面向高级驾驶辅助系统的驾驶员分心检测与道路目标实时识别一体化深度学习框架
Integrated deep learning framework for driver distraction detection and real-time road object recognition in advanced driver assistance systems
Rakesh Salakapuri¹, Naveen Kumar Navuri², Thrimurthulu Vobbilineni³, G. Ravi⁴, Karthik Karmakonda⁵ & K. Asish vardhan²
¹ Symbiosis Institute of Technology, Hyderabad Campus, Symbiosis International (Deemed University), Pune, India
² Department of Computer Science & Engineering, Malla Reddy University, Hyderabad, India
³ Department of Computer Science & Engineering, MLR Institute of Technology, Hyderabad, India
⁴ Department of Computer Science & Engineering, MRCET, Hyderabad, India
⁵ Department of Computer Science & Engineering, CVR College of Engineering, Hyderabad, India
通讯作者:srakesh@sithyd.siu.edu.in Scientific Reports (2025) 15:25125 · https://doi.org/10.1038/s41598-025-08475-4
收稿:2025-04-09 · 录用:2025-06-23
译稿说明:本文为中文全文译稿,由译者人工翻译(未使用机器翻译引擎),供个人研究阅读。原文以 CC BY-NC-ND 4.0 许可发布,本译稿属演绎作品,请勿二次分发;译者解读一章不属于原文内容。图表编号与原文一一对应,公式均按原文照录(原文公式未编号)。
大多数事故源于驾驶过程中的分心,道路使用者的安全是全球性议题。本文提出的方法将用于驾驶员分心检测的先进深度学习与实时道路目标识别相结合,以共同应对这一问题。驾驶员行为借助卷积神经网络(CNN)与迁移学习被划分为视觉分心、操作分心和认知分心,以在获得更高精度的同时消耗更少的计算资源。YOLO(You Only Look Once)实时检测车辆、行人、车道线与交通信号。该系统包含(1)分心检测与(2)输出(或场景)识别两个部分,二者结合其他系统与代码来评估驾驶场景。决策模块对融合后的数据进行评估以判断危险等级,并及时发出警告或采取纠正措施。我们的集成方案将使高级驾驶辅助系统(ADAS)具备完整的场景感知能力,提醒驾驶员注意分心与危险,提升整体态势感知并减少事故。方法部分辅以雨、雾与低照度场景下驾驶员行为与道路状况的标注图片和视频。通过数据增强、模型优化与迁移学习,系统在多种驾驶场景下实现了可靠性。系统在 State Farm Distracted Driver Dataset、KITTI 与 MS COCO 基准上表现出更好的准确率与效率。将现有的驾驶员监测系统与道路感知系统集成,可以构建多目标、全面的解决方案,既让驾驶更安全,也助力现有 ADAS 技术的发展。通过融合 CNN 与 YOLO 两项深度学习进展,本文建立了一个实时、可扩展的道路安全系统。系统在 NVIDIA Jetson Xavier NX 平台上完成实时嵌入式部署,达到 25 帧/秒(FPS),延迟与内存占用均有所降低,验证了其在资源受限 ADAS 中的可行性。本文还提出了一个领域专用的驾驶员监测模块和一个基于知识的道路危险识别模型,使自动驾驶与"人"这一侧连接得更紧密。
关键词:驾驶员分心检测,道路目标识别,卷积神经网络(CNN),YOLO(You Only Look Once),高级驾驶辅助系统(ADAS),深度学习,迁移学习,实时目标检测,操作分心,嵌入式系统,决策模块,环境感知,态势感知
背景
道路交通事故在全球范围内频繁发生,这凸显了改进安全措施的必要性。有一种观点认为,驾驶员分心是交通事故的主要成因之一,因为发短信、吃东西或视线离开道路等行为导致了其中相当大比例的事故1。传统的路边驾驶员监测与道路危险检测系统通常适用范围有限,因为它们要么只关注驾驶员行为,要么只关注周围环境,而不能整体兼顾2。深度学习方法,包括卷积神经网络(CNN)与实时目标检测算法(如 YOLO——You Only Look Once),为上述挑战提供了一些潜在的解决方案。这些技术使得在低照度、雨天与城市交通等多种工况下可靠且高效地检测驾驶员行为与环境风险成为可能3,4。
a) 驾驶员分心标签
采用 State Farm Distracted Driver Dataset 作为驾驶员行为的地面真值来源。该数据集包含 10 种常见驾驶员状态的帧级标注,包括安全驾驶(Safe Driving)、右手发短信(Texting with Right Hand)、打电话(Talking on the Phone)、向后取物(Reaching Behind)等,用于训练 CNN 模型并验证其分类性能1。
b) 道路目标检测标签
道路目标检测的地面真值标注来自 MS COCO 与 KITTI 数据集。这些数据集提供车辆、行人、骑行者、交通标志等类别的边界框标注,用于训练与评估基于 YOLO 的检测模型2,3。这与 ADAS 实时目标识别的标准做法一致。
c) 风险等级分类
由于没有公开数据集直接提供融合分心与环境危险的集成风险标签,我们引入了一个合成风险计算模型:
图 10 为集成系统与基线系统的性能对比。基线系统 A 为仅 CNN 的驾驶员分心检测,基线系统 B 为仅 YOLO 的道路目标检测,本文集成系统通过基于注意力的融合与基于学习的风险估计将二者融合。准确率、精确率、召回率与 F1 分数等指标显示了所提系统的优越性。
图 10. 集成系统与基线系统的性能对比(柱状图,纵轴为各指标取值; Proposed System / System A / System B 三组,每组含 Accuracy、Precision、Recall、F1-Score 四项)。
图 10 中两组基线的坐标轴标签为"System A [6]"与"System B [29]",方括号内编号与正文对基线 A/B 的定义(纯 CNN / 纯 YOLO,未挂靠具体参考文献)不对应;图中亦无数值标签,仅可估读(所提系统四项指标约 0.90–0.92,基线 A 约 0.81–0.85,基线 B 约 0.84–0.88)。正文未给出基线的具体数值。
此外,系统扎实的训练与验证结果意味着其泛化良好7。这与 Parekh 等3的发现相符——深度学习模型一旦训练得当,便能在不同用例间良好泛化。不过,本研究仍存在若干局限。误报(将正常驾驶误判为分心或聚合行为被误检)仍是一个问题,与视觉类非驾驶行为检测研究9中的情况类似。这种误分类的风险表明可能需要更精细或混合的模型(如 Wang 等4所述)。
本研究使用的数据集 State Farm Distracted Driver Dataset、KITTI 与 MS COCO 均在 Kaggle 上公开:https://www.kaggle.com/c/state-farm-distracted-driver-detection/data, https://www.kaggle.com/datasets/klemenko/kitti-dataset, https://www.kaggle.com/datasets/mnassrib/ms-coco。
参考文献(保留原文)
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参考文献第 12 条正文标注会议年份为 "2027 IEEE ITSC" 而 DOI 指向 2017 年会议(ITSC.2017.8317829),第 4 条期刊缩写与 DOI(IEEE/CAA J. Autom. Sin. 对 10.1109/MITS)亦存在错配,均为原文自身问题,译稿照录。