基于FPGA的疲勞駕駛檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

本系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上銷(xiāo)售的車(chē)輛多注重于事故發(fā)生時(shí)對(duì)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。基于FPGA的司機(jī)眼球跟蹤疲勞報(bào)警系統(tǒng)可以很好的解決上述問(wèn)題，且相較于傳統(tǒng)的DSP實(shí)現(xiàn)具有集成度高、處理速度快、功能更強(qiáng)大、方便改進(jìn)內(nèi)部設(shè)計(jì)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(yīng)用性研究方向，其應(yīng)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(tǒng)成為新的應(yīng)用領(lǐng)域。本系統(tǒng)將視頻實(shí)時(shí)跟蹤應(yīng)用于對(duì)疲勞駕駛的司機(jī)報(bào)警，以避免交通事故的發(fā)生。“交通事故猛于虎”。近年來(lái)，國(guó)民擁有私家車(chē)的數(shù)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(shù)的20%左右，占特大交通事故的40%以上；日本的一項(xiàng)事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1%~1.5%；法國(guó)國(guó)家警察總署事故報(bào)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(guó)國(guó)家公路交通安全管理局保守估計(jì)，每年因?yàn)槠隈{駛而導(dǎo)致的車(chē)禍大約有10萬(wàn)起。可以說(shuō)疲勞已成為安全行車(chē)的大敵。

現(xiàn)有市場(chǎng)上銷(xiāo)售的車(chē)輛多注重于事故發(fā)生時(shí)對(duì)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(jī)眼球跟蹤疲勞報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以很好的解決上述問(wèn)題。傳統(tǒng)的視頻跟蹤的圖像處理過(guò)程采用DSP實(shí)現(xiàn)，首先在外圍設(shè)備的設(shè)計(jì)上具有很高的布線復(fù)雜度，且測(cè)量精度受布線影響較大，其次設(shè)計(jì)調(diào)試具有很高的難度，在實(shí)際車(chē)內(nèi)空間內(nèi)往往需要更改某些參數(shù)設(shè)計(jì)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(qiáng)大、集成度高、方便更新內(nèi)部器件的電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

司機(jī)眼球跟蹤疲勞報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用視頻實(shí)時(shí)跟蹤原理，實(shí)時(shí)跟蹤捕捉司機(jī)眼球（通過(guò)臉部圖像跟蹤和眼球識(shí)別），分析司機(jī)眼睛的睜閉情況并計(jì)算閉合時(shí)間，以此判斷是否提出報(bào)警。本系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們以FPGA器件作為硬件基礎(chǔ)，運(yùn)用Xilinx的MicroBlaze嵌入式軟核處理器，結(jié)合圖像處理和動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別算法，輔以必要的外圍電路完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建。為了提高系統(tǒng)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(xiàn)，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(nèi)容。

本設(shè)計(jì)主要適用于經(jīng)常需要長(zhǎng)途開(kāi)車(chē)的司機(jī)，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(tǒng)原理

系統(tǒng)可分為四個(gè)模塊：圖像采集、特征提取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互界面

（1）面部圖像數(shù)據(jù)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(xiàn)模擬視頻信號(hào)向數(shù)字視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使其能夠送入到FPGA內(nèi)部做進(jìn)一步的處理。

（2）圖像處理功能

實(shí)現(xiàn)眼部特征的提取是本設(shè)計(jì)的核心算法部分，根據(jù)獲得的眼部特征判斷眼睛的閉合狀態(tài)。利用MicroBlaze強(qiáng)大的運(yùn)算能力，大部分算法由此軟核運(yùn)行C代碼實(shí)現(xiàn) 。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

FPGA內(nèi)部的用戶(hù)自定義模塊可以將眼睛閉合時(shí)間超過(guò)設(shè)定門(mén)限值時(shí)的視頻信息存儲(chǔ)到CF卡中，在發(fā)生交通意外的情況下這些數(shù)據(jù)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(chǔ)在CF卡中視頻信息在顯示器中顯示出來(lái)。

（4）人機(jī)交互界面

設(shè)計(jì)中使用高分辨率彩色LCD屏，實(shí)現(xiàn)可視化操作界面，根據(jù)用戶(hù)需要，在發(fā)生報(bào)警時(shí)可以顯示提示信息。同時(shí)利用觸控屏，對(duì)界面進(jìn)行功能選擇，例如控制視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。