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

火災發生時，如果能夠在火災早期及時發現并采取應急措施，就能最大程度的減少損失。傳統的火災探測器主要通過對溫度、火焰和燃燒氣體等參量經信號處理、比較，判斷是否發生了火災。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境的限制，容易出現誤報、漏報現象，難以及時準確發現火災并預警。視頻圖像型火災探測技術是一門新興技術，在很多方面顯示出一定優勢。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生。豐富的圖像信息為我們對火災發生的辨別及判定，奠定了堅實的基礎，這是其他火災探測技術都無法實現的。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。即利用攝像機監控目標區域，從監控視頻中提取疑似火災圖像并進行分析。通過提取疑似區域的多項特征參數并與設定的特征閾值進行對比，根據火災發生時具有的多種特征綜合判斷是否發生了火災。

二、火災圖像特征分析

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

1、火焰的顏色特征

火災發生過程中，火焰具有鮮明的顏色特征?；鹧鎻难嫘牡酵庋娴念伾煌?，一般由亮白色逐漸過渡到暗紅色。火焰的顏色相對于大部分背景呈現明亮色，火焰的顏色較鮮艷、亮度值較高。利用這一特性，如果從監控視頻中提取出連續圖像幀，在某一區域表現為高亮度時，就可判斷為疑似火焰區域。

2、火焰的形態特征

在火災不斷發展蔓延階段，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生變化。早期火災火焰的主要特征表現在火焰面積不斷增大，尖角數目不規則變化?；鹧嫒紵南鄬Σ环€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。通過對連續多幀圖像的處理，根據相應的算法分析出圖像中疑似火災區域多幀圖像間的聯系和差別，進一步判斷是否發生火災。

三、火災圖像識別方法

1、疑似火災圖像區域提取

在進行火災識別時，我們首先利用圖像分割技術得到圖像中的可疑區域。然后通過各種算法分析圖像中的可疑區域進一步判斷是否有火災發生。本文采用幀間差分法進行疑似火災圖像區域提取。發生火災時，火焰燃燒是一個逐漸變化的過程，火焰呈運動特性，而其它大多數物體呈靜止狀態。因此通過對比視頻圖像序列可判斷出背景中是否出現疑似火焰目標。攝像機采集的視頻序列具有連續性的特點。如果場景內沒有運動目標，則連續幀的變化很微弱，如果存在運動目標，則連續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

疑似火災圖像區域提取完成后，只能確定這個區域有發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?；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。

2.1面積增長率

火災發生時，火災區域會呈不斷持續蔓延擴大趨勢，火災火焰的面積呈現連續的、擴展性的增長趨勢。圖像上表現為高亮度區域持續增長?？梢圆捎脤σ欢螘r間連續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

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

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，統計大量火焰像素可以得到各個像素點紅、綠、藍值的分布規律。根據統計分析可以得到火焰圖像識別判據如下：

四、實驗及結論

本文利用我院火災燃燒實驗室進行了火災識別實驗?，F實火災的發生具有復雜性和多樣性的特點，可燃物種類眾多而且經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。實驗結果表明：幀間差分法能有效提取出火災疑似區域。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定燃燒利用面積增長及火焰圓形度等特征也可以區分出來，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生的火災絕大部分都可以識別出來。實驗時發現一個有趣的問題，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生了火災，但進一步確定火災發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、火災圖像檢測。

3.李龍山，2000.09.06，男，漢，天津市武清區，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。