本系統(tǒng)是針對現(xiàn)有市場上銷售的車輛多注重于事故發(fā)生時對人身安全的保障（如安全氣囊等），忽略了防范事故于未然的考慮而提出的?；?a href="http://m.1cnz.cn/soft/data/30-91/" target="_blank">FPGA的司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)可以很好的解決上述問題，且相較于傳統(tǒng)的DSP實現(xiàn)具有集成度高、處理速度快、功能更強大、方便改進內部設計等諸多優(yōu)點。

1、研究意義

視頻實時跟蹤作為一個應用性研究方向，其應用愈加廣泛，如軍事、航空、防盜、視頻會議等場合，特別是重要場合的安檢系統(tǒng)成為新的應用領域。本系統(tǒng)將視頻實時跟蹤應用于對疲勞駕駛的司機報警，以避免交通事故的發(fā)生?！敖煌ㄊ鹿拭陀诨ⅰ?。近年來，國民擁有私家車的數(shù)量不斷提高，與此同時交通事故的發(fā)生率也不斷上升，車輛與安全問題已成為社會關注的熱點。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；日本的一項事故調查統(tǒng)計顯示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1%~1.5%；法國國家警察總署事故報道，因疲勞瞌睡而發(fā)生車禍的，占人身傷害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%；美國國家公路交通安全管理局保守估計，每年因為疲勞駕駛而導致的車禍大約有10萬起?？梢哉f疲勞已成為安全行車的大敵。

現(xiàn)有市場上銷售的車輛多注重于事故發(fā)生時對人身安全的保障（如安全氣囊等），忽略了防事故于未然的考慮。司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)的設計可以很好的解決上述問題。傳統(tǒng)的視頻跟蹤的圖像處理過程采用DSP實現(xiàn)，首先在外圍設備的設計上具有很高的布線復雜度，且測量精度受布線影響較大，其次設計調試具有很高的難度，在實際車內空間內往往需要更改某些參數(shù)設計等，這在實際使用中會受到較大的限制。為了克服以上缺點，急需研制一種功能強大、集成度高、方便更新內部器件的電路設計系統(tǒng)。

司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)應用視頻實時跟蹤原理，實時跟蹤捕捉司機眼球（通過臉部圖像跟蹤和眼球識別），分析司機眼睛的睜閉情況并計算閉合時間，以此判斷是否提出報警。本系統(tǒng)由攝像頭及視頻解碼模塊、顯示器、LCD顯示模塊、開發(fā)板四部分組成。在系統(tǒng)設計過程中，我們以FPGA器件作為硬件基礎，運用Xilinx的MicroBlaze嵌入式軟核處理器，結合圖像處理和動態(tài)目標識別算法，輔以必要的外圍電路完成整個系統(tǒng)的搭建。為了提高系統(tǒng)處理速度，所有的主要處理過程都通過硬件方式實現(xiàn)，其中包括視頻圖像的實時采集、中值濾波器與FIR濾波器、相關圖像處理算法等很多內容。

本設計主要適用于經(jīng)常需要長途開車的司機，也可以面向各品牌的汽車制造商或一些交通安全保障部門。

2、系統(tǒng)原理

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

（1）面部圖像數(shù)據(jù)的實時采集

通過攝像頭獲得的視頻流經(jīng)過外部的一個視頻解碼芯片，實現(xiàn)模擬視頻信號向數(shù)字視頻信號的轉換，使其能夠送入到FPGA內部做進一步的處理。

（2）圖像處理功能

實現(xiàn)眼部特征的提取是本設計的核心算法部分，根據(jù)獲得的眼部特征判斷眼睛的閉合狀態(tài)。利用MicroBlaze強大的運算能力，大部分算法由此軟核運行C代碼實現(xiàn) 。

（3）數(shù)據(jù)存儲

FPGA內部的用戶自定義模塊可以將眼睛閉合時間超過設定門限值時的視頻信息存儲到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。用戶還可以通過選擇，將存儲在CF卡中視頻信息在顯示器中顯示出來。

（4）人機交互界面

設計中使用高分辨率彩色LCD屏，實現(xiàn)可視化操作界面，根據(jù)用戶需要，在發(fā)生報警時可以顯示提示信息。同時利用觸控屏，對界面進行功能選擇，例如控制視頻數(shù)據(jù)的存儲等。

3、技術特點

（1）順應時勢的功能設計。隨著社會生活的日益改善，汽車已經(jīng)成為人們必備的出行工具，伴隨而來的是交通事故頻發(fā)，人員傷亡時有發(fā)生。而疲勞駕駛是交通事故的重要誘因之一。因此，設計出能夠實時監(jiān)測司機疲勞程度的檢測器，當發(fā)現(xiàn)司機疲勞過度時報警，避免發(fā)生交通意外，防患于未然，通過這種方式來減少交通事故的發(fā)生。

（2）開發(fā)的周期短，可以很快的投入使用。利用MicroBlaze處理器的平臺實現(xiàn)一種司機眼球疲勞跟蹤系統(tǒng)，從設計理念上來說，利用軟件實現(xiàn)必要的硬件連接，不僅在工作穩(wěn)定性上有所提高，減少硬件連接，而且可移植能力增強，便于更快開發(fā)。

（3）實時的檢測能力。因為汽車的速度往往是很快的，一旦檢測到司機疲勞，需要迅速作出反應并報警提醒司機。系統(tǒng)利用MicroBlaze的強大數(shù)據(jù)處理能力，設計出具有很好的實時性的監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)。

（4）高度的集成性。相比其他的視頻跟蹤系統(tǒng)，基于Xilinx公司FPGA的 MicroBlaze處理器內部具有豐富的外圍設備，因此在芯片外部只需要很少的外圍芯片即可。一方面可以降低成本，降低了開發(fā)和調試的難度，另一方面系統(tǒng)的體積也可以大大縮小，甚至可以做成單芯片系統(tǒng)，大大方便攜帶和使用。

（5）成本低，功耗小。由于MicroBlaze處理器的強大功能，可以減少很多外圍芯片的使用，一方面可以減少產(chǎn)品的成本，另一方面可以降低功耗，這對需要一直“在線”的設備來說是很重要的。

（6）即時地大量數(shù)據(jù)存儲。實時視頻跟蹤過程中會有大量的數(shù)據(jù)需要保存下來，利用MicroBlaze軟核處理器的優(yōu)勢，引入CF卡可以方便地對這些視頻數(shù)據(jù)進行存儲，在司機沒有及時對報警作出反應而導致發(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證據(jù)。

圖1 系統(tǒng)功能圖

圖2 基于MicroBlaze的系統(tǒng)硬件框圖

4、系統(tǒng)軟件流程

基于FPGA的司機眼球跟蹤疲勞報警系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程如下圖所示。眼部特征的提取是系統(tǒng)的核心，通過眼部特征提取獲得的信息來判斷眼睛的睜開與閉合，并根據(jù)閉合的時間來確定是否啟動報警系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件部分的功能主要包括三部分：

1.對攝像頭獲得的圖像數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)對眼球閉合狀態(tài)的跟蹤；

2.對重要數(shù)據(jù)的存儲備份；

3.提供人性化的人機操作界面，方便用戶的操作和存儲結果的顯示。

圖3 軟件實現(xiàn)流程圖