豐田自動(dòng)車(chē)疲勞駕駛檢測技術(shù)分析論文
100多年來(lái)，汽車(chē)不斷影響和改造著(zhù)人們的生活方式。然而，隨著(zhù)汽車(chē)數量的激增，由此帶來(lái)的社會(huì )問(wèn)題也逐漸凸顯。疲勞駕駛（Drivingdrowsiness）是指由于駕駛環(huán)境的單調性或長(cháng)時(shí)間、超強度行車(chē)，駕駛人因體力或腦力過(guò)多消耗而產(chǎn)生生理、心理機能衰退，造成反應水平、操控效率下降的現象。疲勞駕駛已經(jīng)成為造成交通事故的重要原因。針對疲勞駕駛的重大危害，疲勞駕駛預警系統應運而生。它旨在通過(guò)預警信息的提示讓處于疲勞狀態(tài)的駕駛人把握自身的狀態(tài)，是目前解決疲勞駕駛的一個(gè)重要途徑，可以有效降低由疲勞駕駛引發(fā)的交通事故。豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì )社是疲勞駕駛檢測領(lǐng)域全球非常重要的申請人，對其專(zhuān)利申請進(jìn)行分析是快速掌握全球疲勞駕駛檢測技術(shù)發(fā)展的有效方法。通過(guò)對豐田株式會(huì )社的專(zhuān)利技術(shù)分解可以得出，基于機器視覺(jué)的疲勞檢測是其近幾年的研發(fā)重點(diǎn)。利用機器視覺(jué)對駕駛人眼部動(dòng)作、視線(xiàn)方向、注視點(diǎn)分布特征的識別可實(shí)現疲勞狀態(tài)的有效估計。由于該項技術(shù)具有非侵入、準確、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)而成為世界先進(jìn)安全技術(shù)領(lǐng)域競相發(fā)展的重點(diǎn)。而且，從全球總體申請，基于機器視覺(jué)的疲勞駕駛檢測約占總量的三分之一，因此，我們有必要對豐田株式會(huì )社的該項關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展行業(yè)曲線(xiàn)可替代度影響力真實(shí)度脈絡(luò )進(jìn)行分析。
基于臉部和眼睛朝向進(jìn)行疲勞判斷
早期，豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì )社著(zhù)重通過(guò)臉和眼睛的朝向進(jìn)行疲勞判斷。豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì )社于1990年3月2日申請的專(zhuān)利（公開(kāi)號：JPH03254291A）中，首先通過(guò)臉部的重心判斷臉的朝向，如果不是正向，即進(jìn)行疲勞駕駛的報警，如果為正向，進(jìn)一步判斷眼睛的狀態(tài)，通過(guò)二值化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等步驟，判斷出閉眼時(shí)進(jìn)行疲勞檢測。同一時(shí)期，1990年3月5日申請了相關(guān)申請（公開(kāi)號為：JPH03255793A）。其根據臉部重心和左右眼的對稱(chēng)性計算出臉部方向。1990年7月9日的申請也為相關(guān)申請（公開(kāi)號為：JPH0468500A），其對算法部分進(jìn)行了較詳細的描述。但是，通過(guò)二值化判斷眼睛狀態(tài)的開(kāi)閉狀態(tài)準確性有限，1994年11月1日申請的（公開(kāi)號為：JPH08145627A），該專(zhuān)利綜合臉部方向、臉部與攝像機距離和眨眼情況對疲勞駕駛進(jìn)行了檢測，并對臉部方向的判斷進(jìn)行了改進(jìn)。當然，豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì )社也有僅僅根據臉部方向進(jìn)行判斷的專(zhuān)利，例如1997年12月1日的申請（公開(kāi)號為：JPH11161798A）。但是，僅僅根據臉的朝向判斷是否疲勞會(huì )帶來(lái)很多的誤報警，例如駕駛員處于疏忽狀態(tài)，或者處于左右觀(guān)察狀態(tài)，因此，該公司于2006年10月13日提出，基于臉的朝向判斷疏忽，基于眼睛的打開(kāi)量判斷打盹，并針對不同的狀態(tài)設置了不同的持續時(shí)間閾值。
基于眼睛特征進(jìn)行疲勞檢測
駕駛員疲勞時(shí)，會(huì )出現眼睛開(kāi)度變小、眼睛眨動(dòng)過(guò)程變慢、眨眼頻率異常升高、眼睛凝視方向逐漸向下移動(dòng)、眼球運用速度變慢的現象�？梢�(jiàn)，眼睛具有多個(gè)特征可以表征駕駛員的疲勞程度，因此，豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì )社著(zhù)重研究了通過(guò)眼睛的圖像識別判斷駕駛員疲勞程度。1994年11月25日申請了公開(kāi)號為JPH08147584A的專(zhuān)利申請，該申請通過(guò)眨眼傳感器檢測眼球，進(jìn)而計算閉眼時(shí)間，并隨著(zhù)閉眼時(shí)間的增長(cháng)延長(cháng)報警聲強。但是，周?chē)h(huán)境尤其是照度對眼睛睜閉的影響非常大，因此，該公司于1994年11月30日提出（JPH08153288A），根據照度情況設定不同的閾值來(lái)判斷閉眼。1994年12月26日，公開(kāi)號為JPH08175218A的申請，從采集的面部圖像中分離出眼睛，并將其與模板進(jìn)行比較來(lái)判斷眼睛的開(kāi)合狀態(tài)，閉眼時(shí)認為駕駛員疲勞。1998年4月2日，該公司申請的公開(kāi)號為JPH11286227A的專(zhuān)利中，將圖像濾波后，根據眼睛位置的改變進(jìn)行疲勞判斷。2001年3月2日，公開(kāi)號為JP2002254956A的專(zhuān)利公開(kāi)了：使用紅外CCD檢測單位時(shí)間眼球的運動(dòng)，當眼球移動(dòng)量低于預設參考值時(shí)，認定駕駛員警戒性降低�；谘劬@一單個(gè)因素判斷必然存在一定誤差。因此2002年11月7日該公司將眼睛狀態(tài)與駕駛員的操作相結合判斷（公開(kāi)號為JP2004157880A）。2006年9月11日申請的專(zhuān)利（公開(kāi)號為JP2008065776A）從拍攝的圖像中識別出人眼、眼球后，根據眼睛開(kāi)閉時(shí)間進(jìn)行判斷，其在檢測到閉眼時(shí)給予駕駛員以提醒，并在閉眼持續時(shí)間超過(guò)閾值時(shí)發(fā)出報警信號。2006年12月27日，公開(kāi)號為JP2008165348A的專(zhuān)利利用閉眼時(shí)間判斷疲勞程度，該申請設定了三個(gè)時(shí)間閾值，在不同的時(shí)間閾值下分別執行閉眼時(shí)間歸零、喚起注意和警報三個(gè)操作。但是，上述申請在進(jìn)行提醒或報警后均未檢測提醒或報警的效果。于是2007年2月9日，該公司提出公開(kāi)號為JP2008197821A的專(zhuān)利申請，該申請通過(guò)眼睛開(kāi)合度檢測到打盹之后，改變座椅的位置、傾斜角度，然后繼續判斷疲勞狀態(tài)，再次檢測到疲勞后，再觸發(fā)報警。如果再次檢測發(fā)現駕駛員已經(jīng)清醒，則不觸發(fā)報警。上述申請大部分設置了閉眼的時(shí)間閾值，超過(guò)該閾值，則認為疲勞，未超過(guò)，為判定部疲勞。但是，有時(shí)很難給出一個(gè)準確的閾值，若閾值不合適，會(huì )導致漏報警，或者不必要的報警。于是，該公司在2007年7月26日提出的公開(kāi)號為JP2009028237A的申請，沒(méi)有使用閉眼的持續時(shí)間進(jìn)行判斷，而是根據眼睛開(kāi)閉的周期進(jìn)行判斷，一定程度上提高了檢測準確性。與此類(lèi)似，2008年4月23日，申請的公開(kāi)號為JP2009261516A的申請，公開(kāi)了疲勞等級的計算公式為：疲勞等級D=眼睛睜開(kāi)度+每次眨眼的平均閉合時(shí)間+眼睛閉合持續時(shí)間，根據上述疲勞等級D進(jìn)行判斷，避免了單獨使用閉眼持續時(shí)間閾值帶來(lái)的誤差。然而，當從前方拍攝車(chē)輛中的駕駛員的圖像時(shí)，來(lái)自車(chē)輛外部的光可能在駕駛員的眼睛周?chē)a(chǎn)生陰影，使得該區域在圖像中看起來(lái)因此缺乏對比度，即，導致了暗的圖像，在這種情況下，不能夠檢測駕駛員的眼睛睜開(kāi)的程度和眼睛的位置，因此難以判斷駕駛員的眼睛睜開(kāi)的程度或駕駛員凝視的方向。因此，2008年5月12日，該公司申請了專(zhuān)利號為JP2009276849A，且該專(zhuān)利有美國、歐洲和中國等同族，在該專(zhuān)利中，申請人使用不同曝光度的兩張圖像對臉的朝向、眼睛開(kāi)合狀態(tài)/凝視方向進(jìn)行檢測，有效避免了上述駕駛員眼睛區域過(guò)暗無(wú)法檢測的問(wèn)題。另外，為了彌補根據眼睛閉合時(shí)間帶來(lái)的檢測的不準確性，該公司與2008年7月16日提出一個(gè)公開(kāi)號為JP2010026657A的專(zhuān)利申請，該申請中，申請人根據眼球晶狀體反射的條紋圖案計算眼球晶狀體的厚度，進(jìn)而確定駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。除時(shí)間閾值外，眼睛開(kāi)合度的閾值確定的是否正確對于睡眠檢測也是至關(guān)重要的。進(jìn)一步的，2008年7月30日，該公司申請的公開(kāi)了號為JP2010－29537A的專(zhuān)利申請，該申請中根據外界環(huán)境修正基準眼睛開(kāi)合度，以確定合理的檢測閾值。除周?chē)h(huán)境外，駕駛員的表情對眼睛開(kāi)合度，同樣在2008年12月17日，該公司提交的又一專(zhuān)利申請（公開(kāi)號為JP2010－14235A），該申請設置了表情推定單元、閾值設定單元，其在判別為表情推定單元推定出的表情是表示清醒度高地表情時(shí)，將閾值設定得低，在判定為表情推定單元推定出的表情是表示清醒度低的表情時(shí)，將所述閾值設定得高，從而提高了檢測的適應性。當前，如果在駕駛員真正瞌睡之前就可以檢測到駕駛員注意力下降，無(wú)疑避免很多疲勞駕駛導致的事故。2010年4月5日，該公司申請了公開(kāi)號為JP5447657B2的申請，該申請公開(kāi)了：當眼睛睜開(kāi)時(shí)間的變化增強，面部方向改變的減弱，則認為駕駛員處于瞌睡前的心不在焉的狀態(tài)。
結束語(yǔ)
我國應了解國外先進(jìn)企業(yè)研究動(dòng)向，掌握疲勞檢測領(lǐng)域的熱點(diǎn)、難點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展方向，積極推進(jìn)學(xué)術(shù)研究成果產(chǎn)業(yè)化，提高科技創(chuàng )新水平、增強市場(chǎng)競爭力，形成我國自有的龍頭企業(yè)與有利的專(zhuān)利布局，有效規避專(zhuān)利糾紛和經(jīng)營(yíng)風(fēng)險。尤為重要的是，通過(guò)疲勞探測技術(shù)的創(chuàng )新與應用，有效降低因疲勞駕駛所造成的生命財產(chǎn)損失。
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