利用火災圖像基本特征識別火災的實驗探討

曲妍姝　崔永毅　李龍山　孫國慶

一、引言

火災發(fā)生時，如果能夠在火災早期及時發(fā)現(xiàn)并采取應急措施，就能最大程度的減少損失。傳統(tǒng)的火災探測器主要通過對溫度、火焰和燃燒氣體等參量經(jīng)信號處理、比較，判斷是否發(fā)生了火災。不同類型的火災探測器，適用于不同的場合，自然也有各自的局限性，不可避免要受到工作環(huán)境的限制，容易出現(xiàn)誤報、漏報現(xiàn)象，難以及時準確發(fā)現(xiàn)火災并預警。視頻圖像型火災探測技術(shù)是一門新興技術(shù)，在很多方面顯示出一定優(yōu)勢。圖像信息的豐富化和直觀性是其他任何火災探測器所不能提供的。我們通過對圖像的處理，可以及時的觀察到火災的發(fā)生。豐富的圖像信息為我們對火災發(fā)生的辨別及判定，奠定了堅實的基礎，這是其他火災探測技術(shù)都無法實現(xiàn)的。本文采用提取火災圖像基本特征的識別方式進行火災識別。即利用攝像機監(jiān)控目標區(qū)域，從監(jiān)控視頻中提取疑似火災圖像并進行分析。通過提取疑似區(qū)域的多項特征參數(shù)并與設定的特征閾值進行對比，根據(jù)火災發(fā)生時具有的多種特征綜合判斷是否發(fā)生了火災。

二、火災圖像特征分析

火災是一種燃燒現(xiàn)象，火災圖像識別的依據(jù)是火焰的光學特性。但并不是所有的燃燒現(xiàn)象都是火災。比如蠟燭、打火機的燃燒都是人們可以控制的燃燒現(xiàn)象，不屬于火災。只有失去控制的燃燒現(xiàn)象，才是我們需要識別的火災。一般火災在圖像上呈現(xiàn)的特征主要有以下幾個方面：

1、火焰的顏色特征

火災發(fā)生過程中，火焰具有鮮明的顏色特征?；鹧鎻难嫘牡酵庋娴念伾煌话阌闪涟咨饾u過渡到暗紅色?；鹧娴念伾鄬τ诖蟛糠直尘俺尸F(xiàn)明亮色，火焰的顏色較鮮艷、亮度值較高。利用這一特性，如果從監(jiān)控視頻中提取出連續(xù)圖像幀，在某一區(qū)域表現(xiàn)為高亮度時，就可判斷為疑似火焰區(qū)域。

2、火焰的形態(tài)特征

在火災不斷發(fā)展蔓延階段，火焰的圖像特征比較突出。這一階段，火焰的形狀、面積、顏色、溫度等特征在不同時刻都在發(fā)生變化。早期火災火焰的主要特征表現(xiàn)在火焰面積不斷增大，尖角數(shù)目不規(guī)則變化?；鹧嫒紵南鄬Σ环€(wěn)定性使火災圖像幀間相似性低以及火焰圖像的顏色分布變化等等。通過對連續(xù)多幀圖像的處理，根據(jù)相應的算法分析出圖像中疑似火災區(qū)域多幀圖像間的聯(lián)系和差別，進一步判斷是否發(fā)生火災。

三、火災圖像識別方法

1、疑似火災圖像區(qū)域提取

在進行火災識別時，我們首先利用圖像分割技術(shù)得到圖像中的可疑區(qū)域。然后通過各種算法分析圖像中的可疑區(qū)域進一步判斷是否有火災發(fā)生。本文采用幀間差分法進行疑似火災圖像區(qū)域提取。發(fā)生火災時，火焰燃燒是一個逐漸變化的過程，火焰呈運動特性，而其它大多數(shù)物體呈靜止狀態(tài)。因此通過對比視頻圖像序列可判斷出背景中是否出現(xiàn)疑似火焰目標。攝像機采集的視頻序列具有連續(xù)性的特點。如果場景內(nèi)沒有運動目標，則連續(xù)幀的變化很微弱，如果存在運動目標，則連續(xù)的幀和幀之間會有明顯地變化。利用幀間差分法對時間上連續(xù)的兩幀或多幀圖像進行差分運算，不同幀對應的像素點相減，當灰度差的絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運動目標，從而實現(xiàn)目標的檢測功能。利用幀間差分法對火災視頻圖像進行運動目標提取實驗，如圖1所示。

2、火災圖像識別

疑似火災圖像區(qū)域提取完成后，只能確定這個區(qū)域有發(fā)生火災的一部分特征。實際上，燈光、手電筒、蠟燭燃燒、甚至移動物體等，按前面所述方法都可能提取出來。為排除干擾，提高算法對火災識別的準確率，需要選取能夠完整表征火災信息的典型特征作為火災識別依據(jù)?；馂娜紵倪^程中，火焰的面積、形狀、位置、顏色等都在不斷變化。本文選取以下三個特征提取出來作為火災識別依據(jù)。

2.1面積增長率

火災發(fā)生時，火災區(qū)域會呈不斷持續(xù)蔓延擴大趨勢，火災火焰的面積呈現(xiàn)連續(xù)的、擴展性的增長趨勢。圖像上表現(xiàn)為高亮度區(qū)域持續(xù)增長?？梢圆捎脤σ欢螘r間連續(xù)幾幀圖像的火焰面積計算其比值的方法來判斷是否為火焰。

2.2火焰的圓形度

物體形狀的規(guī)則程度可以用來圓形度衡量。發(fā)生火災時產(chǎn)生的火焰形狀極不規(guī)則，而大部分干擾源（如白熾燈、蠟燭火焰等）形狀規(guī)則程度較高。因此可以將火焰的圓形度作為火災識別的一個判據(jù)。

2.3顏色特征

自然界中顏色都可看成是三種基本顏色（紅、綠、藍）的不同組合，任何一種顏色都可以利用（紅、綠、藍）三種顏色不同比例的混合來獲得。火焰的顏色特征比較明顯，火災像素點通常呈明亮的黃色或紅色，統(tǒng)計大量火焰像素可以得到各個像素點紅、綠、藍值的分布規(guī)律。根據(jù)統(tǒng)計分析可以得到火焰圖像識別判據(jù)如下：

四、實驗及結(jié)論

本文利用我院火災燃燒實驗室進行了火災識別實驗?，F(xiàn)實火災的發(fā)生具有復雜性和多樣性的特點，可燃物種類眾多而且經(jīng)常是多種燃料混合在一起燃燒。我們很難模擬出真實火災環(huán)境，為更有代表性，我們選擇各種不同燃料在不同條件下進行了模擬火災實驗。實驗結(jié)果表明：幀間差分法能有效提取出火災疑似區(qū)域。各種移動物比如人員等活動目標利用火焰的其他特征可以進行識別，受控火焰如蠟燭的穩(wěn)定燃燒利用面積增長及火焰圓形度等特征也可以區(qū)分出來，電燈、手電筒等干擾源用顏色特征無法排除，但用其他特征進一步判斷可以進行區(qū)分。在實驗室利用柴油、木材、紙張、衣物等燃料模擬不同條件下發(fā)生的火災絕大部分都可以識別出來。實驗時發(fā)現(xiàn)一個有趣的問題，我院火災實驗室是由鋼化玻璃和不銹鋼框架組成的封閉空間，在玻璃上會形成火焰鏡像。雖然不影響判斷是否發(fā)生了火災，但進一步確定火災發(fā)生具體位置時有時會把兩處都判斷為火災。

作者簡介：

1.曲妍姝，2001年1月，女，漢，遼寧省大連市，本科，沈陽航空航天大學，學生。

2.崔永毅，1965.2，男，漢族，籍貫，沈陽，學歷，碩士，工作單位，沈陽航空航天大學，職稱，副教授，研究方向：滅火技術(shù)、火災圖像檢測。

3.李龍山，2000.09.06，男，漢，天津市武清區(qū)，本科，沈陽航空航天大學，學生。

4.孫國慶，1999.10.01，男，滿族，山東諸城，本科，沈陽航空航天大學，學生。