可視型煙霧火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張思陽

摘 要：煙霧是火焰燃燒的一個(gè)重要特征，它總是開始誕生前的火焰?zhèn)鞑?，與火焰相比，煙霧蔓延在整個(gè)空間中，為不容易躲避的對(duì)象，較利于火災(zāi)的早期預(yù)警。可視火災(zāi)煙霧探測(cè)系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低，能節(jié)約投資成本，可連接到天眼服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警及信息管理服務(wù)。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)；煙霧檢測(cè)；背景減除法

中圖分類號(hào)：TF391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）30-0015-02

1 視頻火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)有的兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分析已經(jīng)上市的兩種視頻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，原來現(xiàn)有的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是相似的，例如Fike公司的SingiFire系統(tǒng)，該系統(tǒng)由若干攝像機(jī)，記錄儲(chǔ)存系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)等組成，其在系統(tǒng)中使用的是擁有專用視頻分析處理器的智能相機(jī)，這種相機(jī)帶的處理器能夠進(jìn)行煙霧檢測(cè)算法，除此之外相機(jī)本身都需分析并處理自己采集的信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)，將采集的視頻和相機(jī)處理后的結(jié)果傳到相關(guān)設(shè)備里就能夠達(dá)成火災(zāi)報(bào)警，儲(chǔ)存視頻圖像和報(bào)警結(jié)果的目的。另一種D.TecD的VSD（VideoSmoke

Detection）視頻火災(zāi)煙霧檢測(cè)系統(tǒng)則使用的是只負(fù)責(zé)采集視頻圖像的非智能相機(jī)，這也是它與上述SingiFire系統(tǒng)最大的差異，因此VSD要用專門的計(jì)算機(jī)進(jìn)行所有的煙霧分析。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用圖像探測(cè)器（CCD攝像機(jī)）采集空間內(nèi)的視頻，通過數(shù)字信號(hào)處理器（如TI公司的TMS320DM642DSP芯片）對(duì)視頻進(jìn)行分析處理，既可以將采集的視頻實(shí)時(shí)顯示，又可以將視頻處理結(jié)果發(fā)送到客戶端。圖像的分析處理是系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)不但能夠?qū)?shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況，還能夠?qū)馂?zāi)進(jìn)行探測(cè)，并能夠準(zhǔn)確地在各種復(fù)雜的環(huán)境下判斷火災(zāi)情況，探測(cè)器能夠接入各類火災(zāi)報(bào)警體系和視頻系統(tǒng)。系統(tǒng)的原理圖，如1所示[1]，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，如圖2所示。

如圖2所示系統(tǒng)的探測(cè)器是一臺(tái)CCD攝像機(jī)。所謂圖像處理系統(tǒng)的輸入，就是攝像機(jī)采集的視頻流，利用解碼器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。圖像處理系統(tǒng)依靠對(duì)視頻的智能分析，包括煙霧圖像提取、預(yù)處理、分割、特征判斷、識(shí)別等，來判斷有無發(fā)生火災(zāi)，這也是系統(tǒng)在運(yùn)行設(shè)計(jì)好這些流程的視頻處理軟件。煙霧是火焰燃燒的一個(gè)重要特征，它總是開始于火焰的傳播，與火焰相比煙霧蔓延在整個(gè)空間中，直到現(xiàn)在，既沒有一個(gè)通用的方法，也沒有一個(gè)客觀標(biāo)準(zhǔn)來判斷分割是否成功。此外，對(duì)于攝像機(jī)采集到的圖像，我們需要進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，利用編碼器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換在顯示器中顯示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況作出及時(shí)反應(yīng)和判斷，將火災(zāi)控制在初期階段，示意圖如3所示。

2 探測(cè)系統(tǒng)各模塊分析

煙霧火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)軟件主要包含視頻模塊和視頻煙霧檢測(cè)模塊。視頻模塊包含圖像采集驅(qū)動(dòng)、視頻解碼與轉(zhuǎn)換、視頻壓縮存儲(chǔ)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控四個(gè)子模塊。圖像采集驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)直接與系統(tǒng)相連接的相機(jī)視頻的采集；視頻解碼與轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程傳輸或從其他系統(tǒng)中引入的視頻的解壓縮并轉(zhuǎn)換成本系統(tǒng)能夠處理的視頻格式；作為監(jiān)控系統(tǒng)，視頻壓縮儲(chǔ)存和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行管理與控制。

視頻圖像預(yù)處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、煙霧特征分析、統(tǒng)計(jì)與報(bào)警系統(tǒng)是視頻煙霧檢測(cè)模塊的四個(gè)子模塊。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)用于檢測(cè)攝像頭監(jiān)控區(qū)域中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，是煙霧特征分析的基礎(chǔ)。圖像預(yù)處理通常包括增強(qiáng)、濾波等方面，用于增強(qiáng)圖像的質(zhì)量：圖像分割需要把我們感興趣的目標(biāo)區(qū)域提取出來：煙霧特征分析是視頻煙霧檢測(cè)算法的核心，利用煙霧亮度與飽和度特征、擴(kuò)散性特征、不規(guī)則特征對(duì)可疑圖元進(jìn)行了檢查，可疑圖元如果出現(xiàn)在煙霧出現(xiàn)的區(qū)域就進(jìn)行標(biāo)記：含有煙霧的可疑圖元被統(tǒng)計(jì)與報(bào)警信息子模塊進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)和空間統(tǒng)計(jì)，報(bào)警信息子模塊根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的結(jié)果發(fā)出火警信息，這樣，誤報(bào)率就被有效的降低。

3 算法在實(shí)際中的實(shí)現(xiàn)

3.1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是整個(gè)算法的基石，也是視頻煙霧檢測(cè)算法的第一步。后續(xù)算法得以成功的保障就是良好的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)效果。下面利用背景減除法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，得到的結(jié)果，如圖4所示。

（a）表示當(dāng)前的背景圖像，圖4（b）表示煙霧圖像，則表示檢測(cè)到的背景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。從圖中可以看出較完整的檢測(cè)出了煙霧區(qū)域，并顯示為白色。

3.2 煙霧圖像的增強(qiáng)

采用灰度修正法來進(jìn)圖像增強(qiáng)，灰度變換調(diào)整前后的圖像和直方圖，如圖，5所示。

我們選擇的是對(duì)比度不足的pout.tif圖像，從它的直方圖可以算出，它的灰度值大概在[95 160]這個(gè)范圍內(nèi)，所以我們要調(diào)整它的灰度范圍，改為[0 200]，增大灰度范圍，從而增強(qiáng)對(duì)比度。變換后在整個(gè)灰度范圍內(nèi)，像素值的個(gè)數(shù)都非常均衡。很明顯，變換后的圖像比變換前的圖像具有更好的視覺效果。

3.3 煙霧圖像的濾波

在實(shí)際應(yīng)用過程中，一幅圖像可能存在各種各樣的噪聲，濾波能夠除去噪聲對(duì)圖像的影響。

3.4 煙霧圖像的分割處理

算法的第二步是可疑圖元分割，依據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)在一定的局部區(qū)域內(nèi)目標(biāo)像素點(diǎn)的數(shù)目來確定后續(xù)的煙霧特征分析和統(tǒng)計(jì)與報(bào)警模塊的輸入圖像，這個(gè)圖像也就是可疑圖元。在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取的基礎(chǔ)上進(jìn)行可疑圖元分割的結(jié)果，如圖6所示。

4 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注大空間場(chǎng)所的防火問題。作為一種全新的、有效的火災(zāi)檢測(cè)手段，可視型火災(zāi)煙霧檢測(cè)技術(shù)未來的使用價(jià)值和應(yīng)用前景不可忽視。本文首先對(duì)目前國(guó)內(nèi)外火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究；然后在視頻圖像處理基本理論上，對(duì)煙霧圖像信號(hào)的目標(biāo)檢測(cè)、預(yù)處理、可疑區(qū)域分割，煙霧特征分析的問題進(jìn)行了研究，提出了具體的煙霧檢測(cè)算法，成功地識(shí)別出煙霧。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許峰，于春雨，徐放.視頻煙霧火災(zāi)探測(cè)技術(shù)研究趨勢(shì)[J].消防科學(xué)與技 術(shù)，2012，21（11期）：1185～1186.