（控制科学与工程专业论文）基于dm642的驾驶员疲劳检测系统研究.pdf

。 ： r e s e a r c ho nd r i v e rf a t i g u ed e t e c t i o ns y s t e m b a s e do nd m 6 4 2 s p e c i a l t y ：c o n t r o 1 s c i e n c e a n de n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ：里煦i 坠里堑g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a n p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盔盍 日期：丛年互月互日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：拉导师签名冱也日期：业年月三日 摘要 驾驶员疲劳驾驶是导致交通事故频频发生的主要因素之一，车载 的、非接触式的、实时的驾驶疲劳检测设备是研究的主流。本文主要 工作是设计符合实时性的算法，并对程序进行移植优化，在 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 开发板上实现疲劳检测系统。为了满足实时性的要 求，改进了模板匹配算法，设计一种快速的模板匹配算法用来定位人 眼。详细学习了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的体系结构和在其平台上优化的方 法，对其主要的算法进行了一些优化。主要的研究工作及其结论总结 如下： 1 眼睛的定位。传统的模板匹配算法通常效率较低、计算速度较 慢，本文提出了一种快速的模板匹配方法。该算法一开始取较少的点 参与模板匹配，逐步增加参与匹配的点的数目。通过相关系数的比较 来决定下一步增加匹配点继续匹配，或者放弃在该位置的匹配，移动 模板到新的位置进行新的匹配。计算相关系数时，每次增加参与匹配 的点后，首先只对新增的点进行计算，然后与原有的相关系数进行组 合，得到新的相关系数。这样就大大减少了算法的计算量。此外，该 算法在匹配的过程中所使用的点总是均匀覆盖模板，从而保证了算法 的准确度。该算法速度快，准确程度高，能够满足实时性的要求。 2 移植与优化。把p c 上运行的程序移植到t m s 3 2 0 d m 6 4 2 开发 板上运行，由于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 和p cc p u 体系机构不同，为提高 程序的运行效率，需要对程序进行一些修改，修改成适合平台运行的 程序。深入学习了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的体系结构，了解t m s 3 2 0 d m 6 4 2 在平台上对程序的优化方法，对程序进行优化，进一步提高程序的运 行效率。对耗时较长的核心算法人眼的定位算法，采用数据打包，循 环展开，使用内联函数等多种优化方法对其进行重点优化，取得较好 效果。 关键词疲劳检测，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，快速模板匹配，算法优化 a bs t r a c t d r i v e rf a t i g u ed r i v i n gi sam a jo rf a c t o rt h a tc a u s e sf r e q u e n tt r a f f i c a c c i d e n t sf r e q u e n t v e h i c l e ，n o n c o n t a c t ，r e a l t i m ed r i v i n gf a t i g u et e s t i n g e q u i p m e n ti st h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n s t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri s t o d e s i g na l g o r i t h mm e e tt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t s ，t r a n s p l a n ta n d o p t i m i z e t h e c o d e ， r e a l i z e f a t i g u e d e t e c t i o n s y s t e m o nt h e t m s 3 2 0 d m 6 4 2d e v e l o p m e n t p l a t f o r m i no r d e r t om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fr e a l t i m e ，af a s tt e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e dt ol o c a t et h e h u m a ne y eb a s e do nt h et r a d i t i o n a lt e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h m 蹄西a fi s m o r e ，o p t i m i z et h es y s t e ma l g o r i t h mb a s e do nd e t a i l e ds t u d yo ft h e a r c h i t e c t u r et m s 3 2 0 d m 6 4 2d s pa n dt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do nt h e t m s 3 2 0 d m 6 4 2d e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n d c o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 h u m a n e y e s d e t e c t i o na n dl o c a t i o n t h et r a d i t i o n a l t e m p l a t e m a t c h i n gm e t h o d h a sl o we f f i c i e n c yl o ws p e e d t h i sp a p e rs u m su paf a s t t e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h m i nt h eb e g i n n i n g ，j u s tas m a l lp a r tp o i n t sa r e i n v o l v e di nt e m p l a t em a t c h i n g ，a n dg r a d u a l l yi n c r e a s et h en u m b e ro f p o i n t si n v o l v e di nt e m p l a t em a t c h i n g t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n o f c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t st od e t e r m i n ew h e t h e rt oi n c r e a s et h en u m b e ro f m a t c h i n gp o i n t so rt oa b a n d o nt h ec u r r e n tm a t c h i n gp o s i t i o na n dm o v et o an e wp o s i t i o nf o ran e wm a t c h w h e nc a l c u l a t i n gt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ，w ej u s tc a l c u l a t ew i t ht h en e wp o i n t s ，a n dt h e nm e r g ei tw i t h t h eo r i g i n a lc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tt og e tan e wc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t t h i sg r e a t l yr e d u c e st h e c o m p u t a t i o no ft h ea l g o r i t h m t h ep o i n t s i n v o l v e di nc a l c u l a t i n gt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta l w a y sd i s t r i b u t eo nt h e t e m p l a t eu n i f o r m l y t h i s e n s u r e st h e a c c u r a c yo fm e t h o d s o t h e a l g o r i t h mh a sh i g ha c c u r a c ya n dh i g hs p e e d ，a n di tc a ns a t i s f yt h er e q u e s t o f r e a lt i m e 2 t r a n s p l a n t a t i o na n d o p t i m i z a t i o n b e c a u s et h ea r c h i t e c t u r eo f t m s 3 2 0 d m 6 4 2i sd i f f e r e n tf r o mt h ec o m p u t e r sc p u i no l d e rt ot h e p r o g r a me f f i c i e n c yw eh a v et od os o m ec h a n g e so nt h ec o d e si nt h e t t p r o c e s so ft h et r a n s p l a n t a t i o n o p t i m i z et h es y s t e ma l g o r i t h mb a s e do n d e t a i l e d s t u d yo ft h e a r c h i t e c t u r et m s 3 2 0 d m 6 4 2d s pa n dt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o do nt h et m s 3 2 0 d m 6 4 2d e v e l o p m e n tp l a t f o r m f o r t h et i m e c o n s u m i n ge y e sl o c a t i o na l g o r i t h m ，w eu s e dp a c k i n gd a t a , e x p a n d i n gt h ec i r c l e ，u s i n go n l i n ef u n c t i o n sa n do t h e ro p t i m i z a t i o n m e t h o d st oo p t i m i z ei t a n da c h i e v eb e t t e rr e s u l t s k e yw o r d sf a t i g u ed e t e c t i o n t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，f a s tt e m p l a t e m a t c h i n g ，a l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1 疲劳驾驶检测研究的意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外现状3 1 2 2 国内现状4 1 3 论文安排6 第二章硬件平台7 2 1 需求分析和处理器的选择7 2 1 1 微处理器的分类7 2 1 2d s p 和其他处理器的比较8 2 1 3t i d s p 的介绍9 2 2 驾驶员疲劳监控硬件组成1 1 2 2 1 仿真器1 2 2 2 2 红外c c d 摄像机j 1 3 2 2 3 视频采集模块t v p 5 1 5 0 1 4 2 2 4t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 1 5 2 2 5 视频存储模块1 6 第三章眼睛的定位与疲劳的检测1 8 3 1 人眼检测的方法1 8 3 1 1b l i n k 的方法定位眼睛1 8 3 1 2 灰度模板方法1 9 3 1 3 形态学方法检测2 0 3 1 4 边缘检测定位人眼一2 0 3 2 现有的模板匹配算法2 2 3 2 1 几种匹配搜索方法2 2 3 2 2 几种改进匹配相关系数函数的匹配算法2 3 3 3 本文改进的模板匹配算法2 4 3 3 1 人眼模板2 4 3 3 2 一种快速的模板匹配算法2 5 3 3 3 实验与讨论2 8 3 4 驾驶员疲劳状态检测3 0 3 4 1p e r c l o s 算法简介3 1 3 4 2 驾驶疲劳的识别3 2 第四章程序的移植与优化3 3 4 1 算法移植3 3 4 2 程序优化方法3 6 4 2 1 概述3 6 4 2 2c c s 编译选项优化3 8 4 2 3 变量级的优化3 9 4 2 4 函数级的优化4 0 4 2 5 函数编写的优化4 1 4 2 6 优化总结4 6 4 3 实验结果4 7 第五章总结与展望4 9 5 1 论文的主要工作和结论4 9 5 2 总结与展望4 9 参考文献5 1 致谢5 6 攻读学位期间主要的研究成果5 7 v 硕士学位论文 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 疲劳驾驶检测研究的意义 机动车辆作为科学技术进步的产物，为社会和经济的发展做出了巨大贡献， 为人民的生活带来了便利。然而，随着机动车辆的数量越来越多，交通事故频频 发生。表卜1 是近年来我国道路交通事故发生的统计数据【l 】，这给国家带来巨大 的经济损失，给严重交通事故遭遇者及其亲人带来巨大的悲伤。所以对疲劳驾驶 检测系统的研究非常有意义。 表1 - 1 我国20 0 2 - 20 0 5 年道路交通事故统计表 现在全世界由交通事故导致的受伤人数约有2 5 0 0 万人，而每一年至少有5 0 万人由于交通事故的原因死亡【2 1 。在美国的重大交通事故中，5 7 的灾难性事故 是与疲劳驾驶有关的，它已经成为导致交通事故发生的最主要起因，大约有7 0 的美国机车驾驶员反映在疲劳时仍然会驾驶。法国国家事故报告表明，因疲劳驾 驶而发生车祸的占人身伤亡事故1 4 9 ，占死亡事故的2 0 6 。英国交通研究实 验室( t r a n s p o r tr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 得出结论：驾驶疲劳所导致的道路交通事故 占到全部交通事故的1 0 。澳大利亚每年为交通事故的花费的钱达到7 5 亿美元， 其中有接近1 5 亿是由于驾驶员疲劳而直接导致的【引。 国内交通事故的统计数据同样触目惊心。近年来我国经济发展迅速，交通运 输业也得到了迅猛的发展，截至2 0 0 7 年6 月底，中国机动车保有量达到了1 5 2 8 亿 辆，继续保持比较快的增长势头。机动车的流量和交通事故也随着大大地增加， 而在各类交通事故中因疲劳驾驶导致的交通事故占有相当大的比例。2 0 0 3 年3 月 2 1 日，中华医学会等部门在北京地区高速公路白庙，沪杭段嘉兴等地区对5 1 6 名 驾驶员进行问卷调查和警觉测试。结果显示，5 1 的被调查者回忆在驾车过程中 曾经有过打瞌睡的经历，2 5 的驾驶者感觉有过疲劳驾驶，其中1 0 的驾驶员调 查当天有瞌睡【4 】。据中华人民共和国公安部通报全国道路交通事故统计，我国仅 硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 5 年就有2 5 6 6 人在因疲劳驾驶导致的交通事故中失去宝贵的生命。从国内历年 交通事故统计的大量交通事故案例分析中得出结论：因司机疲劳驾驶造成的道路 交通事故大概占到总数的1 5 糊o ，这个数目是非常的惊人的。 因此，开发一个实时系统来监视驾驶员的状态，并且能在不安全状态下对驾 驶员进行警告，对于预防交通事故的发生是非常有必要的。在全球范围内，司机 的疲劳驾驶已经成为导致交通安全事故的重要原因之一。而交通事故给国家造成 巨大的经济损失和人员伤亡，增加了社会不和谐，不安定的因素。在这样严峻的 交通事故形势下，研究预防发生疲劳驾驶的方法和监控司机疲劳状态的系统尤为 必要，其意义是深远重大的。 疲劳从医学的角度来看是人连续从事体力，脑力劳动后，产生的一种机能反 应暂时的下降的现象，它将造成人的差错多，反应迟钝，工作效率低等不良后果。 科学研究表明：人体疲劳按产生的原因可分为三种：病理性疲劳，机体发生病变 而引起的疲劳；生理性疲劳，由于工作过度，身体负荷过重引起的疲劳；心理性 疲劳，是由于生活工作学习等方面受到太大的打击和挫折，导致情绪压抑而引起 的疲劳。 所谓驾驶疲劳是指处于疲劳状态下驾驶员仍然在作业或行车中【5 1 。由于驾驶 车辆动作单调乏味，重复次数太多，使其生理上，心理上发生某种变化，情绪不 是很好，在客观上出现驾驶机能低落，反应迟钝的现象。一般认为驾驶疲劳是同 时涉及体力和脑力的技术性疲劳。 驾驶疲劳的心理表现主要有： ( 1 ) 感觉器官的功能紊乱或者减退，如视觉模糊，听力下降，判断迟缓。 ( 2 ) 对驾驶操作没有信心，无法按驾驶操作规程继续驾驶车辆。 ( 3 ) 注意力分散，判断能力下降，对于周边环境变化不再敏锐，注意力分配 不均，导致漏掉重要的行车信息，控制速度和刹车不协调等。 ( 4 ) 驾驶动作不灵活、节律失调、自动化程度降低。 ( 5 ) 记忆和思考能力下降。在过度疲劳情况下，往往忘记技术操作规程，违 反交通法规，甚至走错行车路线。 ( 6 ) 驾驶员的决心、耐性和自我控制能力减退，缺乏坚持不懈的精神，易于 激动、急躁和开快车。 ( 7 ) 过度疲劳驾驶会使司机在行车途非常的困倦，甚至打瞌睡完全失去对汽 车的控制。 造成驾驶员疲劳的因素有很多，主要集中在以下几点：连续驾驶时间过长， 司机会感到疲劳，注意力下降，反应变的迟钝，美国的m i l l e r 并 l l m a c k i e 发现当连 续行车8 h 以上就会出现生理和心理上的疲劳现象；睡眠不足；长途运输，单调的 2 硕士学位论文 第一章绪论 路线，缺乏变化也会使驾驶员容易疲劳；莽撞驾驶或驾驶技能不熟悉；高温和饥 饿；不良嗜好，首先是酒后驾车毋庸置疑会导致驾驶员疲劳；情绪低落，首先是 出车前长时间处于娱乐状态比如看电视或跳舞会导致驾驶员疲劳；心情不舒畅， 心理压抑。 1 2 国内外研究现状 驾驶疲劳的研究分为主观和客观两种方法【6 】。客观的方法有脑电图( 诊所用 电极) 、肌电图、眼电图、呼吸气流( 鼻声传感器) 、呼吸效果( 胸腔部传感器) 、 动脉血液氧饱和( 手指探针) 时的体温( 用红外线耳朵探针获取) 和心电图( 开 车和睡眠时) 等测量方法。主观的研究方法有主观调查表、驾驶员自我记录、睡 眠习惯调查表、斯坦福睡眠尺度表四种。尽管这些方法比较准确，但是由于这些 方法一般是在驾驶后或者驾驶- f i n 量的，是超前或滞后的，是非实时的，不能准 确的反应驾驶员驾驶时的实时状况。况且复杂的检测仪器一般体积较大，在驾驶 室有限的空间里安装非常的不方便，而在每次开车前去已经安装的地点检测一次 又相当的麻烦并且经济上十分的不划算，也十分不现实，另外驾驶员精神状态是 随时变化的，再精确的仪器其测量结果也会大受影响。因此，开发一种车载的、 实时的、非接触式的疲劳测量装置已成为国内外专家学者努力的目标。 1 2 1 国外现状 早期的疲劳驾驶检测主要是从医学角度出发，借助医疗器件进行的。最早的 研究可以追溯- 至u 1 9 3 5 年，但真正对疲劳驾驶实质性的研究是从2 0 世纪8 0 年代由美 国国会批准交通部实施驾驶服务时间h o s 的改革，研究车辆驾驶和交通安全的关 系开始的 7 1 。近些年来，疲劳驾驶问题”越来越受到人们的关注，许多研究人员 致力于这方面的研究，因此疲劳检测技术也相应地取得了很大的进展。 国外现有的研究成果中最具代表性的产品有： ( 1 ) 打瞌睡驾驶员检测系统d d d s ( t h ed r o w s y d r i v e rd e t e c t i o ns y s t e m ) 。采 用多普勒雷达结合复杂的信号处理方法，可获取驾驶员的情绪活动情况，是出烦 躁不安的情绪还是平稳的情绪、眨眼睛的频率以及眨眼持续的时间等反应疲劳状 态的数据，综合这些数据来判断驾驶员是否打瞌睡，处于睡眠状态或情绪不稳定 的状况。 ( 2 ) 方向盘监视装置s a m ( s t e e r i n ga t t e n t i o nm o n i t o r ) 。这是一种监测方向 盘运动的传感器装置，可得出方向盘是否处于正常运动，适用于各种不同的车辆。 当方向盘不正常运动时，传感器装置就会报警，比如当方向盘4 秒钟不转动时， 3 硕士学位论文第一章绪论 s a m 就会发出报警声，直到方向盘继续正常运动为止【8 】。 ( 3 ) a s c i ( a d v a n c e ds a f e t yc o n c e p t si n c ) 研制开发的测量头部位置的传感器 【1 4 1 。设计在司机座位上面安装一个由电极和电容组成的传感器阵列，每个传感 器都能获取司机头部距离传感器的位置，这样就能够获取头部在三维空间的坐 标，并且实时跟踪头部的位置。利用各个时段头部位置的变化特征，可以表现出 司机处于是否处于瞌睡状态。 ( 4 ) 澳大利亚国立大学研带u d a s ( d f i v e ra s s i s t a n c es y s t e m ) 9 1 。d a s 能够进 行司机疲劳驾驶和注意力检测、检测车辆前方的行人、检测自己车辆与前方车辆 的间距、检测是否偏离车道等。 ( 5 ) 2 0 0 5 年，澳大利亚的研究人员们推出了一款眼镜【l o 】，它可以检测出司 机是否已经处于疲劳状态，并及时提出警告。原理是通过红外线传感器监测司机 的眼睑活动和眨眼频率，据此判断司机是否已经处于疲劳状态。 ( 6 ) 日本丰田设计了一种防疲劳驾驶系统，通过测量人体的生理信号，在 司机的手腕上佩戴一块像手表一样的装置，来测量脉搏、心律等生理信号进行分 析。尼桑公司研究的抗困倦系统利用摄像机监测眼睑的活动情况来检测司机是否 疲劳。东京大学的研究人员在观察人打嗑睡时的血液流动和呼吸状态后发现，在 进人瞌睡状态前，人体末梢血管的血流量会出现一定程度的增加。他们据此研制 出的一种防瞌睡座椅，用安装在靠背内的电磁传感器和压力传感器，从驾驶者背 部测出这一变化，并发出警告【l l 】。 ( 7 ) 法国的一些研究机构在联手研制一种监测司机注意力下降的系统，它 可以通过声音或光信号提醒司机【1 2 】。他们计划用五种传感器：视频传感器( 用来不 间断的测量并分析汽车与旁侧车道白线间的距离) 、方向盘传感器( 监控方向盘的 活动情况) 、脚踏板传感器( 监控脚踏板上的压力状况) 、眼睑传感器( 监控眼睑眨 动持续的时间) 、汽车速度传感器( 监控汽车行驶的速度) 。负责这项技术开发的法 国图卢兹西f - j f ：v d o 汽车公司，在这项研究工作的总投资是1 7 0 0 万法郎，主要 是对车上安装这一套装置的可行性进行研究。 ( 8 ) 瑞典汽车厂商沃尔沃推出了一项“驾驶员警示系统”【1 3 1 。它通过传感器 监控车辆并且参照公路上的各种线来独处车辆的行驶状态，判断车辆是处于有效 控制状态还是处于失控状态，在车子失控前给驾驶员告警，这样可以做到主动防 御安全事故的发生。沃尔沃的这款警示器设计也存在一定不足，因为它要参照公 路上的各种线来辨别车辆的行驶状态，所以当下雪，下雨，雾大等天气路面状况 不好的情况下，该疲劳驾驶显示器的误报率就会非常的高。 1 2 2 国内现状 4 硕士学位论文 第一章绪论 国内对驾驶员疲劳检测的理论和驾驶员疲劳检测设备的研究的相对国外来 说是起步比较晚的，在2 0 世纪6 0 年代，我国才刚开始对驾驶疲劳进行实验性的研 究，并且在防止驾驶员疲劳驾驶方面仍没有十分成熟的技术出现。目前国内在驾 驶员疲劳检测方面的研究主要有以下几个： ( 1 ) 1 9 9 8 年，深圳长途汽车公司的周鹏应用现代神经学、人体生理学、电 子工程学相结合，分析了驾驶员疲劳事故隐患的起因，提出大脑麻痹和异常疲劳 是驾驶员导致交通事故的主要起因。根据这一思想，他研究了佩戴于司机手腕部 与小腿部的司机疲劳事故预防器，用于消除开车时的疲劳和大脑麻痹。 ( 2 ) 北京航天航空大学研究的眼动测量系统，这个系统采用光学系统中的 图像传感器来获得眼睛运动的瞬时模拟图像，然后进过滤波，放大，数模转化后 得到数字图像信号，然后在经过图像处理的俩到瞳孔的信息。计算机对背景视场 摄像机传来的图像和标定后的瞳孔中心位置进行叠加以及数据后处理【1 4 j 。 ( 3 ) 吉林大学交通学院智能车辆课题组通过个车载摄像机和一个实时监 控系统组成疲劳检测系统，对驾驶员面部的状态进行实时跟踪监测，然后分割出 人的嘴巴，然后根据驾驶员说话时的张嘴的大小是一般大、不说话的时候嘴巴是 闭合的、打哈欠时的嘴巴是大张的，人处于不同状态嘴巴的状态也是不同的，来 判断驾驶员是处于正常驾驶状态，打瞌睡状态或者是精神分散状态。首先利用神 经网络算法对驾驶员嘴部状态进行分类，然后将获取的驾驶员嘴部区域的几何特 征值输入到神经网络，即可得到驾驶员嘴部的种种状态。在驾驶员处于疲劳驾驶 和精神分散状态时，给驾驶员告警，直至驾驶员状态恢复正常【l 引。 ( 4 ) 2 0 0 5 年1 1 月，我国研发一种“疲劳驾驶警示眼镜”。这种疲劳驾驶警 示眼镜的方案与国外研制的“疲劳警示器”所用到的检测疲劳和防疲劳的原理基 本上是一样的，都是利用红外传感器来检测驾驶员的眼部活动情况，并根据这个 来得出驾驶员的疲劳状况，并且在驾驶员处于疲劳的情况下给予告警。还有这种 眼镜的有效性还有待于更多实际中的检验。 ( 5 ) 2 0 0 6 年，同济大学道路与交通工程专业的杜志刚等人开始研究如何使 用日本n a c 公司生产的e m r 8 r 型眼动仪来获取眼部信息【1 6 1 ，眼动仪系统主要 由e m r 主机、摄像机、控制器以及数据分析软件等部分组成的，通过记录瞳孔 直径变化来判断驾驶员的疲劳驾驶状况。 ( 6 ) 周玉彬【1 7 】等人采用头戴摄像机的方法来监控驾驶员眼部的状态，采用 头戴式摄像机的方法能够比较精确且容易定位到眼睛区域容易，并把眼睛从图像 中分割出来，但由于接触式、侵入式的缺点使携带不方便，应用不灵活。 总体看来，我国对于车辆驾驶中疲劳驾驶测评方法的研究同发达国家相比， 还有很大的差距。因此，研究如何利用机器视觉技术、图像处理技术、人脸识别 5 硕士学位论文 第一章绪论 技术和专用图像处理芯片相结合，开发出一种车载的、非接触式的、实时的员疲 劳检测系统是当前的一个研究热点，这也是本课题研究的初衷。 1 3 论文安排 本文设计了一套基于d m 6 4 2d s p 驾驶员疲劳检测系统，采用机器视觉和图 像处理的方式检测眼睛，实现了一种具有车载的、非接触的、实时的、不受光照 影响的驾驶疲劳检测系统。论文整体安排如下： 第一章绪论主要指出了课题的提出背景，分析了开展驾驶疲劳课题研究的意 义以及当前国内外驾驶疲劳理论研究及装置应用开发的现状，另外介绍了本文的 研究内容及章节安排。 第二章处理平台的介绍。详细分析了各种处理器的特点，由于图像处理运算 量较大，算法较复杂，选择面向高性能，重复性，数值运算密集型的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 作为核心处理器。介绍了t m s 3 2 0d m 6 4 2 开发的板的硬件结构以及 视频采集驱动的设计。 第三章眼睛的定位与疲劳的检测。介绍了传统人眼定位方法，在详细分析现 有模板匹配算法的基础上，设计了一种快速的模板匹配算法来定位人眼，该算法 可以在确保较高准确度的情况下，提高程序的运行效率。在定位人眼和得到人眼 的状态的基础，统计人眼闭合的图像帧数和总共的帧数，通过这些信息判断驾驶 员是否处于疲劳。 第四章移植与优化。把pc 上运行的程序移植到t m s 3 2 0 d m 6 4 2 开发板上 运行，详细解释了移植应该注意的问题，包括数据类型和数据一致性问题。详细 研究各种优化方法，并利用这些方法对程序进行优化。 第五章对全文做了总结，并提出了现存的一些问题，指出了今后应努力的方 向。 6 硕士学位论文第二章硬件平台 第二章硬件平台 2 。1 需求分析和处理器的选择 驾驶员疲劳度实时监控系统要满足实时性，系统的实时性是指系统必须在有 限的时间内对外部输入信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于等于输 入信号更新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够小。不同类型 的信号所要求的实时信号处理速度相差很大例如对于一个每帧数据字长 5 7 6 7 2 0 1 6b i t s 、传输速率为2 5 帧秒的图像信号，即每帧的更新速度为4 0 毫秒。 因而它对实时处理速度的要求是系统处理每帧图像的时间要小于等于4 0 毫秒。 由此可知，对实时信号处理速度的要求与原始模拟信号带宽、数据格式( 字长、 维数) 、数字图像处理算法复杂度等因素密切相关【l 引。 嵌入式图像处理平台按处理器的不同，大致可以分为三类： ( 1 ) 基于专用视频图像芯片的图像采集处理平台 ( 2 ) 基于通用微处理器的图像处理平台 ( 3 ) 基于d s p 的图像处理平台 基于专用视频图像芯片的图像处理平台其核心处理单元为专用图像芯片，该 图像芯片决定了系统的功能，因此灵活性不好，具有一定的局限性，其应用主要 针对某一类产品。相比基于专用视频图像芯片而言，基于通用微处理器的和基于 d s p 的视频采集处理系统，可根据不同的应用，编制不同的图像处理程序，所以 具有更大的灵活性。因为图像处理算法较复杂，运算量较大，而基于冯诺依曼 结构的通用微处理器并行性不是很好，所以很难满足图像处理的实时性的要求， 比如基于p c 机的图像采集处理系统，采用通过视频采集卡获取数字化视频信息， 通过运行相应的p c 程序实现视频的采集，显示和存储。而采用多级内存，有专 用存储器，专用寻址单元的d s p ，针对需要处理大量数据，实现复杂算法的图像 处理系统来说，非常适合。 2 1 1 微处理器的分类 ( 1 ) 通用处理器( g p p ) 【1 9 1 ：一般采用冯诺依曼结构，程序和数据存储空间 合二为一，数据和程序共用一套总线，所以存取数据和取程序不能并行进行，只 能串行进行，一次只能存取一个，不能同时进行，运行效率低。常用的通用处理 器有：有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系 列等在通用处理器中，采取各种方法提高计算速度，如提高时钟频率，高速总线， 7 硕士学位论文第二章硬件平台 多级c a c h e ，协处理器等。通用微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本 低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各 种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 ( 2 ) 单片机( s i n g l ec h i pc o m p u t e r ) ：它将整个计算机系统集成到一块芯片 中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在 芯片内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看 门狗、f o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h r a m 、e e p r o m 等 各种必要功能部件和外设。适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进 行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生 产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可 以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。常 用的单片机有【2 0 】： i n t e l8 0 5 1 ，8 0 3 1 , 8 0 5 2 a h 等。 p h i l i p s8 0 c e 5 8 88 7 c 3 2 ，8 7 c 5 9 1 等。 a t m e l8 9 c 51 ，8 9 l s 8 2 5 2 ，8 9 c 5 2 等。 ( 3 ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s 0 0 ：d s p 是一种独特的微处理器，是处理大 量数字信号的器件。最大区别是d s p 能够高速、实时地进行数字信号处理运算。 d s p 设置了硬件乘法累加器，能在单个指令周期内完成乘a n 运算，为满足f f t 、 卷积等数字信号处理的特殊要求，目前d s p 大多在指令系统中设置了“循环寻址” 及“位倒序”寻址指令和其他特殊指令，使得寻址、排序的速度大大提高。新型的 d s p 设置了单独的d m a 总线及其控制器，在不影响或基本不影响d s p 处理速 度的情况下，作并行的数据传送，传送速率可达每秒百兆字节【2 1 1 。 2 1 2d s p 和其他处理器的比较 ( 1 ) d s p 与单片机的比较 与单片机相比，d s p 多用于算法比较复杂、乘加运算量比较大的应用，如通 信、音视频处理等 ( 2 ) d s p 与通用处理器的比较 d s p 处理器和奔腾或者p o w e r p c 等通用处理器有很大的区别，这些区别产 生于d s p 的结构和指令是专门针对数字信号处理而开发设计的，它具有以下优 点： 1 对密集的乘法运算的支持：d s p 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘 法，还增加了累加器、寄存器来处理多个乘积的和，指令集中包含有显式的m a c 指令，能够单周期执行乘法操作，而通用处理需要几百个周期，其速度的提高是 g 硕士学位论文 第二章硬件平台 非常明显的。 2 存储器结构：g p p 使用冯诺依曼结构，程序和数据存储空间合二为一， 数据和程序共用一套总线，所以存取数据和取程序不能并行进行，只能串行进行， 一次只能存取一个，不能同时进行，运行效率低。而大多数d s p 采用了哈佛结 构，用程序存储空间和数据存储空间分别存储程序和数据，使用数据总线和程序 总线对分别对数据和程序进行存取，两个操作并行进行。这种安排将处理器、存 储器的带宽加倍，在这种布局下，d s p 得以实现单周期的m a c 指令【2 2 。 3 零开销循环：d s p 有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是 指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的 顶部，将循环计数器减1 ，硬件完成循环跳转和循环计数器的衰减。g p p 的循环 使用软件来实现。 4 专门的寻址方式：d s p 处理器往往都支持专门的寻址模式，经常包括含 有专门的地址产生器，它能产生信号处理算法需要的特殊寻址。为满足f f t 、卷 积等数字信号处理的特殊要求，目前d s p 大多在指令系统中设置了“循环寻址” 及“位倒序”寻址指令和其他特殊指令，使得寻址、排序的速度大大提高。d s p 完 成1 0 2 4 复点f f t 的运算，所需时间仅为微秒量级。 5 执行时间的预测：高性能的g p p ，由于大量超高速数据和程序缓存的使 用，动态分配程序，使得执行时间的预测变得复杂和困难。但是d s p 既使是使 用了高速缓存，哪些指令会放进去也是由程序员( 而不是处理器) 来决定的，因此 很容易判断指令是从高速缓存还是从存储器中读取。d s p 一般不使用动态特性， 如转移预测和推理执行等。因此，由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是 完全直截了当的【2 3 j 。 由以上可知，在d s p 中，程序可以方便灵活地被修改和升级，此外相对于 g p p 来说，d s p 的价格便宜，可以有效的降低成本。并且功耗很低，可以做成 嵌入式的设备，综合考虑，本系统中选用d s p 作为处理器。 2 1 3t i d s p 的介绍 d s p 的主要供应商有t i ，a d i ，m o t o r o l a , l u c e n t 和z i l o g 等，其中t i 占有 最大的市场份额，技术文档全面，详细，所以选择t i 公司的d s p 。t id s p 的选 型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内的资源，如 定时器的数量、i o 口数量、中断数量、d m a 通道数等。 每种d s p 都有自己比较适合的应用领域，在系统设计时必须根据系统的特 点进行选择。t i 公司的d s p 为例，c 2 0 0 0 系列处理器提供多种控制系统使用外 围设各，比较适合控制领域；c 5 0 0 0 系列处理器具有处理速度快、功耗低、相对 o 硕士学位论文 第二章硬件平台 成本低等特点，比较适合便携设各备及消费类电子设备使用；而c 6 0 0 0 系列处 理器具有处理速度快、精度高等特点，更适合图像处理、通信设各等应用领域。 因此，在系统设计时首先要根据系统的特点进行处理器的具体选择【2 4 1 。 t i 公司现在主推四大系列d s p ( 1 ) c 2 0 0 0 系列( 定点、控制器) c 2 0 x ，f 2 0 x ，f 2 4 x ，f 2 4 x x ，c 2 8 x 。 该系芯片主要长处是在用于控制系统，因为它的资源非常丰富，在控制系统中用 到的一些外设系列均在c 2 0 0 0 片内集成了。该系芯片具有大量外设资源，如- a d 、 定时器、各种串口( 同步和异步) ，w a t c h d o g 、c a n 总线p w m 发生器、数 字i o 脚等。是针对控制应用最佳化的d s p ，在t i 所有的d s p 中，只有c 2 0 0 0 有f l a s h ，也只有该系列有异步串口可以和p c 的u a r t 相连。 ( 2 ) c 5 0 0 0 系列( 定点、低功耗) c 5 4 x ，c 5 4 x x ，c 5 5 x 相比其它系列的 主要特点是低功耗，所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、 p d a 、g p s 等应用。处理速度在8 0 m i p s 4 0 0 m i p s 之间。c 5 4 x x 和c 5 5 x x 一般 只具有m c b s p 同步串口、h p i 并行接口、定时器、d m a 等外设