基于視覺的火焰火災(zāi)探測(cè)技術(shù)專利分析

創(chuàng)新者：李 莉 李立功

基于視覺的火焰火災(zāi)探測(cè)技術(shù)專利分析

創(chuàng)新者：李 莉 李立功

基于視覺特征的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，是近年來火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)。該類技術(shù)主要涉及將火災(zāi)的視覺特征（如火焰、煙霧形態(tài)等）轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息，再通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)自動(dòng)識(shí)別火情，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、識(shí)別、報(bào)警等步驟的聯(lián)動(dòng)處理，其響應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、適用范圍廣，已成為當(dāng)前火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文總結(jié)相關(guān)專利技術(shù)的申請(qǐng)狀況，分析其技術(shù)發(fā)展路線、研究熱點(diǎn)難點(diǎn)以及我國(guó)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)研究及其專利保護(hù)面臨的形勢(shì)，思考相關(guān)領(lǐng)域未來發(fā)展思路，能夠?yàn)檎鞴懿块T、火災(zāi)探測(cè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)組織等提供有價(jià)值的參考信息。

眾所周知，火在人類文明發(fā)展史中具有不可替代的重要作用，而失去控制的火帶給人類的卻往往是巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。減小火災(zāi)損失的關(guān)鍵在于及早發(fā)現(xiàn)火情，一方面火災(zāi)在初發(fā)階段面積小、溫度低、擴(kuò)散慢，易于撲滅，另一方面可以為疏散人員、轉(zhuǎn)移重要財(cái)產(chǎn)物質(zhì)提供更多寶貴時(shí)間。因此，火災(zāi)探測(cè)技術(shù)研發(fā)始終是科研院所、高校、企業(yè)及相關(guān)行業(yè)組織的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是各國(guó)政府主管部門的重點(diǎn)資助對(duì)象。

圖1　基于視覺型火災(zāi)探測(cè)器申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)圖

火災(zāi)探測(cè)主要涉及對(duì)燃燒現(xiàn)象的物理特征進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別（如圖1所示）。根據(jù)我國(guó)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)系列產(chǎn)品強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可將火災(zāi)探測(cè)技術(shù)歸納為氣敏型、感溫型、感煙型、感光型、感聲型五大類。

除去上述五種傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器，基于視覺的火災(zāi)非接觸監(jiān)控技術(shù)是火災(zāi)探測(cè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，視覺型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的突出特征為不局限于傳統(tǒng)五大類探測(cè)手段，通過將燃燒現(xiàn)象伴生的溫度場(chǎng)分布、火焰形態(tài)、煙霧形態(tài)等火況信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像傳遞給計(jì)算機(jī)，進(jìn)而對(duì)火情進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析判斷，這是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的突破，將成為新一代火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有巨大的市場(chǎng)前景。我國(guó)相關(guān)企事業(yè)單位應(yīng)盡早進(jìn)行專利布局，提升我國(guó)在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，減少火災(zāi)帶來的生命財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)避免專利糾紛。

基于視覺的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)專利分析

基于視覺的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)專利概括

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)的快速發(fā)展，近年來視覺探測(cè)技術(shù)得到飛速發(fā)展，這類探測(cè)技術(shù)具有響應(yīng)速度快、檢測(cè)范圍廣、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，這激發(fā)了人們將視覺探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)識(shí)別領(lǐng)域的研究興趣。因此，如圖1所示，基于視覺的火災(zāi)探測(cè)器，除去2006短暫、小幅的下降外，其申請(qǐng)量以及所占比例一直處于穩(wěn)步增長(zhǎng)，2006年短暫的下降可能是受到金融危機(jī)的影響?；谝曈X型的火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)適用于大范圍的監(jiān)控，可以克服多個(gè)傳感器之間的協(xié)同工作的問題，降低了火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且隨著圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，基于視覺的大范圍火災(zāi)識(shí)別變得越發(fā)簡(jiǎn)單、快捷，其檢測(cè)準(zhǔn)確度也不斷提高，這正解決了傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器的發(fā)展瓶頸。

基于視覺的火焰火災(zāi)探測(cè)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

在此，筆者對(duì)具有良好前景的基于圖像識(shí)別的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)中的一種——基于視覺的火焰火災(zāi)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，介紹其技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)以期幫助相關(guān)的國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)了解專利信息，把握技術(shù)動(dòng)向，做好專利布局。

目前階段，對(duì)于火災(zāi)火焰圖像的識(shí)別主要是針對(duì)火焰圖像所具備的紅外輻射特性、可見光輻射特性、色譜特性和蔓延增長(zhǎng)趨勢(shì)等多方面的特征信息來進(jìn)行的。

當(dāng)基于火焰圖像的紅外輻射特性、可見光輻射特征進(jìn)行火災(zāi)圖像識(shí)別時(shí)，周圍環(huán)境中的光源，例如路燈、車燈、太陽(yáng)光等，甚至墻壁、地板對(duì)光的反射都將構(gòu)成干擾光源，上述干擾光源中的紅外光、可見光、紫外光輻射將干擾火焰識(shí)別，導(dǎo)致誤報(bào)警。因此，在基于圖像的火焰識(shí)別中，如何排除環(huán)境中的干擾光源是基于火焰的火災(zāi)圖像識(shí)別的重要問題。縱觀基于視覺的火焰火災(zāi)圖像識(shí)別技術(shù)發(fā)展過程，可概括出排除干擾光源的技術(shù)手段主要包括：設(shè)置光學(xué)濾波器、多波段識(shí)別、設(shè)置亮度值閾值、多特征融合判斷，現(xiàn)對(duì)上述四種技術(shù)手段的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理述。

設(shè)置光學(xué)濾波器

早在1989年，美國(guó)的SYSRON DONNER提出了根據(jù)火焰的中心頻率濾除干擾光，其在火焰探測(cè)器前加設(shè)一光學(xué)帶寬濾波器，該濾波器能夠?yàn)V除火焰中心頻率之外的光輻射（US4866420A），從而防止誤報(bào)警。1997年，日本的能美防災(zāi)株式會(huì)社對(duì)紅外火焰探測(cè)器前的濾波器的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使用Se、ZnSe、聚乙烯、聚丙烯、BaF2、CaF2的復(fù)合材料制作厚度為0.3mm的紅外濾波器，以提供一個(gè)帶寬合適的濾波器盡可能多的過濾干擾光（JP特開平11-144162A）。但是，濾波器的反射光也會(huì)對(duì)火焰成像，在專利US4866420A以及JP特開平11-144162A中，濾波器均與光軸垂直設(shè)置，這樣濾波器反射光對(duì)火焰成的虛像在探測(cè)器的透鏡系統(tǒng)成的實(shí)像附近，構(gòu)成干擾光源。因此，能美防災(zāi)株式會(huì)社繼續(xù)對(duì)濾波器的位置進(jìn)行改進(jìn)，將濾波器與光軸傾斜放置，使得濾波器對(duì)火焰成的虛像遠(yuǎn)離透鏡系統(tǒng)成的實(shí)像，從而避免干擾（JP特開2002-245568A）。另外，根據(jù)光源頻率設(shè)置濾波器主要用于濾除頻率已知的人造光源，由于太陽(yáng)光光譜豐富，室外、白天的火焰圖像火災(zāi)識(shí)別中，太陽(yáng)光也是主要的干擾光源。對(duì)此，2003年英國(guó)的DAVIDSON提出了一種排除太陽(yáng)光干擾的方法，該方法適用于識(shí)別碳氧化合物類物質(zhì)的燃燒，碳氧化合物類物質(zhì)燃燒輻射的紅外光波長(zhǎng)集中在761nm附近；而大氣中的氧氣、水蒸氣會(huì)吸收太陽(yáng)輻射中761nm附近的大部分紅外光，因此太陽(yáng)輻射在761nm附近有暗線，這樣，只需在火災(zāi)探測(cè)器前放置一中心波長(zhǎng)為761nm的窄帶濾波器即可濾除構(gòu)成干擾的太陽(yáng)光，從而準(zhǔn)確識(shí)別碳氧化合物的燃燒（GB0325223A）。

可見，設(shè)置濾波器是一種簡(jiǎn)單、便捷的排除干擾源的方法，但是其適用性窄，需根據(jù)燃燒物的輻射光譜、閃爍頻率以及環(huán)境中主要干擾源的特點(diǎn)選擇合適的濾波器。

多波長(zhǎng)識(shí)別

美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局早在1996年就提出一種雙波長(zhǎng)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)以降低火災(zāi)誤報(bào)率，研究人員根據(jù)不同照度下干擾源的頻率研究的火災(zāi)探測(cè)器包括兩個(gè)CCD攝像機(jī)，其中一個(gè)CCD攝像機(jī)前放置800nm的濾波器以在類似多云、陰天的低照度情況下進(jìn)行火災(zāi)圖像識(shí)別，另外一個(gè)CCD攝像機(jī)前放置1000nm的濾波器以在晴天等類似的高照度情況在進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)（US5726632A）。隨后，隨著攝像機(jī)自身的不斷完善，人們又改進(jìn)了多波段的火災(zāi)圖像識(shí)別。2008年，Billy Hou發(fā)明了一種多波段視頻圖像火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了彩色/黑白雙模式相機(jī)和彩色/近紅外雙模式相機(jī)，其在不同的光照條件下更靈活選擇不同波長(zhǎng)的攝像機(jī)，以避免可見光的影響，而且該系統(tǒng)還能夠探測(cè)酒精燃燒產(chǎn)生的透明火焰（US2009/0315722A1）。

除根據(jù)不同的光照條件選擇合適波長(zhǎng)的攝像機(jī)外，2000年英國(guó)的D-TEC公司還將紅外波長(zhǎng)、可見光波長(zhǎng)的火焰圖像探測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合比較，以給出更準(zhǔn)確的火災(zāi)識(shí)別結(jié)果（GB2360355A）。在國(guó)內(nèi)，山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所于2008年提出了一種雙波段圖像識(shí)別火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用彩色CCD視頻元件和近紅外CCD視頻元件分別對(duì)視頻圖像進(jìn)行兩個(gè)通道的判斷，當(dāng)兩個(gè)通道確定的異常區(qū)域?yàn)橥粎^(qū)域時(shí)，即識(shí)別為火災(zāi)，從而降低了誤報(bào)率（CN101195886A）。除可見光外，紫外光也是火焰的主要輻射光。公安部沈陽(yáng)消防研究所于2009年提出了一種紫外紅外復(fù)合火焰判斷方法，其使用紫外、紅外通道進(jìn)行復(fù)合判斷，提高了偵測(cè)準(zhǔn)確度（CN101383075A）。也有研究者將火焰輻射的紅外、紫外、可見三個(gè)光譜波段進(jìn)行綜合比較，以降低誤報(bào)率（CN202929792U、KR10-2011-0091988）。

設(shè)置亮度閾值

然而，不管是選擇波長(zhǎng)合適的濾波器、視頻元件，還是綜合火焰的多波段輻射光進(jìn)行復(fù)合判斷以降低誤報(bào)率，其前提均是如何排除干擾源從多幀視頻圖像中識(shí)別出火焰區(qū)域，這涉及基于圖像的火焰識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)。

由于火焰具有不同于背景環(huán)境的亮度特征，因而亮度值常常被用來作為火焰視頻探測(cè)技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單、便捷的判據(jù)，早期的基于視覺的火焰識(shí)別多通過亮度值進(jìn)行火焰圖像的判斷。1993年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通過設(shè)置合適的火焰判斷灰度值閾值，使得火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)僅對(duì)光學(xué)探測(cè)采集的紫外、紅外光敏感，一旦掃描辨別出畫面上某部位灰度值達(dá)到或超過火焰識(shí)別閾值，則表明在探頭的監(jiān)控場(chǎng)所內(nèi)有火焰出現(xiàn)，并記錄該部位影像的面積，接著，計(jì)算面積增長(zhǎng)率，以確定是否為火災(zāi)火焰（CN1089741A）。與此類似的是，日本OKI ELECTRIC IND公司還設(shè)置了像素?cái)?shù)閾值，并判斷超過亮度閾值的像素個(gè)數(shù)是否超過了像素?cái)?shù)閾值，據(jù)此判斷是否發(fā)生火災(zāi)（JP特開2000-101987A）。1994年，日本的HOCHIKI公司將火焰的亮度特征與閃爍頻率特征綜合進(jìn)行判斷，對(duì)掃描的圖像的亮度進(jìn)行判斷，當(dāng)亮度超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，檢測(cè)圖像的閃爍頻率，若其閃爍頻率也超出閾值，則確定采集的圖像中存在火焰（JP特開平8-44973A）。該公司又于1998年在攝像元件前設(shè)置一個(gè)線性的偏振片，旋轉(zhuǎn)該偏振片，如果采集的圖像的亮度隨著偏振片的旋轉(zhuǎn)而變化，則為火焰圖像，如果旋轉(zhuǎn)偏振片時(shí)圖像的亮度不變，則圖像為墻壁、地面等反射體反射的火焰圖像，從而排除反射的干擾光源（JP特開2000-67342A）。日本富士通株式會(huì)社也于1999年根據(jù)前后兩幀圖像明亮度的改變是否超出閾值來判斷視頻攝像機(jī)采集的圖像中是否存在火焰（JP特開2001-67566A）。上述基于明亮度的火焰視覺識(shí)別屬于固定閾值（類似專利還有CN1044524A、CN1979576A、CN1576839A、US2002/0021221A1、JP特開2000-101987A、JP特開2001-67566A），這種方式選取的亮度閾值提取出的區(qū)域穩(wěn)定，提取過程簡(jiǎn)單，但對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力不夠。2006年，能美防災(zāi)株式會(huì)社又將亮度閾值與差分法相結(jié)合識(shí)別火焰區(qū)域（JP特開2007-272532A）。2009年，北京智安邦科技有限公司于2009年提出了一種確定亮度閾值的自適應(yīng)生成的方法，根據(jù)不同的環(huán)境確定相應(yīng)的最佳亮度閾值，然后基于最佳亮度閾值對(duì)是否是火焰做出判斷，因此能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，降低誤報(bào)率（CN101764922A）。

多特征融合

基于亮度閾值的火焰識(shí)別方法簡(jiǎn)單、便捷，計(jì)算量小，但是因其考慮的火焰特征較為單一，準(zhǔn)確度欠佳?；鹧嫘盘?hào)特征還包括顏色變化、輻射面積增長(zhǎng)、邊緣變化、閃爍、形體變化、分層變化、整體移動(dòng)以及燃燒音，其均為基于視覺的火災(zāi)探測(cè)算法的依據(jù)，那么，如何選擇合適的火災(zāi)探測(cè)算法的依據(jù)、如何根據(jù)所選擇的依據(jù)選擇合適的算法進(jìn)行火災(zāi)識(shí)別近年來成為人們研究的熱點(diǎn)。

早在1995年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)就展開了初步的多特征融合的火焰視覺識(shí)別的研究，其利用彩色影像三基色對(duì)早期火焰的不同反應(yīng)，利用紅基色影像自動(dòng)差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰與圖像的自動(dòng)分離，該方法無需添加濾波設(shè)備，并通過火災(zāi)的增長(zhǎng)速率判斷火災(zāi)的發(fā)展、存在與否（CN1112702A）。2001年，能美防災(zāi)株式會(huì)社根據(jù)面積、形狀、移動(dòng)、閃爍頻率綜合判斷疑似區(qū)域是否為火焰（JP特開2002-245567A）。同年，能美防災(zāi)株式會(huì)社還提出了根據(jù)面積、形狀、移動(dòng)、運(yùn)動(dòng)矢量的火焰綜合識(shí)別方法（JP特開2002-279545A）。2008年，韓國(guó)KENT 公司也根據(jù)RGB三基色對(duì)疑似火焰區(qū)域進(jìn)行分離，并結(jié)合邊緣變化進(jìn)行了進(jìn)一步的識(shí)別（KR10-2008-010939A）。2009年，中國(guó)科技大學(xué)又提出了一種多特征融合的快速視頻火焰探測(cè)方法，對(duì)火焰的顏色特征、運(yùn)動(dòng)特征及火焰區(qū)域的閃爍特征進(jìn)行建模，根據(jù)運(yùn)動(dòng)、顏色、閃爍的識(shí)別順序排除了火焰探測(cè)干擾源（CN101493980A）。2012年，韓國(guó)SUNIN UNITECH INC公司使用小波變化進(jìn)行了火焰圖像識(shí)別，大大提高了識(shí)別準(zhǔn)確度（KR10-2012-0050073A）?？梢?，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升，人們可通過更多的火焰信號(hào)特征進(jìn)行火焰的精確識(shí)別，但是，基于效率與成本的考慮，還是應(yīng)該根據(jù)燃燒物的特點(diǎn)選取最為合適的火焰信號(hào)特征。

結(jié)束語(yǔ)

縱觀技術(shù)的發(fā)展可知，近幾年，基于圖像的火焰識(shí)別的研究熱點(diǎn)為選擇多個(gè)合適的火焰判據(jù)以及圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行多特征融合判斷的火焰識(shí)別以企圖兼顧準(zhǔn)確度與效率。我國(guó)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位應(yīng)掌握上述技術(shù)熱點(diǎn)，加大科研力度與研究成果的產(chǎn)品化，以滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的消防市場(chǎng)需求。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.026