پيکربندي کلي سيستم‏هاي نظارت چهره راننده

يک سيستم نظارت چهره راننده از سه بخش عمده شامل بخش تصويربرداري، بخش سخت‏افزار و پردازنده و بخش نرم‏افزار هوشمند تشکيل شده است. هر يک از بخش‏هاي اين سيستم، نقش سازنده و مهمي را در کارايي سيستم دارند و اين بخش‏ها به يکديگر وابسته‏اند. مي‏توان گفت مهمترين بخش سيستم، بخش نرم‏افزار هوشمند است که به عنوان مغز متفکر و مرکز کنترل سيستم عمل مي‏کند. ساير بخش‏هاي سيستم شامل بخش تصويربرداري و بخش سخت‏افزار و پردازنده بايد متناسب با الگوريتم‏هاي بخش نرم‏افزار هوشمند انتخاب شده و مورد استفاده قرار گيرند.

1-1-1- تصويربرداري

بخش تصويربرداري شامل نورپردازي[1]، دوربين و در صورت لزوم فيلتر نوري، کارت اخذ تصوير[2] و کنترل‏کننده[3] است. چون سيستم نظارت چهره راننده بايد در تمام شرايط نوري کار کند، نورپردازي و انتخاب دوربين يکي از مهمترين بخش‏هاي آن محسوب مي‏شود. ابزار نورپردازي بايد ضمن فراهم کردن نور کافي در محيط، باعث آزار چشم راننده نشود. به همين دليل معمولا از طيف مادون قرمز[4] (IR) در نورپردازي استفاده مي‏شود. بنابراين دوربين بايد بر اساس طيف نورپردازي انتخاب شود. البته از طيف مرئي نيز در سيستم‏هاي نظارت چهره راننده استفاده شده است. اما به دليل نياز به نورپردازي چهره در شب و مزاحمت نور مرئي براي چشم راننده، به نظر مي‏رسد در شرايط واقعي استفاده از طيف مرئي چندان مناسب نباشد.

توجه به اين موضوع بسيار لازم به نظر مي‏رسد که نورپردازي در طيف مادون قرمز بايد براساس استاندارد ICE 825-1 انجام گيرد تا به چشم (به خصوص شبکيه) آسيب وارد نشود [19]. بر اساس اين استاندارد حداکثر توان نور مادون قرمز براي نورپردازي چهره تعيين مي‏گردد.

در برخي سيستم‏ها، براي کاهش حجم محاسبات بخش نرم‏افزار هوشمند، از نورپردازي پالسي طيف مادون قرمز استفاده شده است [6, 20-23]. اين روش امکان آشکارسازي سريع چشم را فراهم مي‏کند. معمولا در نورپردازي پالسي[5] براي همزمان‏سازي[6] نورپردازي و تصويربرداري از کنترل‏کننده استفاده مي‏شود. در اين حالت کنترل‏کننده روشن شدن منبع (منابع) نور و لحظه بازشدن دهانه ديافراگم دوربين را تنظيم مي‏کند. از مزاياي نورپردازي پالسي نسبت به نورپردازي معمولي مي‏توان به کاهش تاثير نويز محيط در تصوير و همچنين کاهش توان مصرفي منبع نور اشاره کرد [20].

1-1-2- سخت‏افزار و پردازنده

بخش سخت‏افزار و پردازنده شامل بورد سخت‏افزاري، يک يا چند پردازنده و رابط انسان و ماشين[7] (HMI) است. در سيستم‏هاي واقعي، بخش سخت‏افزار و پردازنده بايد به شکل سيستم تعبيه‏شده[8] و تا حد امکان ارزان قيمت باشد. پردازنده سيستم مي‏تواند يکي از انواع ريزپردازنده‏هاي معمولي[9] [20]، پردازنده‏هاي سيگنال ديجيتال[10] (DSP) [24]، مدارات FPGA[11] [25, 26] و مدارات مجتمع خاص منظوره[12] (ASIC) يا ترکيبي از آنها باشد.

در سيستم نظارت چهره راننده، بيشتر حجم محاسبات مربوط به عمليات پردازش تصوير براي تحليل و تفسير چهره است. استفاده از ريزپردازنده‏هاي معمولي با وجود قابليت انعطاف‏پذيري[13] در ايجاد تغييرات نرم‏افزاري، براي اين منظور چندان مناسب نيست. چرا که معمولا در اين حالت سيستم بلادرنگ نخواهد شد. استفاده از مدارات مجتمع خاص منظوره (ASIC) با وجود کارايي بسيار بالا، به دليل هزينه زياد نامناسب است. ضمن اينکه ASIC قابليت انعطاف‏پذيري ندارد. DSP و FPGA نسبت به ريزپردازنده‏هاي معمولي سريع‏تر و از ASIC کندتر هستند، اما مهمترين مزيت آنها نسبت به ASIC، قابليت انعطاف‏پذيري است. انعطاف‏پذيري در DSP از طريق نرم‏افزاري و در FPGA از طريق سخت‏افزاري ميسر است. به همين دليل در سيستم‏هاي واقعي معمولا از DSP يا FPGA استفاده مي‏شود.

بخشي از رابط انسان و ماشين (HMI) مانند بخش اعلام هشدار و ابزار تنظيم سيستم، در قالب بخش سخت‏افزار ظاهر مي‏شود. اما کنترل هوشمند اين بخش به شکل نرم‏افزاري و از طريق الگوريتم‏هاي تصميم‏گيري براي توليد خروجي انجام مي‏گيرد.

1-1-3- نرم‏افزار هوشمند

بخش نرم‏افزار هوشمند يک سيستم نظارت چهره راننده به دو بخش اصلي قابل تقسيم است: الگوريتم‏هاي پردازش تصوير و الگوريتم‏هاي تشخيص و تصميم‏گيري. در واقع بخش نرم‏افزار هوشمند، مهمترين بخش يک سيستم نظارت چهره راننده مي‏باشد.

عمده اهداف در الگوريتم‏هاي پردازش تصوير عبارتند از: پيش‏پردازش تصوير، آشکارسازي و رديابي چهره، آشکارسازي و رديابي چشم و ساير اجزاي چهره و استخراج ويژگي‏هاي مناسب از چهره و اجزاي آن. در واقع الگوريتم‏هاي پردازش تصوير بخش اصلي سيستم‏هاي نظارت چهره راننده را تشکيل مي‏دهند. اين الگوريتم‏ها معمولا حجم حافظه زيادي احتياج داشته و بار محاسباتي زيادي به پردازنده و سخت‏افزار وارد مي‏کنند. براي طراحي يک سيستم دقيق و بلادرنگ، تمرکز طراحي بايد بر روي اين الگوريتم‏ها باشد.

پس از استخراج ويژگي‏هاي مناسب از تصوير، الگوريتم‏هاي تشخيص و تصميم‏گيري بر اساس اين ويژگي‏ها ميزان خستگي و عدم تمرکز حواس راننده را تعيين و تصميم مناسب را براي خروجي سيستم اتخاذ مي‏کنند. الگوريتم‏هاي تشخيص و تصميم‏گيري از اين لحاظ اهميت دارند که بايد قادر به تشخيص به موقع خستگي و عدم تمرکز حواس راننده باشند و تصميم‏گيري مناسب را براي توليد خروجي سيستم انجام دهند. هر چه الگوريتم تشخيص بتواند در مدت زمان کوتاه‏تري وقوع خواب‏آلودگي يا عدم تمرکز حواس راننده را تشخيص دهد، سيستم کارايي بيشتري خواهد داشت. ضمن اين که پس از تشخيص، تصميم‏گيري در مورد نحوه عملکرد سيستم براي توليد خروجي از اهميت زيادي برخوردار است. بخشي از رابط انسان و ماشين (HMI) به شکل نرم‏افزاري و در قالب الگوريتم تصميم‏گيري براي توليد خروجي است.

[1] Illumination

[2] Frame Grabber

[3] Controller

[4] Infrared (IR)

[5] Pulsed Illumination

[6] Synchronization

[7] Human-Machine Interface (HMI)

[8] Embedded System

[9] General Micro Processor

[10] Digital Signal Processor (DSP)

[11] Field Programmable Gate Array (FPGA)

[12] Application Specific Integrated Circuit (ASIC)

[13] Flexibility