Sistema avanzado de asistencia a la conducción mediante visión por computador para la detección de la somnolencia

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Esta tesis doctoral presenta un sistema para la detección de la somnolencia del conductor, basado en el análisis de los ojos. El sistema tiene la capacidad de adaptarse a cualquier persona, trabaja en tiempo real, bajo condiciones variables de iluminación y reales de conducción, generando en cada instante un índice de somnolencia que mide el estado de vigilia del conductor. Complementariamente, verifica la distracción analizando la orientación del rostro. Los ojos generan una considerable cantidad de información del estado de una persona, son capaces de expresar alegría, tristeza, cansancio, etc., en particular, en el caso del conductor, indican su estado de atención y vigilia frente al volante, por ello, el principal objetivo de este trabajo ha sido determinar su posición, para continuar con su análisis hasta llegar a construir un índice de somnolencia. En este caso, el índice implementado para detectar la somnolencia es el denominado PERCLOS; el mismo que ha sido validado, en estudios anteriores, como el más eficaz para estudiar esta problemática bajo la metodología aplicada en este trabajo. Para verificar la distracción se ha utilizado la información de la posición de los ojos y de la orientación del rostro. Debido a la complejidad del problema para detectar y analizar los ojos, ha sido necesario dividirlo en dos partes: un sistema para trabajar durante el día y otro para trabajar durante la noche, en relación directa con la conducción diurna y nocturna; procurando de esta manera, cubrir el amplio espectro de ambientes donde se desarrolla la conducción. Los sistemas planteados utilizan modernas técnicas de procesamiento de imágenes e Inteligencia Artificial, que los dotan de la suficiente capacidad para operar automática y eficazmente frente a las señales de somnolencia y distracción. El sistema desarrollado para el día utiliza una cámara estándar que captura imágenes con iluminación natural, mientras que el sistema desarrollado para la noche utiliza un complejo sistema de visión basado en la iluminación infrarroja del tipo cercano, de esta manera, se aprovechan las propiedades espectrales para resaltar las pupilas de los ojos del conductor en condiciones de baja iluminación, como es el caso de la noche. En varios experimentos realizados, sobre el vehículo experimental IvvI, el sistema propuesto ha presentado magníficos resultados respecto a los objetivos planteados, y los inconvenientes han sido superados con éxito. Los experimentos han sido desarrollados en dos escenarios: (i) situaciones reales de conducción, y (ii) condiciones de laboratorio. Finalmente, se puede resaltar que en este trabajo se ha presentado una nueva y completa propuesta que puede contribuir significativamente al desarrollo de la tecnología aplicada a prevenir los accidentes de tráfico, en el contexto, de los sistemas de seguridad activa.
Publicado el : martes, 01 de septiembre de 2009
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
TESIS DOCTORAL
SISTEMA AVANZADO DE ASISTENCIA A LA CONDUCCION
MEDIANTE VISION POR COMPUTADOR PARA LA
DETECCION DE LA SOMNOLENCIA
Autor:
Marco Javier Flores Calero
Directores:
Dr. Jos¶e Mar¶‡a Armingol Moreno
Dr. Arturo de la Escalera Hueso
Departamento de Ingenier¶‡a de Sistemas y Autom¶atica
Legan¶es, Septiembre de 2009TESIS DOCTORAL
SISTEMA AVANZADO DE ASISTENCIA A LA CONDUCCION MEDIANTE
VISION POR COMPUTADOR PARA LA DETECCION DE LA
SOMNOLENCIA
Autor: Marco Javier Flores Calero
Directores: Dr. Jos¶e Mar¶‡a Armingol Moreno
Dr. Arturo de la Escalera Hueso
Firma del Tribunal Califlcador:
Firma
Presidente:
Vocal:
Vocal:
Vocal:
Secretario:
Califlcaci¶on:
Legan¶es, Septiembre de 2009Agradecimientos
En la era de la competencia y del progreso tecnol¶ogico, la prosperidad ya no se cons-
truye sobre reservas abundantes de mano de obra no cualiflcada, sino sobre la base de una
fuerza de trabajo creativa, competente, que produce ideas, bienes y servicios intensivos
en conocimiento, es as¶‡ que en la actualidad, el capital intelectual es entendido como \la
forma ultima¶ de ventaja comparativa".
En este sentido, la experiencia le ha ensenado~ al mundo que no hay desarrollo sin
capital humano, y tal como aflrma la Organizaci¶on para la Cooperaci¶on y el Desarrollo
Econ¶omico(OCDE),lacreaci¶on,diseminaci¶onyaplicaci¶ondelconocimientoseguir¶asiendo
el principal motor del crecimiento de la econom¶‡a mundial por muchos anos~ m¶as, por ello,
es preciso extraer lo mejor de las potencialidades a trav¶es de la investigaci¶on.
El trabajo de investigaci¶on ha sido la base para el desarrollo de la sociedad contem-
por¶aneadebidoaquegeneraconocimientosfrescosquepermiteninnovar,yalavez,buscar
nuevas verdades y desechar otras. Sin embargo, este motor de la innovaci¶on requiere el
esfuerzo de muchos actores y el consumo de mucho tiempo y recursos, tanto econ¶omicos
como personales, por lo que se constituye en una tarea ardua pero gratiflcante.
A lo largo de esta investigaci¶on varias personas han colaborado de forma an¶onima en
sudesarrollo,enespecial,losmiembrosdel Departamento de Ingenier¶‡a de Sistemas y Au-
tom¶atica delaUC3M,atodosellosdeseohacerlesllegarmism¶assincerosagradecimientos.
En especial, deseo agradecer a mis tutores Arturo y Jos¶e Mar¶‡a por sus acertados
consejos y por dedicar parte de su valioso tiempo a discutir y analizar varios de los temas
IIIde la tesis, as¶‡ como por sus aportaciones y continuo esp¶‡ritu de cr¶‡tica constructiva. Pero
de sobremanera, les agradezco por brindarme su conflanza, apoyo y amistad durante el
tiempo que ha durado esta investigaci¶on.
Finalmente, deseo agradecer de todo coraz¶on a mi familia por su apoyo incondicional
manifestado, a trav¶es, de sus palabras de ¶animo que en todo este tiempo me han servido
de sost¶en para seguir adelante con el trabajo, a pesar de la distancia f¶‡sica existente entre
Espana~ y Ecuador.
Marco Javier Flores Calero
Legan¶es, Junio de 2009
IVResumen
Esta tesis doctoral presenta un sistema para la detecci¶on de la somnolencia del con-
ductor, basado en el an¶alisis de los ojos. El sistema tiene la capacidad de adaptarse a
cualquier persona, trabaja en tiempo real, bajo condiciones variables de iluminaci¶on y
reales de conducci¶on, generando en cada instante un ¶‡ndice de somnolencia que mide el
estado de vigilia del conductor. Complementariamente, veriflca la distracci¶on analizando
la orientaci¶on del rostro.
Los ojos generan una considerable cantidad de informaci¶on del estado de una persona,
son capaces de expresar alegr¶‡a, tristeza, cansancio, etc., en particular, en el caso del
conductor, indican su estado de atenci¶on y vigilia frente al volante, por ello, el principal
objetivo de este trabajo ha sido determinar su posici¶on, para continuar con su an¶alisis
hasta llegar a construir un¶‡ndice de somnolencia.
En este caso, el¶‡ndice implementado para detectar la somnolencia es el denominado
PERCLOS; el mismo que ha sido validado, en estudios anteriores, como el m¶as eflcaz para
estudiar esta problem¶atica bajo la metodolog¶‡a aplicada en este trabajo. Para veriflcar la
distracci¶on se ha utilizado la informaci¶on de la posici¶on de los ojos y de la orientaci¶on del
rostro.
Debido a la complejidad del problema para detectar y analizar los ojos, ha sido nece-
sario dividirlo en dos partes: un sistema para trabajar durante el d¶‡a y otro para trabajar
durante la noche, en relaci¶on directa con la conducci¶on diurna y nocturna; procurando de
esta manera, cubrir el amplio espectro de ambientes donde se desarrolla la conducci¶on.
VLos sistemas planteados utilizan modernas t¶ecnicas de procesamiento de im¶agenes e In-
teligencia Artiflcial, que los dotan de la suflciente capacidad para operar autom¶atica y
eflcazmente frente a las senales~ de somnolencia y distracci¶on.
El sistema desarrollado para el d¶‡a utiliza una c¶amara est¶andar que captura im¶agenes
con iluminaci¶on natural, mientras que el sistema desarrollado para la noche utiliza un
complejo sistema de visi¶on basado en la iluminaci¶on infrarroja del tipo cercano, de esta
manera, se aprovechan las propiedades espectrales para resaltar las pupilas de los ojos del
conductor en condiciones de baja iluminaci¶on, como es el caso de la noche.
En varios experimentos realizados, sobre el veh¶‡culo experimental IvvI, el sistema pro-
puesto ha presentado magn¶‡flcos resultados respecto a los objetivos planteados, y los in-
convenientes han sido superados con ¶exito. Los experimentos han sido desarrollados en
dos escenarios: (i) situaciones reales de conducci¶on, y (ii) condiciones de laboratorio.
Finalmente,sepuederesaltarqueenestetrabajosehapresentadounanuevaycomple-
tapropuestaquepuedecontribuirsigniflcativamentealdesarrollodelatecnolog¶‡aaplicada
a prevenir los accidentes de tr¶aflco, en el contexto, de los sistemas de seguridad activa.
VI¶Indice general
Agradecimientos III
Resumen V
¶Indice general XII
¶Indice de flguras XVIII
¶Indice de tablas XIX
1. Introducci¶on 1
1.1. Motivaci¶on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Somnolencia y distracci¶on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1. Deflnici¶on de somnolencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2. Deflnici¶on de distracci¶on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3. Factores que producen somnolencia y sus consecuencias . . . . . . . 4
1.2.4. Caracter¶‡sticas visuales que indican la presencia de somnolencia . . . 4
1.3. La industria automotriz, su desarrollo, evoluci¶on y consecuencias . . . . . . 5
1.3.1. Producci¶on mundial de veh¶‡culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2. Congesti¶on vehicular y contaminaci¶on del aire . . . . . . . . . . . . . 8
1.4. Accidentes de tr¶aflco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1. Divisi¶on de los accidentes de tr¶aflco . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2. Accidentes de tr¶aflco por somnolencia . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
VII1.4.3. Consejos para evitar la somnolencia durante la conducci¶on. . . . . . 16
1.4.4. Somnolencia y distracci¶on como factores de accidentes de tr¶aflco . . 16
1.5. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6. Estructura de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. Detecci¶on de la somnolencia: Estado del Arte y Perspectivas 23
2.1. M¶etodos utilizados para la detecci¶on de la somnolencia . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1. An¶alisis basados en patrones de conducci¶on . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2. An¶alisis basados en los cambios f¶‡sicos de los ojos y las expresiones
faciales usando procesamiento de im¶agenes . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3. An¶alisis basados en el cambio de las medidas flsiol¶ogicas . . . . . . . 26
2.2. M¶etodos basados en el an¶alisis de los ojos y expresiones faciales . . . . . . . 27
2.2.1. M¶etodos en el espectro visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2. M¶etodos en el infrarrojo cercano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3. Sistemas comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1. Attention Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2. Seeing Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3. Grupo Bosh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.4. Volvo Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.5. Mercedes-Benz Anti-Fatigue Driver Alarm . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.6. AWAKE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.7. Mitsubishi Motors Corporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.8. AssistWare Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.9. Delta Tooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4. Limitaciones de los sistemas comerciales actuales . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3. Apreciaci¶on Global y Sistema de Percepci¶on 47
3.1. Apreciaci¶on global y caracter¶‡sticas generales . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2. Sistema de percepci¶on del veh¶‡culo IvvI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1. Sistema de visi¶on en el espectro visible . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
VIII

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