基于圖像處理的樓宇智能火災檢測算法

李曉麗

(南通紡織職業技術學院信息系，江蘇 南通 226007)

基于圖像處理的樓宇智能火災檢測算法

李曉麗

(南通紡織職業技術學院信息系，江蘇 南通 226007)

傳統的樓宇智能方法通過智能溫度濕度傳感器檢測火災的發生，受溫度和濃度限制較為明顯。提出一種基于圖像處理的樓宇智能火災檢測方法。利用圖像顏色模型方法，結合數學形態學提取出初始目標，通過對大量煙霧的調查研究，找出煙霧在特定顏色空間中的分布，進而進行有效的檢測，克服了傳統樓宇智能火災檢測方法過于依賴火焰溫度和煙霧濃度的弊端。研究表明，該方法不受樓體內煙霧濃度和火焰溫度的限制，能以最快速度對樓體內的火焰進行檢測。

樓宇智能化；顏色模型；火災檢測

樓層內的火災檢測是關乎到人民群眾生命財產安全的一項很重要的工作，多發性的高層建筑火災也是危害人類的重大災害之一。為了減低火災危害，目前已研制出多種煙霧探測器，其工作原理一般是基于煙霧濃度和火焰溫度進行火災檢測。但上述探測設備正常工作的前提是必須滿足一定的溫度和濃度要求才能發出報警，這容易造成報警滯后的問題[1]。為此，筆者提出基于圖像處理的樓宇智能火災檢測算法，以樓體中發生火災時火焰的圖像特征作為檢測對象，從火焰燃燒時候與平時的樓體環境圖像差異特征著手，計算火焰的顏色、頻率、空間分布的特征規律，提取燃燒時的特征并且設定區域閥值，最終形成基于圖像處理的樓宇智能火災檢測算法。

1 樓宇智能火災檢測算法原理

1.1火焰圖像噪聲消除

當采集到一幅樓體內的圖像時，由于樓內環境復雜，會對采集的圖像造成大量噪聲干擾(主要是高斯噪聲)，因而需要對采集的圖像進行有效的預處理，完成檢測圖像區域的去噪。常用的圖像預處理工作方法如下。

(1)

式中，rk為樓體圖像的灰度等級標志；nk是對應灰度級中計算出像素灰度值為rk的像素個數；n是樓體圖像中所有像素點的數量。

樓體圖像直方圖中的灰度分布函數如下：

(2)

式中，T(rk)為灰度分布函數。

圖1 RGB顏色空間示意圖

1.2樓體內過火點特征提取

在完成煙霧圖像的預處理后，對圖片中可能包含的火焰信息進行有效的檢測，由于檢測的圖像多是基于256色的彩色圖像，而彩色圖像與黑白圖像相比有其特殊性，其每個像素都是以紅、綠、藍為3原色組成的，因此，RGB顏色空間是3D線性空間，生活中的每一種顏色都是上述3種顏色的組合，都可以在這個空間中找到對應的位置，RGB顏色空間示意圖如圖1所示。

在樓體的火焰中，隨著燃燒時間的不同，燃燒的特征也不同，但是不同的特征都在該模型中得到體現。燃燒初期煙霧呈白色，然后是暗黃色，最后為紅色和黃色的混合色，煙霧成黑色。

通過有效的采集圖像中與火焰相關的RGB像素特征，通過對比火焰顏色信息數據庫。建立火焰燃燒報警信息，具體步驟如下[3]：①對采集的樓體內可能發生火災的圖像進行區域劃分；②計算其中的RGB信息，統計該圖片中出現的RGB圖像分量的峰值和谷值及各自平均值;③通過一定算法把處理后的特征值導入數據庫，將計算結果保存。

1.3火災的鑒定

根據檢測到的可能發生火災區域的特征分析，發現發生火災的一些圖片的顏色特征一般都落在一定的區域內。傳統的二維映射方法在處理的過程中難免存在誤差，因而可將樓體內可能發生火災的圖像像素映射到相應的RGB三維空間中，以此能更好觀察煙霧顏色在色域中的分布。

對于燃燒時候的火焰特征R、G、B 3個分量的值相差不大，其亮度特征也保證在一定的范圍內分布，而對于剛剛燃燒起來的火焰區域，其B分量與其他2個分量相比往往增加幅度明顯。因此，可以通過該特征來判斷火焰燃燒的時間，保證火焰在第一時間被準確識別，從而去除一些明顯的非煙區域，具體火災判斷方法如下[4]。

計算火災圖像中像素灰度的最大值和最小值：

Fmin=min(R,G,B)Fmax=max(R,G,B)

計算像素的平均灰度值：

F=(R+G+B)/3

利用像素區間判斷是否為火災像素：

R1:|Fmax-Fmin|

式中，Fmax為像素灰度的最大值；Fmin為像素灰度的最小值；R1為描述火焰中的煙霧特征；R2為火焰在一定區間內的像素波動特征；R3為描述剛剛燃燒過程中的火焰特征；F為像素平均灰度值；T1取值15～25；T2取值80；T3取值220；T4取值應大于T1。

運用不同特征的像素區間屬性對火焰的實時顏色進行對比跟蹤，通過當時像素屬性對比上述區間分布來進行火焰判斷，能夠準確計算出樓體內是否為燃燒性火焰，進而進行火災報警。

2 仿真試驗及分析

圖2 模擬樓體內火焰燃燒情況

為了驗證上述識別方法的性能，分別運用傳統方法和筆者提出的方法對模擬樓體內的火焰燃燒情況(見圖2)進行檢測，具體識別統計結果如表1所示。從表1可以看出，改進算法的報警用時明顯減少，能以最快速度對樓體內的火焰進行檢測，從而可以解決報警滯后的問題。

表1 各種算法對比識別統計

3 結 語

提出了基于圖像處理的樓宇智能火災檢測算法。通過圖像處理的方式，將樓宇內的智能火災檢測問題轉化為圖像處理的識別問題，然后求煙霧顏色空間的特定結果，最后運用區域鑒別分析法對煙霧進行定位。該方法不受樓體內煙霧濃度和火焰溫度的限制，能以最快速度對樓體內的火焰進行檢測，從而可以解決報警滯后的問題。

[1]常太華，蘇杰，田亮. 一種基于DSP實現火焰檢測的方法[J].華北電力大學學報,2002，29(4):48-50.

[2]徐偉勇，余岳峰. 數字圖像處理技術在火焰檢測上的應用[J].中國電力,1994，27(10)：41-44.

[3]代凱乾，劉肖琳.基于圖像序列的人體跟蹤[J].計算機仿真,2007,24(7)：56-58.

[4]王磊，童子權. 基于圖像處理技術的火焰檢測算法研究[J].電子測量技術，2010,15(4): 52-55.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.038

TP274

A

1673-1409(2012)06-N114-03