（控制理论与控制工程专业论文）基于图像处理的火灾探测技术的研究.pdf

基十图像处理的火灾探测技术 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 j j 基十图像处理的火灾探测技术 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：研矽 指导教师签名：二幻 日期：年月日日期：年月 日 1 1 1 基十幽像处理的火灾探测技术的研究 基于图像处理的火灾探测技术的研究 摘要 火灾的危害不言而喻，如何借助快速发展的计算机技术、图 像处理技术，来探索更为高效、可靠的火灾探测系统，已经引起 人们的广泛关注。本文在分析现有火灾探测技术的基础上，提出 并设计了一种基于图像处理的火灾探测系统。并给出了实验结果。 文中主要从系统的理论基础、系统的设计、系统的硬件实现 来阐述本系统。系统中利用c c d 摄像头加滤光片来采集红外图像 是一个创新点，滤光片波长的选择主要依赖于光谱辐射理论基础。 在软件设计中，文章讨论了图像的数学模型，然后阐述如何用 m a t l a b 来处理采集到的数据，其中主要依据单波段和双波段理 论。在硬件实现中，摄像头的安装是关键，尤其是双波段的摄像 头的安装要求严格，文章进行详细描述；在软件实现中，分别对 单波段和双波段两种方案进行分析。采用双波段是系统的另一个 创新点，用这种方案，系统能够有效地消除火灾探测中距离远近 和光线强弱的干扰，文章的双波段理论对此进行了分析。 文章对系统的整体方案进行了仿真试验，试验表明，系统的 设计能够满足现实要求，对当前火灾探测领域，尤其是大空间火 灾探测有着重要的指导意义。 最后，文章对系统进行了总结，并指出了系统应改进的不足 和对下一步工作进行的展望。 关键词：双波段，滤光片，图像处理，计算机，火灾探 测，m a t l a b 基千图像处理的火灾探测技术的研究 r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo f f l r ed e t e c t i o nb a s e do n i m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t i ti so b v i o u st h a tt h ef i r ed i dal o to fd a m a g et oh u m a n ， s om o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h es y s t e mw h i c h c a r ld e t e c tf i r em u c he f f e c t i v e l ya n dm u c h r e l i a b l y , t h e s y s t e ms h o u l db ef o u n d e db yt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r a n di m a g ep r o c e s s i n gw h i c hi sd e v e l o p i n gr a p i d l y i nt h i s p a p e r , w ep r o p o s ea n dd e s i g na f i r ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e d o ni m a g ep r o c e s s i n g ，a tl a s t ，w ed os o m ee x p e r i m e n t so n t h es y s t e ma n dg i v et h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h es y s t e mo nt h e o r yb a s e ， s y s t e md e s i g n ，a n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n i ti sa n i n n o v a t i o nt h a tw eu s i n gt h ec c dc a m e r a ( t h e r ei sa n i n f r a r e df i l t e ri nf r o n to fi t ) t oc o l l e c ti n f r a r e di m a g e ，t h e w a v e l e n g t ho f i n f r a r e df i l t e ri sm a i n l yd e p e n d so nt h e s p e c t r o s c o p yt h e o r y i ns o f t w a r ed e s i g n ，w ed i s c u s st h e m o d e lo f t h ei m a g e ，t h e nw eu s et h et o o lo f m a t l a bt od e a l w i t ht h ed a t aw h i c hw eh a v ec o l l e c t e d ，i nt h i sp r o c e s s ，w e m a i n l ya c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs i n g l e b a n da n d 2 基于图像处理的火灾探测技术的研究 d u a l - b a n d i nh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，t h ei n s t a l l a t i o no f c a m e r ai st h el i n c h p i n ，e s p e c i a l l yt h ei n s t a l l a t i o no f c a m e r a so f d u a l b a n di ss t r i c t ；i ns o f t w a r ed e s i g n ，w e d e s c r i b ea n da n a l y z ed i f f e r e n tt a c t i c so ns i n g l e b a n da n d d u a l b a n d i ti sa n o t h e ri n n o v a t i o nu s i n gd u a l b a n di nt h e s y s t e m , i nt h i st a c t i c s ，t h es y s t e mc a nd e t e c tf i r ew i t h o u tt h e i n f l u e n c eo fd i s t a n c ea n dl i g h t , i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z e t h i si nt h ed u a l - b a n dt h e o r y t h e nw ed ol o t so fe x p e r i m e n t so nt h es y s t e m , i t i n d i c a t e st h a to u rs y s t e ms a t i s f i e st h en e e do f o u rl i f e ，i ti s s i g n i f i c a n tt ot h ef i e l do fd e t e c t i n gf i r en o w a d a y s ， e s p e c i a l l yt ot h ed e t e c t i o no fl a r g er o o m f i n a l l y , w es u m m a r i z et h ew h o l es y s t e m ，t h e nw e p o i n to u tt h es h o r t c o m i n g so f o u rs y s t e ma n dp r o s p e c tf o r t h ef u t u r ew o r k w a n gb e n x i ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r ) s u p e r v i s e db yf a n gj i a n a n ，g u a nh o n g y u n k e y w o r d s ：d u a l b a n d , i n f r a r e df i l t e r , i m a g ep r o c e s s i n g , c o m p u t e r , f i r ed e t e c t i o n ，m a t l a b 基于图像处理的火灾探铡技术的研究 1 引言 第一章概述 随着我国改革开放的深入进行和经济建设的飞速发展，各行 各业都取得了很大的成就。特别是近些年来，建筑业十分兴旺， 各种建筑如雨后春笋不断出现。其中大空间建筑( 例如大型公共娱 乐场所、大型仓库、大型集贸市场、飞机库、车库、油库、候车 大厅和候机大厅等) 及地下建筑( 如地下隧道、地铁站道、地下大 型停车场和地下商业街等) 的数量不断增加。由于此类建筑内部往 往举架高、跨度大，火灾初期烟扩散受建筑内部安装的空调和通 风系统等影响较大，有的场所人员密集，易燃品多，火灾隐患多。 而且此类建筑火灾蔓延迅速，生成烟气毒性大，人员疏散避难及 火灾扑救困难，旦发生火灾往往造成很大的经济损失和恶劣的 社会影响。近几年来，我国大空间建筑及地下建筑火灾时有发生， 已引起有关方面的重视。因此，大空间建筑与地下建筑已成为消 防保卫的重点对象之一。 准确探测火灾并实现早期报警是保卫此类建筑消防安全的积 极手段。目前通用的火灾探测方法是探测火灾发生时生成的烟、 温和光等参量，经信号处理，比较，判断后发出火灾报警信号。 在世界范围内，人们已成功地利用大量的点型火灾探测报警系统 来保护众多的建筑。但由于上述大空问及地下建筑的特殊性，普 通的点型感烟、感温火灾探澳0 报警系统无法迅速采集火灾发出的 烟温变化信息，因此难以满足早期探测并预报此类建筑火灾的要 求。因此，大空问与地下建筑的火灾探测问题也是i 1 前国际消防 界火灾探测报警领域研究的重要课题之一。随着我国大空间与地 下建筑数量的不断增加，为适应此类建筑对火灾探测报警技术提 出的特殊要求，迫切需要研究和生产适应性强、性能价格比较高 的新型火灾探测报警系统。 6 基于图像处理的火灾探测技术的研究 国际上早期使用普通式紫外、单波段红外火焰探测器作为保 护大空间建筑的手段，但由于其受技术水平及工艺水平的限制， 在实际应用中对环境干扰的抵抗能力较差，易产生误报警。针对 此问题，近年来日本n o i 吼i 公司、英国册跚 ，公司及瑞士晓硒卿腾 公司已经先后开发研制并成功使用双波段红外火焰探测器探测早 期火灾，用于大空问建筑的保护。双波段红外火焰探测器响应两 个不同波段的红外辐射，并通过对这两个波段的信号进行比较来 实现对火焰的判别。双波段红外火焰探测器可有效减少阳光、人 工照明灯光、热体辐射等背景于扰的影响，并具有防尘、防水和 抗电磁干扰等优点，成为保护大空间与地下建筑的最新产品，越 来越受到人们的广泛重视。双波段红外火焰探测报警系统具有探 测灵敏度高，保护面积大，抗干扰能力强，安装使用方便，适用 范围广等特点，特别适用于大空间、地下建筑以及无烟液体和气 体火灾的探测，应用前景广阔。 然而，由于国外此类产品的价格较高，使双波段火焰探测系 统很难在我国推广使用。为满足我国大空间及地下建筑火灾探测、 预防的迫切需求，研制开发适于我国国情的大空问及地下建筑火 灾探测高新技术产品成为当务之急。 本课题的研究，为开展我国在大空间与地下建筑消防保护上 有着积极的意义，对促进高效可靠的火灾探测报警新技术、新产 品的研发，对减少此类建筑火灾的损失，对保卫人民生命财产安 全都将起到重大作用。本课题的研究成果经投产和推广应用后， 不仅可以解决国内市场供需矛盾，而且可替代进口产品，为国家 节省大量外汇，必将产生显著的经济效益。本课题的技术研究也 将带动火焰探测基础理论分析等相关技术领域的发展，促使我国 火灾探测报警技术研究开发有更大发展”。 2 研究背景 在现有的各种火灾报警和消防监控设备中，大多数场所的火 7 基于脚像处理的火灾探测技术的研究 灾检测中，都采用常规的火灾探测的方法，如感烟、感温、感光 探测器，它们分别利用火焰的烟雾、温度、光的特性来对火灾进 行探测。但在室外仓库和大型室内仓库等大空日j 场合中，上述传 感器信号由于空间的巨大面变得十分微弱。即使是高精度的传感 器也会由于种种干扰噪声而无法工作。为解决此类场合的火灾报 警问题，国外某些公司在九十年代初提出用紫外波段的图像传感 器进行中远距离的火焰检测。并推出了相应产品但此类系统并不 具有自动识别的功能，而且火焰的识别方法简单，识别误报率较 高。 火灾的早期探测啪1 和预警是控制火灾发展和减少火灾损 失的重要途径，而虽然上述采用感温或感烟模式的探测器对火灾 的防治做出过重要贡献，但其不仅在灵敏度和可靠性方面尚需提 高，而且由于不能对火灾最初的信号作出反应，与日趋严格的火 灾安全要求已不相适应。图像是人类视觉的延伸，通过视觉可以 立即准确的发现火灾，这是不争的事实。图像监测快速性的基础 是视觉所接受的信息以光为传播媒介，而图像信息的丰富和直观， 更为早期火灾的辨识和判断奠定了基础，其它任何火灾探测技术 均不能提供如此丰富和直观的信息。此外，图像监测的关键器件 ( 像敏感元件) 通过光学镜头与外界发生间接接触，这种结构保 证了图像监测技术既可以在较恶劣( 多粉尘、高湿度) 的室内环 境中使用，也可以在室外环境中使用。由此，图像监测技术在火 灾探测中的地位和作用m 1 为： 1 ) 可在大空问、大面积的环境中使用 2 ) 可用于多粉尘、高湿度的场所 3 ) 可在室外环境中使用 4 ) 可对火灾现象中的图像信息作出快速反应 5 ) 可提供直观的火灾信息 早期的火灾监控系统。利用感温或离子式感烟探头，提取温 度和烟雾信号，利用简单的算法来判断有无火灾的发生，这种监 3 基f 图像处理的火灾探铡技术的研究 控系统结构简单并易于实现，所以已经得到广泛的应用，但是无 论感温还是感烟监控系统，都难以做到火灾的早期预报。另外在 大空间环境下( 如剧场，仓库等) ，由于感温感烟探头的参数受到 限制，所以这些探测系统的性能都比较差。 可燃物在燃烧时会释放出频率范围从紫外到红外的光波。在 可见光波段，火焰图像具有独特的色谱、纹理等方面的特征，使 之在图像上有明显的区别与背景。我们可以利用这些特征，利用 图像处理的方法，对火灾进行识别。所以，我们在作图像处理时， 非常关心红外波段的图像识别。可以利用红外成像的原理获取燃 烧所发出的红外图像进行图像处理，从而达到监控的目的，所以 大空问的火灾监控探测技术中，图像型火灾监控技术比较先进的， 基于图像处理的火灾探测技术就是基于以上的认识而提出来的。 图像型火灾监控系统，是利用c c d 摄像机作为探头，将被监 视现场的图像输入计算机，然后利用图像处理的算法，从单幅图 像和图像序列中来识别有无火灾的发生。在发现火灾的情况下， 可以启动各种灭火系统和疏散系统，在图像型火灾监控系统中， 图像处理的算法以及火灾探测算法决定了系统的性能。如何对算 法进行改进是一个重要的课题。同时，在实际应用时，实现算法 的硬件电路也影响系统的性能。 图像监控系统基于图像处理技术，可以对较大的范围进行监 控，在火焰及烟雾发生的初期即可实现报警，适合于大空日j 的监 控要求。 3 国内外发展现状 火灾是一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，是各种 灾害中发生最频繁且极具毁灭性的灾害之一，探测火灾特征来识 别火灾并报警，可以有效地减少火灾损失。目前可用于探测的火 灾特征有：火焰、燃烧产物、燃烧音。 9 基于图像处理的火灾探铡技术的研究 1 火焰。 由于可燃物种类的多样性以及燃烧条件的复杂性，火灾燃烧 时除了氧化反应所形成的燃烧产物外，还会产生大量炽热微粒。 正是这些微粒的存在，使火焰发射出电磁波辐射，包括可见光， 这些光学特性为远距离探测火灾提供了可能。 ( 1 )火焰辐射：包括能量辐射和辐射光谱，在可见光 和红外波段都有体现。 ( 2 )火焰形状：火焰中炽热的发光微粒的集合就勾画 出火焰形状。火灾发生后，随着火势的增大，火 焰不断地增强，火焰的图像方面表现为火焰面 积、边缘在不断变化；另一方面从其形体变化、 空间变化、空间分布有一定的相似度，特别是 时间间隔较短的连续帧图像，每幅连续帧图像的 相似度更为明显。 ( 3 )火焰闪烁：火灾火焰具有闪烁的物理特性。这不 仅表现在辐射强度以3 3 0 赫兹的频率波动，而 且也反映在火焰形状的波动上删。 ( 4 )火焰的其他特性：任何火焰都可以分为外焰、内 焰和焰心三部分。外焰温度最高，其次是内焰， 焰心温度最低。因而造成火焰图像厌度级呈一定 的分布规律。 2 燃烧产物 即烟气，由气体燃烧产物和固体燃烧产物组成。运动速度 为每秒几米到几十米。烟气蔓延是火势蔓延和人员伤亡的主要原 因。 ( 1 )气体燃烧产物“。1 ：主要产品为h z o , c o 和c o z 由 于环境温度的影响，通常不把1 2 0 作为火灾探测 1 0 基于图像处理的火灾探测技术的研究 参数。一般情况下，空气中和c o e 的含量极低， 而在火灾燃烧时才会大量出现，使空气中这两种 气体含量急剧增加。气态燃烧产物的典型物理特 征是气态特征光谱、气体浓度和气体温度。不过， 针对气体浓度和温度的探测都很容易受到扩散流 动的影响。 ( 2 ) 固态高温产物“：固态高温产物来源于可燃物中 的杂质以及高温状态下可燃物裂解所形成的物 质。粒径在岔纪手微米到1 0 0 微米，温度在数百 到上千度。高温微粒通常表现出来的物理特征有： a ) 对光线的散射和吸收作用 b ) 对离子的俘获和阻挡作用 c ) 在流动中保持相当的温度 d ) 带静电荷 3 燃烧音 燃烧过程产生的高温会加热周围的空气，使之膨胀形成压 力声波，其频率仅在数赫兹左右( 次声) 。这种次声是物质燃烧的 共同现象，而且在这个频带中日常杂音也很少，所以在这个频带 进行探测可以去除相当大部分的噪声干扰。由于燃烧现象通常是 复杂的湍流流动，它在可听域及超声域也会产生声波。然而，可 听域有很多日常噪声干扰，且并非所有的燃烧都会产生超声波。 根据这些特征，可以把探测器进行分类：如图1 1 所示。 火灾的自动探测技术这些年发展很快，技术上的更新变化 也非常明显，总体来看，主要的发展变化是：数字技术和新工艺、 新材料的应用，改进了系统能力和减少维护要求，向着高可靠、 低误报和网络化、智能化方向发展。其探测技术主要有如下几种： 基于图像处理的火灾探测技术的研究 火灾 燃烧音芦音探测器 图1 i 火灾探测器的分类 ( 1 ) 感烟探测技术 感烟探测器是使用最广泛的一种探测器，据统计各种感烟探 测器在国外市场上的销售和使用量约占火灾探测器总量的 7 0 9 卜_ 8 0 。其中主要是单一火灾探测原理的点型离子感烟和光电 感烟探测器，且光电感烟探测器的用量越来越大于离子感烟探测 器。 吸气式感烟探测器，在2 0 世纪5 0 年代开始出现，但并没有 得到广泛认可。最近，欧洲出现了甚高灵敏度的吸气式探铡器， 由于还没有适宜的标准，应用上不很理想。这种探测器尤其适宜 于隐蔽空间，人员无法进行维护的场所，如高压室、密封室、屏 蔽室等。 2 器 器 测 测 探 操 外 像 红 图 一 射 扶 辐 形 ，、0、 焰火 基于图像处理的火灾探测技术的研究 ( 2 ) 感温探测技术 近些年，感温技术在探测原理、方式上没有大的突破，欧洲 已经出现了对可选择的探测热源精度在1 米之内的新一代感温电 缆，光纤线型感温技术也取得了一定的进步，线型感温探测器在 我国己能生产并投入应用，主要适宜于电缆管井、配电装置、货 架仓库、管道线栈、冷藏及市政设施、桥梁、港口等、 ( 3 ) 火焰自动探测技术主要是用于工业、国防等领域的防火、 防爆上。国外新出现的体形火焰探测技术，是该领域的一大突破。 它是采用红外摄像监视燃烧的烟、温、气体和火焰在空间的分布。 美国将其称为机械图像探测技术。它优越于点型和线型火灾探测 技术，是最为直观、确切的，可广泛用于火焰监视、火灾探测上， 必将成为今后发展的重点。 ( 4 ) 气体探测技术 对于物质燃烧初期产生的烟、气体或易燃易爆所泄漏的可燃 气体的探测，可使我们及时发现或预防火灾和爆炸的发生。国际 上以探测技术发展最快。理论上认为，火灾中的燃烧，不论是 多么充分的燃烧，都会产生c o , 国此，探测也是火灾探测的一 个途径。 ( 5 ) 其它火灾探测技术 静电探测技术，通过探测燃烧生成离子的电荷或电荷极性来 发现火灾。对无烟火和有机溶剂火灾特别灵敏，一般将其作为离 子和光电感探测的一个补充手段。 燃烧声波探测技术，国外科学家在研究中发现，任何燃烧现 象中都包含可闻声、超声波和超低频声波，其中口0 5 h z - - 3 h z 频 率的超低音频段可作为燃烧声波的探测源使用。 复合式探测技术，是在同一时问段内同时对火灾过程中的烟 雾、温度等多个参数进行探测和综合数据处理，分析判断确认火 灾。它兼顾了火灾探测的可靠性和报警及时性。 基于图像处理的火灾探测技术的研究 4 论文的研究目标 大空间建筑的火灾探测技术是世界各国火灾科学及消防科技 工作者关注的课题之一。大空间建筑火灾尤其是存在遮挡和环境 干扰时，常规的点式或线型感烟“”、感温探测器由于火灾燃烧产 物在空间传播受空间高度和面积的影响，只有当火灾发展到一定 的程度，探测器才能作出响应，现行的火灾探测技术难以正常发 挥有效作用。许多问题“”有待进一步研究： ( 1 ) 烟气进入大空日j 蔓延，对大空间内各区域及与其相连的 建筑造成严重影响。在大空间中火灾烟气上升到十几米或几十米 高处时，由于受到空气的稀释，其温度和浓度都大大降低，上升 不到传感器位置便开始缓慢沉降，导致传感器灵敏度下降。 ( 2 ) 在大空间场所，由于火灾燃烧产物的传播受空间高度和 面积的影响，常常当火灾发展到相当的程度，探测器才能感应， 难以实现早期火灾报警。 ( 3 ) 在环境状况比较恶劣、存在众多干扰的情况下( 灰尘、 电磁干扰、水蒸气、空调、光干扰、震动等) ，现行的火灾探测方 法难以正常发挥效用，常常发生误报。 针对以上存在的问题，本文提出了基于图像处理的火灾探测 技术，这里的图像处理中的图像指的是红外图像，在本系统中是 用摄像头，通过红外滤光片采集到的红外图像。本文的研究目标 就是用摄像头、滤光片、图像采集卡、计算机以及相应的设备组 成一个火灾探测系统，结合这些硬件，以及自主开发的软件，使 系统能够实时、有效的对火灾进行监控、报警。 5 论文的主要工作 基于上述研究目标，本论文所要完成的工作主要包括： 文中在单波段和双波段理论的基础上，提出了基于红外图像 1 4 基十幽像处理的火灾撵测技术的研究 处理的火灾探测技术。 ( 1 )深入分析了系统图像处理的理论基础。首先，系 统是基于红外图像处理的，因此，对红外光用到 的理论进行深入分析，主要分析普朗克定律和维 恩位移定律；并引入了单波段理论和双波段理论， 从理论上论证课题的可行性。 ( 2 )详细剖析了火灾信号特征及红外图像特征。对现 阶段已经成熟的火灾信号特征综合讲述，系统中 应用的红外图像的特征一一描述，并对早期火灾 的热物理现象深入分析。 ( 3 )设计了用带有红外滤光片的摄像头采集现场图 像。分析如何选取红外滤光片，讲述了摄像头的 选取原则，为后面系统处理图像提供了硬件基础。 ( 4 )建立了系统模型，图像模型，并在此基础上详细 分析了课题中引入的单波段和双波段方案，尤其 是系统中重点采用的双波段方案。 ( 5 )设计了系统中摄像头的安装方案。单波段的摄像 头安装要求比较低，双波段的安装要求则相当严 格，因此，文中为系统设计了两套双波段系统的 安装方案。 ( 6 )设计并实现了系统的软件处理。对软件设计的每 一步都有详细的说明，有详细的流程图分析，特 别是对双波段，根据两套摄像头安装方案，设计 实现了两种不同的相应的软件处理。 ( 7 )对设计并实现的系统进行试验，单波段和双波段 分别做试验，并对试验结果进行分析得出结论， 对下一步的工作进行展望。 基十鳖像处理的火灾撵测技术的研究 6 论文的组织结构 论文共分为七章，各章节内容简述如下： 第一章橛述。论述了课题的研究背景、国内外的发展现状以 及论文的研究目标和主要工作。 第二章基于图像处理火灾探测的理论基础。通过分析光谱辐 射理论、单波段理论、双波段理论等，从理论上分析了系统的可 行性。其中光谱辐射理论抱括普朗克定律和维恩位移定律。 第三章火灾图像及温度特征描述。详细描述了火灾信号特 征、红外图像特征以及早期火灾温度特征，为后面的图像处理方 案提供了有力的依据。 第四章系统设计。本章主要对系统设计进行全面分析，对系 统的硬件、软件分别阐述，尤其是对系统的关键部分图像的 处理与识别，则从模型的建立到系统的处理过程都进行了深入分 析，为系统实现奠定了基础。 第五章系统实现。主要从硬件和软件两个方面来对系统进行 实现，硬件中重点叙述的是摄像头的安装，而软件实现则从单波 段和双波段两方面来讲述，其中双波段为重点，依掘摄像头的几 种安装方案分别设计了不同的软件；最后对系统的报警进行了概 括性描述。 第六章试验及数据分析。主要对设计好的系统进行测试，分 单波段和双波段进行试验，对试验的条件进行描述，并把实验的 图像和结果记录下来，且进行分析。 第七章总结与工作展望。对前几章讲述的内容进行一个总 结，得出一些相应的结论，最后对下一步工作进行展望。 6 基于尉像处理的火灾探测技术的研究 第二章基于图像处理火灾探测的理论基础 论文题目是基于图像处理的火灾探测技术，既然是图像处理， 那么就得有图像处理的基础，有图像处理的依据，本章针对本课 题用到的红外图像处理的理论基础进行叙述。第一节讨论的是光 谱辐射理论，主要讲的是普朗克辐射定律和维恩位移定律；第二 节叙述的是课题用到的单波段理论基础：第三节对论文重点双波 段理论进行阐述。 l 光谱辐射理论 根据普朗克辐射定律1 ，凡是温度大于绝对零度的物体都会 产生红外辐射。自然界中实际物体的温度均高于绝对零度。因此， 自然界中的任何物体都存在红外辐射，同时也吸收周围其他物体 的红外辐射。根据普朗克公式，绝对黑体的辐射出射度m 。与黑 体温度r 和波长旯的关系为 m i = c i 万5 1 手一 p7 盯一l ( 2 一1 ) 其中c l = 3 7 4 1 8 1 0 1 6 ( 埘2 ) 叫第一辐射常数， c ：= 1 4 3 8 8 x 1 0 - 2 ( r no k ) 叫做第二辐射常数。黑体的辐射出射度 m - 的含义是在指定波长a 处，辐射源单位表面积向半球空问发 射的辐射功率，单位为埘。普朗克公式描述了黑体辐射的光 谱分布规律，它揭示了辐射与物质相互作用过程中和辐射波长及 黑体温度的依赖关系，是黑体辐射的理论基础。在自然界中，绝 对黑体是不存在的，为了描述非黑体的辐射，引入辐射发射率的 概念，用岛表示 1 7 基十幽像处理的火灾探测技术的研究 毛= 等 辐射发射率的含义为，在相同温度下，辐射体的辐射出射度 与黑体的辐射出射度之比，是波长和温度的函数，还与辐射体的 表面性质有关。根据物体辐射发射率n 的不同，将辐射体分为三 类： 1 ) 黑体，毛= 1 ； 2 ) 灰体，毛= 若 l ，与波长无关； 3 ) 选择体，毛 f ( m 。，n o ) ，则系统判定有火灾发生。 6 ) 双波段的图像处理过程 双波段的理论基础在第二章中已经详细讲述，在这里我们把 双波段的大体过程描述下，详细如何实现，在下一章会具体讲 到。根据双波段原理图( 图2 2 ) ，我们在处理图像的过程中，主 要做的是将两个波段的能量的比值计算出来，在图中就是阴影部 分面积之比，这个面积在系统采集到的图像中反映出来就是像素 值，而我们用m a t i a b 来处理，将这些统统转换为数值，转换为矩 阵的形式来处理。将两幅重叠图像的矩阵对应的数值取一个比值， 这个比值与距离是无关的，也就是在第二章中所讲的用双波段可 以摆脱距离问题的约束，为了将火灾的图像显示出来，我们取比 值中的最大值与2 5 5 作比较，然后将所有比值都按比例转换成0 至2 5 5 之间的数值，这些比值就变成一幅图像的灰度值，这幅图 像就是我们要显示的双波段图像。 系统采集到的一个摄像头的图像对应的矩阵如下所示： lf ( o ，0 )f ( o ，1 ) f ( o ，n - 1 ) ( 娜) ：l f ( 1 f ( 1 ，1 ：一厂( 1 ，n 一1 ) l f ( m 一1 , 0 ) f ( m 一1 , 1 ) f ( m - 1 ，一1 ) 基于图像处理的火灾探测技术的研究 厂( s ，f ) = 厂( o ，1 ) 厂( o ，丁一1 ) f ( 1 ，1 ) f ( 1 ，t 一1 ) !。i 厂( s - 1 ，1 ) ( s 一1 ，t 一1 ) 在这两个矩阵的基础上，我们就可咀对这两幅图像作相应的 处理，首先要取得比值，有了比值之后再与先l ； 设定的阈值比较 大小，在第五章软件实现中我们会详细讨论每一步的具体操作， 这里为了避免重复就不再展开讨论。 7 ) 本章小结 本章是论文的重点章节，是论文的核心部分。研究火灾的图 像需要采集到现场的图像，系统利用的是火灾发生时的红外图像， 而红外图像的来源是早期火灾发生时的热物理现象。本章主要从 图像的角度出发，对采集图像所需要的硬件、软件分别进行描述， 因此，第一节对系统的设计综合描述：第二节、第三节、第四节 分别对图像采集卡、c c d 摄像头、滤光片等硬件介绍；第五节介 绍图像处理用的m a t l a b 软件；第六节则介绍的是图像的核心部 分，首先介绍了图像模型的建立，有了图像模型就可以相应的进 行后面的操作，图像的显示、图像的干扰滤除、图像的预处理等 等都是在这个基础上进行的，本节中还对单波段和双波段的处理 过程进行了深入分析，分析了整个设计思路，为后面的系统实现 奠定了基础。 4 7 器； 八八 u 基于图像处理的火灾探测技术的研究 第五章系统实现 系统实现是整个系统的关键部分，有了前面所讲述的理论基 础和设计基础，系统就可以顺利的实现，本章主要从系统的硬件 实现和软件实现两个方面来分析整个系统，第一节为系统硬件实 现，主要讲的是采集图像的关键部分摄像头的安装；第二节 为系统软件实现，根据第一节的硬件实现部分相应的设计出软件 实现；第三节讲的是系统判定火灾后的报警。 1 硬件实现 硬件实现是系统能正确采集到合适图像的保证，因此，必须 按照一定的要求来安装，本系统安装包括图像采集卡的安装、摄 像头的安装，其中摄像头的安装，尤其是双波段的摄像头的安装 十分关键。 1 ) 图像采集卡的安装 本系统采用的图像采集卡是p i c 0 2 嬲p i c 0 2 0 0 0 是基于计 算机的一块户( y 插卡，计算机安装在控制室中，图像采集卡安装 在计算机上，通过信号线和控制线与面阵c c d 摄像头相连。图像 采集卡负责控制摄像头对图像进行采集以及对摄像头的各项采集 参数进行设置。通过针对相应硬件而开发的软件来控制火灾图像 的采集并进行简单数据处理，将处理后的数据进行保存。 计算机配置为： 饿t 尸肼岔内存：删硬盘：4 0 6 , 实验证明这种配置的 计算机可以高效及时的完成对所需的大量图像数据的处理和保 存。 基十图像处理的火灾探测技术的研究 2 ) 摄像头的安装 摄像头的安装是本系统的关键之一，因为一切处理都是以图 像为基础，而图像就是来自摄像头，因此，摄像头必须按要求安 装，下面就讲述一下摄像头的安装要求。 a ) 摄像头的安装位置要在所监视的空间顶部，因为这样不容 易被碰到，否则如果碰到摄像头，容易使其角度发生变化， 影响图像采集。 b ) 摄像头前面安装滤光片时，滤光片要贴在镜头与c c d 之间， 在镜头后面，不能离镜头太远，滤光片的大小要合适，不能 太小，以盖住镜头为准。安装时，必须用胶粘牢固，否则容 易使图像变化。 c ) 在软件实现中，若采用软件办法取重叠图像，则摄像头在 单波段和双波段中的安装基本类似，若采用硬件办法取图像 的重叠部分。则安装要求更严格，详见图5 3 。 在单波段检测中，系统安装连接如图5 - 1 所示。 撂俸器印。图像采集卡 计算机 滤光片的) 图5 - 1 单波段系统连接 在双波段检测中，若采用软件办法取同一幅图像的系统安装 连接如图5 2 所示。 摄像头【均图像采集卡计算机 加滤光片) 图5 2 双波段系统连接法一 基十图像处理的火灾探测技术的研究 在双波段检测中，若采用硬件办法取同一幅图像的系统安装 如图5 - 3 所示。 镜1 咎惶巷姻 图像采集卡 计算机 加疵先片) 图5 3 双波段系统连接法二 在这个系统中，对安装要求比较高，因为经过这个系统采集 到的图像，进入图像采集卡的就是同一幅图像，这样软件检测的 时候就可以直接来计算两幅图像对应的像素比值，节省时间，节 省系统资源。在图5 3 中，镜l 和镜2 都要求与水平面成4 5 度角， 其中镜1 要求安装的是半透半反镜，镜2 要求安装的是全反射镜， 当系统工作时，有一半的光线通过镜1 进入下面的摄像头，一半 的光线被反射到镜2 ，镜2 将这一半光线反射到上面的摄像头， 这样两个摄像头采集到的图像是完全一致的，因为进入两个摄像 头的光线是同一束光线被分成两束。这就要求镜1 和镜2 的安装 必须准确，如果稍有偏差就会导致图像不一致，对后面的判断会 带来严重的影响。 采用硬件办法取同一幅图像的方案中，对安装的要求比较严 格，而且系统成本比软件办法取同一幅图像的方案高，但是，采 用硬件办法可以使系统更快，更准确的对火灾进行监视，正准确 的进行报警。 2 软件实现 软件实现是系统的核心部分，系统能否正确报警，关键在软 件部分能否正确识别采集到的图像，本系统采用m a t l a b 来做仿真 试验，两种方案的软件识别是不同的，但都是通过识别图像的像 素值之后再进行后面的处理。 5 0 基于幽像处理的火灾探测技术的研究 1 ) 单波段系统软件实现 系统采集到图像之后，首先进行预处理，在滤除干扰之后， 就进行单波段的检测，系统先读取经过预处理的图像的像素值， 因为用m a t l a b 软件来处理，所以，系统读入图像像素值之后，相 应的图像变为一个矩阵，我们的任务是对这个矩阵进行操作处理。 在读取的矩阵所有元素中进行查找，如果有数值高于预先设定的 阈值，则判定有火灾发生，进行报警。 软件的处理流程如图5 - 4 所示。 图5 4 单波段处理流程图 基于图像处理的火灾探铡技术的研究 2 ) 双波段系统软件实现 双波段的软件实现要分为两种情况，根据硬件实现中的摄像 头安装的类型来设计相应的软件处理。 a )采用硬件办法取同一幅图像的方案。系统采集到图像后，同 样进行预处理，在滤除干扰之后，进行双波段检测。系统读取两 幅图像的像素值之后，可直接进行处理，因为图像是同一幅图像， 只是因为波段不同而使图像有差异。取两幅图像对应像素值的比 值，然后在比值中取最大值，把得到的所有比值按比例对应到0 至2 5 5 之间，就可以构成一幅图像，显示这幅图像，就是双波段 处理后的图像。同样，双波段报警的依据是实验所得的阙值，这 里的阈值和单波段中的有点不同，在这里，阈值是一个比值，但 也是在先前的实验中测得的。在检测中如果发现有比值大于设定 的阈值，则判定有火灾发生，进行报警。 在图像模型的建立一节中，公式( 4 一1 ) f ( m ，玎) = f ( o ，0 ) f ( o ，1 ) f ( o ，n 1 ) f ( 1 ，o )f ( 1 ，1 ) f ( 1 ，n 1 ) !。； f ( m 一1 , 0 ) f ( m l ，1 ) f ( m 一1 ，n 一1 ) 描述了一幅图像的数字模型，设另一幅图像的数字模型如下 式所示： ，( j ，f ) = 厂( o ，o )，( o ，1 ) 厂( o ，t - d f ( 1 ，0 )f ( 1 ，1 ) f ( 1 ，t 一1 ) ；i 厂( s 一1 ，0 ) 厂( s 一1 ，1 ) 厂( s 一1 ，t 一1 由于经过硬件办法取得了同一幅图像，酬6 m = n = s = t ，取 对应像素的比值，即 基于图像处理的火灾探测技术的研究 f ( i ，) = ，( o ，0 ) f ( o ，o ) f ( 1 ，o ) f o ，0 ) 厂( s l ，0 ) f ( m l ，0 ) 厂( o ，1 ) f ( o ，1 ) f ( 1 ，1 ) f ( 1 ，1 ) 厂( s l ，1 ) f ( m l ，1 ) 厂( 0 ，丁一1 ) f ( o ，n 1 ) 厂( 1 ，t 1 ) f ( 1 ，n 一1 ) ； ( s l ，丁一1 ) f ( m 一1 ，一1 ) 在f ( i ，) 中取矩阵中的最大元素值，设为f ( i o ，矗) ，然后将f ( f ，) 中所有的元素都乘以i 暑兰兰i ，就可以把，( f ，j ) 的所有元素转换 rt t o ，j o ) 为图像的灰度值，就可以得到一幅经过处理过的火灾图像，在得 到f ( i ，j ) 矩阵后，在矩阵中所有元素检索，如果发生有超过先前 设定的阈值的元素，则判定有火灾发生，进行报警。 软件的处理流程如图5 - 5 所示。 b )采用软件办法取同一幅图像的方案。由于采用圈5 2 所示方 案安装摄像头，两个摄像头采集的图像不是同一幅图像，因此要 在软件里进行处理。在采集到图像之后，同单波段一样，我们首 先进行的是预处理，在滤除干扰之后，就进行双波段检测。因为 图像在被读入系统之后，就转换成一个矩阵，我们做的工作就是 对这个矩阵作一定的处理。以其中一个矩阵为基本，另一个矩阵 与之比较，求出所有点对应的方差，然后基本矩阵从未尾减掉一 行一列，与之对应的另一个矩阵从开始减掉一行一列，同样求出 方差，依次类推，如果行数减到一半可以停止计算，因为采集到 的两幅图像基本是一幅图像，只是由于摄像头位置稍微有点不同， 而导致图像略微不同，所以计算到行数的一半即可。最后在所有 方差中取最小方差，记下此时矩阵所对应的行列位置，然后组成两 个矩阵，这两个矩阵就是两幅图像重叠时对应的基本位置，就可 以将图像取出，然后进行后面的操作。 图像模型的建立和采用硬件办法取同一幅图像方案中的一 样，则取两幅图像中的近似部分如下( 其中盯为方差，图像矩阵 基于图像处理的火灾探测技术的研究 的行数和列数相同，m = = s = t ) ： 图5 5 双波段流程图一 首先计算两幅完整图像的方差， ( 厂o ，f ) 一八鸺n ) ) 2 l = o 2 目 d o2 面瓦i 一，然后将两矩阵行列分别减一， 基于图像处理的火灾撵测技术的研究 f ( m ，n ) ) a j g l g 减- - ，f ( s ，f ) 从开始减一，继续求方差， ( 厂o ，t ) - f ( m ，月) ) 2 2z 0 ，n - o l 2 1 砑= 万i 面= r ，依次类推，当求至行列数的一 半时，停止求方差，然后我们在所有方差中求出最小方差，即取 以仃二一t 盯二z 中的最小值，取出行列的值，按照这个最小 值对应的行列值，取两个矩阵对应的位置，即是两幅图像的重叠 位置。设方差最小值对应的行值为r ，则两幅重叠图像对应的矩 阵分别为： f ( m n ) 们d 熙_ i m 9 凡_ r - di 朋仁肛坍朋彳* 】，_ o 卜d j i ( r 固f ( 足月+ 1 ) 厂 丁一1 ) f ) ：l 1 职1 固但+ ，只+ 黟：一，( r ? 丁一1 ) l ( s 一1 ，固f ( s 一1 ，r + 1 ) ( s 一1 , t 一1 ) 到这一步为止，我们已经取得了重叠图像，后面的处理和采 用硬件办法取同一幅图像方案中的一样，先取这两幅重叠图像对 应矩阵的比值，然后取出最大值，按照对应关系，将比值矩阵中 的所有值转换为0 至2 5 5 之间的灰度值，构成一幅图像，显示这 幅图像。同时，在这些值中检索，如果有数值比先| ； 设定的阈值 大，则判定有火灾发生，进行报警。软件的处理流程如图5 5 所 示。 基十幽像处理的火灾探测技术的研究 3 火灾的报警 图5 - 5 双波段流程图二 系统监控的主要任务是发现火灾之后进行报警。“，因此，报 警是系统的一个必须部分。本系统所能完成的只是报警，报警之 后等待有关工作人员来处理，如果有条件的话，可以在报警之后 系统自动启用消防联动设备，进行自动灭火。 本系统的报警分为两类报警： ( a )在图像预处理的时候的预报警。在现实中，大部分时问 基于鹫像处理的火灾撵测技术的研究 系统是工作在没有火灾的情况，如果时时刻刻的在采集图像，然 后进行单波段或者双波段的处理是没有必要，因此，系统设置了 一个预报警，当系统在预处理的时候，初步判断有火灾发生时， 就进行预报警，当然这个预报警是不对外界的，只是系统内部的 一个信号，系统检测到这个预