基于ARM+DSP的駕駛員眼部疲勞視覺檢測算法設計

如何為駕駛員提供一個有效實用的安全輔助駕駛系統(tǒng)是車輛安全駕駛的一個重要課題。基于機器視覺的疲勞駕駛檢測技術已在國內外開展了廣泛研究，其中以駕駛員眼部特征的檢測最為廣泛。

本文以低成本、低功耗、高實時性為設計原則，以ARM+DSP構成硬件平臺，并移植了嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5.0，設計了一套基于駕駛員眼部特征的疲勞駕駛檢測算法，對駕駛員駕駛過程進行實時檢測和報警，從而提高駕駛的安全性與舒適性。

1 硬件平臺設計

系統(tǒng)硬件平臺選用三星公司ARM9架構的S3C2440作為核心處理器，利用TI公司的TMS320DM642作為視頻采集處理模塊，其結構框圖如圖1所示。DSP平臺主要負責采集圖像、圖像算法處理，ARM平臺主要完成整個系統(tǒng)的控制處理，兩者之間通過網(wǎng)口實現(xiàn)通信和同步。在系統(tǒng)運行過程中，ARM平臺可實時顯示采集到的視頻以及相應眼部疲勞特征識別的結果，同時用戶可通過觸摸屏交互界面對系統(tǒng)進行設置和控制。為保證系統(tǒng)平臺具有高的可靠性以實現(xiàn)復雜的系統(tǒng)調度，在設計過程中對本系統(tǒng)各平臺進行了操作系統(tǒng)移植，DSP平臺移植了DSP/BIOS系統(tǒng)，ARM平臺移植了Wince操作系統(tǒng)。

S3C2440是一款基于ARM92OT核的16/32 bit RSIC結構的嵌入式微處理器，主頻為400 MHz，最高可達533 MHz；片內外資源豐富，具有強大的處理能力。系統(tǒng)存儲擴展了64 MB的NANDFlash、64 MB的SDRAM；另外還有2 MB的NORFalsh，用于存放系統(tǒng)引導加載程序[1]。

TMS320DM642芯片[2]能夠實時高速地完成大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻編解碼處理，是強大的高性能單片多媒體處理器，具有高質量、多通道、優(yōu)越的視頻處理性能，以及完整的軟件可編程特性；基于C64x系列VelociTI.2DSP 架構的設計，與TI公司其他的C64x數(shù)字信號處理器代碼相兼容，擁有500/600 MHz時鐘頻率，性能高，其傳輸速率達4 000/4 800 MIPS；不僅具有C64x系列芯片的主要特征，還高度集成了音視頻等外部設備的接口，方便多媒體應用開發(fā)。

2 圖像識別算法

2.1 總體檢測流程

首先，根據(jù)臉部膚色的聚類特性檢測駕駛員臉部位置，在人臉檢測的基礎上，根據(jù)眼睛在人臉上的幾何位置分布，確定眼睛的大概位置，縮小眼部檢測的區(qū)域范圍；其次，在縮小的眼部搜索區(qū)域范圍內，利用Sobel邊緣檢測算法對眼部區(qū)域進行邊緣檢測，提取眼部的邊緣信息，并對其進行二值化處理；再對二值化后的眼部區(qū)域進行連通成分分析，采用基于區(qū)域連通的二值圖像濾波方法去除眼部周圍圖像噪聲點的干擾；然后根據(jù)改進的積分投影算法，計算左右眼角和上下眼瞼的距離，確定駕駛員眼睛的睜閉狀態(tài)；最后，定義眨眼頻率，并據(jù)此實現(xiàn)疲勞駕駛的檢測。具體的算法流程如圖2所示。


2.2 基于膚色聚類的人臉檢測

膚色對面部表情、頭部旋轉以及圖像尺度的變化不敏感， 但是人臉檢測的一個重要特征。在HSV 顏色空間， 圖像的照度和色度是分離的，膚色聚類更緊密， 不易受周圍光線的影響。因此， 本文采用基于RGB 和HSV 顏色空間的膚色聚類算法對駕駛員臉部進行檢測。從攝像頭采集的圖像為RGB 格式， 可以利用式(1)實現(xiàn)從RGB 顏色空間到HSV 空間的轉換[ 3]。



2.3 眼部感興趣區(qū)域確定

假設檢測出的人臉區(qū)域長度為HF、寬度為WF， 在豎直方向上， 眼睛大概位于臉部二分之一以上、頭頂以下
HF/5 的區(qū)域。在水平方向上， 眼部邊界區(qū)域被定位于距離臉部左邊界WF/8 處開始到距離臉部右邊界WF/8 處
的區(qū)域。根據(jù)上述原則， 初始眼部檢測區(qū)域為如圖3 中所示的矩形EFGH 區(qū)域。