專利名稱：多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)及其火災(zāi)預(yù)警方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及消防領(lǐng)域，具體是涉及基于圖像識(shí)別的火災(zāi)探測系統(tǒng)及其火災(zāi)預(yù)警方法。

背景技術(shù)：
人類發(fā)展到今天，火災(zāi)依然是威脅人類生命安全的重大災(zāi)害?；馂?zāi)不僅吞噬人們的財(cái)產(chǎn)，還會(huì)奪走人們的生命，其巨大危害不言而喻。人們一直尋找新的技術(shù)和方法，以期對火災(zāi)進(jìn)行檢測控制，達(dá)到最大程度的減小“火”給人們帶來的災(zāi)難。
目前通用的火災(zāi)探測方法是探測火災(zāi)發(fā)生時(shí)生成的煙，經(jīng)信號(hào)處理、比較和判斷后發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，但此類報(bào)警系統(tǒng)多是火災(zāi)已經(jīng)形成后進(jìn)行的報(bào)警。
然而隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市用地的不斷減少，使得城市建筑物朝著高層化、密集化的方向發(fā)展，建筑物的裝修用料和方式也越趨多樣化，并隨著用電量及天然氣耗量的加大，對火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高、更嚴(yán)格的要求。近些年來大空間建筑(例如大型公共娛樂場所、歌劇院、大型倉庫、大型集貿(mào)市場、車庫、油庫、候車大廳和候機(jī)大廳等)及地下建筑(如地下隧道、地鐵站道、地下大型停車場和地下商業(yè)街等)的數(shù)量不斷增加，由于此類建筑內(nèi)部往往舉架高、跨度大，火災(zāi)初期煙霧擴(kuò)散受到建筑內(nèi)部安裝的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)等影響較大，有的場所人員密集，易燃品多，火災(zāi)隱患多。而且此類建筑火災(zāi)蔓延迅速，生成煙氣毒性大，人員疏散避難及火災(zāi)撲救困難，一旦發(fā)生火災(zāi)往往造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此，從被動(dòng)的火災(zāi)撲救發(fā)展到主動(dòng)的去探測預(yù)防火災(zāi)，探測和撲救并行，以期將其扼殺在尚未造成太大破壞發(fā)生的早期是目前火災(zāi)報(bào)警的重點(diǎn)和難題。
縱觀目前的探測技術(shù)，如圖1所示，接觸式探測有感溫探測技術(shù)、感煙探測技術(shù)、氣體探測技術(shù)，靜電探測技術(shù)等。非接觸式探測有火焰探測技術(shù)、聲音探測技術(shù)、圖像探測技術(shù)等。它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如感溫探測技術(shù)靈敏度低，探測速度慢，報(bào)警時(shí)間遲，易受氣溫或溫度變化的影響，對陰燃火反應(yīng)差，不適用于早期報(bào)警。感煙探測技術(shù)無論是離子感煙探測器還是光電感煙探測器都是對粒子進(jìn)行探測，易受各種灰塵、水滴、油霧、昆蟲等粒子的干擾，誤報(bào)率高。火焰探測技術(shù)是一種對火焰發(fā)出的輻射進(jìn)行探測的火災(zāi)探測器，當(dāng)響應(yīng)波長低于400nm輻射磁通量時(shí)為紫外探測，波長高于700nm輻射磁通量時(shí)為紅外探測，響應(yīng)速度快，可早期報(bào)警，但易受電焊弧、雷擊、照明、太陽光的干擾。
可以說，所有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)主要是基于傳感器的檢測。在現(xiàn)有的各種火災(zāi)報(bào)警和消防監(jiān)控設(shè)備中，大多數(shù)場所的火災(zāi)檢測中，都采用常規(guī)的火災(zāi)探測的方法，如感煙、感溫、感光探測器，它們分別利用火焰的煙霧、溫度、光的特性來對火災(zāi)進(jìn)行探測。但在室外倉庫和大型室內(nèi)倉庫等大空間場合中，上述傳感器信號(hào)由于空間的巨大而變得十分微弱，即使是高精度的傳感器也會(huì)由于種種干擾噪聲而無法工作。
傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器用于對監(jiān)控現(xiàn)場敏感現(xiàn)象(如煙霧濃度、溫度、火焰等)的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行檢測，提取實(shí)時(shí)參數(shù)，它的性能優(yōu)劣直接會(huì)影響火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的準(zhǔn)確度和可靠性。因此，火災(zāi)探測器在整個(gè)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。由于一些大空間及地下建筑的特殊性，普通的點(diǎn)型感煙、感溫火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)無法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，這些傳統(tǒng)檢測方法存在一定的缺陷。
一方面是因?yàn)樵谝粋€(gè)實(shí)際應(yīng)用的建筑物系統(tǒng)中各種探測器所處的環(huán)境相互之間相差較大，每個(gè)探測器本身在一天或一年中不同的時(shí)刻相差較大。
另一方面，火災(zāi)危險(xiǎn)的場所往往不能使用感煙、感溫傳感器，因?yàn)槌跗诨鸬臒岷蜔熾y以到達(dá)空間很高的場所，如劇場、倉庫等，這類探測器因此難以滿足早期探測并預(yù)報(bào)此類建筑火災(zāi)的要求。
長期以來，在高大空間或具有高速氣流的場合，尤其是在戶外(如森林防火)，早期火災(zāi)的煙霧探測在世界范圍內(nèi)都是一個(gè)難題。因?yàn)樵谶@類環(huán)境下，存在著許多影響火災(zāi)探測的因素，主要包括探測方式、空間高度、熱量屏障、覆蓋范圍、氣流速度、易爆、有毒氣體、可以接受的誤報(bào)率、警報(bào)信息管理以及遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)鹊?。傳統(tǒng)的探測手段往往在這樣的環(huán)境中失去了作用。在這種情況下，由于圖像型火災(zāi)探測技術(shù)對于火災(zāi)探測具有非接觸式探測的特點(diǎn)，不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的限制，使得該項(xiàng)技術(shù)成為在大型工廠、倉庫、森林等大空間和室外開放空間進(jìn)行火災(zāi)探測的有效手段。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的限制，可在大空間和室外開放空間(如森林防火)進(jìn)行火災(zāi)早期探測，誤報(bào)率低，且價(jià)格低廉的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的之一是提供一種進(jìn)行火災(zāi)早期探測的多波段紅外圖像型火災(zāi)預(yù)警方法。
本發(fā)明的目的之一是提供一種不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的限制，可在大空間和室外開放空間(如森林防火)進(jìn)行火災(zāi)早期探測，能進(jìn)行低溫探測的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明之一技術(shù)方案為 多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，包括圖像采集單元、圖像處理和控制單元及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單元，經(jīng)過圖像處理和控制單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警，其中，圖像采集單元由半透半反分光鏡、及加裝紅外濾光片的圖像采集裝置組成，其中被監(jiān)測區(qū)域通過半透半反分光鏡被加裝不同波長紅外濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)監(jiān)測。
進(jìn)一步地；圖像采集單元中還包括未加裝裝濾光片的彩色攝像頭，所述彩色攝像頭與所述加裝濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置位于同一個(gè)位置，用于檢測同一個(gè)火災(zāi)區(qū)域，當(dāng)由所述圖像采集裝置監(jiān)測的圖像被認(rèn)定符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值時(shí)，所述彩色攝像頭開始抓拍火災(zāi)圖像。
進(jìn)一步地；所述圖像采集裝置是USB數(shù)字?jǐn)z像頭；或由CCD模擬攝像頭和SDK圖像采集卡組成。
進(jìn)一步地；多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)還預(yù)留有通訊接口，可以與任何滅火系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。
其中兩濾光片波長的選取可根據(jù)不同探測場合的溫度需要，依據(jù)維恩位移定律λmaxT＝a求出在某個(gè)溫度下光譜輻射出射度的峰值波長，和依據(jù)不同圖像采集裝置對能夠成像波長的響應(yīng)度來適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片。如果采用紅外焦平面陣列制作的攝像頭(熱像儀)，則只要依據(jù)維恩定理計(jì)算出所需探測溫度的紅外濾光片波長即可。
本發(fā)明另一技術(shù)方案為 多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，包括圖像采集單元、圖像處理和控制單元及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單元，經(jīng)過圖像處理和控制單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警，其中，圖像采集單元由半透半反分光鏡和紅外焦平面陣列熱像儀組成，其中被監(jiān)測區(qū)域通過半透半反分光鏡被兩個(gè)焦平面陣列熱像儀同時(shí)監(jiān)測。
本發(fā)明另一技術(shù)方案為 多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，按以下步驟探測 1)被監(jiān)測區(qū)域的情況通過半透半反分光鏡被兩個(gè)加裝不同波長的紅外濾光片的圖像采集裝置同時(shí)監(jiān)測；兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)拍攝到的兩幅紅外目標(biāo)溫度圖像相位一致； 2)然后將由兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)拍攝到的兩幅紅外圖像經(jīng)傳送至圖像處理和控制單元，圖像處理和控制單元首先對兩個(gè)圖像采集裝置所采集的兩幅紅外圖像進(jìn)行雙波段溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)； 3)再將其中任一圖像采集裝置連續(xù)采集的多幀圖像進(jìn)行比較，具有溫度越限的疑似火災(zāi)目標(biāo)的紅外圖像的面積是否隨時(shí)間而增大，以及邊緣是否規(guī)則，當(dāng)目標(biāo)物體的圖像面積擴(kuò)大，且圖像形狀不規(guī)則時(shí)，判斷為疑似火災(zāi)。
進(jìn)一步地；2)然后將由兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)拍攝到的兩幅紅外圖像傳送至圖像處理和控制單元，圖像處理和控制單元首先對同一圖像采集裝置所采集的連續(xù)兩幅圖像進(jìn)行相減取絕對值，當(dāng)絕對值不為零時(shí)；再對兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)所采集的兩幅圖像進(jìn)行雙波段溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)； 進(jìn)一步地；通過對其中一圖像采集裝置所采集的一幅圖像進(jìn)行灰度級的分析，來判斷火焰的外焰較內(nèi)焰和焰心部分像素值的大小，如果目標(biāo)圖像邊緣的像素值大于內(nèi)焰和焰心，則判斷為火災(zāi)。
進(jìn)一步地；所述圖像采集單元中還包括未加裝裝濾光片的彩色攝像頭，所述彩色攝像頭與所述加裝濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置位于同一個(gè)位置，用于檢測同一個(gè)火災(zāi)區(qū)域，當(dāng)由所述圖像采集裝置監(jiān)測的圖像被認(rèn)定符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值時(shí)，所述彩色攝像頭開始抓拍火災(zāi)圖像。
進(jìn)一步地；圖像處理和控制單元對2監(jiān)控到的彩色圖像(沒加濾光片的彩色攝像頭3(HD-HV1302UC))進(jìn)行區(qū)域劃分，一旦某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)隱患，系統(tǒng)則調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)的相應(yīng)的語音廣播，通知現(xiàn)場的人員緊急撤離和應(yīng)急疏導(dǎo)。
進(jìn)一步地；根據(jù)圖像(彩色攝像頭3監(jiān)控到的彩色圖像)的坐標(biāo)，對起火點(diǎn)進(jìn)行定位與跟蹤。
本發(fā)明中所述的半透半反鏡是能夠?qū)θ肷涞墓馔干?0％光強(qiáng)，反射50％光強(qiáng)，達(dá)到半透半反的效果。本發(fā)明中采用的半透半反鏡適用波長范圍為400nm-750nm，這是較常用的一種。其主要作用是為兩個(gè)加裝紅外濾光片的攝像頭提供相位完全一致的成像光路，這就有效地保證了兩個(gè)位置不相重疊的攝像頭能夠拍攝到相位完全一致的紅外圖像，而這兩幅相位完全一致的紅外圖像，在進(jìn)行圖像處理時(shí)，可以大大簡化火災(zāi)圖像識(shí)別算法的復(fù)雜度，有效提高火災(zāi)判別的精確度，誤報(bào)率低。
一般來講，火災(zāi)圖像具有如下的特點(diǎn) 早期火災(zāi)的熱物理現(xiàn)象主要有陰燃、火羽流、煙氣。
陰燃是只在氣固相界面處的燃燒反應(yīng)，而沒有氣相火焰的燃燒現(xiàn)象。陰燃的溫度較低，燃燒速度慢，不易發(fā)現(xiàn)，因而危險(xiǎn)性很大。作為自我維持而無明火燃燒，陰燃的典型溫度范圍600K-1000K。
火羽流是任何火災(zāi)都要經(jīng)歷的一個(gè)重要的初始階段即在火焰上方由浮力驅(qū)動(dòng)的熱氣流持續(xù)上升進(jìn)入新鮮空氣所占區(qū)域。從火災(zāi)初起，就存在著這種被稱為火羽流的燃燒現(xiàn)象。由于其包括火焰部分，故稱為火羽流?；鹩鹆鞯臏囟仁请S位置和時(shí)間變化且因燃燒材料的不同而不同。由于熱解的典型溫度在600K-900K之間，而氣相火焰為1200K-1700K。對火災(zāi)探測有意義的早期火羽流溫度不應(yīng)大于1700K。因此，典型的火羽流溫度范圍為500K-1700K。
煙氣是燃燒產(chǎn)物中的微小顆粒的集合。由于煙氣在流動(dòng)的過程中與周圍環(huán)境的熱交換，其溫度逐漸下降，因此可以確定一般條件下，煙氣溫度的上限低于火羽流的溫度，而下限高于環(huán)境溫度。一般為300K-800K。早期火災(zāi)各種熱物理現(xiàn)象的溫度范圍及對應(yīng)峰值波長范圍如圖2所示 上述熱物理現(xiàn)象在火災(zāi)發(fā)生時(shí)都因與周圍環(huán)境存在著溫度差而有一定的邊緣和形體效應(yīng)。通常，這種邊緣和形體效應(yīng)在可見光的范圍內(nèi)表現(xiàn)出來，就是所謂的圖像信息。若要領(lǐng)先其自身發(fā)光而表現(xiàn)出物體形體的圖像信息，其溫度必須在600K以上。獲得圖像信息后，就要根據(jù)火災(zāi)輻射與背景輻射的區(qū)別，將其檢測出來。
火災(zāi)輻射特點(diǎn)根據(jù)不同的性質(zhì)，火焰可以分為兩種，即預(yù)混合火焰和擴(kuò)散火焰。預(yù)混合火焰具有藍(lán)色本性燈火焰的特征，火焰的燃燒是完全的。擴(kuò)散火焰是較普通的黃色火焰，這種火焰是由于不完全燃燒的結(jié)果而形成的。這兩種性質(zhì)不同的火焰的光譜能量分布特征如圖3所示。
火焰是包含各種燃燒生成物和中間物的高溫氣體和以含炭物質(zhì)、無機(jī)物為主體的高溫固體微粒構(gòu)成。因此，火焰的熱輻射包含離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射?；鹧娴牟ㄩL在0.2-10μm的范圍內(nèi)，不同物質(zhì)的燃燒，其輻射強(qiáng)度隨波長分布多少有些不同。如圖4所示各種不同材料的火焰光譜能量分布。
可以看出，大多數(shù)材料如紙張、木材、油類、汽油和其它烴類物質(zhì)不僅發(fā)出可見光輻射，而且還有很強(qiáng)的紅外輻射。
閃爍閃爍是火焰區(qū)別其它輻射的一個(gè)顯著特征。研究表明，自由燃燒狀態(tài)下的火焰產(chǎn)生無規(guī)則的閃爍，如果對火焰發(fā)出的紅外線頻率進(jìn)行分析，可以觀測到其峰值頻率約10Hz左右。當(dāng)然，受到火災(zāi)規(guī)模和風(fēng)的影響，其閃爍頻率在2-20Hz之間范圍內(nèi)會(huì)有所變化。
由于擴(kuò)散火焰的輻射受這個(gè)有意義的調(diào)制量作用，而背景輻射一般情形下沒有類似這種方式的調(diào)制作用，因此，按火焰閃爍原理工作的探測器可表現(xiàn)出對背景分辨能力很大的改進(jìn)，從而相應(yīng)地減少誤報(bào)率。
輻射亮度增長液體火災(zāi)的輻射亮度的增長速率很高，而對于像木材類的火災(zāi)輻射亮度的增長速率卻低得多。探測器探測初期火災(zāi)，檢驗(yàn)火災(zāi)初始的輻射亮度的增長速率是十分有用的。
輻射面積增長火災(zāi)從發(fā)生起就開始不斷地蔓延擴(kuò)散，其輻射面積在火災(zāi)發(fā)生的初期速率增長很高，而后慢慢降低。探測器探測初期火災(zāi)，檢驗(yàn)火災(zāi)初始的輻射面積增長速率是十分有用的。
背景輻射特點(diǎn)在任何火災(zāi)探測過程中，均存在著一定的背景信號(hào)，因此，火災(zāi)信號(hào)必須與背景信號(hào)區(qū)別開來。對于火焰探測器來說，背景輻射信號(hào)主要來自太陽的天然輻射(陽光直射、通過反射表面的反射)、其它自然光源和高強(qiáng)度的人工輻射光源的輻射。
太陽輻射在紅外光譜區(qū)，太陽輻射是一種溫度約為6000K的黑體輻射。然而，在地球上看到的太陽光譜受大氣吸收而改變，在小于280nm的波長上，陽光輻射完全被上層大氣的臭氧層吸收。在2.7μm波長上，由于水蒸氣和CO2的作用，在4.3μm的波長上，完全由于CO2的作用，陽光輻射也完全被吸收。
火焰探測器的設(shè)計(jì)通常利用陽光輻射被吸收的這些譜帶。
背景輻射調(diào)制作用盡管太陽是一穩(wěn)定的輻射源，但大氣的不均勻性引起的閃爍將導(dǎo)致在地面上任意點(diǎn)接受的輻射有一個(gè)幅值調(diào)制分量。直接或經(jīng)反射的太陽輻射的調(diào)制作用，也可能由于云霧遮擋、風(fēng)吹樹葉及水面波浪、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)等引起。處于火焰閃爍頻率范圍內(nèi)的背景輻射的調(diào)制作用必須引起足夠重視。
人工輻射源與太陽輻射源相比，人工輻射源的輻射比較容易預(yù)防。
人工光源的總輻射能量通常是小于陽光輻射能量。
人工光源的變化是瞬間的，輻射亮度和面積增長速率在瞬間由極大變?yōu)榱愕取?br> 根據(jù)普朗克輻射定律，凡是溫度大于絕對零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射。自然界中實(shí)際物體的溫度均高于絕對零度。因此，自然界中的任何物體都存在紅外輻射，同時(shí)也吸收周圍其它物體的紅外輻射。根據(jù)普朗克公式，絕對黑體的輻射出射度Mλ與黑體溫度T和波長λ的關(guān)系為 其中c1＝3.7418×10-16(W·m2)叫第一輻射常數(shù)，c2＝1.4388×10-2(m·K)叫做第二輻射常數(shù)。黑體的輻射出射度Mλ的含義是在指定波長λ處，輻射源單位表面積向半球空間發(fā)射的輻射功率，單位為W·m-3。普朗克公式描述了黑體輻射的光譜分布規(guī)律，它揭示了輻射與物質(zhì)相互作用過程中和輻射波長及黑體溫度的依賴關(guān)系，是黑體輻射的理論基礎(chǔ)。
斯忒藩-玻爾茲曼定律該定律表達(dá)為黑體單位面積輻射到半球空間的在λ1～λ2波段內(nèi)的總功率M(W·cm-2)為 微分普朗克定律式(2-1)，求出極大值，就得到維恩位移定律 λmaxT＝a (2-3) 式中λmax-光譜輻射出射度的峰值波長，其中a是與溫度無關(guān)的常數(shù)，a的近似值是0.2897cm·K，T為開氏溫度。因此，光譜輻射出射度的峰值波長與絕對溫度成反比。將(2-2)式帶入(2-1)式，得出維恩定律的另一個(gè)形式，給出了光譜輻射出射度的峰值 式中

-光譜輻射出射度的峰值(W·cm-2·μm-1)，b為1.2862×10-15W·cm-2·μm-1·K-5。如圖9給出了300K-1700K絕對黑體光譜輻射出射度與波長的關(guān)系曲線。
這些曲線可以看出黑體輻射的幾個(gè)特性 每根曲線不相交，與曲線下的面積成正比的總輻射出射度是隨溫度增加而迅速增加的，因而溫度越高，所在波長上的光譜輻射出射度也越大； 光譜輻射出射度的峰值波長隨溫度增加向短波方向移動(dòng)。
然而，在自然界中絕對黑體是不存在的，為了描述非黑體的輻射，引入輻射發(fā)射率的概念，用ελ表示 輻射發(fā)射率的含義為，在相同溫度下，輻射體的輻射出射度與黑體的輻射出射度之比，是波長和溫度的函數(shù)，還與輻射體的表面性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)物體輻射發(fā)射率ελ的不同，將輻射體分為三類 1)黑體，ελ＝1； 2)灰體，ελ＝ε＜1，與波長無關(guān)； 3)選擇體，ελ＜1且隨波長和溫度而變化。
可以看出，黑體的輻射特性1)、2)同樣適用與一般物體。
從目標(biāo)出發(fā)的紅外輻射，在到達(dá)紅外系統(tǒng)之前受到大氣中某些氣體的選擇性吸收、大氣中懸浮微粒的散射，因此，輻射能受到衰減。紅外輻射通過大氣的透過率可表示為 τ＝e-σx (2-6) 式中σ為衰減系數(shù)，x為通過大氣路程的長度。
值得注意的是，較大的液體金屬的鑄造過程可能產(chǎn)生高強(qiáng)度的人工輻射光源。鎢絲白熾燈在0.75-1.4μm波段內(nèi)發(fā)射50％的功率，鎢絲燈輻射功率最大值位于1μm波段，波長大于3.5-4μm的輻射絕大部分透不過燈泡玻璃。交流電的燈光(尤其是輝光放電燈管)發(fā)射受調(diào)制的輻射，但其調(diào)制頻率是在火焰閃爍頻率范圍以外，故可由適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器排除。
可燃物在燃燒時(shí)會(huì)釋放出頻率范圍從紫外到紅外的光波，在可見光波段，火焰圖像具有獨(dú)特的色譜、紋理等方面的特征，使之在圖像上有明顯的區(qū)別與背景?？梢岳眠@些特征，利用圖像處理的方法，對火災(zāi)進(jìn)行識(shí)別。所以借助紅外波段的圖像識(shí)別，利用紅外成像的原理獲取燃燒初期所發(fā)出的紅外圖像進(jìn)行圖像處理，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。
濾光片波長的選擇主要依賴于光譜輻射理論基礎(chǔ)?？梢姽鈭D像和紅外圖像在成像機(jī)制上存在固有差異，同一場景可見光圖像提供的特征與紅外圖像提供的特征通常并不相同，它們具有不同的灰度級別特征，在可見光圖像中出現(xiàn)的特征并不一定在紅外圖像中也出現(xiàn)，從而達(dá)到消除部分干擾信號(hào)。
(一)實(shí)驗(yàn)測得的溫度 根據(jù)普朗克公式，絕對黑體的輻射出射度Mλ與黑體溫度T和波長λ的關(guān)系如式(2-1) 微分普朗克定律式(2-1)，求出極大值，就得到維恩位移定律(2-3) λmaxT＝a (2-3) 式中λmax-光譜輻射出射度的峰值波長，其中a是與溫度無關(guān)的常數(shù)，a的近似值是2897.8±0.4μm·K，K為開氏溫度。然后根據(jù)式(2-3)，可以求出在某個(gè)溫度下光譜輻射出射度的峰值波長，即可根據(jù)此波長來適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片。
(二)紅外輻射的波長 當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，對我們有用的溫度范圍為600K-1700K，在這個(gè)范圍我們可以盡早的對火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警，人眼只對380nm～780nm的電磁波有亮度感覺，而波長小于400nm的電磁波稱為紫外線，波長大于750nm的電磁波稱為紅外線。火焰燃燒的紅外輻射主要集中于950nm～2000nm波段。
因此必須采用某種合適波段的濾光片，使得檢測區(qū)域高溫目標(biāo)輻射的最大區(qū)域在攝像頭上成像，壓制現(xiàn)場低溫背景成像的幅度，同時(shí)最大限度地保留監(jiān)測的火災(zāi)目標(biāo)的能量，實(shí)現(xiàn)增加對比度的目的，清楚的采集到火災(zāi)初期發(fā)生的紅外圖像。
不同波長的紅外濾光片有不同的應(yīng)用效果，因此選擇適合于火災(zāi)圖像上的紅外濾光片波長是必要的。紅外濾光片的選取主要根據(jù)以下兩條原則依據(jù)維恩定理計(jì)算所需探測溫度的紅外波長和依據(jù)不同攝像頭對能夠成像波長的響應(yīng)度。如果采用紅外焦平面陣列制作的攝像頭(熱像儀)，則只要依據(jù)維恩定理計(jì)算出所需探測溫度的紅外濾光片波長即可。采用波長是0.8μm和1.0μm濾光片的透過率如圖7所示。
從圖8的分析比較可以看出，攝像頭在有無濾光片的情況下所采集到的圖像是不同的，不同紅外濾光片可有效濾除人工照明燈光等背景干擾的影響，降低軟件識(shí)別算法的復(fù)雜度，從而能更好的實(shí)現(xiàn)火災(zāi)前期的探測。
針對火災(zāi)的實(shí)際情況，需要監(jiān)控系統(tǒng)能在一定大的范圍內(nèi)并且有較高的精度來檢測出火災(zāi)隱患。單波段算法對火災(zāi)紅外圖像的采集，其像素會(huì)隨著距離和光照等外界因素的變化而變化，從而大大降低了探測精度，增加了誤報(bào)率的可能性。
雙波段算法能有效地消除距離和光照等外界因素的干擾，并且通過兩個(gè)攝像頭的監(jiān)控，大大降低了誤報(bào)率。
采用在兩個(gè)攝像頭前加紅外濾光片來檢測同一幅圖像，分別檢測兩個(gè)波段，然后再進(jìn)行處理，得出的結(jié)果與距離無關(guān)，只要在攝像的范圍之內(nèi)的火災(zāi)就可以檢測到。隨著火災(zāi)溫度的變化，其發(fā)出的紅外光波長也在不斷變化，反應(yīng)在圖像上(如圖5所示)，就是峰值在不斷變化，這就使檢測到的圖像像素值在不斷變化，而無法得到一個(gè)確定的數(shù)值。雖然波長在不斷變化，但透過長、短兩個(gè)濾光片而得到的圖像像素值(如圖5所示)之比在火災(zāi)發(fā)生前大于1是不變的，每一個(gè)溫度都有一個(gè)自己的比值，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，可以得到每一個(gè)比值與溫度的一一對應(yīng)關(guān)系。據(jù)此，可以通過檢測到的圖像來計(jì)算出圖像的相應(yīng)溫度，然后與實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)所得到的相應(yīng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的閾值溫度相比較，從而判斷有無火災(zāi)發(fā)生，如果計(jì)算所得溫度大于閾值則判定火災(zāi)發(fā)生，反之無火災(zāi)。
該原理可簡單表述為當(dāng)輻射能入射到物體表面時(shí)，物體在固定波段λ1～λ2和λ′1～λ′2上接收到的能量比值服從一個(gè)僅與溫度有關(guān)的函數(shù)分布。
對于λ1～λ2波段，由式(2-1)、(2-2)、(2-5)、(2-6)得，物體單位面積內(nèi)接受到的輻射功率為 同理，對于λ′1～λ′2波段，其單位面積內(nèi)接受到的輻射功率為 則有能量比值D服從，

(2-9) (2-9)式中僅有唯一變量T，雙波段原理得證。
在圖5中，該原理可表示為兩陰影部分面積之比S1/S2服從溫度的函數(shù)。
圖6為在大氣下λ1～λ2為3～5μm，λ′1～λ′2為8～12μm的計(jì)算所得D-T關(guān)系曲線。
雙波段的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾方面 采用的雙波段的檢測手段，可以進(jìn)行在攝像范圍之內(nèi)的檢測，而不受距離的約束，提高精度。
通過兩個(gè)攝像頭的采集，通過采集的兩幅圖像像素比值的運(yùn)算，有效地消除距離和光照等外界因素的干擾，減小誤報(bào)率。
火焰燃燒時(shí)的紅外輻射主要集中于950～2000nm波段，所在圖像獲取的時(shí)候可使用帶有紅外濾光片的攝像頭，該濾光片能完全濾除可見光。
在實(shí)際情況中，系統(tǒng)的大部分時(shí)間處于沒有疑似火源的狀態(tài)，故可對圖像序列先進(jìn)行簡單的有無異常情況的判斷。本系統(tǒng)采用差分運(yùn)算檢測圖像的狀態(tài)是否有改變。運(yùn)算公式為 ΔPi(x，y)＝Pi(x，y)-P(x，y)(3-1) 其中，Pi(x，y)為待處理的圖像，P(x，y)為基準(zhǔn)圖像 而ΔPi(x，y)值的確定是根據(jù)環(huán)境而不同的，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用一種閾值自動(dòng)選取方法來進(jìn)一步提高圖像預(yù)處理的判斷力度。
在火災(zāi)檢測中，閾值處理可采用最大類間方差法(又稱Otsu閾值算法)獲取。
記f(i，j)為M×N圖像(i，j)點(diǎn)處的灰度值，灰度級為m，不妨假設(shè)f(i，j)取值
。記p(k)為灰度值為k的頻率，則有 假設(shè)用灰度值t為閾值分割出的目標(biāo)與背景分別為{f(i，j)≤t}和{f(i，j)＞t}，于是 目標(biāo)部分比例 目標(biāo)部分點(diǎn)數(shù) 背景部分比例 背景部分點(diǎn)數(shù) 目標(biāo)均值 背景均值 總均值μ＝ω0(t)μ0(t)+ω1(t)μ1(t) 最大類間方差法指出求圖像最佳閾值g的公式為 式(3-3)右邊括號(hào)內(nèi)實(shí)際上就是類間方差值，閾值g分割出的目標(biāo)和背景兩部分構(gòu)成了整幅圖像，而目標(biāo)取值μ0(t)，概率為ω0(t)，背景取值μ1(t)，概率為ω1(t)，總均值為μ，根據(jù)方差的定義即得該式。因方差是灰度分布均勻性的一種度量，方差值越大，說明構(gòu)成圖像的兩部分差別越大，當(dāng)部分目標(biāo)錯(cuò)分為背景或部分背景錯(cuò)分為目標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致兩部分差別變小，因此使類間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。
μ0(t)和μ1(t)，可以分別代表目標(biāo)和背景的平均值灰度，μ則代表整幅圖像的中心灰度，要使目標(biāo)和背景得到最好的分割，當(dāng)然希望分割出的目標(biāo)盡量遠(yuǎn)離圖像中心，即(μ0(t)-μ)2(或|μ0(t)-μ|)盡量大，背景也盡量遠(yuǎn)離中心，即(μ1(t)-μ)2(或|μ1(t)-μ|)盡量大，由于希望兩者都大，于是 1)兩者之加權(quán)和最大 2)兩者之積最大 注意有到μ＝ω0(t)μ0(t)+ω1(t)μ1(t)，且μ0(t)≤μ≤μ1(t)，因此有 ω0(t)(μ0(t)-μ)2+ω1(t)(μ1(t)-μ)2＝(μ-μ0(t))(μ1(t)-μ)(3-6) 由此可見二者是等價(jià)的。
所以，系統(tǒng)采取對連續(xù)5幀的圖像數(shù)據(jù)流計(jì)算g值，把最高與最底的g值取出，形成一個(gè)閾值范圍帶。如果前面ΔPi(x，y)的值在這個(gè)范圍內(nèi)，那么進(jìn)入火災(zāi)圖像識(shí)別流程，否則就認(rèn)為沒有異常的情況。
面對Otsu占用計(jì)算機(jī)資源的情況，本系統(tǒng)采用分階段來計(jì)算求像最佳閾值g的方法來實(shí)現(xiàn)對減少對資源的消耗。剛開始系統(tǒng)初始化時(shí)，Ostu算法是必須的。隨著系統(tǒng)探測的進(jìn)行，采用一個(gè)定時(shí)器來進(jìn)行對Ostu算法的計(jì)算，其基本思想是隨著時(shí)間的流逝，對Ostu的計(jì)算會(huì)越來越少，然而系統(tǒng)一旦檢測到有情況時(shí)，定時(shí)器從頭開始計(jì)算。
依據(jù)紅外火災(zāi)圖像的特點(diǎn)，并結(jié)合采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。給出了經(jīng)典的火災(zāi)特征模型，包括溫度、面積、速率、火焰形狀。根據(jù)分析的數(shù)值，提出了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的環(huán)帶線聚類算法。
紅外圖像反映的是目標(biāo)和背景自身向外界紅外輻射能量的差異，因此，紅外圖像主要描述的是目標(biāo)和背景的熱輻射，其火災(zāi)初期紅外圖像有以下特點(diǎn) 紅外圖像的灰度分布，實(shí)際上對應(yīng)于火災(zāi)和背景的溫度和發(fā)射率的分布。紅外成像只能從紅外特有的低差圖像中抽取所需信號(hào)，數(shù)字圖像中可利用的基本信息是以像元強(qiáng)度形式出現(xiàn)的。
由于紅外圖像攝取的每秒幀數(shù)不是很大，目標(biāo)周圍的輻射分布在兩幀之間基本上保持不變，這個(gè)性質(zhì)為逐幀分析目標(biāo)特征和目標(biāo)圖像的預(yù)處理提供了保證。
由于紅外圖像處理方法建立在二維數(shù)據(jù)處理和隨機(jī)信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，其特點(diǎn)是信息量大，因而計(jì)算量和存儲(chǔ)量也大，紅外成像信息處理必須實(shí)時(shí)、快速、簡單、可靠；大容量信息存儲(chǔ)和高速信息處理，始終是圖像處理的技術(shù)關(guān)鍵。
在要發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一般可燃物會(huì)生成大量熾熱微粒。這些熾熱微粒使火焰發(fā)射出電磁波輻射，包括可見光，這些光學(xué)特性為遠(yuǎn)距離探測火災(zāi)提供了可能。產(chǎn)生的能量輻射和輻射光譜，在可見光和紅外波段都有體現(xiàn)。同時(shí)，這些熾熱的發(fā)光微粒的集合會(huì)勾畫出火焰形狀。我們就利用這個(gè)時(shí)候的熾熱微粒所產(chǎn)生的火焰形狀通過紅外取像來判別火災(zāi)的發(fā)生。任何火焰都可以分為外焰、內(nèi)焰和焰心三部分。外焰溫度最高，其次是內(nèi)焰，焰心溫度最低。因而造成火焰圖像灰度級呈一定的分布規(guī)律。
如圖20是一組有無濾光片拍攝到的圖像比較從這些圖像的分析比較中，我們可以看出，紅外濾光片可有效濾除人工照明燈光等背景干擾的影響，從而能更好的實(shí)現(xiàn)火災(zāi)前期的探測。
從圖21和22中可以明顯的看出，紅外濾光片的作用以及有火災(zāi)情況與沒有時(shí)的圖像信息的差別。
由上述內(nèi)容可知火災(zāi)發(fā)生的初期其溫度有明顯的變化過程，而太陽溫度的變化及其緩慢，而人工輻射源的變換常常是在瞬間完成的，故而可以將溫度的變化速率作為分離依據(jù)。通過設(shè)定合適的速率閾值，可輔助濾除部分背景信息。
設(shè)圖像中某點(diǎn)的坐標(biāo)為(m，n)，其t時(shí)刻的象素值為l(m，n，t)，則其象素的變化速率v(m，n)為 v(m，n)＝dl(m，n，t)/dt(4-1) 計(jì)算機(jī)處理時(shí)需用差分來近似微分運(yùn)算， v′(m，n)＝|L(m，n，t2)-L(m，n，t1)|/t2-t1 (其中，t2＞t1) (4-2) 根據(jù)試驗(yàn)，可得火災(zāi)圖像的變化算率區(qū)間I1。當(dāng)v′(m，n)∈I1時(shí)，保留點(diǎn)(m，n)的象素值；當(dāng)時(shí)，去除點(diǎn)(m，n)的象素值。
該算法可去除太陽和瞬間變化光源(如打開白熾燈)的信息，保留可觀測動(dòng)態(tài)變化的信息。
物體的溫度越高其輻射能量的值越大，相應(yīng)其形成的圖像象素值越高。通過設(shè)定合適的閾值，可進(jìn)一步濾除低溫背景的信息。
設(shè)波段λ1～λ2圖像中點(diǎn)的坐標(biāo)為(m，n)，其t時(shí)刻的象素值為L(m，n，t)；(m，n)在波段λ′1～λ′2圖像中對應(yīng)于點(diǎn)(m′，n′)，其t時(shí)刻的象素值為L(m′，n′，t)。則有基于雙波段原理生成的比值圖像象素值D(m，n，t)為 D(m，n，t)＝L(m，n，t)/L(m′，n′，t) (4-3) 由試驗(yàn)可得比值圖像象素值區(qū)間I2。當(dāng)D(m，n，t)∈I2時(shí)，保留點(diǎn)(m，n)的象素值；當(dāng)時(shí)，去除點(diǎn)(m，n)的象素值。
該算法進(jìn)一步去除低溫背景的信息。
經(jīng)過以上技術(shù)的處理后，圖像顯示的是具有動(dòng)態(tài)特征的高溫物體。它既可能是火災(zāi)，也有可能是人為制造高溫物體，如點(diǎn)燃香煙蠟燭、打火機(jī)等。火災(zāi)區(qū)別于其它高溫物體顯著特征就是，其面積范圍在不斷的擴(kuò)大且不規(guī)則。通過跟蹤疑似目標(biāo)的面積變化情況，可以確定是否火災(zāi)發(fā)生。
計(jì)t時(shí)刻比值圖像中非零值象素點(diǎn)的個(gè)數(shù)為面積S(t)，則有面積增長率α為 α＝dS(t)/dt(4-4) 同樣使用差分近似微分，則有 α＝S(t2)-S(t1)/t2-t1 (其中，t2＞t1)(4-5) 當(dāng)α＞1時(shí)，表明疑似目標(biāo)為火災(zāi)；α≤1時(shí)，表明疑似目標(biāo)并非火災(zāi)。由試驗(yàn)測試表明，火災(zāi)探測一段時(shí)間內(nèi)的各采集的量值不是相互獨(dú)立，呈一種與火災(zāi)發(fā)生趨勢的分布。雖然各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值不斷的在變化，但是根據(jù)前面的數(shù)值分析可知，火災(zāi)過程中熾熱的發(fā)光微粒的集合就會(huì)勾畫出火焰形狀。火災(zāi)發(fā)生后，隨著火勢的增大，火焰不斷地增強(qiáng)，火焰的圖像一方面表現(xiàn)為火焰面積、邊緣在不斷變化；另一方面從其形狀變化、空間變化、空間分布有一定的相似度，特別是時(shí)間間隔較短的連續(xù)幀圖像，每幅連續(xù)幀圖像的相似度更為明顯。
而且根據(jù)火的特性任何火焰都可以分為外焰、內(nèi)焰和焰心三部分。因而造成火焰圖像灰度級呈一定的分布規(guī)律。
連續(xù)采集的4幅圖像如圖24至圖30所示，從這些火災(zāi)圖像信息與其對應(yīng)的像素值變化中，可以總結(jié)一些規(guī)律。
隨著火災(zāi)的發(fā)生，其顯示在圖像上的數(shù)值變化也會(huì)呈現(xiàn)出輻射與坡度形態(tài)。根據(jù)這個(gè)原理，可以選擇其關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)(也可以是小范圍的關(guān)鍵域)來模擬這個(gè)過程。
一幅圖像可表示為
f(m，n)為(m，n)點(diǎn)的灰度值，圖像中所有的點(diǎn)都可以表達(dá)成這種方式，由前面的圖像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，數(shù)值點(diǎn)的變化是從中心開始向周圍遞減，這是符合火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律的，所以呈現(xiàn)在圖像上是一種帶有明顯區(qū)別與周邊的環(huán)帶區(qū)域。
圖31是圖24、26、28、30四幅圖像的像素值變化區(qū)域圖，對照中可以清晰的得出這四幅圖像的火焰抖動(dòng)以及圖像灰度級分布情況。
根據(jù)這些特點(diǎn)，我們可以建立一個(gè)模型，而模型中選取的像素點(diǎn)必須大于或等于我們預(yù)處理時(shí)的閾值。選擇大于關(guān)鍵點(diǎn)或區(qū)域來做為這個(gè)環(huán)帶變化的數(shù)值模型的中心圓心，把擴(kuò)散到小于閾值的范圍內(nèi)的環(huán)帶計(jì)算其圓心度?？紤]到火災(zāi)發(fā)生時(shí)的特征，在環(huán)帶之外的大于閾值的點(diǎn)或區(qū)域，另外建立一個(gè)環(huán)帶。以此類推下去，可能一幅圖像數(shù)據(jù)流上會(huì)有幾個(gè)環(huán)帶區(qū)域。
要提取這里的環(huán)帶邊界涉及到圖像處理的輪廓提取。兩個(gè)具有不同灰度值的相鄰區(qū)域之間總存在邊緣。邊緣是灰度值不連續(xù)的結(jié)果。在這里，選用邊界跟蹤法提取環(huán)帶的輪廓。
邊界跟蹤主要取決于跟蹤的起點(diǎn)的選取和跟蹤準(zhǔn)則的選取。邊界跟蹤的基本方法是先根據(jù)某些嚴(yán)格的“探測準(zhǔn)則”找出目標(biāo)物體上的像素，再根據(jù)這些像素的某些特征用一定的“跟蹤原則”找出目標(biāo)物體上的其他像素。一般的跟蹤原則是邊緣跟蹤從圖像左上角開始逐像點(diǎn)掃描，當(dāng)遇到邊緣點(diǎn)時(shí)則開始順序跟蹤，直至跟蹤的后續(xù)點(diǎn)回到再?zèng)]有新的后續(xù)點(diǎn)為止。一個(gè)環(huán)帶跟蹤完畢，則繼續(xù)掃描下一個(gè)點(diǎn)或區(qū)域，直至圖像內(nèi)的所有邊緣都跟蹤完畢。
從圖32圖左圖可以看出，中心像素可以跟蹤的方向有8個(gè)，對每個(gè)方向指定了方向編號(hào)和偏移量。所以開始讀取圖像信息的時(shí)候，一旦發(fā)現(xiàn)有大于閾值的信息，則找到了起始點(diǎn)，把該點(diǎn)記錄下來，定義初始的跟蹤方向是左上方0方向，判斷該點(diǎn)是否為目標(biāo)點(diǎn)，是則把該點(diǎn)為跟蹤為起始開始點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度作為新的跟蹤方向，繼續(xù)檢測該新的跟蹤方向上的點(diǎn)，若不是目標(biāo)點(diǎn)則沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，一直找到目標(biāo)點(diǎn)。找到目標(biāo)點(diǎn)后，在當(dāng)前跟蹤方向的基礎(chǔ)上，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度作為新的跟蹤方向，用同樣的方法跟蹤下一個(gè)環(huán)帶的邊界。圖32的右圖是邊界跟蹤的示意過程，黑點(diǎn)表示邊界點(diǎn)，白點(diǎn)為圖像的內(nèi)部點(diǎn)。假設(shè)跟蹤的初始點(diǎn)在最右下方的黑點(diǎn)，跟蹤的初始化設(shè)定為左上方45度。按照上面的跟蹤準(zhǔn)則來不斷保存黑點(diǎn)的信息位置，知道檢測完畢。
在獲得了圖像環(huán)帶區(qū)域的標(biāo)記基礎(chǔ)上，通過對圖像內(nèi)每個(gè)像素進(jìn)行標(biāo)記操作，將環(huán)帶區(qū)域的像素值改為標(biāo)號(hào)，再采用邊界跟蹤法。跟蹤各個(gè)環(huán)帶區(qū)域的黑像素標(biāo)號(hào)，記錄圖像環(huán)帶邊界的坐標(biāo)值序列。
圓形度用來刻畫物體邊界的復(fù)雜程度，它們在圓形邊界時(shí)取最小值。，其計(jì)算公式為 圓形度＝(周長)2/面積 (4-6) 周長在這里是環(huán)帶區(qū)域的邊界長度，而面積則通過計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)。這2個(gè)值都可以在環(huán)帶邊界的計(jì)算中得出。
在得出圖像信息流的圓形度之后，隨著火災(zāi)的進(jìn)行，圖像數(shù)值的變化，這圓形度數(shù)值也會(huì)隨著變化。由實(shí)際的火災(zāi)的狀況來看，一般火災(zāi)的形狀應(yīng)該會(huì)不斷的復(fù)雜，其圓形度值會(huì)慢慢增大。
從連續(xù)的圖像火災(zāi)區(qū)域像素值流動(dòng)分析中，可以看出，一幅圖像中可能會(huì)有幾個(gè)環(huán)帶，而連續(xù)的圖像信息流中，環(huán)帶也可以增加出來，既火勢蔓延開來的或分散開來的趨勢。所以，連續(xù)圖像流中相關(guān)聯(lián)環(huán)帶的圓形度有相應(yīng)的變化，兩者的比值一般來說的大于1的，但考慮到火災(zāi)的抖動(dòng)性，其相應(yīng)環(huán)帶區(qū)域的的圓形度可能會(huì)比上一圖像的圓形度會(huì)小，其比值小于1。
針對這樣的情況，依據(jù)基于二值的貝葉斯決策算法來進(jìn)一步加強(qiáng)判斷，把問題轉(zhuǎn)化為對特定模式的決策分類問題。
貝葉斯決策判據(jù)既考慮了各類參考總體出現(xiàn)的概率大小，又考慮了因誤判造成的損失大小，判別能力強(qiáng)。
所以針對上述的情況，對于火災(zāi)報(bào)警的估計(jì)實(shí)際上就是一種離散情識(shí)別類。在臨界點(diǎn)附近的量值判斷，對應(yīng)著實(shí)際情況就是兩類分類的問題，第一類是非火災(zāi)正常，第二類火災(zāi)。從數(shù)學(xué)范疇來講，在這一臨界點(diǎn)上，出現(xiàn)這各種情況卻是一種隨機(jī)分布。ω1的決策對應(yīng)現(xiàn)場有火災(zāi)，ω2的決策對應(yīng)現(xiàn)場無火災(zāi)。系統(tǒng)的模式特征為處理方便取為一定時(shí)間的采樣進(jìn)行值量化，即取n維空間矢量x＝(x1，x2，…，xn)，對任意特征x1，x2，…，xn量化后的取值為0或者1。在這里x為連續(xù)圖像流關(guān)聯(lián)環(huán)帶的比值，x大于等于1則取值為1，否則取為0。
因?yàn)榱炕Ｊ脚袛?，考慮一個(gè)各分量獨(dú)立的二類問題，此時(shí)特征矢量的分量是取0或者1兩個(gè)值。假定兩個(gè)判別函數(shù)g1、g2，然后根據(jù)是否g1＞g2來決定x歸類于ω1，定義一個(gè)判別函數(shù) g(x)＝P(ω1|x)-P(ω2|x) (4-7) 判別法則為如果g(x)＞0，則決策x歸類于ω1，如果g(x)＜0決策x歸類于ω2。
設(shè)x＝(x1，x2，…，xd)T，且彼此獨(dú)立，其中分量xi取值0或1。
pi＝P(xi＝1|ω1) qi＝P(xi＝1|ω2) (4-8) 對模式的每個(gè)特征做是或不是的分類問題。最后決定這種未知模式是否劃歸哪一類，即是ω1類還是ω2類。由于假定條件獨(dú)立，故可把P(x|ωi)寫成x的各分量的概率之乘積。
式(4-9)和式(4-10)關(guān)于xi是線性的，所以可以表示為 決策函數(shù)是關(guān)于xi的線性函數(shù)，這樣對于實(shí)際情況下對于決策探測器量測模式的分類，便可求得的決策函數(shù)的值。
當(dāng)g(x)＞0未知模式?jīng)Q策為ω1類，當(dāng)g(x)＜0未知模式?jīng)Q策為ω1。
對于圖像處理和控制單元而言經(jīng)過紅外濾光片拍攝的圖像，其實(shí)并非為純灰度的圖像，故先將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對灰度圖像進(jìn)行二值化處理。再針對二值化圖像中亮的區(qū)域進(jìn)行邊沿檢測和邊緣處理，還可以轉(zhuǎn)換為直方圖，觀察灰度分布情況。
下面簡單介紹每個(gè)過程中轉(zhuǎn)換和處理的原理 灰度圖象(Y)和非純灰度圖象(R)的相互轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換公式如下 轉(zhuǎn)換為二值圖像，需要閾值化。閾值化的原理主要如下 閾值化可以看作是削波的一個(gè)特例，如圖12所示不難看出，只要令削波中的g1old＝g2old就實(shí)現(xiàn)了閾值化。閾值就像個(gè)門檻，比它大就是白，比它小就是黑。經(jīng)過閾值化處理后的圖像變成了黑白二值圖。進(jìn)行閾值化只需給出閾值點(diǎn)g1old即可。
當(dāng)我們需要知道一幅圖中的灰度分布情況，可以采用灰度直方圖來表示，如圖13所示(本發(fā)明在一次實(shí)驗(yàn)中所得圖像的直方圖)，圖中的橫坐標(biāo)表示灰度值，縱坐標(biāo)表示該灰度值出現(xiàn)的次數(shù)(頻率)。低灰度的象素占了絕大部分。在本發(fā)明也采用了直方圖的功能。
邊沿檢測和輪廓提取 具有如下優(yōu)點(diǎn) a)可以更準(zhǔn)確地獲取物體的周長 b)用此圖像本身更緊湊的方式描述物體的形狀，可用于計(jì)算火焰圓形圖，以此作為火災(zāi)是否發(fā)生的判斷準(zhǔn)則之一。
c)通過輪廓提取，可以減少處理的點(diǎn)數(shù)，提高運(yùn)算效率，同時(shí)很方便地計(jì)算出亮的區(qū)域面積的變化。
通過順序找出邊緣點(diǎn)來跟蹤出邊界。經(jīng)輪廓跟蹤后得到的結(jié)果，如圖14所示。
一個(gè)簡單二值圖象閉合邊界的輪廓跟蹤算法很簡單首先按從上到下，從左到右的順序搜索，找到的第一個(gè)黑點(diǎn)一定是最左上方的邊界點(diǎn)，記為A。它的右，右下，下，左下四個(gè)鄰點(diǎn)中至少有一個(gè)是邊界點(diǎn)，記為B。從開始B找起，按右，右下，下，左下，左，左上，上，右上的順序找相鄰點(diǎn)中的邊界點(diǎn)C。如果C就是A點(diǎn)，則表明已經(jīng)轉(zhuǎn)了一圈，程序結(jié)束；否則從C點(diǎn)繼續(xù)找，直到找到A為止。判斷是不是邊界點(diǎn)很容易如果它的上下左右四個(gè)鄰居都是黑點(diǎn)則不是邊界點(diǎn)，否則是邊界點(diǎn)。
由于每幀圖像的傳送到計(jì)算機(jī)均有一定的時(shí)間間隔，故直接將同一攝像頭監(jiān)測的前后兩幅圖像相減取絕對值，實(shí)現(xiàn)差分運(yùn)算。如圖16所示；如果超過閾值則進(jìn)入溫度算法計(jì)算，否則返回，并將圖像存入存儲(chǔ)區(qū)。
如圖17所示，對圖像進(jìn)行溫度閾值處理。對于灰度值小于閾值的象素直接設(shè)置灰度值為0；灰度值大于閾值的象素保留原值并開始進(jìn)行面積算法，如圖18所示。
對于本發(fā)明圖像采集裝置而言，數(shù)字?jǐn)z像頭或模擬攝像頭與圖像采集卡等方法均可使用。其中USB數(shù)字?jǐn)z像頭包括CMOS攝像頭和焦平面陣列熱像儀。
市場上大多數(shù)圖像采集卡都是多路輸入，這樣便于一臺(tái)電腦可同時(shí)檢測多個(gè)區(qū)域。視頻采集設(shè)備可以將模擬攝像頭產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭拍攝到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過視頻采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。， 數(shù)字?jǐn)z像頭可以將拍攝到得圖像直接通過USB接口傳到計(jì)算機(jī)里?，F(xiàn)在電腦市場上的攝像頭基本以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，而數(shù)字?jǐn)z像頭中又以使用新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字?jǐn)z像頭為主，目前市場上可見的大部分都是這種產(chǎn)品。
CCD攝像頭在選擇攝像頭時(shí)，鏡頭是很重要的。按感光器件類別來分，現(xiàn)在市場上攝像頭使用的鏡頭大多為CCD和CMOS兩種。其中CCD(ChargeCoupled Device，電荷耦合組件)是應(yīng)用在攝像、圖像掃描方面的高端技術(shù)組件，CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件)則大多應(yīng)用在一些低端視頻產(chǎn)品中。但是這樣的定位并不表示在具體的攝像頭使用時(shí)，兩者有很大區(qū)別。事實(shí)上經(jīng)過技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)大大的減小了。
CCD是一種半導(dǎo)體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。
USB攝像頭使用USB接口的攝像頭支持真正的即插即用，一旦你插入設(shè)備，系統(tǒng)也會(huì)立即匯報(bào)，并為其尋找合適的驅(qū)動(dòng)程序，而且，USB攝像頭所使用的電源可以直接從主板USB接口中得到，不再需要笨拙的獨(dú)立電源轉(zhuǎn)換器；USB(V2.0)接口理論上提供了480Mbps傳輸帶寬，傳輸速度大大高于電腦現(xiàn)有的外設(shè)端口。從這里不難看出，采用了USB接口的電腦攝像頭，在速度上是擁有很大優(yōu)勢的。
紅外焦平面陣列熱攝像儀紅外熱攝像儀技術(shù)已成為全世界普遍關(guān)注的熱門產(chǎn)業(yè)技術(shù)，像90年代中期的CCD固體攝像技術(shù)一樣，由于飛速發(fā)展的CCD制造技術(shù)已經(jīng)成熟，全球范圍的各有關(guān)廠家中有的已批量投產(chǎn)，有的正在等待投產(chǎn)，CCD固體攝像機(jī)的應(yīng)用市場急劇增長，很快發(fā)展成為全球范圍的新興產(chǎn)業(yè)，對包括生活領(lǐng)域(如數(shù)碼攝像機(jī)等)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻而廣泛的影響。毫無疑問，從目前全球紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，由于作為紅外熱攝像儀關(guān)鍵性技術(shù)的紅外探測器技術(shù)取得長足進(jìn)展，特別是非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)取得的突破，實(shí)現(xiàn)了高性能廉價(jià)的小型化紅外攝像儀，解決了價(jià)格長期居高不下造成的應(yīng)用障礙，開拓了廣闊的民用和軍用市場。
圖像采集卡本發(fā)明采用的采集卡是天敏公司帶可二次開發(fā)的SDK2000系列采集卡。
10MOONS SDK2000是一款專門針對系統(tǒng)開發(fā)商及電腦DIY發(fā)燒友的高品質(zhì)PCI視頻卡。SDK2000具有高品質(zhì)的視頻采集性能，具備高速PCI總線，兼容即插即用(PNP)，支持一機(jī)多卡。
提供功能全面的二次開發(fā)包(以下簡稱SDK)?？梢赃x擇VisualBasic、VisualC++、Delphi等多種編程語言通過SDK進(jìn)行開發(fā)，SDK中包含DLL動(dòng)態(tài)庫(VC使用)，OCX控件(VB，Delphi使用)及其詳細(xì)說明。可通過SDK控制圖像的輸入端口，圖像亮度，對比度，色度，灰度等輸入信號(hào)，動(dòng)態(tài)截取圖像，以AVI格式進(jìn)行錄像偵測圖像是否有移動(dòng)目標(biāo)等等。



圖1火災(zāi)探測器分類示意圖 圖2早期火災(zāi)溫度及峰值波長分布 圖3火焰的光譜能量分布 圖4各種不同材料的火焰光譜能量分布 圖5雙波段原理圖 圖6D-T關(guān)系曲線 圖7本發(fā)明所選用的濾光片透過率曲線示意圖 圖8有無濾光片的圖像比較 圖9300K-1700K絕對黑體光譜輻射出射度與波長的關(guān)系 圖10本發(fā)明多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng) 圖11為本發(fā)明明多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)工作流程框圖 圖12閾值化的原理圖 圖13灰度直方圖 圖14原圖像 圖15輪廓跟蹤后的結(jié)果 圖16速率算法流程圖 圖17溫度算法流程圖 圖18溫度算法流程圖 圖19本發(fā)明多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)框圖 圖20有無濾光片所采集圖像的比較 圖21有狀況時(shí)采集到的圖像與數(shù)值信息 圖22沒有狀況時(shí)采集到的圖像與數(shù)值信息 圖23火災(zāi)圖像信息1 圖24與火災(zāi)圖像信息1對應(yīng)的像素值 圖25火災(zāi)圖像信息2 圖26與火災(zāi)圖像信息2對應(yīng)的像素值 圖27火災(zāi)圖像信息3 圖28與火災(zāi)圖像信息3對應(yīng)的像素值 圖29火災(zāi)圖像信息4 圖30與火災(zāi)圖像信息4對應(yīng)的像素值 圖31連續(xù)的圖像火災(zāi)區(qū)域像素值流動(dòng)分析 圖32邊界跟蹤示意圖
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明 實(shí)施例1結(jié)合附圖10可見，多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，圖像采集單元由半透半反分光鏡、紅外濾光片及USB攝像頭1和USB攝像頭2組成，加裝0.8μm波長濾光片的攝像頭1和加裝1.0μm波長濾光片的攝像頭2固定朝向兩條垂直的光路，通過半透半反分光鏡同時(shí)監(jiān)測被監(jiān)測區(qū)域。圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單元，經(jīng)過圖像處理和控制單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對符合預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警。
USB攝像頭1與USB攝像頭2為HD-HV1302UM型；本發(fā)明所使用的USB攝像頭不限于此，市場銷售的USB攝像頭各種型號(hào)均可使用。
圖像采集單元采用型號(hào)是EC5-1719CLDNA(嵌入之星)，是一款采用Intel筆記本電腦芯片組945GM設(shè)計(jì)的高性能單板電腦。本發(fā)明所使用的嵌入之星不限于此，市場上任何型號(hào)PC均可使用。
其中，加裝濾光片的攝像頭可用紅外焦平面熱像儀替換，其輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可以省掉圖像采集卡而直接送入圖像處理和控制單元，紅外焦平面熱像儀作為圖像采集單元的主要優(yōu)勢是低溫成像范圍寬，可以用于低溫物體可燃物的探測場合。而采用CCD攝像頭加裝濾光片主要作用是替代價(jià)格昂貴的紅外焦平面熱像儀，來完成對監(jiān)控目標(biāo)的紅外溫度圖像采集，CCD攝像頭以其價(jià)格低廉和高溫成像范圍寬等優(yōu)勢，使整個(gè)火災(zāi)探測系統(tǒng)的造價(jià)大幅度降低。
實(shí)施例2實(shí)施例1中，濾光片的波長的選擇可根據(jù)具體火災(zāi)檢測場合的需要，依據(jù)維恩定理計(jì)算所需探測溫度的紅外波長和依據(jù)不同圖像采集裝置對能夠成像波長的響應(yīng)度選取不同的波長。如果采用紅外焦平面制作的攝像頭(熱像儀)，則只要依據(jù)維恩定理計(jì)算出所需探測溫度的紅外濾光片波長即可。如木材燃點(diǎn)為250℃～300℃，則紅外濾光片的波長應(yīng)選取5.54μm～5.06μm之間，棉花燃點(diǎn)為210℃～255℃，則紅外濾光片的波長應(yīng)選取6.0μm～5.49μm之間，煙頭表面溫度700℃～800℃，則紅外濾光片的波長應(yīng)選取2.98μm～2.7μm之間，紙張燃點(diǎn)為130℃，則紅外濾光片的波長應(yīng)選取7.19μm～7.0μm之間，麥草燃點(diǎn)為200℃，則紅外濾光片的波長應(yīng)選取6.12μm～5.9μm之間，滌綸纖維燃點(diǎn)為390℃，則紅外濾光片的波長應(yīng)選取4.37μm～4.1μm之間等。
實(shí)施例3實(shí)施例2或?qū)嵤├?中，圖像采集單元還包括一個(gè)未加裝濾光片的彩色攝像頭3，攝像頭1和攝像頭2監(jiān)測的圖像被認(rèn)定符合預(yù)設(shè)值時(shí)，未加裝濾光片的彩色攝像頭3開始抓拍火災(zāi)圖像。
彩色攝像頭3采用HD-HV1302UC型號(hào)。
實(shí)施例4如圖10所示，本發(fā)明采用半透半反鏡和不同波長的紅外濾光片來通過2個(gè)(HD-HV1302UM)USB攝像頭采集雙波段紅外圖像到系統(tǒng)中，通過軟件的算法來探測攝像頭1和攝像頭2所監(jiān)控區(qū)域是否有火災(zāi)。一旦有可疑的火災(zāi)發(fā)生，則通過與串口連接的GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)端服務(wù)器，同時(shí)也通過系統(tǒng)平臺(tái)的網(wǎng)口，將報(bào)警信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器上。
其中，GSM模塊采用的是Siemens公司的TC35，TC35是Siemens公司推出的無線通信GSM模塊，模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。
通訊接口采用CAN總線或RS-485串口，主要用于火災(zāi)發(fā)生后的各類現(xiàn)場語音報(bào)警、遠(yuǎn)程INTERNET報(bào)警、GSM短信電話報(bào)警等，以及和現(xiàn)有消防滅火設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，通訊接口根據(jù)圖像處理和控制單元預(yù)設(shè)火情等級的需要，會(huì)給出指令控制滅火設(shè)備的啟動(dòng)。
實(shí)施例5 結(jié)合圖10、圖11和圖19所示，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明 多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，按以下步驟 1)被檢測區(qū)域的情況通過半透半反分光鏡被兩個(gè)加裝(波長0.8μm和1.0μm)的紅外濾光片的(大恒圖像HD-HV1302UM型)攝像頭1和(大恒圖像HD-HV1302UM)攝像頭2同時(shí)監(jiān)測；兩個(gè)攝像頭拍攝到的兩幅紅外目標(biāo)溫度圖像相位一致； 2)然后將這兩幅圖像經(jīng)圖像采集單元((HD-HV1302UM))送入圖像處理和控制單元(EC5-1719CLDNA(嵌入之星))，圖像處理和控制單元首先對兩個(gè)攝像頭所采集的兩幅圖像進(jìn)行溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)； 3)再將其中任一攝像頭連續(xù)采集的多幀圖像進(jìn)行比較，看看具有溫度越限的疑似火災(zāi)的目標(biāo)紅外圖像的面積是否隨時(shí)間而增大，以及邊緣是否規(guī)則，當(dāng)目標(biāo)物體的圖像面積擴(kuò)大，且圖像形狀不規(guī)則時(shí)，判斷為火災(zāi)。
實(shí)施例6 結(jié)合圖10、圖11、圖17、圖18、圖19對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明 多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，按以下步驟 1)被檢測區(qū)域的情況通過半透半反分光鏡被兩個(gè)加裝不同(波長0.8μm和1.0μm)波長的紅外濾光片的(HD-HV1302UM型號(hào)的)USB攝像頭同時(shí)監(jiān)測；攝像頭1和攝像頭2拍攝到的兩幅紅外目標(biāo)溫度圖像相位一致； 2)然后將這兩幅圖像經(jīng)圖像采集單元送入圖像處理和控制單元(EC5-1719CLDNA(嵌入之星))，圖像處理和控制單元首先對兩個(gè)攝像頭同時(shí)所采集的兩幅圖像進(jìn)行溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)； 3)再將其中(HD-HV1302UM型號(hào))USB攝像頭1或(HD-HV1302UM型號(hào))USB攝像頭2連續(xù)采集的多幀圖像進(jìn)行比較，視其具有溫度越限的疑似火災(zāi)的目標(biāo)紅外圖像的面積是否隨時(shí)間而增大，以及邊緣是否規(guī)則，當(dāng)目標(biāo)物體的圖像面積擴(kuò)大，且圖像形狀不規(guī)則時(shí)，判斷為火災(zāi)。
上述方法中，在步驟2)然后將這兩幅圖像經(jīng)圖像采集單元送入圖像處理和控制單元，圖像處理和控制單元首先對(HD-HV1302UM)USB攝像頭1或(HD-HV1302UM)USB攝像頭2所采集的連續(xù)兩幅圖像進(jìn)行相減取絕對值，當(dāng)絕對值不為零時(shí)；再對攝像頭1或攝像頭2同時(shí)所采集的兩幅圖像進(jìn)行溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)； 進(jìn)一步，通過對其中(HD-HV1302UM)USB攝像頭1或(HD-HV1302UM)USB攝像頭2所采集的一幅圖像進(jìn)行灰度級的分析，來判斷火焰的外焰較內(nèi)焰和焰心部分像素值的大小，如果目標(biāo)圖像邊緣的像素值大于內(nèi)焰和焰心，則判斷為火災(zāi)。
進(jìn)一步，圖像采集單元還包括未加裝濾光片的(HD-HV1302UC)彩色攝像頭3同時(shí)檢測被檢測區(qū)域，當(dāng)由加裝紅外濾光片的兩攝像頭檢測的圖像被認(rèn)定符合預(yù)設(shè)值時(shí)，未加裝濾光片的攝像頭開始抓拍火災(zāi)圖像。
還可將監(jiān)控到的彩色圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，一旦某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)隱患，系統(tǒng)則調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)的相應(yīng)的語音廣播，通知現(xiàn)場的人員緊急撤離和應(yīng)急疏導(dǎo)。
還可根據(jù)圖像的坐標(biāo)，對起火點(diǎn)進(jìn)行定位與跟蹤。
語音疏導(dǎo)將監(jiān)控場合的圖像以“井”字型方式劃分為多個(gè)區(qū)域坐標(biāo)，在圖像處理和控制單元中，通過軟件識(shí)別算法，來判斷是哪個(gè)區(qū)域坐標(biāo)發(fā)生火災(zāi)，一旦判定某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則通過該區(qū)域?qū)?yīng)的程序，經(jīng)圖像處理和控制單元中的聲卡，播放事先錄制的語音疏導(dǎo)廣播，進(jìn)行有序的人員疏導(dǎo)，以免火災(zāi)現(xiàn)場混亂而發(fā)生更為嚴(yán)重的災(zāi)害。
權(quán)利要求
1、多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，包括圖像采集單元、圖像處理和控制單元及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理和控制單元，經(jīng)過圖像處理單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警，其特征在于圖像采集單元由半透半反分光鏡、及加裝紅外濾光片的圖像采集裝置組成，其中被監(jiān)測區(qū)域通過半透半反分光鏡被加裝不同波長紅外濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)監(jiān)測。
2、多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，包括圖像采集單元、圖像處理單元及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理單元，經(jīng)過圖像處理單元的處理，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警，其特征在于圖像采集單元由半透半反分光鏡和紅外焦平面陣列熱像儀組成，其中被監(jiān)測區(qū)域通過半透半反分光鏡被兩個(gè)紅外焦平面陣列熱像儀同時(shí)監(jiān)測。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，其特征在于圖像采集單元中還包括未加裝裝濾光片的彩色攝像頭，所述彩色攝像頭與所述加裝濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置位于同一個(gè)位置，用于檢測同一個(gè)火災(zāi)區(qū)域，當(dāng)由所述圖像采集裝置監(jiān)測的圖像被認(rèn)定符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值時(shí)，所述彩色攝像頭開始抓拍火災(zāi)圖像。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集裝置是USB數(shù)字?jǐn)z像頭。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集裝置由CCD模擬攝像頭和SDK圖像采集卡組成。
6、根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，其特征在于多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)預(yù)留有通訊接口，可以與任何滅火系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。
7、多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，其特征在于按以下步驟
1)被監(jiān)測區(qū)域的情況通過半透半反分光鏡被兩個(gè)加裝不同波長的紅外濾光片的圖像采集裝置同時(shí)監(jiān)測；兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)拍攝到的兩幅紅外目標(biāo)溫度圖像相位一致；
2)然后將由兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)拍攝到的兩幅紅外圖像經(jīng)傳送至圖像處理單元，圖像處理單元首先對兩個(gè)圖像采集裝置所采集的兩幅紅外圖像進(jìn)行雙波段溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)；
3)再將其中任一圖像采集裝置連續(xù)采集的多幀圖像進(jìn)行比較，具有溫度越限的疑似火災(zāi)目標(biāo)的紅外圖像的面積是否隨時(shí)間而增大，以及邊緣是否規(guī)則，當(dāng)目標(biāo)物體的圖像面積擴(kuò)大，且圖像形狀不規(guī)則時(shí)，判斷為疑似火災(zāi)。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，其特征在于2)然后將由兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)拍攝到的兩幅紅外圖像傳送至圖像處理單元，圖像處理單元首先對同一圖像采集裝置所采集的連續(xù)兩幅圖像進(jìn)行相減取絕對值，當(dāng)絕對值不為零時(shí)；再對兩個(gè)圖像采集裝置同時(shí)所采集的兩幅圖像進(jìn)行雙波段溫度識(shí)別；將長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像進(jìn)行像素比較，如果比值大于1，說明目標(biāo)溫度低于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，一旦被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，則長、短兩個(gè)波段采集的紅外圖像的像素比小于1，則說明目標(biāo)溫高于所設(shè)置的報(bào)警溫度閾值，判斷為疑似火災(zāi)；
9、根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，其特征在于通過對其中一圖像采集裝置所采集的一幅圖像進(jìn)行灰度級的分析，來判斷火焰的外焰較內(nèi)焰和焰心部分像素值的大小，如果目標(biāo)圖像邊緣的像素值大于內(nèi)焰和焰心，則判斷為火災(zāi)。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，其特征在于所述圖像采集單元中還包括未加裝裝濾光片的彩色攝像頭，所述彩色攝像頭與所述加裝濾光片的兩個(gè)圖像采集裝置位于同一個(gè)位置，用于檢測同一個(gè)火災(zāi)區(qū)域，當(dāng)由所述圖像采集裝置監(jiān)測的圖像被認(rèn)定符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值時(shí)，所述彩色攝像頭開始抓拍火災(zāi)圖像。
11、根據(jù)權(quán)利要求10所述的多波段紅外圖像型火災(zāi)探測方法，其特征在于圖像處理單元對2監(jiān)控到的彩色圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，一旦某個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)隱患，系統(tǒng)則調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)的相應(yīng)的語音廣播，通知現(xiàn)場的人員緊急撤離和應(yīng)急疏導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及消防領(lǐng)域，具體是涉及基于圖像識(shí)別的火災(zāi)探測系統(tǒng)及其火災(zāi)預(yù)警方法。本發(fā)明多波段紅外圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)，包括圖像采集單元、圖像處理單元及報(bào)警單元，其中，圖像采集單元將采集的圖像傳送至圖像處理單元，經(jīng)過圖像處理單元的處理算法，判斷所采集到的紅外圖像是否符合火災(zāi)的特性，對符合火災(zāi)預(yù)設(shè)值的即向報(bào)警單元報(bào)警，圖像采集單元由半透半反分光鏡、紅外濾光片及攝像頭組成，其中被監(jiān)測區(qū)域通過半透半反分光鏡被加裝不同波長紅外濾光片的兩攝像頭同時(shí)監(jiān)測。本發(fā)明具有不受空間高度、熱障、易爆、有毒等環(huán)境條件的限制，可在大空間和室外開放空間進(jìn)行火災(zāi)早期探測，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08B17/12GK101577033SQ200910052069
公開日2009年11月11日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者官洪運(yùn), 官慧峰, 江 李, 單一帆 申請人:官洪運(yùn)