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盯紧“眼神”保安全：眼动追踪技术在驾驶疲劳研究中的应用

盯紧“眼神”保安全：眼动追踪技术在驾驶疲劳研究中的应用

导语
驾驶疲劳是道路交通事故的重要诱因，因此寻求一种车载、实时、客观、非侵入式的疲劳监测装置是一个重要的研究方向。本文将详细介绍眼动追踪技术在驾驶疲劳研究中的应用。
在交通飞速发展的今天，道路交通事故如同一颗不定时炸弹，时刻威胁着我们的生命安全。疲劳驾驶会影响驾驶员的反应速度、注意力和判断能力。仅以疲劳驾驶为例，我国每年就有高达9万多人因疲劳驾驶相关交通事故死亡或重伤。可见，疲劳驾驶是造成交通事故的重要因素之一。这些触目惊心的数据背后，也让我们将目光聚焦到驾驶疲劳这一“隐形杀手”上。
01
眼动追踪技术：破解疲劳驾驶的关键
驾驶疲劳极易引发交通事故，是道路交通事故的重要诱因。长时间的驾驶作业会让驾驶员身体和精神都处于疲劳状态，导致出现注意力不集中、反应迟钝，甚至短暂打瞌睡的现象。一旦驾驶员进入疲劳状态，他们对路况的感知能力、判断能力和反应能力都会大幅下降，从而大大地增加了交通事故的风险。早期研究对疲劳驾驶的客观测评主要从医学角度出发，借助医用脑电设备、心电和肌电设备采集驾驶员的脑电、心电和肌电，从而确定其疲劳程度。 尽管这些方法比较准确，但测试条件苛刻，过程复杂，不易推广应用，因此，寻求一种车载、实时、客观、非侵入式（Nonintrusie）的疲劳监测装置成为各国研究者的研究方向。
随着科技的不断进步，眼动追踪技术逐渐走进了驾驶疲劳研究的视野，并以其独特的优势成为了破解疲劳驾驶“密码”的关键。眼动追踪技术是通过追踪眼球运动来记录注视点和眼动轨迹的技术，其基本原理是“脑 – 眼假说”，即我们看某些信息时是大脑在控制，通过监测眼动的变化，就可以推断出大脑中正在发生的事情。

图1 眼动追踪技术示意图

驾驶员的视觉行为主要由注视（Fixation）、扫视（Saccade，又称眼跳）、眨眼（Blink）和闭眼（Eye Closure）组成。目前，用于疲劳驾驶监测的视觉特性指标主要有眨眼特性指标和眼睑闭合百分比（Percentage of Eyelid Closure，PERCLOS）指标两类。
01
眨眼特性指标
眨眼特性被普遍认为与人的疲劳密切相关。研究表明，在驾驶疲劳时，眨眼频次会有较显著的上升。早在 20 世纪 70 年代，Haiden 等人发现，在驾驶模拟器上连续驾驶 4h，则被试驾驶员的眨眼频次会增大 80%～100%。华盛顿大学的 Stern 等人通过对众多研究的综合分析认为，眨眼频次的提高与驾驶疲劳之间存在相关性。
02
眼睑闭合百分比
眼睑闭合百分比（PERCLOS，Percentage of Eyelid Closure）指标被认为是目前最有效的车载实时驾驶疲劳测评方法之一。PERCLOS 概念最早由 Wierwille等人于 1994 年提出，是指单位时间内眼睑闭合程度达到或超过80%的时间比例。Dinges等人在此基础上发展出了 PERCLOS 方法，即通过计算 PERCLOS 的 3 个指标（P70、P80、EYEMEAS）来实现疲劳驾驶的实时监测，P70 和 P80 分别表示眼睑闭合超过 70% 和 80% 所占时间的比例，EYEMEAS 则表示眼睑闭合频次百分比的均方。许多研究都认为 PERCLOS 方法能够较好地进行驾驶疲劳的检测，并且也有基于 PERCLOS 方法开发出的产品，如美国 Attention Technologies 公司研制的 DD850 疲劳驾驶监测系统等。
02
基于驾驶模拟实验的疲劳驾驶检测
同济大学的研究人员基于8自由度高仿真驾驶模拟器，通过非接触式眼动追踪系统SmartEye pro系统采集了15位驾驶员在不同疲劳状态下的眼部指标，如眼睑闭合百分比（PERCLOS）、瞳孔直径变化率及眨眼时间等。研究将驾驶员的疲劳状态分为清醒、轻度疲劳、中度疲劳、重度疲劳和极度疲劳五个等级，并建立了考虑驾驶员个体差异的分层有序离散选择模型。结果表明，该模型能有效识别不同疲劳等级，且考虑个体差异后模型的准确率更高。研究还发现，闭眼百分率、瞳孔直径变化率和眨眼时间随疲劳程度加深而显著增加，且不同疲劳等级下的眼动疲劳特征变化趋势不同。

图2 不同驾驶员重度疲劳时的闭眼百分率

图3 驾驶员2和驾驶员6不同疲劳等级下的闭眼百分率均值

公安部道路交通安全研究中心与吉林大学的研究人员通过驾驶模拟实验，利用SmartEye pro系统采集了驾驶员在不同驾驶状态下的眼动数据，包括眨眼频率、眼睑闭合百分比（PERCLOS）、注视方向和注视时间等四个特征参数。研究分析了这些特征参数的最优时间窗口，并针对不同特征参数最优时间窗口的差异，提出了滑移时间窗口的数据融合方法。基于支持向量机（SVM）构建了疲劳驾驶检测模型，实验结果表明，该模型能够有效检测疲劳状态，准确率达到了83.84%。这一研究成果为疲劳驾驶的实时监测和预警提供了新的技术手段，有助于提高道路行车安全。
03
高级驾驶员分心警告系统
为了有效减少因驾驶疲劳和分心导致的交通事故，欧盟于 2019 年 12 月底正式公布了新的一般安全法规 Regulation (EU)2019/2144，旨在加强对车内乘员和弱势道路使用者的保护，减少交通事故率和人员伤亡。2023 年 11 月底，欧盟对原法规进行了修订，正式公布了新的一般安全法规 Regulation (EU)2023/2590，法规要求 2024 年 7 月 7 日起开始实施高级驾驶员分心警告系统法规，新车型必须配备符合技术法规要求的 ADDW 系统，该系统应能帮助司机集中注意在驾驶任务上，并当司机分心时给予警告。欧盟通用安全法规（GSR） 规定的 ADDW 系统最迟需要在驾驶员以 50 公里 / 小时或更快的速度行驶时视觉上分心超过 3.5 秒，或在 20 公里 / 小时至 50 公里 / 小时的速度下超过 6 秒时发出警告。

图4 改善道路安全并在欧盟实现完全无人驾驶汽车的新规则

天津检验中心智能网联试验研究部积极研究最新的标准法规和技术要求，建立了完善的高级驾驶员分心警告系统测试能力，该能力目前已获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可，2024 年 3 月 27 – 28 日开展国内首次企业委托的法规摸底试验，目前已支持多家国内自主车企和国产供应商进行能力建设和摸底试验，助力中国企业走向海外。ADDW 系统需要实时监测驾驶员视线落点，法规要求在 20 – 35km/h 和 50 – 65km/h 两个速度区间下，当分心时长分别不超过 6s 和 3.5s 时，系统应立即发出警告。天津检验中心智能网联试验研究部使用 smarteye pro 系统，设备采样频率最高可达 120Hz，视线精度最高可达 0.5°，可实现视线的实时捕捉和热点图轨迹图的生成，同时可计算视线进出兴趣区域的时刻和停留时长。同时针对部分视线追踪困难的特殊点位，研发基于摄像头的视线追踪系统，可逐帧分析驾驶员视线转移和停留时长。

图5 ADDW系统测试点位图

图6 测试过程

驾驶疲劳是交通安全的重大隐患，而眼动追踪技术以其独特的优势成为了破解疲劳驾驶的关键。Smarteye pro眼动追踪系统是一款非接触遥测式眼动仪，可用于实车实路测试。该系统的摄像头为红外摄像头，不依赖自然光采集数据，适用于夜晚、晴天等各类道路工况。典型应用有汽车驾驶员行为、飞行员驾驶行为、驾驶疲劳、DMS（驾驶员监控设备标定）、安全监控室人员行为等研究。

图7 SmartEye pro眼动追踪系统

我们还提供完整的驾驶人因研究综合解决方案，由高精度汽车驾驶模拟系统、多场景动态还原及驾驶员生理心理数据采集系统组成，拥有领先的驾驶疲劳研究能力。

图8 SIMLAB八轴六自由度驾驶模拟器

图9 SIMLAB驾驶模拟器全家福

同时我们还提供多模态行为同步研究平台HRT，记录多维度的驾驶员行为数据，实现“人-车-路”全链路分析。

图10 基于眼动追踪的多模态驾驶行为研究

如需获取相关设备方案及报价，欢迎致电4006-111-556详询！
参考文献
[1]牛清宁,周志强,金立生,等.基于眼动特征的疲劳驾驶检测方法[J].哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(3):5.DOI:10.3969/j.issn.1006-7043.201311044.[2]王雪松,李飞虎.基于驾驶模拟实验的眼部指标与疲劳分级[J].同济大学学报(自然科学版),2015,43(2):0226~0231

[3]马勇,付锐.驾驶员视觉特性与行车安全研究进展[J].中国公路学报, 2015, 28(6):13.DOI:CNKI:SUN:ZGGL.0.2015-06-012.

[4]”嘀!嘀!开车走神小心我警告你”天津检验中心成功开展首次高级驾驶员分心警告系统测试.天津检验中心

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