工程实践开题报告

中国科学技术大学软件学院工程实践开题报告工程题目：指导老师：李春杰小组成员：彭海维王站立中国科学技术大学软件学院填表日期：年月日一、工程摘要：根据调查数据显示，疲劳驾驶，超速驾驶，危险驾驶均是交通事故发生的重要原因。而且随着机动车辆的增多，物流行业的开展。这些问题成了危害人民生命财产平安的社会问题。所以，研制能够检测这些危险行为的系统。并且，给司机以提醒，防患于未然，具有重要的意义。本工程在学习了国内外相关研究的根底上。分析学习各种检测危险行为的方法，实现了一种主要基于机器视觉的危险行为检测系统。主要工作如下：利用图像处理技术，检测判断司机是否处于疲劳状态。譬如困倦、专注力下降。如果是，那么及时给司机以提醒。利用图像处理技术，检测判断司机是否有譬如打、东张西望等等的危险行为。如果有，及时给司机提醒。利用GPS传感器获得车速，如果超速，提醒司机减速行驶。记录司机的连续驾车时间，超出科学时间后给司机以提醒。根据时间长短，综合整体疲劳状态，加大提醒的力度。所有这些功能必须能够在安卓智能上实现。到达一定的精确性与实用性要求。主题词：图像处理危险驾驶安卓设备选题依据当前社会，随着经济和科技的不断开展，人们的生活方式发生了巨大的改变。仅仅在出行工具的选择上，相对于数千年前的步行、骑马、帆船、马车，现代人的选择变成了汽车、火车、轮船甚至飞机，不仅速度更加快捷，舒适程度上也不可同日而语。在这些交通工具中，汽车的使用又最为广泛。近五十年来，世界政治局势趋于稳定，大规模冲突减少，经济、科技开展迅速，人类的生活水平得到进一步提升。改革开放三十年以来的中国，也发生了翻天覆地的变化。从建国初期长春第一汽车制造厂生产出第一辆中国自己的解放汽车，到如今包括公交车、长短途大巴、货车、消防车救护车警车等特种汽车在内的各种汽车已经成为人们生活必不可少的一局部。尤其是近十年来，私家车的迅速普及，让汽车走进了普通百姓的家中，成为一种重要的代步工具。然而，汽车在带来便利的同时，也带来了环境污染、交通拥堵、平安事故等等多种问题，其中又以平安事故频发最为严重。相关数据说明，中国每5分钟有一人因车祸死亡,每一分钟有一人因车祸伤残,每天死亡280多人,每年死亡10万多人。2023年，全国共发生道路交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受伤，直接财产损失亿元。2023年全国共发生道路交通事故万起，造成67759人死亡、275125人受伤，直接财产损失亿元。2023年，全国共接报道路交通事故3906164起。其中，涉及人员伤亡的道路交通事故219521起，造成65225人死亡、254075人受伤，直接财产损失亿。自1899年发生第一起有记录车祸以来，全球车祸累计死亡3000万人，交通事故造成的损失相当沉重。〔数据来自网络〕中国2023年因疲劳驾驶导致的道路交通事故共2568起,其中死亡1353人,受伤3129人,造成的直接财产损失约5738万元。疲劳驾驶的事故率高,后果严重。由于很多交通事故的起因复杂，疲劳驾驶可能导致的超速、违规等出现，也可能间接引发严重的交通事故。目前对疲劳驾驶仍然没有一个具体的认定标准，因此，实际上因为驾驶人员疲劳驾驶导致的交通事故比例可能要比统计数据高出很多。疲劳是一种主观不适感觉，但客观上会在同等条件下，失去其完成原来所从事的正常活动或工作能力。疲劳作为人们连续学习或工作以后效率下降的一种现象,可以分生理疲劳与心理疲劳。生理疲劳是疲劳在生理上的反响,心理疲劳是疲劳在心理上的反响。驾驶疲劳是脑力、体力同时参与的技术性疲劳。由于驾驶人动作反复、连续,且重复的次数太多,使其生理、心理上发生某种变化,出现驾驶机能低落的现象,主要表现为注意力分散,打瞌睡,视野变窄,信息漏看,反响判断迟钝,驾驶操作失误或完全丧失驾驶能力,以至发生碰撞、冲出路面等交通事故。在全球范围内,疲劳驾驶也已成为导致交通平安事故的重要原因之一。根据美国国家公路交通平安管理局的统计，在美国的公路上，每年由于驾驶人在驾驶过程中进入睡眠状态而导致大约10万起交通事故，其中约有1500起直接导致死亡，万起导致人身伤害。在欧洲的情况也大致相同。据德国保险公司协会估计，在德国境内的高速公路上，大约25%的导致人员伤亡的交通事故都是因为疲劳驾驶而引发。法国国家警察总署事故统计报告说明，因疲劳瞌睡而产生的事故，占人身伤害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。日本的事故统计揭示,因疲劳驾驶产生的事故约占1.0%~1.5%。这些数据都说明，疲劳驾驶严重影响行车平安,是造成交通事故的重大隐患。〔数据来自《交通运输工程学报》2023年4月《疲劳驾驶与交通事故关系》，李都厚等〕以上事实说明，危险检测已经越来越成为一种现实需求。借助科技手段，开发出一种通过检测驾驶人员的疲劳状况，可以及时提醒驾驶人员注意平安或者及时休息的设备，以减少事故的发生率，保障驾驶平安，是一种迫切的现实需求。同时，这也是我们作为工程人员可以做出的奉献。综上所述，危险驾驶检测工程，具有较强的实际意义，值得进行深入的研究与实践。我们希望可以开发出一种车载嵌入式产品，该产品应当能够智能的判断出驾驶人员当前的驾驶状态。如果驾驶人员疲劳，那么主要〔但不限于〕通过声音等方式对驾驶人员进行提醒报警，敦促其集中注意力或尽快进行休息。通过该种产品实现对平安驾驶的保障，降低交通事故发生率，减少人民生命财产的损失。2.国内外技术应用现状和开展趋势从上世纪九十年代开始，我国已开始了疲劳驾驶的相关研究，期间所取得的主要研究成果如下：〔1〕1998年，深圳长途汽车公司的周鹏，运用人体生理学，现代神经学，电子工程学分析了驾驶员疲劳事故隐患的起因，突破了预防异常疲劳与神经麻痹难题，提出消除疲劳事故隐患必须消除司机开车时的异常疲劳和大脑麻痹，在国内外首创了“佩带式疲劳事故预防器〞技术，并成功获得技术专利。根据这一思想他研究了佩戴在小腿部的称为驾驶员疲劳防止器，该系统能疏导人体经络，可以消除项、背、腰、释部、下肢以及后侧的各种不适与疼痛。佩戴在手腕部的称为驾驶员清醒器，该系统在驾驶员手腕部的驾驶员清醒器输出的仿生电场，促进了人体上身及头部的血液与体液循环，改善了驾驶员大脑的供载量，保障了感受器神经冲动的电脉冲传入中枢神经后的传出特性。该方法佩戴将改变驾驶员的开车习惯等，实现较为复杂。〔2〕车辆方向盘的操作状况虽然与驾驶员的驾驶习惯有一定联系，但是研究说明还与驾驶员的身体状态直接关联，当驾驶员处于疲劳状态时，其方向盘操作的频率也会明显降低，如果通过在一定时间内该情况持续出现那么可以判定驾驶员大脑处于迟钝的状态，即驾驶员已出现疲劳状态。根据这一关联特性，上海交通大学的石坚等人于2000年通过采集和分析汽车方向盘与脚踏板操作信息来判定驾驶员的疲劳状态，从而实现了预防疲劳驾驶目的。态，即驾驶员已出现疲劳状态。根据这一关联特性，上海交通大学的石坚等人于2000年通过采集和分析汽车方向盘与脚踏板操作信息来判定驾驶员的疲劳状态，从而实现了预防疲劳驾驶目的。该方法主要判断方向盘操作状况来判断疲劳。〔3〕来自吉林大学的王荣本等人提出通过采集驾驶员脸部信息来进行疲劳状态判定的方法，该方法的核心思想是结合驾驶员的嘴部现状变化和眼睛的睁闭频率两种信息来检测驾驶员的疲劳状态，除此以外，该系统融合了平安车距的检测，从而提升了该检测系统的准确性和全面性，一定程度上促进了疲劳驾驶检测的研究。该方法主要判断嘴部和眼睛闭合程度来判断疲劳。〔4〕首都师范大学信息工程学院的韩相军、关永等人提出了一种采用累积差分帧和Hough变换等实时图像处理技术进行检测和跟踪眼睛的方法，这种方法通过分析眼睛的状态和提取眼睛的特征参数，在一定时间内连续统计眼睛闭合时间，从而计算出PERCLOS值，判断驾驶员的疲劳状态。他们通过将这种眼睛检测和跟踪算法在专用的DSP上进行实验，设计和开发了一种用于监测疲劳驾驶的嵌入式系统。该方法主要跟踪和分析眼睛的状态。〔5〕2006年，同济大学道路与交通工程教育部重点试验室杜志刚等人研究使用日本NAC公司生产的EMRSR型眼动仪，成功研发由MR主机、控制器、摄像机以及数据分析软件等组成的疲劳检测系统，该系统可实现通过记录瞳孔直径变化进行疲劳驾驶检测。〔6〕2023年，浙江大学计算机科学与技术学院的吴群等人以人体在不同疲劳程度下心电信号数据和PERCLOS值作为检测疲劳驾驶的综合考量因素，实现疲劳驾驶检测。〔7〕2023年，华南理工大学电子与信息学院的程旭东在Viola人脸检测的特征分类器根底上，提出了一种新的特征分类器训练方法，对搜集的睁眼图像反刍样本集进行增量迭代训练，得到性能优秀的睁眼图像检测分类器，其睁眼图像检测准确率高达94.5%，作者将该算法应用在列车驾驶员辅助系统以检测驾驶员状态，预防疲劳驾驶。同样来自华南理工的黄河那么采用基于EHMM的眼状态检测算法，在可重构平台SoPC上加以实现，完成疲劳驾驶中的人眼状态检测。以上所列举的事例展示了疲劳驾驶检测在国内主要研究状况，而国外早期的驾驶疲劳测评主要从医学角度出发，借助医疗器械进行。最早的研究甚至可以追溯20世纪30年代，而疲劳驾驶真正进入实质性的研究侧是从20世纪80年代由美国国会批准交通部实施的驾驶效劳时间〔HOS〕改革、研究商业机动车驾驶时间与交通平安的关系、健全卡车和公共汽车平安管理条例开始的。1993年，美国汽车联合会(AAA)开始研究疲劳驾驶与交通平安之间的关系，但研究目的仍停留在利用交通事故的经验对司机进行教育，研究的实施过程是让司机作关于自身驾驶习惯和驾驶时间的评测。由于引发疲劳因素的多样性以及个体体质存在差异，主观的调查方法很难成为评测驾驶疲劳的科学标准。直到90年代中期，欧洲、日本、美国等国家陆续投入研究疲劳驾驶实时监测系统，并取得一系列进展，接下来将列举其中几个有代表性的方法：〔1〕1999年4月美国联邦公路管理局发表了一篇名为“用于警示驾驶员的视觉测量方法〞的学术性文章，首次提出利用PERCLOS方法检测驾驶员疲劳驾驶状态，该方法得到美国华盛顿大学以及国际上其他知名大学教授的认可，PERCLOS方法也作为预测驾驶员疲劳状态的有效方法得以快速推广。日本先锋公司于2004年开发出防止司机开车打瞌睡的系统，该系统可通过检测驾驶员心跳速度的变化来监视司机是否打瞌睡，并可以在睡意来临的15分钟以前提醒司机注意，从而预防事故的发生。由于实验证明人因疲劳打瞌睡时，心跳速度会下降，所以该系统的核心技术之一是利用贴在方向盘上的心跳感应器周期性检测驾驶员的心跳速度，除此以外，该系统还集成用来检测汽车速度的变化和方向盘操作频率的设备，并利用车载导航设备监控汽车是否蛇行，经过综合分析汽车和驾驶员的表现实现有效预防疲劳驾驶。〔3〕卡内基梅隆大学机器人研究所针对疲劳驾驶开发了Copilot系统，该系统同样采用PERCLOS方法检测疲劳。系统采用红外照明，利用眼睛因对红外光反射而在图像中形成光点的特征，以及视网膜对不同波长红外光的反射率不同的特点，分别用两个CCD摄像机采集波长为850nm和900nm红外光照明的图像，对所获得两幅图像作差，从而得到眼睛的位置，在此根底上进一步分析眼球的大小，从而得到驾驶员的眼睛睁开程度，再利用PERCLOS方法对疲劳进行判定，值得一提的是该方法因采用红外光源，所以可消除眼镜的影响，适用范围更广。〔4〕ELLison研究实验室研制的DAS2000(TheDAS2000RoadAlertSystem)型路面警告系统是一种设置在公路上用计算机控制的红外线监测装置，它通过监测车辆的行驶方向是否正常来判断驾驶员是否疲劳驾驶。当车辆偏离道路中线太远、将要冲出路面时，该装置会向驾驶员发出警告。〔5〕瑞典沃尔沃汽车公司最近推出的“驾驶员警示系统〞通过实时监测车辆的行驶过程，记录并分析司机的驾驶行为，判断车辆是否处于有效控制状态，从而能够主动地预防平安事故的发生。一旦系统发现车辆处于失效控制状态时，就及时地予以警示。选题的先进性和实用性疲劳驾驶检测技术的研究对平安驾驶有着极其重要的作用，综上所述，其对道路交通平安提供保障，具有重要的社会意义。人们越来越重视汽车平安问题，解决平安问题已成为汽车企业引以为傲的竞争力。虽然近年来出现了各种针对疲劳检测的方法和技术，但是各种技术均存在着明显缺乏，需要在实用性、准确性、低本钱等等方面得到完善。选题顺应时代进步潮流，会为该领域的的开展做出一份努力。这一系统只要能实现，能提供工程要求的疲劳检测功能其实用性也不言而喻。技术难度和工作量汽车车平安驾驶疲劳检测技术属于当前热门且前沿的技术，出现了很多疲劳检测的方法，但是实现可靠的检测仍存在的技术难度，主要有如下：〔1〕疲劳状态的认定没有十分精确的标准，可能每个人的疲劳特征会有些许的差异，会对疲劳的检测造成一定的影响。〔2〕我们主要采用非接触性的图像识别技术来进行疲劳检测，图像识别算法本身就具有一定的难度，加之复杂的应用环境需要更深入的分析和最终的编程实现。〔3〕本次课题任务只有6个月左右的时间，结合多种模块实现精确的疲劳检测存在很大的工作量，这也将是难度挑战。综和上文中的国内外研究成果，可以将上述所有方法粗略的分为三类：1.对于人体医学信号进行检测，例如脑电，心跳等、虽然此类系统能保证一定的准确性，但是通常造价昂贵，一般是接触性的检测，不一定符合驾驶员的开车习惯，容易给驾驶员工作带来影响。2.检测总体行车环境，例如车子的行车方向是否正常，但是该方法具体实现的准确率和快速性往往比拟差。检测驾驶员的面部特征，尤其是眼睛的闭合程度来判断是否疲劳是应用最为广泛的方法。随着计算机视觉技术以及图像处理技术越来越多地应用于现实生活，以机器视觉为根底的疲劳检测系统凭借较低的研发、制造本钱和强大的图像处理技术，得到了更多研究者的青睐，加上它是一种非接触式系统，对驾驶员工作没有不良影响，更容易被消费者接受。分析完已有研究成果，根据工程要求。我们小组决定主要采用检测驾驶员面部特征的方法实现危险驾驶检测。虽然危险驾驶检测的研究工作已经取得一定的成果，但是由于图像识别的复杂性及各种复杂因素的干扰，使得开发出具有很好精确性、实用性、方便性、低本钱特性的系统仍是一个值得继续研究的课题。我们会综合司机的头部行为、车速、连续驾驶时间等，分析司机是否处于危险驾驶状态。危险驾驶检测系统的运行平台是智能。因此很容易获取，无需花费资金采购设备。同时对软件推广也带来了便利。其中的前置摄像头，GPS均很容易调用来实现检测系统的功能。OpenCV函数库应经提供了很多成熟的图像处理函数，我们只需研究函数功能，通过合理的调用，灵活使用根本能够实现工程的功能要求。6.主要参考文献[1]周鹏.疲劳事故隐患消除技术与方法.汽车电器,1998(4):16-17[2]石坚,卓斌.汽车驾驶员主动平安性因素的辨识与分析.上海交通大学学报,2000，34(4):440-445[3]王荣本,郭克友．一种基于Gabor小波的驾驶员眼部状态识别方法的研究[J].中国图像图形学报,2003,8A(9):1043-1047[4]杜志刚,蒋宏,潘晓东.眼动仪在道路交通平安与环境评价中的应用[A].第三届全国公路科技创新高层论坛论文集[C].北京:人民交通出版社,2006.4:893~899[5]吴群.基于心电信号的驾驶疲劳检测方法研究[D].浙江:浙江大学,2023[6]程东旭.驾驶环境中人眼睁闭状态跟踪[D].中国广州:华南理工大学,2023[7]黄河.驾驶员眼状态识别系统的SOC设计研究[D].中国广州:华南理工大学,2023[8]FletcherA,DawsonD.Field-basedValidationofAWork-relatedFatigueModelBasedOnHoursofWork[J].TransportationResearch,2001,4(1):75-88[9]SherryP.Jobstressandfatigueinrailroaddispatchers[J].UnpublishedReport,1998:68-73[10]TaubJM,TanguayPE,ClarksonD.Effectsofdaytimenapsonperformanceandmoodinacollegestudentpopulation[J].JournalofAbnormalPsychology,1985:210-217[17]JohnStern,DuanePerrin,WaltWierwille,MelissaMallis.OcularMeasuresofDriverAlertness[J].ScienceDailyMagazine,1999,(8)：25-36[11]何德功.日本创造通过心速变化提醒司机不打瞌睡的新系统[J]．驾驶园世界博览栏目，2004，l0(8)：46-47[12]EllenMAyoob.Copilot[EB/OL]．：//ri/projects/project-435.html,2003[13]LHartley.TheDAS2000RoadAlertSystemHighTechSolutiontoDriverFatigue.://,2006[14]刘灵，邓小燕，徐颖.汽车驾驶员监测方法与装置的研究现状[J].医疗卫生装备，2006，27(12):28-31课题内容与具体方案课题根本内容开发一套实时，可靠的汽车平安驾驶疲劳检测系统，该系统用于非接触性的对驾驶人员进行监控，在驾驶人员出现疲劳病症的时候，能及时做出相应的处理，如轻微疲劳时，通过语音提醒驾驶人员注意休息，如到了深度疲劳驾驶的时候，那么自动采取应急操作，来减少平安事故发生的可能性。最终开发出一套能在安卓上运行的软件系统，以安卓为硬件平台实现工程要求的功能。系统需求分析经过初步的需求分析，得到系统的主要要求：=1\*GB3①利用图像处理技术，检测判断司机是否处于疲劳状态。譬如困倦、专注力下降。如果是，那么及时给司机以提醒。=2\*GB3②利用图像处理技术，检测判断司机是否有譬如打、东张西望等等的危险行为。如果有，及时给司机提醒。=3\*GB3③利用GPS传感器获得车速，如果超速，提醒司机减速行驶。=4\*GB3④记录司机的连续驾车时间，超出科学时间后给司机以提醒。根据时间长短，综合整体疲劳状态，加大提醒的力度。=5\*GB3⑤所有这些功能必须能够在安卓智能上实现。到达一定的准确性、实时性、稳定性、实用性要求。数据流图：硬件及软件平台方案=1\*GB3①硬件平台：使用容易获取的安卓智能，需要用到前置摄像头、GPS传感器模块。=2\*GB3②软件平台：基于Linux的Android操作系统。软件开发工具：eclipse集成开发环境，需要安装OpenCV库。开发语言：Java/C++软件设计方案整个工程采用自顶向下以及模块化的设计方法。〔1)搭建硬件平台安卓智能〔2)搭建软件开发环境eclipse集成开发环境〔3)调用摄像头(4)图像采集模块(5)人脸识别模块该模块的功能就是要在各种复杂的情况下，如光线强弱问题、驾驶员偏头动作等，准确的识别出人脸范围，为下一步的眼睛定位打下根底。(6)眼睛状态识别模块眼睛状态主要分为睁开和闭合两种状态，这里通过对相关文献的分析，采用P80标准，即眼睑遮住瞳孔面积超过80%就计为眼睛闭合。该模块要实现的功能就是在精确定位眼睛位置的前提下，准确的识别出眼睛处于何种状态。(7)获取正常驾驶状态模块我们可以认为司机驾车的前几分钟是处在精神高度集中，平安驾驶的状态的。对这段时间司机的眼睛闭合程度的记录，可以作为以后判断司机是否处于疲劳状态的参考值。因为不同的司机眼睛大小、身材都不同。因此摄像头获取的信息也会不同，使用同一标准做出判断肯定是不合理的。(8)综合分析判断模块对疲劳与危险行为做出判断。对疲劳的检测：综合驾车时间，主要采用PERCLOS判别方法，这是比拟公认且有效的疲劳判别方法,计算公式如下。根据PERCLOS