基於深度學習之疲勞駕駛監測系統

摘要：疲勞駕駛是引發交通事故的重要因素之一，而疲勞駕駛監測系統的開發能夠防範並降低交通安全的危害。本文所提出的疲勞駕駛監測系統，首先提取高層次的臉部和頭部特徵，然後用它們來識別疲勞相關症狀，接著以散列方法將深度信念網絡上層輸出轉成離散隱馬爾可夫模型的觀測符號序列，其中兩個離散隱馬爾可夫模型是用來描述時間資訊以及疲勞特徵之間的互動關係。我們也收集了模擬疲勞駕駛的影片資料庫，影片囊括不同膚色的人、性別、環境光亮程度以及開車實況，目的是希望可以達到資料庫的多樣性與可信度。

Abstract: Drowsy driver alert systems have been developed to minimize and prevent cars from accidents. In this article, we introduce a novel hierarchical temporal deep belief network (DBN) method for drowsy detection. Our scheme first extracted high-level facial and head feature representations and then used them to recognize drowsiness-related symptoms. Two discrete hidden Markov models that utilize a hash-based scheme were constructed on top of the DBNs. They were used to model and capture the interactive relations between eyes, mouth and head motions. We also collected a large comprehensive video dataset containing various ethnicities, genders, lighting conditions and driving scenarios in pursuit of wide variations and credibility.

關鍵詞：多孔質氣靜壓軸承、氣靜壓主軸、可靠度預估

Keywords：Porous Media Aerostatic Bearing, Aerostatic Spindle, Reliability Prediction

前言
最近的研究報導[1-3]皆指出，疲勞駕駛是造成嚴重交通事故的主要原因之一（約佔25%）。很明顯地，在開車時睡著是非常危險的；即使駕駛只是稍微感受到疲憊，但或多或少都會影響到開車上路時的安全。以往研究中發現處於疲勞狀態、有睡意的駕駛員，會對周遭環境的注意力下降，反應時間變長，且決策力也會跟著降低，因此易增加出車禍的機率[4]。汽車駕駛之所以會有睡意、感到疲勞，可能是受當天狀態、環境照明等因素影響，或是因天黑時開車，而導致精神不濟。但駕駛本身總是過於疲憊，而無法意識到自身想睡的程度。

西元2014年，國家睡眠基金會（National Sleep Foundation, NSF）發起動議權，要求立法機關能夠立法以建立疲勞駕駛、分心預防的相關法規，以提升人們對疲勞駕駛的公共意識[5]。因此，開發一個即時主動監視系統來避免車禍的發生，是非常重要的[6, 7]。

近年來的疲勞駕駛偵測系統中，大部分是作用於有限的可視線索上（通常只有一個）[8]，然而人類想睡覺的行為機制是非常複雜的，如果能夠隨機結合多樣可視線索，理論上偵測結果可以提升。除此之外，睡意是慢慢累加起來的，因此系統並不能以短時間的線索進行決策，也就是說，當下的疲勞狀態必須考慮前一段時間的疲勞狀態，以及個人疲勞行為之持續時間。舉例來說，頻繁的打哈欠是一個很重要的疲勞行為特徵，但駕駛在進入疲勞狀態時，並不是每次都會出現此打哈欠行為特徵，本文所提出的疲勞駕駛偵測系統，其結合許多疲勞症狀來判斷駕駛疲勞想睡的程度，並使用多樣化的影片資料庫來驗證此系統的有效性。

文獻回顧
2.1 疲勞相關症狀特徵分析
疲勞相關症狀分析方法大致上可以分成兩類：生理方法、物理方法。生理方法一般來說較為客觀且精準，在駕駛一產生睡意時，即可透過量測生理上訊號的變化來得知[10]；然而，此方法雖然可信度相當高，但其必須將感應生理訊號的儀器貼在人身上，如果每次開車前都得設置這些感應器的位置，系統的實用性則會大大降低。因此，這樣的方法是不可能應用實際行車過程的。

物理方法是透過非侵入性的方式觀察駕駛外在的狀態，通常是透過關注駕駛臉部表情的各種特徵來辨別駕駛的疲勞程度，典型的臉部疲勞特徵包括：

• 頭部位置：當人有睡意時，頭部會因肌肉逐漸地放鬆而不自主地低頭、點頭，也就是打瞌睡。打瞌睡這個行為被許多研究員視為具代表性的疲勞特徵，Teyeb等人[8]做過許多嘗試來偵測此行為。