淺析機(jī)器視覺(jué)在消防技術(shù)中的應(yīng)用

方江平 萬(wàn)峰 傅琪 蘇俊

摘要：隨著人工智能和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了其價(jià)值。其中，在消防技術(shù)中，機(jī)器視覺(jué)得到了很好的應(yīng)用。本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外最新文獻(xiàn)和產(chǎn)品信息，簡(jiǎn)要介紹了機(jī)器視覺(jué)原理，重點(diǎn)分析了機(jī)器視覺(jué)在檢測(cè)火災(zāi)時(shí)采用的關(guān)鍵算法與應(yīng)用流程。并通過(guò)分析典型應(yīng)用案例，總結(jié)機(jī)器視覺(jué)在消防技術(shù)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);消防應(yīng)用;特殊區(qū)域;火災(zāi)防控

1 引言

煙霧傳感器和相應(yīng)的水泵是過(guò)去幾十年自動(dòng)消防系統(tǒng)的一部分。但在室內(nèi)環(huán)境火災(zāi)傳感器中還存在一定的空白，只有當(dāng)火災(zāi)或煙霧接觸傳感器時(shí)才會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。到這個(gè)時(shí)候，火勢(shì)變得無(wú)法控制，水泵也無(wú)法控制火勢(shì)。另一個(gè)缺口是控制戶外火災(zāi)，這些火災(zāi)會(huì)對(duì)田野、戶外儲(chǔ)存空間和油庫(kù)造成損害。在室外環(huán)境中安裝火災(zāi)傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的，但機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展為室外環(huán)境的監(jiān)控提供了可行性。

目前消防機(jī)器人在消防領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用。但由于機(jī)器視覺(jué)對(duì)于火災(zāi)監(jiān)測(cè)的算法還未完善，導(dǎo)致具備火災(zāi)判斷與處理能力的消防機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用還未普及。針對(duì)這一方面，一些學(xué)者已經(jīng)做出了機(jī)器視覺(jué)對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)流程的相應(yīng)算法。同時(shí)，也有學(xué)者針對(duì)森林火災(zāi)、油庫(kù)火災(zāi)等大型特殊火災(zāi)場(chǎng)所的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和處理做出了相應(yīng)研究。

本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究課題，淺析機(jī)器視覺(jué)在消防系統(tǒng)中的應(yīng)用。詳細(xì)介紹了機(jī)器視覺(jué)的原理和幾種對(duì)于火災(zāi)分類與判別的方法。并對(duì)機(jī)器視覺(jué)在消防技術(shù)中應(yīng)用的前景趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用原理

在以往的火災(zāi)探測(cè)中，主要是利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中的數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)對(duì)于視頻中火焰進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和邊緣檢測(cè)。優(yōu)化了火焰的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙霧產(chǎn)生的火焰的檢測(cè)和火焰像元的擴(kuò)散。這些系統(tǒng)可以用來(lái)減少火災(zāi)的誤檢。圖1為機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成部分。

基于機(jī)器視覺(jué)的智能消防系統(tǒng)（如圖2），將實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)和火災(zāi)控制一體化。其配備了兩種不同功能的攝像頭：普通攝像頭和火災(zāi)控制結(jié)合，拍攝消防炮發(fā)射火炮的畫(huà)面;而紅外攝像頭用于檢測(cè)火焰元素，提取特征。從而來(lái)判斷火災(zāi)是否發(fā)生以及火災(zāi)的嚴(yán)重程度。當(dāng)火災(zāi)被判定發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，啟動(dòng)消防炮等滅火裝置進(jìn)行自動(dòng)滅火。該系統(tǒng)在消防炮滅火過(guò)程中會(huì)追蹤其軌跡，結(jié)合提取到的火焰特征來(lái)調(diào)整角度，使消防炮更準(zhǔn)確的將水噴射到火災(zāi)發(fā)生處。而最終依靠紅外攝像頭所提取圖片來(lái)判斷是否成功滅火。

3 火災(zāi)檢測(cè)流程中的關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)要使用在消防系統(tǒng)中，有一個(gè)重要的問(wèn)題是對(duì)于火災(zāi)的特征提取和判斷。根據(jù)判斷結(jié)果，智能系統(tǒng)才能觸發(fā)內(nèi)部判斷，從而采取相應(yīng)的措施。因此，火災(zāi)的檢測(cè)流程就十分重要。如圖3所示，可以分為疑似區(qū)域提取-提取火焰特征-判斷火災(zāi)類別-火災(zāi)處理四部分。

3.1疑似區(qū)域提取

在機(jī)器視覺(jué)中，由于設(shè)備等各種原因，都會(huì)使采集到的圖像含有噪聲。因此，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行去噪處理、增強(qiáng)圖像對(duì)比度等方法，來(lái)減少噪聲的干擾，使得提取的圖像特征更符合實(shí)際，從而使處理過(guò)后的輸入圖像比原圖更加適合于特定的應(yīng)用。

火災(zāi)的發(fā)生是逐漸蔓延的，在一系列監(jiān)測(cè)圖像中，體現(xiàn)在相對(duì)于固定背景出現(xiàn)新的目標(biāo)。通過(guò)采用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法對(duì)這些圖像進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)相應(yīng)前景區(qū)域再進(jìn)行顏色判別，最終得到火災(zāi)疑似區(qū)域。

3.2提取火焰特征

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的發(fā)展，視頻火災(zāi)檢測(cè)與現(xiàn)有的煙霧探測(cè)器、熱傳感器等火災(zāi)檢測(cè)方法相比，具有更好的檢測(cè)效果。有學(xué)者針對(duì)火焰的視頻處理做出了相應(yīng)研究，認(rèn)為火焰的燃燒從零開(kāi)始，每一個(gè)階段有其相應(yīng)的視覺(jué)特征。他將煙、火焰作為移動(dòng)的對(duì)象（如圖4），并將其用于進(jìn)一步的分析，如背景差、時(shí)間差、光流分析等。后來(lái)他轉(zhuǎn)向頻率分析，比如小波分析，傅里葉分析來(lái)區(qū)分火焰和運(yùn)動(dòng)物體。小波域能量分析可以解釋煙氣的時(shí)變特性。監(jiān)控?cái)z像機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)視頻場(chǎng)景中的火焰，提供早期預(yù)警，確保對(duì)破壞性火災(zāi)危險(xiǎn)的快速反應(yīng)。

3.3火災(zāi)分類

在智能系統(tǒng)提取完采集到的圖片中所含有的火焰特征后，根據(jù)得到的火焰特征可以進(jìn)行火災(zāi)的分級(jí)?？偟姆譃?級(jí)（可自動(dòng)處理火災(zāi)），2級(jí)（需自動(dòng)處理且對(duì)附近消防部門進(jìn)行報(bào)備的中型火災(zāi)），3級(jí)（進(jìn)行滅火處理與通知消防官兵緊急出動(dòng)的大型火災(zāi)）。此外，應(yīng)針對(duì)不同地區(qū)采取不同的分類。在礦山地區(qū)的火災(zāi)級(jí)別可以適當(dāng)?shù)慕档桶爰?jí)，而草原和森林等擴(kuò)散速度快，災(zāi)害影響大的區(qū)域（如圖5），火災(zāi)級(jí)別需要相應(yīng)提升。

3.4火災(zāi)處理

在進(jìn)行火災(zāi)分類之后，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理措施。在一些偏遠(yuǎn)無(wú)人地區(qū)，需要裝備自動(dòng)滅火裝置，由自動(dòng)滅火裝置進(jìn)行前期的處理，并根據(jù)分級(jí)來(lái)進(jìn)行通知與報(bào)備。

4 機(jī)器視覺(jué)在消防火災(zāi)中的典型應(yīng)用

如果所監(jiān)測(cè)區(qū)域已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，及時(shí)反應(yīng)并進(jìn)行應(yīng)對(duì)就非常重要?；诖?，就需要自動(dòng)滅火系統(tǒng)。消防水炮（如圖6）的控制使用是自動(dòng)滅火系統(tǒng)的核心。根據(jù)前文所述，其工作主要有三個(gè)過(guò)程：首先，獲取真實(shí)的火焰圖像; 其次，對(duì)圖像中的疑似區(qū)域進(jìn)行特征的提取，并進(jìn)行判別與分類; 最后，智能控制系統(tǒng)操控消防水炮來(lái)控制火勢(shì)，達(dá)到火災(zāi)防控的目的。

在森林，平原，油田等室外區(qū)域，需要防火的面積較大，單一的消防水炮不能夠滿足對(duì)整個(gè)區(qū)域防控的能力。為了完全覆蓋整個(gè)監(jiān)控區(qū)域，有時(shí)需要多臺(tái)消防炮的配合使用。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，智能系統(tǒng)會(huì)調(diào)用最近區(qū)域的消防炮，在第一時(shí)間進(jìn)行滅火，但是當(dāng)火勢(shì)極其兇猛或者火災(zāi)危險(xiǎn)程度特別高的時(shí)候，就會(huì)觸發(fā)內(nèi)部機(jī)制，更進(jìn)一步的調(diào)用多個(gè)區(qū)域的資源，使用多個(gè)消防水炮一起工作來(lái)參與滅火。

其中需要強(qiáng)調(diào)的是，消防水炮安裝地點(diǎn)與智能消防攝像裝置的安裝地點(diǎn)需要有一定的安全距離。安裝距離過(guò)近將導(dǎo)致兩者不能有效的配合工作。因?yàn)橄浪谠诠ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量水霧，這會(huì)影響攝像裝置的清晰度，從而影響整個(gè)智能消防系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

下面有一些針對(duì)不同地區(qū)所設(shè)計(jì)或已經(jīng)投入使用的裝置。

4.1險(xiǎn)峻地形中火災(zāi)的處理

一些研究者設(shè)計(jì)使用多功能防火機(jī)動(dòng)巡查裝備（如圖7），該裝備有著卓越的越野性能和良好的機(jī)動(dòng)性能，可在白天和夜間兩種工作模式間進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換。該裝備利用車頭搭載的智能攝像機(jī)采集圖像來(lái)自主判斷火災(zāi)情況，并在車身搭載了脈沖式水槍，可以在各種險(xiǎn)峻地形（如沙地、泥地、草地、雪地和礫石地等）進(jìn)行消防作業(yè)。

4.2智能攝像系統(tǒng)的消防應(yīng)用

攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法在許多場(chǎng)合中有著良好的應(yīng)用。例如使用安全攝像頭和紅外監(jiān)視攝像頭進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)。室內(nèi)的自動(dòng)報(bào)警設(shè)備分為感煙式和感溫式，其工作在封閉的小空間內(nèi)相對(duì)較為容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。然而，在一些大型空間，例如森林、大型建筑、倉(cāng)庫(kù)等，探測(cè)器功能就不能得到很好的發(fā)揮，因?yàn)樵谶@些場(chǎng)景中，火災(zāi)從發(fā)生到檢測(cè)到煙霧和溫度是需要時(shí)間的?；谝曈X(jué)系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)不會(huì)受到空間的影響，智能攝像系統(tǒng)可以盡快探測(cè)煙和熱并提供火焰?zhèn)鞑シ较?，這樣可以在火災(zāi)開(kāi)始時(shí)就進(jìn)行相應(yīng)的處理和控制。基于機(jī)器視覺(jué)的火災(zāi)探測(cè)設(shè)備可以以相對(duì)較低的成本接入現(xiàn)有的監(jiān)視系統(tǒng)中。比起傳統(tǒng)方式，該系統(tǒng)更高效便捷。

同時(shí)，智能攝像頭也可以直接搭載在自動(dòng)滅火的消防設(shè)備上（如圖8），不僅可以快速的檢測(cè)到火災(zāi)，還能立即用消防設(shè)備所攜帶的消防炮進(jìn)行火災(zāi)的控制處理。

5 發(fā)展前景趨勢(shì)

近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，但仍然存在諸多不足，主要包括：

（1）在視覺(jué)系統(tǒng)的搭建上，主要使用的視覺(jué)傳感器（可見(jiàn)光攝像機(jī)占了絕大多數(shù)）是相同種類的。由于缺乏了不同類視覺(jué)傳感器之間的復(fù)雜度，在單一視覺(jué)傳感器下的成像系統(tǒng)往往有著固有缺陷，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境信息的采集不夠充分。例如，盡管可見(jiàn)光攝像機(jī)能對(duì)于色彩、細(xì)節(jié)等信息獲取度較高，但在煙霧濃度較高、照度不佳的環(huán)境下工作效果受限。而紅外熱像儀雖然在低照度情況下工作良好，但獲取熱紅外圖像的質(zhì)量卻不如可見(jiàn)光攝像機(jī)。

（2）對(duì)于機(jī)器視覺(jué)算法的研究還不夠全面，使得機(jī)器視覺(jué)在分析理解環(huán)境信息的能力上有所欠缺。一方面，諸如火場(chǎng)地形分析，火場(chǎng)人員識(shí)別與跟蹤，以及火情態(tài)勢(shì)分析等方面的視覺(jué)感知算法雖然有研究者涉及，但總體處于相對(duì)空白的狀態(tài)。另一方面，機(jī)器視覺(jué)在消防技術(shù)中多是應(yīng)用于復(fù)雜的室外環(huán)境，因此包括火焰檢測(cè)、火焰?zhèn)鞑ボ壽E預(yù)測(cè)等方面的算法性能仍有較大的優(yōu)化空間。

（3）視覺(jué)信息處理系統(tǒng)的計(jì)算能力仍有待提升，這需要計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展支持。機(jī)器視覺(jué)想要對(duì)分析和理解環(huán)境信息能力進(jìn)行增強(qiáng)，需要在有限時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰圖像這類大數(shù)據(jù)更為充分有效的計(jì)算處理，因而對(duì)智能機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的計(jì)算能力有著很高的要求。為此，對(duì)于計(jì)算機(jī)的GPU等設(shè)備有著更高的要求。

因此，一方面需要結(jié)合不同視覺(jué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建更為完善的視覺(jué)感知系統(tǒng)，以此增強(qiáng)采集環(huán)境信息的能力。另一方面，提高機(jī)器視覺(jué)對(duì)于分析理解環(huán)境信息的能力必不可少，可以通過(guò)加強(qiáng)對(duì)火場(chǎng)環(huán)境信息采集算法的研究來(lái)進(jìn)行提升。最終，配合快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，可以給機(jī)器視覺(jué)和消防技術(shù)的結(jié)合帶來(lái)更好的應(yīng)用前景。

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