豐田自動車疲勞駕駛檢測技術分析論文
100多年來，汽車不斷影響和改造著人們的生活方式。然而，隨著汽車數量的激增，由此帶來的社會問題也逐漸凸顯。疲勞駕駛（Drivingdrowsiness）是指由于駕駛環境的單調性或長時間、超強度行車，駕駛人因體力或腦力過多消耗而產生生理、心理機能衰退，造成反應水平、操控效率下降的現象。疲勞駕駛已經成為造成交通事故的重要原因。針對疲勞駕駛的重大危害，疲勞駕駛預警系統應運而生。它旨在通過預警信息的提示讓處于疲勞狀態的駕駛人把握自身的狀態，是目前解決疲勞駕駛的一個重要途徑，可以有效降低由疲勞駕駛引發的交通事故。豐田自動車株式會社是疲勞駕駛檢測領域全球非常重要的申請人，對其專利申請進行分析是快速掌握全球疲勞駕駛檢測技術發展的有效方法。通過對豐田株式會社的專利技術分解可以得出，基于機器視覺的疲勞檢測是其近幾年的研發重點。利用機器視覺對駕駛人眼部動作、視線方向、注視點分布特征的識別可實現疲勞狀態的有效估計。由于該項技術具有非侵入、準確、實時的特點而成為世界先進安全技術領域競相發展的重點。而且，從全球總體申請，基于機器視覺的疲勞駕駛檢測約占總量的三分之一，因此，我們有必要對豐田株式會社的該項關鍵技術的發展行業曲線可替代度影響力真實度脈絡進行分析。
基于臉部和眼睛朝向進行疲勞判斷
早期，豐田自動車株式會社著重通過臉和眼睛的朝向進行疲勞判斷。豐田自動車株式會社于1990年3月2日申請的專利（公開號：JPH03254291A）中，首先通過臉部的重心判斷臉的朝向，如果不是正向，即進行疲勞駕駛的報警，如果為正向，進一步判斷眼睛的狀態，通過二值化、神經網絡等步驟，判斷出閉眼時進行疲勞檢測。同一時期，1990年3月5日申請了相關申請（公開號為：JPH03255793A）。其根據臉部重心和左右眼的對稱性計算出臉部方向。1990年7月9日的申請也為相關申請（公開號為：JPH0468500A），其對算法部分進行了較詳細的描述。但是，通過二值化判斷眼睛狀態的開閉狀態準確性有限，1994年11月1日申請的（公開號為：JPH08145627A），該專利綜合臉部方向、臉部與攝像機距離和眨眼情況對疲勞駕駛進行了檢測，并對臉部方向的判斷進行了改進。當然，豐田自動車株式會社也有僅僅根據臉部方向進行判斷的專利，例如1997年12月1日的申請（公開號為：JPH11161798A）。但是，僅僅根據臉的朝向判斷是否疲勞會帶來很多的誤報警，例如駕駛員處于疏忽狀態，或者處于左右觀察狀態，因此，該公司于2006年10月13日提出，基于臉的朝向判斷疏忽，基于眼睛的打開量判斷打盹，并針對不同的狀態設置了不同的持續時間閾值。
基于眼睛特征進行疲勞檢測
駕駛員疲勞時，會出現眼睛開度變小、眼睛眨動過程變慢、眨眼頻率異常升高、眼睛凝視方向逐漸向下移動、眼球運用速度變慢的現象。可見，眼睛具有多個特征可以表征駕駛員的疲勞程度，因此，豐田自動車株式會社著重研究了通過眼睛的圖像識別判斷駕駛員疲勞程度。1994年11月25日申請了公開號為JPH08147584A的專利申請，該申請通過眨眼傳感器檢測眼球，進而計算閉眼時間，并隨著閉眼時間的增長延長報警聲強。但是，周圍環境尤其是照度對眼睛睜閉的影響非常大，因此，該公司于1994年11月30日提出（JPH08153288A），根據照度情況設定不同的閾值來判斷閉眼。1994年12月26日，公開號為JPH08175218A的申請，從采集的面部圖像中分離出眼睛，并將其與模板進行比較來判斷眼睛的開合狀態，閉眼時認為駕駛員疲勞。1998年4月2日，該公司申請的公開號為JPH11286227A的專利中，將圖像濾波后，根據眼睛位置的改變進行疲勞判斷。2001年3月2日，公開號為JP2002254956A的專利公開了：使用紅外CCD檢測單位時間眼球的運動，當眼球移動量低于預設參考值時，認定駕駛員警戒性降低。基于眼睛這一單個因素判斷必然存在一定誤差。因此2002年11月7日該公司將眼睛狀態與駕駛員的操作相結合判斷（公開號為JP2004157880A）。2006年9月11日申請的專利（公開號為JP2008065776A）從拍攝的圖像中識別出人眼、眼球后，根據眼睛開閉時間進行判斷，其在檢測到閉眼時給予駕駛員以提醒，并在閉眼持續時間超過閾值時發出報警信號。2006年12月27日，公開號為JP2008165348A的專利利用閉眼時間判斷疲勞程度，該申請設定了三個時間閾值，在不同的時間閾值下分別執行閉眼時間歸零、喚起注意和警報三個操作。但是，上述申請在進行提醒或報警后均未檢測提醒或報警的效果。于是2007年2月9日，該公司提出公開號為JP2008197821A的專利申請，該申請通過眼睛開合度檢測到打盹之后，改變座椅的位置、傾斜角度，然后繼續判斷疲勞狀態，再次檢測到疲勞后，再觸發報警。如果再次檢測發現駕駛員已經清醒，則不觸發報警。上述申請大部分設置了閉眼的時間閾值，超過該閾值，則認為疲勞，未超過，為判定部疲勞。但是，有時很難給出一個準確的閾值，若閾值不合適，會導致漏報警，或者不必要的報警。于是，該公司在2007年7月26日提出的公開號為JP2009028237A的申請，沒有使用閉眼的持續時間進行判斷，而是根據眼睛開閉的周期進行判斷，一定程度上提高了檢測準確性。與此類似，2008年4月23日，申請的公開號為JP2009261516A的申請，公開了疲勞等級的計算公式為：疲勞等級D=眼睛睜開度+每次眨眼的平均閉合時間+眼睛閉合持續時間，根據上述疲勞等級D進行判斷，避免了單獨使用閉眼持續時間閾值帶來的誤差。然而，當從前方拍攝車輛中的駕駛員的圖像時，來自車輛外部的光可能在駕駛員的眼睛周圍產生陰影，使得該區域在圖像中看起來因此缺乏對比度，即，導致了暗的圖像，在這種情況下，不能夠檢測駕駛員的眼睛睜開的程度和眼睛的位置，因此難以判斷駕駛員的眼睛睜開的程度或駕駛員凝視的方向。因此，2008年5月12日，該公司申請了專利號為JP2009276849A，且該專利有美國、歐洲和中國等同族，在該專利中，申請人使用不同曝光度的兩張圖像對臉的朝向、眼睛開合狀態/凝視方向進行檢測，有效避免了上述駕駛員眼睛區域過暗無法檢測的問題。另外，為了彌補根據眼睛閉合時間帶來的檢測的不準確性，該公司與2008年7月16日提出一個公開號為JP2010026657A的專利申請，該申請中，申請人根據眼球晶狀體反射的條紋圖案計算眼球晶狀體的厚度，進而確定駕駛員是否處于疲勞狀態。除時間閾值外，眼睛開合度的閾值確定的是否正確對于睡眠檢測也是至關重要的。進一步的，2008年7月30日，該公司申請的公開了號為JP2010－29537A的專利申請，該申請中根據外界環境修正基準眼睛開合度，以確定合理的檢測閾值。除周圍環境外，駕駛員的表情對眼睛開合度，同樣在2008年12月17日，該公司提交的又一專利申請（公開號為JP2010－14235A），該申請設置了表情推定單元、閾值設定單元，其在判別為表情推定單元推定出的表情是表示清醒度高地表情時，將閾值設定得低，在判定為表情推定單元推定出的表情是表示清醒度低的表情時，將所述閾值設定得高，從而提高了檢測的適應性。當前，如果在駕駛員真正瞌睡之前就可以檢測到駕駛員注意力下降，無疑避免很多疲勞駕駛導致的事故。2010年4月5日，該公司申請了公開號為JP5447657B2的申請，該申請公開了：當眼睛睜開時間的變化增強，面部方向改變的減弱，則認為駕駛員處于瞌睡前的心不在焉的狀態。
結束語
我國應了解國外先進企業研究動向，掌握疲勞檢測領域的熱點、難點以及未來發展方向，積極推進學術研究成果產業化，提高科技創新水平、增強市場競爭力，形成我國自有的龍頭企業與有利的專利布局，有效規避專利糾紛和經營風險。尤為重要的是，通過疲勞探測技術的創新與應用，有效降低因疲勞駕駛所造成的生命財產損失。
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