，一方面可以減少產(chǎn)品的成本，另一方面可以降低功耗，這對需要一直“在線(xiàn)”的設備來(lái)說(shuō)是很重要的。

(6)即時(shí)地大量數據存儲。實(shí)時(shí)視頻跟蹤過(guò)程中會(huì )有大量的數據需要保存下來(lái)，利用MicroBlaze軟核處理器的優(yōu)勢，引入CF卡可以方便地對這些視頻數據進(jìn)行存儲，在司機沒(méi)有及時(shí)對報警作出反應而導致發(fā)生交通意外的情況下，這些數據可以作為分析事故原因的重要證據。

圖1 系統功能圖

圖2 基于MicroBlaze的系統硬件框圖