淺議數字圖像處理在火災報警系統中的應用

李征

邢臺市消防救援支隊 河北 邢臺 054000

1 數字圖像處理概述

數字圖像處理是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術。數字圖像處理的產生和迅速發展主要受3個因素的影響[1]：一是計算機技術的飛速發展；二是現代數學理論的發展（特別是離散數學理論的創立和完善）；三是廣泛的應用，在農牧業、林業、環境、軍事、工業和醫學等方面的應用需求的增長。

1.1 數字圖像處理的主要方法

數字圖像處理方法大致可分為兩大類：變換域法和空域法。

1.1.1 變換域法。數字圖像處理的變換域處理方法是首先對圖像進行正交變換，得到變換域系數陣列，然后再施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結果。

這類處理包括：濾波、數據壓縮、特征提取等處理[2]。

1.1.2 空域法。這種方法是把圖像看作是平面中各個像素組成的集合，然后直接對這一二維函數進行相應的處理。空域處理法主要有下面兩大類：

1.1.2.1 鄰域處理法。其中包括:梯度運算，拉普拉斯算子運算，平滑算子運算和卷積運算。

1.1.2.2 點處理法。灰度處理，面積、周長、體積、重心運算等等。

1.2 數字圖像處理的主要內容

數字圖像處理工程可分為：圖像信息的獲取、圖像信息的存儲、圖像信息的傳送、圖像信息處理、圖像信息的輸出和顯示。

1.2.1 圖像信息的獲取。主要是指把圖像轉換成適合輸入計算機或數字設備的數字信號，這一過程主要包括攝取圖像、光電轉換及數化等幾個步驟。

1.2.2 圖像信息的存儲。圖像信息數據量非常巨大，因此其存儲方式也至關重要，一般檔案存儲主要采用磁帶、磁盤或光盤。我們一般通過數據壓縮、變換圖像格式及圖像數據庫技術來解決存儲問題等[3]。

1.2.3 圖像信息的傳送。圖像信息的傳送一般分為系統內部傳送與遠程傳送。內部傳送我們大多采用DMA技術來解決速度問題，外部遠距離傳送目前主要是解決占用帶寬的問題。

1.2.4 數字圖像處理。目前，數字圖像處理技術多采用計算機處理為主，因此，有時也稱之為計算機圖像處理。數字圖像處理概括地主要包括如下幾項內容：幾何處理，算術處理，圖像增強，圖像復原，圖像重建，圖像編碼，圖像識別、圖像理解。

1.2.5 圖像的輸出與顯示。圖像處理的目的是為了便于圖像的解釋和識別，因此圖像輸出顯得尤為重要。圖像的輸出分為兩種，一種是硬拷貝，另一種是軟拷貝。

2 數字圖像處理在火災報警系統中應用

在高大空間或具有高速流動的場合，尤其是在戶外。早期火災探測一直是火災安全專業人士需要面對的一個非常頭痛的難題。因為在這些特殊的場所中，我們或者是因為空間過高，或其他原因，不能將報警系統的探測器放置在火災可能發生的區域內或者靠近火災發生的區域，又或者這些場所即使能放置，也可能因為高速氣流的影響而大大降低其作用[4]。更有甚者，像諸如廣場露天的電站，鐵路，站臺，森林這樣的戶外場所，根本就沒辦法安裝傳統的探測裝置。在這樣的背景下，可視化煙霧探測火災報警系統較其他火災報警系統，能較好地完成上述功能。此類報警系統采用圖像處理技術，復合探測及已知誤報現象的計算自動識別各種煙霧模型的不同特性，系統內構建了豐富的工業火災煙霧信號模型，使得該系統能夠快速，準確地鎖定煙霧信號，系統煙霧判斷的準確性甚至可以區分水蒸氣和煙霧。通過有效探測煙源，不必等待火災發生蔓延擴大，探測器即能進行探測，還具有不受距離的限制的優點，不論攝像頭是安裝在距危險區域10m或是100m，系統都能夠在相同的時間內探測到煙霧，因此能夠在以上所說的特殊場所里，迅速發現火情，降低損失。

使用基于數字圖像處理的火災自動報警系統有如下主要特點是[5]：①火災早期的探測，直接探測火源，可以檢測到肉眼看不到的細微變化；②可以檢測多種環境下的報警信號，而不受高速氣流運動的影響；③目前國際上廣泛使用的戶外煙霧探測解決方案；④通過建立模型和模式分析算法，減少了誤報的發生，硬件設備能夠同時對來自多臺、多角度的攝像機的信號進行實時處理，不會有任何信息丟失或延誤。⑤能夠從現場以外的危險場所、爆炸性場所、有毒場所進行探測，減少不必要的人員產生的系統危險。⑥就能夠利用既有的監控或其他可視化的系統，方便可視化火災報警控制系統的建立和接入，降低了該系統安裝維護的復雜性，同時也可將監視屏幕區域任意定制為防火分區，每個分區報警顯示可獨立編程，增加了系統的實用性。

它是一個基于視頻素材動態發展的過程中自動進行實時處理的系統，通過計算機處理、識別和判斷后，來判斷廠房環境是否發生變化，適時提醒值班人員注意廠房安全。并給出數據顯示和聲光報警信息，使值班人員及時發現警情。

2.1 圖像處理系統的基本結構

一般的圖像處理系統其結構如圖1所示

圖1 圖像處理系統的一般結構圖

2.2 火災報警系統中數字圖像處理系統設計

本系統工作效率高，實時可變動性強。這在火災自動報警系統等實時性要求高的情景非常實用，該設計通過圖像型火災探測器等視頻采集設備對監測區域進行實時采集，并將采集后的圖像及視頻數據通過模數轉換后實時的發送給高級火災預警處理計算機，計算機對其接收到的視頻圖像進行低通濾波處理后，生成去除噪音后的視頻圖像數據，然后采用直方圖均衡化算法再對上述生成的視頻進行圖像增強處理后生成的視頻，再進行二值化處理，就獲得火焰目標的圖像，通過計算機采用區域生成分割算法對視頻圖像進行圖像分割處理，將煙霧火災火焰的目標圖像從背景中分離出來，對煙霧或火焰的目標圖像中進行特征提取，最后通過優化后的算法對上述信息進行識別和預警，其設計流程如下圖所示2：

圖2 基于圖像識別的火災自動報警系統設計流程圖

圖3 火災報警系統中數字圖像處理系統部分的硬件結構圖

本系統主要由圖像采集和圖像處理兩大部分組成。由FPGA進行邏輯控制，負責圖像的采集，DSP進行圖像處理，識別系統具備圖像的實時采集功能并對圖像進行必要的預處理，然后對采集處理好的圖像進行識別，判斷其是否為火災。本系統采用DSP芯片作為數據核心處理單元[6]。

3 方案設計

在本設計中，采用CCD攝像頭對固定環境的視頻圖像進行采集，采集后的圖像經視頻解碼芯片進行解碼，其中由DSP芯片通過I2C總線對SAA7111進行初始化賦值，由FPGA芯片EPM7128對視頻解碼芯片進行采集控制，可以先把采集到的每行每列圖像送到SDRAM進行緩存，每存滿一幀后通過給DSP發一個中斷控制DSP從SDRAM中讀取數字圖像數據。DSP芯片讀取到圖像的數字信息后，對圖像進行一系列的預處理，并對預處理后的圖像進行一系列的識別算法，并對視頻圖像中的起火部位特征進行驗證，可以判斷出此幀圖像中是否有火災發生。若視頻圖像中有火災發生，則給出控制信號啟動后續的報警模塊。該預警裝置具有技術先進，性能可靠，性價比高等特點。具有實用價值。