基于眼部特征的人体疲劳状态检测技术

张孙俊 祝凯 李伟莎 孙曰俊

摘要：眼部状态的检测被认为是目前最准确可靠的疲劳状态检测方法，快速、准确地进行眼部定位和状态识别是疲劳检测的关键。本文基于眼部特征的人体疲劳检测方法，主要包括：人脸眼部定位、眼部特征提取以及根据PERCLOS 的 P80 标准进行疲劳检测，最终开发了一套疲劳程度检测软件系统，具有一定的理论意义和较好的应用价值。

关键词：眼部特征;疲劳检测;眼睛纵横比;PERCLOS

1 前言

疲劳检测是一门多学科融合的综合技术，包含了生命科学、计算机科学、传感器技术、人工智能技术等，一直是国内外研究的热点问题。交通事故也已被公认为当今世界危害人类生命安全的第一大公害， “过劳死”、“疲劳驾驶”等时有发生。研究人体疲劳及其监测很有必要。基于眼部特征的疲劳检测技术可在人体疲劳时发出预警，避免不必要的人身伤害。本文的主要目的是利用已有的摄像头资源，采用快速、准确的算法，开发符合人体疲劳检测要求的软件。

2 方法

快速、准确的特点地进行眼部定位和状态识别是疲劳检测的关键，本文使用判断疲劳程度的PERCLOS 标准和抓取眨眼特征的EAR算法。

2.1 眼部特征提取的原理

Soukupová等人在其2016年的论文“Real-Time Eye Blink Detection using Facial Landmarks”中提出眼睛纵横比（EAR）的概念，它基于眼睛的特征点之间的距离比例作为张开度指标。图1中的6个特征点p1至p6是人脸特征点中对应眼睛的6个特征点。每只眼睛由6个（x，y）坐标表示，基于这个描述，我们可以导出EAR的方程。

根据PERCLOS的P80标准内容有：其定义为单位时间内（一般取1分钟或者30秒）眼睛闭合80%的时间，则认为发生了疲劳。只需测出t1～t4的值，就能计算出PERCLOS 的值f。

t1是眼睛由睁开到闭合到眼睛最大开度80%的时刻;t2是眼睛由睁开到闭合到眼睛最大开度20%的时刻;t3是眼睛从闭合到睁开到眼睛最大开度20%的时刻;t4是眼睛从闭合到睁开到眼睛最大开度80%的时刻。

2.2 算法實现

（1）数据采集。利用opencv库调用摄像头，实时抓拍驾驶室的人脸活动范围画面。

（2）预处理。利用dlib库进行人脸识别，把图片的范围锁定到人脸的区域。

（3）抓取眼部特征。基于人脸定位的68个点，提取眼部的12个定位点。

（4）眼部处理。计算EAR，判断是否眨眼，如果眨眼，则进入下一个疲劳识别环节。

（5）疲劳识别。根据PERCLOS算法判断是否疲劳。

（6）判断疲劳。通过疲劳的判断来选择：若被检测不疲劳，则继续检测;反之，则发出警告。

（7）疲劳处理。发现人体疲劳时，发出警告声提醒，直到采取关闭或接收提示之后，不再发声。

（8）检测结束。关闭检测系统。若还想继续进行疲劳检测，可重启程序。

3 结果分析

基于算法开发了相应软件，其运行效果如图2。界面左侧展示了张开度，右侧是实时监测的画面，底部是一些功能按钮。可以通过摄像头检测人脸和眼部特征进行疲劳检测，如果处于疲劳状态则标签显示红色。

图3是眼睛开度动态图分析，横坐标是“时间序列”，纵坐标是眼睛开度EAR的值。检测过程可出现如下情况：

（1）正常情况：蓝线部分为正常状态下的EAR，浮动变化不大，可作为判断眨眼的基准值。

（2）眨眼情况：明显低于正常的水平的60%可视为眨眼，眨眼的频率也是作为疲劳的一个依据。

（3）检测不到的情况：由于环境的光线会产生检测不到人眼的情况，此时EAR为0。

（4）异常情况：人为睁大眼睛或眯眼都视为异常，根据闭眼或眯眼时间的长短来判断是否为疲劳。

4 结论

本文实现了基于人眼特征的疲劳识别，结合目前流行的算法形成了一个可运行的软件。算法还有很大的进步空间，可继续完善并结合嵌入式硬件应用于实际场景中。

参考文献

[1]唐广发， 张会林. 人眼疲劳预测技术的研究[J]. 计算机工程与应用， 2016， 52（9）：213-218.

[2]李响， 谭南林， 李国正，等. 基于 Zernike 矩的人眼定位与状态识别[J]. 电子测量与仪器学报， 2015（3）：390-398.

[3]李洪研，赵学敏. 基于人眼 PERCLOS 特征的列车驾驶员疲劳检测系统[J].中国铁路，2012（ 12） ： 32-35.

作者信息

1.张孙俊，1997年08月生，青岛理工大学在读本科生。

2.祝  凯，1988年4月生，青岛理工大学信息与控制工程学院讲师。

3.李伟莎，1999年9月生，青岛理工大学在读本科生。

4.孙曰俊，1998年6月生。青岛理工大学在读本科生。