نرخ آشکارسازی صحیح
TPR (True Positive Rate)
فیلتر کالمن غیرمعطر
UKF (Unscented Kalman Filter)
مقدمه
تعریف سیستمهای نظارت چهره راننده
همراه با توسعه صنعت خودرو در جهان، کاربرد فناوریهای نوین در اتومبیل نیز افزایش یافته است. سیستمهای حمل و نقل هوشمند[۱] یا به اختصار ITS، کاربرد کامپیوتر و فناوری اطلاعات و ارتباطات در شبکههای حمل و نقل انسان و کالا است. سیستم پیشرفته دستیار راننده[۲] یکی از بخشهای سیستم حمل و نقل هوشمند محسوب میگردد. این سیستمها برای بهبود کارایی خودرو و افزایش امنیت راننده و سرنشینان آن استفاده میشوند و در مواقع بحرانی، به راننده اعلام هشدار کرده یا به جای راننده تصمیم مناسب را برای کنترل و هدایت خودرو اتخاذ میکنند.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
سیستم نظارت چهره راننده، یک سیستم بلادرنگ[۳] است که بر اساس پردازش تصویر چهره راننده، وضعیت جسمی و تا حدی وضعیت روحی او را تحت نظارت قرار میدهد. معمولا وضعیت راننده از بسته بودن پلکها، نحوه پلکزدن، خیره بودن چشمها به نقطه خاص، جهت نگاه چشم، خمیازه کشیدن و حرکت سر قابل تشخیص است. این سیستم در هنگام خوابآلودگی، خستگی و عدم توجه راننده به جاده، اعلام هشدار[۴] میکند.
ضرورت سیستمهای نظارت چهره راننده
یکی از مهمترین عوامل موثر در تصادفات، خصوصا در جادههای بین شهری[۵]، خستگی، خوابآلودگی و عدم تمرکز حواس راننده است. خستگی و خوابآلودگی باعث کاهش درک و قدرت تصمیم گیری راننده برای کنترل خودرو میشود. تحقیقات نشان میدهد معمولا به طور طبیعی، پس از یک ساعت رانندگی، راننده دچار خستگی میشود. اما در ساعات ابتدایی بعد از ظهر، بعد از نهار و همچنین در نیمه شب، راننده در مدت زمان بسیار کمتر از یک ساعت احساس خوابآلودگی میکند. البته علاوه بر دلایل طبیعی، مصرف الکل، مواد مخدر و داروهایی که منجر به کاهش هوشیاری میشوند نیز در خوابآلودگی راننده تاثیرگذار است [۱-۳]. عمده تصادفاتی که علت اصلی آن خستگی یا عدم تمرکز حواس اعلام میشود، در جادههای بین شهری و برای خودروهای سنگین رخ میدهد. اکثر این تصادفات در حدود ساعت ۶-۲ یا ۱۶-۱۵ به وقوع میپیوندد [۲].
در کشورهای مختلف، آمار متفاوتی در مورد تصادفاتی که به علت خستگی و عدم تمرکز حواس راننده رخ میدهد، ارائه شده اما به طور کلی میتوان گفت علت حدود ۲۰% از تصادفات و ۳۰% از تصادفات منجر به مرگ، خوابآلودگی و عدم تمرکز حواس راننده است. در تصادفات تک خودرو[۶] یا تصادفات خودروهای سنگین این رقم تا ۵۰% نیز گزارش شده است [۱, ۴-۱۰].
کشور ایران به لحاظ امنیت ترافیکی، نه تنها در بین کشورهای دنیا، بلکه در بین کشورهای در حال توسعه نیز وضعیت بحرانی دارد. بر اساس آمار پزشکی قانونی در سال ۱۳۸۶، بر اثر تصادفات رانندگی بیش از ۲۳۰۰۰ نفر کشته و ۲۴۵۰۰۰ نفر مجروح شدهاند [۱۱]. بر اساس آمار اعلام شده، خسارتهای ناشی از تصادفات در ایران بیش از ۶۵۰۰۰ میلیارد ریال (معادل ۶۷ میلیارد دلار) برآورد شده که حدود ۴/۶% تولید ناخالص ملی[۷] را تشکیل میدهد [۱۲]. این در حالی است که کشور استرالیا به عنوان یک کشور توسعه یافته، خسارت ناشی از تصادفات را حدود ۱۷ میلیارد دلار و معادل ۳/۲% تولید ناخالص ملی اعلام کرده است [۱۳].
با توجه به خساراتهای جانی و مالی فراوان حاصل از خوابآلودگی و عدم تمرکز حواس راننده، طراحی و توسعه سیستمهای تشخیص خوابآلودگی و عدم تمرکز حواس بسیار ضروری به نظر میرسد. یکی از بهترین روشهای کاربردی برای این منظور، نظارت چهره راننده است. بر اساس مطالعات صورت گرفته، پیشبینی میشود استفاده از سیستمهای تشخیص خوابآلودگی و عدم تمرکز حواس بتواند بین ۱۰% تا ۲۰% از تصادفات بکاهد [۱۴].
چالشهای اساسی در سیستمهای نظارت چهره راننده
در یک سیستم نظارت چهره راننده، دو مشکل اصلی مطرح است: «چگونگی اندازهگیری خستگی» و «چگونگی اندازهگیری تمرکز». این مشکلات به عنوان چالشهای اصلی سیستمهای نظارت چهره شناخته میشود. با وجود پیشرفت علم در زمینه فیزیولوژی و روانشناسی، هنوز هیچ تعریف دقیقی از خستگی ارائه نشده است. مسلما به دلیل عدم وجود تعریف دقیق خستگی، هیچ معیار قابل سنجشی[۸] نمیتوان برای آن ارائه کرد [۹]. با این وجود ارتباطاتی میان میزان خوابآلودگی و دمای سطح بدن، مقاومت الکتریکی پوست، فعالیت و حرکت چشم، نرخ تنفس، نرخ تپش قلب و فعالیت مغزی وجود دارد [۳, ۹, ۱۵, ۱۶]. یکی از اولین و مهمترین نشانههای خستگی در چشم ظاهر میشود. بر اساس تحقیقات انجام شده، رابطه مستقیمی بین میزان خستگی و درصد بسته بودن پلکها در یک مدت معین وجود دارد. به درصد بسته بودن پلکها در یک دوره زمانی PERCLOS[9] میگویند. به همین دلیل تقریبا در تمام سیستمهای نظارت چهره راننده، پردازش ناحیه چشم و بررسی میزان بسته بودن پلکها به عنوان اولین و مهمترین معیار در اندازهگیری خستگی استفاده میشود.
مشکل اساسی دیگر، اندازهگیری میزان توجه راننده به جاده است. میزان توجه راننده را میتوان از جهت سر و جایی که چشمها به آنجا نگاه میکند تا حدی تخیمن زد. اما مشکل این است که اگر جهت سر به سمت جلو و نگاه به سمت جاده باشد، لزوما راننده به جاده توجه نمیکند. به عبارت دیگر نگاه کردن به جاده به معنی توجه کردن به آن نیست [۹].
جدا از چالشهای اصلی سیستمهای نظارت چهره راننده، پیادهسازی بلادرنگ سیستم بر روی سختافزارهای معمول، کاهش خطای سیستم در آشکارسازی چهره، کاهش خطای ردیابی چهره، افزایش کارایی روشهای استخراج ویژگی و افزایش دقت الگوریتمهای تشخیص خوابآلودگی و عدم تمرکز حواس از دیگر مشکلات این سیستمها محسوب میشود.
مفاهیم خستگی، خوابآلودگی و عدمتمرکزحواس
در این بخش مفاهیم خستگی[۱۰]، خوابآلودگی[۱۱] و عدم تمرکز حواس[۱۲] از دیدگاه فیزیولوژی و روانشناسی مورد بررسی قرار میگیرد. هر چند از لحاظ فیزیولوژی و روانشناسی مفاهیم خستگی و خوابآلودگی با هم متفاوت است، اما در این گزارش مشابه بسیاری از مقالات ارائه شده در این زمینه، خستگی و خوابآلودگی دو مفهوم مترادف هم تلقی میشوند. همچنین اصطلاحات مراقبت[۱۳] و هوشیاری[۱۴] به یک معنا بوده و منظور حالت طبیعی و ایدهآل راننده است. در مقابل اصطلاح هوشیاری و مراقبت، مفهوم کاهش هوشیاری[۱۵] مطرح میشود که ممکن است شامل خوابآلودگی یا عدم تمرکز و یا هر دو باشد.
خستگی و خوابآلودگی
هنوز یک تعریف دقیق برای خستگی و معیار کمی برای اندازهگیری آن ارائه نشده است. خستگی در سه نوع مختلف بروز میکند: خستگی اعصاب حسی[۱۶]، خستگی ماهیچهای[۱۷] و خستگی ادراکی[۱۸]. از این سه نوع خستگی، تنها خستگی اعصاب حسی و ماهیچهای قابل اندازهگیری هستند و تاکنون روشی برای اندازهگیری خستگی ادراکی کشف نشده است [۷, ۹]. مهمترین علل خستگی و خوابآلودگی به هنگام رانندگی عبارتند از [۱, ۲]:
مدت زمان طولانی کار
جابجایی زمان خواب و رانندگی
استفاده از مواد الکلی یا داروهایی که عدم تمرکز حواس و خوابآلودگی به همراه دارند
رانندگی طولانی مدت
رانندگی بدون خواب کافی (کمتر از ۸ ساعت) قبل از آن
بیماری
با وجود این که هنوز تعریف دقیقی برای خستگی ارائه نشده، اما ارتباطاتی میان میزان خوابآلودگی و دمای سطح بدن، مقاومت الکتریکی پوست، فعالیت و حرکت چشم، نرخ تنفس، نرخ تپش قلب و فعالیتهای الکتریکی مغز وجود دارد [۳, ۹, ۱۵, ۱۶]. در این میان، بهترین ابزار برای اندازهگیری خستگی و خوابآلودگی، بررسی فعالیتهای الکتریکی مغز است. اما برای دریافت سیگنالهای الکتریکی مغز باید الکترود بر روی سر راننده نصب شود که از نظر عملی کار دشواری است.
پس از فعالیتهای الکتریکی مغز، مهمترین نشانه خستگی در چشم ظاهر میشود. بر اساس تحقیقات به عمل آمده، یکی از راهکارهای تعیین میزان هوشیاری، زمان تاخیر بین تحریک عصب بینایی[۱۹] و انجام واکنش است. این زمان تاخیر را با پارامتری به نام PVT[20] نشان میدهند که سرعت عمل فرد نسبت به تحریکات بینایی را بیان میکند. از طرفی ثابت شده که رابطه بسیار نزدیکی بین PVT و درصد بسته بودن پلکها در یک دوره زمانی[۲۱] (PERCLOS) وجود دارد [۸]. بنابراین رابطه بسیار نزدیکی بین میزان خستگی و درصد بسته بودن چشم برقرار است. این معیار در تشخیص خستگی و خوابآلودگی نقش بسیار موثری دارد.
عدم تمرکز حواس
یکنواختی یک عمل خاص میتواند باعث کاهش تمرکز حواس شخصی شود که آن عمل را انجام میدهد. یکنواختی به دو دلیل عمده ایجاد میشود: عدم علاقه شخص[۲۲] و تکراری بودن[۲۳] عمل. در مورد رانندگی معمولا یکنواختی به دلیل تکراری و قابل پیشبینی بودن عمل ایجاد میشود. رانندگی طولانی مدت در جادههای بدون پیچ و خم و با ترافیک روان تاثیر منفی بر عملکرد راننده دارد. در این گونه موارد شخص دچار خستگی نشده، ولی به دلیل یکنواختی رانندگی، به تدریج تمرکز حواس وی از موضوع رانندگی خارج شده و راننده کنترل دقیقی بر روی خودرو نخواهد داشت. از دیگر علل عدم تمرکز حواس میتوان به مشغله ذهنی، صحبت کردن راننده با سرنشینان خودرو یا تلفن همراه و گوش دادن به موسیقی اشاره کرد [۷, ۹].
میزان توجه راننده را میتوان از جهت سر و جایی که چشمها به آنجا نگاه میکند تا حدی تخیمن زد. اما مشکل اصلی این است که اگر جهت سر به سمت جلو و نگاه به سمت جاده باشد، لزوما راننده به رانندگی توجه نمیکند [۹].
روشهای تشخیص خستگی و عدم تمرکز حواس راننده
مهمترین روشهای استفاده شده برای تشخیص خستگی راننده عبارتند از: روشهای مبتنی بر سیگنالهای بیوالکتریکی و عصبی، روشهای مبتنی بر نحوه رانندگی و کنترل خودرو، روشهای مبتنی بر نظارت چهره راننده و روشهای ترکیبی. اما مسئله تشخیص عدم تمرکز حواس راننده پیچیدهتر از تشخیص خستگی است. یک راننده ممکن است در ظاهر کاملا بیدار بوده و به جاده نگاه کند، اما تمرکز کافی بر روی رانندگی نداشته باشد. به عنوان مثال ممکن است راننده به دلیل مشغله ذهنی، تمرکز کافی برای رانندگی نداشته باشد. تشخیص عدم تمرکز حواس راننده مشکل است و امروزه تنها روشهای مبتنی بر نحوه رانندگی و روشهای مبتنی بر نظارت چهره راننده به صورت محدود میتوانند عدم تمرکز حواس راننده را تخمین بزنند. روشهای کلی تشخیص خستگی و عدم تمرکز حواس در [۱۷, ۱۸] بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است.
طرح کلی پایان نامه
در این فصل، مقدمهای بر موضوع سیستمهای نظارت چهره راننده شامل تعاریف، لزوم و چالشهای سیستم و راهکارهای کلی حل مسئله بیان گردید. در فصل دوم مروری بر پژوهشها و کارهای گذشته خواهد شد. سیستم پیشنهادی در فصل سوم معرفی شده است که در آن با ارائه پیکربندی کلی سیستم، هر یک از بخشهای آن شرح داده میشود. نتایج آزمایشهای انجام شده برای ارزیابی سیستم پیشنهادی در فصل چهارم ارائه خواهد شد. آخرین فصل از پایان نامه به نتیجهگیری و پیشنهادات برای کارهای آینده اختصاص داده شده است.
مروری بر کارهای گذشته
در این بخش پس از بررسی پیکربندی کلی سیستمهای نظارت چهره راننده، مروری کوتاه بر تحقیقات انجام شده برای طراحی و تولید این سیستمها خواهد شد. این بخش به زیربخشهای زیر تقسیمبندی شده است:
پیکربندی کلی سیستمهای نظارت چهره راننده
آشکارسازی چهره
آشکارسازی چشم
آشکارسازی بینی و دهان
ردیابی چهره و اجزای آن
استخراج ویژگیهای مربوط به کاهش هوشیاری
تشخیص کاهش هوشیاری
سیستمهای نظارت چهره راننده در خودروهای تجاری
پیکربندی کلی سیستمهای نظارت چهره راننده
یک سیستم نظارت چهره راننده از سه بخش عمده شامل بخش تصویربرداری، بخش سختافزار و پردازنده و بخش نرمافزار هوشمند تشکیل شده است. هر یک از بخشهای این سیستم، نقش سازنده و مهمی را در کارایی سیستم دارند و این بخشها به یکدیگر وابستهاند. میتوان گفت مهمترین بخش سیستم، بخش نرمافزار هوشمند است که به عنوان مغز متفکر و مرکز کنترل سیستم عمل میکند. سایر بخشهای سیستم شامل بخش تصویربرداری و بخش سختافزار و پردازنده باید متناسب با الگوریتمهای بخش نرمافزار هوشمند انتخاب شده و مورد استفاده قرار گیرند.
تصویربرداری
بخش تصویربرداری شامل نورپردازی[۲۴]، دوربین و در صورت لزوم فیلتر نوری، کارت اخذ تصویر[۲۵] و کنترلکننده[۲۶] است. چون سیستم نظارت چهره راننده باید در تمام شرایط نوری کار کند، نورپردازی و انتخاب دوربین یکی از مهمترین بخشهای آن محسوب میشود. ابزار نورپردازی باید ضمن فراهم کردن نور کافی در محیط، باعث آزار چشم راننده نشود. به همین دلیل معمولا از طیف مادون قرمز[۲۷] (IR) در نورپردازی استفاده میشود. بنابراین دوربین باید بر اساس طیف نورپردازی انتخاب شود. البته از طیف مرئی نیز در سیستمهای نظارت چهره راننده استفاده شده است. اما به دلیل نیاز به نورپردازی چهره در شب و مزاحمت نور مرئی برای چشم راننده، به نظر میرسد در شرایط واقعی استفاده از طیف مرئی چندان مناسب نباشد.
توجه به این موضوع بسیار لازم به نظر میرسد که نورپردازی در طیف مادون قرمز باید براساس استاندارد ICE 825-1 انجام گیرد تا به چشم (به خصوص شبکیه) آسیب وارد نشود [۱۹]. بر اساس این استاندارد حداکثر توان نور مادون قرمز برای نورپردازی چهره تعیین میگردد.
[یکشنبه 1401-04-05] [ 10:35:00 ب.ظ ]
|