專利名稱：基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火災(zāi)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及計(jì)算機(jī)圖像處理以及零照度環(huán)境下的主動(dòng)紅外視頻火災(zāi)探測(cè)，特別涉及基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
可視火災(zāi)探測(cè)技術(shù)是基于機(jī)器視覺以及圖像處理的火災(zāi)探測(cè)新技術(shù)，它能夠有效地綜合火焰、煙霧等圖像特征，提供直觀的火災(zāi)信息?？梢暬馂?zāi)探測(cè)技術(shù)具有響應(yīng)速度快， 監(jiān)測(cè)范圍廣，距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，使火災(zāi)探測(cè)技術(shù)更大程度地滿足了人們對(duì)火災(zāi)安全的要求，其中煙霧圖像識(shí)別探測(cè)技術(shù)能夠較早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)探測(cè)。B. U. Toreyin等人在第13屆歐洲信號(hào)處理會(huì)議上利用了小波變換來提取煙霧圖像的邊緣特征，并根據(jù)背景圖像在煙霧遮擋下邊緣變得模糊，邊緣信息減少的現(xiàn)象來識(shí)別煙霧。在2006年美國(guó)舉辦的智能信息及多媒體信號(hào)處理會(huì)議上，Chen等提出了火災(zāi)煙霧顏色一般為灰色或黑色，所以結(jié)合RGB顏色模型與HIS顏色模型的I分量聯(lián)合進(jìn)行了火災(zāi)煙霧識(shí)別。熊子佑等在“Video-based Smoke Detection !Possibilities，Techniques，and Challenges” 一文中認(rèn)為煙霧是湍流現(xiàn)象，可以通過無量綱的邊緣與面積的比值或者表面積與體積的比值來描述這種湍流現(xiàn)象中復(fù)雜形狀的特征。袁非牛在荷蘭的《模式識(shí)別期刊》 上，提出基于累計(jì)方法的視頻煙霧檢測(cè)方法，為了加快檢測(cè)速度，他首先將視頻圖像分割成了大小相等的塊，然后利用某種搜索模板與塊匹配方法估計(jì)出塊的運(yùn)動(dòng)方向。2008年，Yang 等人發(fā)展了一種基于支持向量積SVM的火災(zāi)煙霧識(shí)別特征分類器，其選用的特征值是基于小波分析煙霧半透明的特征值。上述的煙霧視頻圖像識(shí)別探測(cè)技術(shù)都是基于環(huán)境具備足夠的光照條件下，當(dāng)監(jiān)控場(chǎng)景光線不足，或者當(dāng)環(huán)境處于零照度的情況下，普通攝像機(jī)的視頻采集就會(huì)受到環(huán)境光照強(qiáng)度過小的影響。這是因?yàn)楫?dāng)前普通的攝像監(jiān)控系統(tǒng)是在可見光的照射下，如陽(yáng)光、燈光等，通過攝像機(jī)的鏡頭，將被攝物體反射的光線在攝像機(jī)的感光器件CCD靶面上成像，然后通過轉(zhuǎn)換電路將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，再經(jīng)過傳輸系統(tǒng)，最終將圖象在顯示設(shè)備，比如監(jiān)視器上重現(xiàn)出來?；谶@個(gè)原理，當(dāng)環(huán)境光線不足，甚至于環(huán)境處于零照度的情況下，普通的視頻煙霧探測(cè)技術(shù)就會(huì)受到制約。但是，主動(dòng)紅外攝像監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是利用攝像機(jī)的CCD圖像傳感器具備很寬的感光光譜范圍，它的感光光譜不僅包括了可見光區(qū)域， 并且還延伸至紅外區(qū)域，基于此特性，就能夠在沒有可見光照明的情況下，使用與攝像機(jī)配套的紅外光源，即紅外燈，發(fā)出紅外光經(jīng)物體反射被紅外CXD接收成像。利用這個(gè)特性，主動(dòng)紅外視頻煙霧探測(cè)技術(shù)就能夠克服光線不足導(dǎo)致普通視頻煙霧探測(cè)技術(shù)失效的情況，它將是用于零照度環(huán)境下視頻火災(zāi)煙霧探測(cè)的新手段。目前，在監(jiān)控環(huán)境處于零照度的黑暗條件下，還未見利用主動(dòng)紅外攝像機(jī)進(jìn)行紅外視頻采集，并配以相應(yīng)火災(zāi)視頻煙霧識(shí)別算法的探測(cè)技術(shù)，而一些典型的煙霧特征，如上述中提及的顏色特征、模糊特征、輪廓特征以及紋理特征等，在用于紅外視頻煙霧識(shí)別時(shí)， 由于其紅外視頻背景和圖像的特殊性而存在缺陷。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中如火車行李車廂、大飛機(jī)行李艙、物資倉(cāng)庫(kù)等重要監(jiān)控場(chǎng)所，對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)紅外視頻煙霧監(jiān)控，并且根據(jù)紅外視頻煙霧圖像的特點(diǎn)發(fā)展相應(yīng)的火災(zāi)視頻煙霧探測(cè)方法，具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，利用主動(dòng)紅外攝像機(jī)采集零照度環(huán)境下的紅外煙霧視頻圖像，并且通過提取煙霧聚類中心的速度特征將煙霧與干擾源區(qū)分開來，從而實(shí)現(xiàn)零照度環(huán)境下主動(dòng)紅外視頻煙霧識(shí)別的目的。本發(fā)明技術(shù)解決方案基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法系統(tǒng)硬件部分如

圖1所示，它由紅外光源、主動(dòng)紅外攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)(嵌入式系統(tǒng))以及報(bào)警控制裝置等構(gòu)成。由主動(dòng)紅外攝像機(jī)采集得到的視頻圖像通過采集卡傳給視頻監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理首先采用差分法提取前景圖像并進(jìn)行亮度值分析；然后計(jì)算前景圖像里聚類中心的速度特征并進(jìn)行判別，如果判別為火災(zāi)煙霧，則計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果判別為非火災(zāi)煙霧，則返回差分法步驟，繼續(xù)處理下一幀圖像。圖2為本發(fā)明中的識(shí)別算法流程圖，第一步，利用主動(dòng)紅外攝像機(jī)采集零照度環(huán)境下的紅外煙霧視頻圖像；第二步，通過差分法提取第一步中所述視紅外煙霧頻圖像中的前景圖像，并進(jìn)行亮度值分析；第三步，提取前景圖像中聚類中心的速度特征；第四步，計(jì)算聚類中心速度特征的平均值和方差；第五步，根據(jù)計(jì)算得到的聚類中心速度特征的方差，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷被監(jiān)控受限的零照度環(huán)境下是否有火災(zāi)煙霧；第六步，如果有火災(zāi)煙霧，給出報(bào)警信號(hào)；否則重新返回到第二步繼續(xù)對(duì)處理下一幀紅外煙霧視頻圖像。具體解釋和說明如下本發(fā)明首先采用背景差分算法來提取主動(dòng)紅外視頻圖像中的前景圖像。背景差分算法能夠得到較精確的前景圖像，但所采集到的背景圖像隨著時(shí)間的推移，對(duì)外部條件造成的場(chǎng)景變化比較敏感，所以需要實(shí)時(shí)更新背景模型，通過下面的(1)式來計(jì)算視頻每一幀的背景圖像
權(quán)利要求
1.一種基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下第一步，利用主動(dòng)紅外攝像機(jī)采集零照度環(huán)境下的紅外煙霧視頻圖像；第二步，通過差分法提取第一步中所述視紅外煙霧頻圖像中的前景圖像，并進(jìn)行亮度值分析；第三步，提取前景圖像中聚類中心的速度特征；第四步，計(jì)算聚類中心速度特征的平均值和方差；第五步，根據(jù)計(jì)算得到的聚類中心速度特征的方差，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷被監(jiān)控受限的零照度環(huán)境下是否有火災(zāi)煙霧；第六步，如果有火災(zāi)煙霧，給出報(bào)警信號(hào)；否則重新返回到第二步繼續(xù)對(duì)處理下一幀紅外煙霧視頻圖像；所述第二步中的差分法實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)將第一幀作為背景圖像，從第二幀開始，將背景圖像與每一幀圖像按照公式(1)進(jìn)行差分得到前景圖像if\l(x,yJ)-I(x,y,k)\>Totherwise(丄)上式中(χ，y)為以圖像長(zhǎng)方向?yàn)棣州S，寬方向?yàn)閥軸建立的坐標(biāo)系中像素點(diǎn)的坐標(biāo)， X (x, y)為前景圖像，j代表背景幀，k代表當(dāng)前幀，I (x, y，j)為背景幀點(diǎn)(x，y)的像素值， I (X，1，k)為當(dāng)前幀點(diǎn)(X，y)的像素值，T是閾值；(2)按照公式(2)更新背景圖像I(X，y，j)\al(x, y, k) + (l-a)X(x, y) if X(x, y) = 0[I(^yJ)if Z(XJ) = 255(2)上式中α是常數(shù)，且0< α < 1，這樣背景圖像更新效果較好。如果差分結(jié)果圖像 X(x，y)中點(diǎn)(X，y)的像素值為0，則更新背景圖像中(x，y)點(diǎn)的像素值I (x，y，j)，如果差分結(jié)果前景圖像X(x，y)中點(diǎn)(χ，y)的像素值為255，則不進(jìn)行任何操作，像素值為255的圖像部分稱為前景圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，其特征在于所述第二步中亮度值分析方法為利用HIS模型中的亮度值I分量來分析視頻的前景圖像，在一定的背景環(huán)境條件下，煙霧前景圖像的亮度值在L1 < I < L2范圍內(nèi)變化，其中，其中Lp L2是煙霧前景圖像的亮度值I分量的變化上下限，L2的值是實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得，具體方法是多次在相同背景環(huán)境下，采用主動(dòng)紅外攝像機(jī)對(duì)煙霧區(qū)域進(jìn)行視頻采集， 然后通過對(duì)多個(gè)紅外視頻中煙霧前景圖像的亮度值I進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到煙霧前景圖像的亮度值一般在L1 < I < L2范圍內(nèi)變化的結(jié)論，將前景圖像中滿足L1 < I < L2條件的區(qū)域留下，不滿足的去除，并將所得的前景圖像保存用于下一步紅外煙霧視頻圖像特征的提取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，其特征在于所述第三步驟中提取前景圖像中聚類中心的速度特征具體實(shí)現(xiàn)步驟為(1)首先通過K-means算法的計(jì)算，得到每一幀煙霧聚類中心cn(X，y)，n = 1，2，…表示視頻幀數(shù)，X、Y分別代表Cn(X，y)點(diǎn)橫坐標(biāo)以及縱坐標(biāo)；(2)然后再計(jì)算每相鄰兩幀煙霧聚類中心Cn(x，y)的速度
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，其特征在于所述第四步計(jì)算聚類中心速度特征的平均值和方差過程為 (l)cn(x，y)的瞬時(shí)速率vj的平均值
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，其特征在于所述第五步中的閾值的設(shè)定方法為設(shè)定2個(gè)閾值M和N分別滿足Svl < M < Sv2以及Sa2 < N < Sa工，只有當(dāng)聚類中心速度特征的方差同時(shí)滿足條件Sv < M以及Sa > N時(shí)才可判定為火災(zāi)煙霧，否則判定為非火災(zāi)煙霧；其中Svl為計(jì)算得到的煙霧聚類中心瞬時(shí)速率VnI組成數(shù)組的方差；Sal為煙霧聚類中心瞬時(shí)角度adi成數(shù)組的方差；Sv2為干擾源聚類中心瞬時(shí)速率IvnI組成數(shù)組的方差；Sa2為干擾源聚類中心瞬時(shí)角度CIn組成數(shù)組的方差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，其特征在于所述步驟⑵中的α取0. 01。
全文摘要
一種基于主動(dòng)紅外視頻的零照度環(huán)境火災(zāi)煙霧識(shí)別方法，采集主動(dòng)紅外視頻圖像數(shù)據(jù)；通過差分法提取紅外視頻圖像數(shù)據(jù)中的前景圖像，并進(jìn)行亮度值分析；提取并分析前景圖像中聚類中心的速度特征；計(jì)算聚類中心速度特征的平均值和方差；根據(jù)計(jì)算得到的聚類中心速度特征的方差，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷被監(jiān)控受限零照度空間中是否有火災(zāi)煙霧；如果是火災(zāi)煙霧，給出報(bào)警信號(hào)；否則重新返回到前繼續(xù)采集下一幀紅外視頻圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明減少了紅外視頻圖像背景噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)了在零照度環(huán)境下對(duì)主動(dòng)紅外視頻煙霧的識(shí)別。
文檔編號(hào)G06K9/00GK102201146SQ201110129328
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉耘暢, 張永明, 方俊, 王進(jìn)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)