基于視頻條件的火焰特征分析

丁斗恒，陳彥錕，吳俊濤

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

傳統(tǒng)視頻分析技術(shù)目前已在社會安全等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在火焰特征變化規(guī)律方面的應(yīng)用較少。應(yīng)用傳統(tǒng)視頻分析技術(shù)分析火焰特征變化規(guī)律，所得結(jié)果更具說服力，可以為火災(zāi)案件的偵破提出更加有力的證據(jù)[1]。針對目前存在的對視頻圖像中火焰特征的定量分析較少的問題，本文將視頻分析與火災(zāi)探測技術(shù)相結(jié)合，提出視頻圖像中火焰特征變化規(guī)律的分析方法，定量分析火焰各項參數(shù)特征及其變化規(guī)律[2]。視頻圖像包含的信息量大，包括客觀的起火源、火勢大小、起火點等，還能采集煙霧火焰的紋理、顏色、物體形狀等信息。因此，視頻分析技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域有巨大發(fā)展空間[3]。本文針對監(jiān)控?zé)o遮擋情形，分別對油盤火焰和ABS塑料火焰的顏色、面積增長、質(zhì)心變化及閃爍頻率等特征進(jìn)行提取、對比和分析，總結(jié)不同火焰在視頻中的特征變化規(guī)律，以實現(xiàn)對不同火焰的識別。

1 試驗原理及內(nèi)容

1.1 試驗原理

基于視頻分析的火焰特征識別主要依靠火焰圖像檢測技術(shù)、火焰特征提取技術(shù)實現(xiàn)?；鹧鎴D像檢測技術(shù)指通過視頻檢測軟件對火焰視頻進(jìn)行檢測，再通過機器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行識別[4]。火焰特征提取技術(shù)是指抽取能反映圖像特性的特征，不同的特征用途不同，用于檢測和識別時的性能也不同，適用背景也不同，抽取火焰圖像的有效特征是完成基于火焰圖像的目標(biāo)檢測和識別任務(wù)的關(guān)鍵。

火焰圖像經(jīng)過預(yù)處理后，將圖像中不同灰度或特征的目標(biāo)區(qū)域分離出來，即將火焰部分分離出來，為進(jìn)一步提取火焰的相關(guān)特征奠定了基礎(chǔ)?；鹧鎴D像的特征提取是進(jìn)行火焰識別的必要前提，是判斷火災(zāi)性質(zhì)和火災(zāi)原因的重要基礎(chǔ)。

1.2 試驗流程

依據(jù)普通實體火災(zāi)與放火火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展特點，設(shè)計普通ABS塑料實體火引燃及油盤火引燃等常見火災(zāi)形式，每種實體火形式中，根據(jù)火源與監(jiān)控攝像頭的關(guān)系，利用彩色CCD監(jiān)控攝像頭收集火災(zāi)視頻，如圖1所示。

1.亮度調(diào)節(jié)裝置；2.壁面亮度檢測儀；3.彩色CCD攝像頭； 4.綜合燃燒實驗臺；5.火源放置位置；6.熱電偶圖1 彩色CCD攝像頭收集火災(zāi)視頻

具體試驗步驟為：(1)在綜合燃燒實驗臺中央布置半徑為5 cm、高為5 cm的油盤，引燃模擬室內(nèi)火災(zāi)。在綜合燃燒實驗臺正前方放置一臺彩色監(jiān)控攝像頭，監(jiān)控攝像機的鏡頭中心高為160 cm?；鹪?油盤/ABS塑料)距監(jiān)控攝像機鏡頭中心的垂直距離為60 cm。(2)監(jiān)控攝像頭與PC端監(jiān)控服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)相連接，監(jiān)控視頻通過無線網(wǎng)絡(luò)自動保存至PC服務(wù)器。PC端收集到監(jiān)控視頻后，對火災(zāi)視頻進(jìn)行拆幀，得到火災(zāi)初起、發(fā)生和發(fā)展的視頻圖像，對視頻進(jìn)行灰度化、圖像增強、圖像分割等預(yù)處理。完成預(yù)處理后，對火焰圖像進(jìn)行特征提取、識別。視頻分析結(jié)果用于輔助火災(zāi)調(diào)查人員判定起火部位、起火點，找到起火原因。(3)對比分析所得到的火焰特征數(shù)據(jù)，分析并尋找規(guī)律，得出相關(guān)結(jié)論。

1.3 火焰特征提取

火焰圖像經(jīng)過預(yù)處理之后，將火焰部分分離出來，為進(jìn)一步提取火焰的相關(guān)特征奠定基礎(chǔ)。本文采用多特征融合的方法，針對火災(zāi)視頻中亮點區(qū)域較小、背景區(qū)域較大的特點，利用預(yù)處理的火焰圖像，對其進(jìn)行相關(guān)特征提取，以提高火焰種類的識別速度與精度[5]。

火災(zāi)發(fā)生早期，就圖像特征而言，通常有形狀不規(guī)則、火焰面積大、位置基本穩(wěn)定、邊緣持續(xù)抖動等特征。提取火焰圖像特征時，主要提取區(qū)別性較大的特征，主要為火焰的動靜態(tài)幾何特征、顏色特征及幀與幀之間圖像的穩(wěn)定性[6]。為提高不同火焰的區(qū)分度，提高火焰識別的準(zhǔn)確率，選擇火焰面積增長特性、火焰質(zhì)心運動特性、火焰形體變化特性、火焰頻閃特征及火焰幀間圖像相關(guān)性等對油盤火及ABS塑料燃燒火焰進(jìn)行特征提取，并設(shè)計分類器進(jìn)行區(qū)分識別。

1.3.1 火焰的HSV顏色特征

顏色是火焰對于人眼視覺系統(tǒng)最直接顯著的特征，是進(jìn)行火焰識別分析的一項重要依據(jù)，本文選用視覺感知領(lǐng)域中常用到的HSV模型對火焰顏色進(jìn)行感知，HSV模型更加類似于人類對顏色的感知方式，如圖2所示。

圖2 HSV顏色模型

為更加直觀地觀察兩種火焰的HSV顏色特征和各個分量特征，將兩種不同火焰的H、S、V分量數(shù)據(jù)制成表格，如表1所示，并加以對比分析，發(fā)現(xiàn)：ABS塑料火焰的H、S值要高于油盤火焰的相應(yīng)值，但兩者數(shù)值較為接近；油盤火的V分量大于ABS塑料火焰。造成兩種火焰H、S、V值不同的原因在于，油盤火焰和ABS塑料火焰的可燃物不同，其火焰產(chǎn)生機理不同，導(dǎo)致不同種類火焰的HSV出現(xiàn)差別。

表1 火焰的HSV分量

1.3.2 火焰面積增長特性

根據(jù)監(jiān)控攝像頭收集到的監(jiān)控視頻來看，火災(zāi)初期的發(fā)生、發(fā)展和蔓延過程，火勢發(fā)展都是從小到大的蔓延過程。然而，不同種類可燃物燃燒，由于其化學(xué)組成不同，在相同環(huán)境條件下，其熱釋放速率不同，燃料表面氣化蒸發(fā)速率不同，導(dǎo)致材料成分差別較大的可燃物其火焰形貌也不同。因此，火焰圖像的面積變化這一特征可以作為火焰識別區(qū)分的判據(jù)。

油盤火焰和ABS塑料火焰的面積變化規(guī)律完全遵循截然不同的規(guī)律，油盤火焰面積迅速增高到最高值，然后以“增高-降低”振動方式逐漸減小，最終穩(wěn)定在0.04左右；ABS塑料火焰面積由0逐漸增大，主要呈現(xiàn)4個階段：在0～0.000 3階段緩慢增長，0.000 3～0.000 2階段短暫下降，0.000 2～0.001 0階段迅速增長和0.001 0～0.000 8階段逐漸下降。

1.3.3 火焰質(zhì)心運動特征

火災(zāi)發(fā)生過程中，火焰隨著可燃物蒸氣流動的變化不斷發(fā)生移動，整體來說火焰是連續(xù)移動的，如圖3、圖4所示。通過質(zhì)心的變化，可以判定火焰前景圖像的移動情況。

圖3 油盤火焰質(zhì)心運動范圍

圖4 ABS塑料火焰質(zhì)心運動范圍

1.3.4 火焰閃爍頻率特征

不同可燃物發(fā)生燃燒，火焰都會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。根據(jù)空氣動力學(xué)原理，火焰閃爍與燃料熱流和周圍空氣的剪切力直接相關(guān)。每種可燃物燃燒的火焰發(fā)生閃爍，看似沒有規(guī)律，其實頻譜特征有其特有的規(guī)律。因此，火焰的閃爍頻率特征對于分析識別火焰，判定起火物種類，判斷起火原因具有重要作用。

利用Matlab2018a環(huán)境，編寫相關(guān)火焰閃爍頻率變化代碼，計算并記錄兩種火焰視頻圖像中火焰的變化頻率，如圖5、圖6所示。由圖可知：油盤火焰的閃爍頻率為0.290 3，ABS塑料火焰的閃爍頻率為0.112 9。兩種火焰閃爍頻率產(chǎn)生差別的原因在于：不同可燃物，其物理化學(xué)性質(zhì)不同，發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)速率和產(chǎn)物不同，加之空氣流場的影響，導(dǎo)致其頻率特征大不相同。

圖5 油盤火焰閃爍頻譜

圖6 ABS塑料火焰閃爍頻譜

2 結(jié)論與分析

通過提取火焰視頻圖像，應(yīng)用相關(guān)算法，分析了不同火焰的特征，得到結(jié)論為：(1)ABS塑料火焰的H、S值要高于油盤火焰的相應(yīng)值，但兩者數(shù)值較為接近；油盤火的V分量大于ABS塑料火焰的V分量。(2)油盤火焰和ABS塑料火焰的面積變化規(guī)律不同，油盤火焰面積迅速增高到最高值，然后以“增高-降低”振動方式逐漸減小，最終穩(wěn)定在0.04左右；ABS塑料火焰面積由0逐漸增大，主要呈現(xiàn)4個階段：在0～0.000 3階段緩慢增長，0.000 3～0.000 2階段短暫下降，0.000 2～0.001 0階段迅速增長和0.001 0～0.000 8階段逐漸下降。(3)油盤火焰閃爍頻率為0.290 3，ABS塑料火焰閃爍頻率為0.112 9。(4)油盤火焰質(zhì)心運動范圍較大，ABS塑料火焰質(zhì)心運動范圍較小。

本文根據(jù)機器視覺原理對實際火災(zāi)現(xiàn)場中監(jiān)控視頻進(jìn)行了分析研究，得到了不同火焰的HSV顏色、面積增長、質(zhì)心變化及閃爍頻率等相關(guān)特征，并進(jìn)行了對比分析，揭示了在外界環(huán)境條件相同情形下，不同可燃物燃燒的火災(zāi)動力學(xué)過程不同，其在視頻中表現(xiàn)出的特征變化規(guī)律亦不相同，對不同類型火焰進(jìn)行區(qū)分，預(yù)計能較好地輔助調(diào)查人員判定起火原因。

實際火災(zāi)現(xiàn)場中，視頻的清晰程度、外界光線強度、監(jiān)控的運行狀態(tài)及監(jiān)控攝像頭的不同類型等都對火焰的特征識別和定位有著較為顯著的影響[7]，如何解決上述問題，依舊是火災(zāi)調(diào)查人員的重大關(guān)切。不同可燃物燃燒具有不同的視頻特征，建立常見可燃物視頻特征庫，利用人工智能算法實現(xiàn)火焰的智能識別，是火災(zāi)調(diào)查人員下一步研究方向。