專利名稱：一種圖像型煙霧火災探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及火災探測領域，尤其涉及一種圖像型煙霧火災探測器。
背景技術：
火的使用是人類最重要的實用新型之一，但其一旦失去控制發展成為火災，便會嚴重威脅到人的生命財產和自然環境。由于火災的突發性且發生頻繁，它所造成破壞僅次于干旱和洪澇災害。自從人類有歷史以來，就不斷地在燃燒利用和火災防治的邊緣徘徊，并且隨著人類文明的進步，逐漸從被動的火災撲救發展到主動的去探測預防火災，防止造成太大的破壞和損失。火災探測已經在各種場合和不同的技術領域有了比較成熟的技術，如感煙、感溫等，它們分別利用火災的煙霧、火焰、溫度對火災進行探測。但是，絕大多數傳統的探測器如感溫、感煙火災探測器通常安裝在室內頂部。在火災發生時，煙氣在上升過程中溫度會降低，當空間高度增大時煙氣將不能到達頂棚，使到達頂棚的煙氣濃度達不到報警極限；而室外環境下由于空氣流動，隨著煙氣的流動擴散過程，煙氣濃度的降低使感煙火災探測器不會發生報警信號。而感光探測器則容易對高功率熱源或強光產生誤報警。與上述幾種火災探測器相比，圖像型火災探測器可以避免外界條件如空間高度、氣流等的影響，而且抗干擾能力強，采用數字化方式處理數據，沒有參數漂移。但是，傳統的圖像型火災探測器是通過探測火焰的方式進行火災探測，而火焰并不是火災發生初期的典型物理特征，出現時間比煙霧也要晚很多，火焰較小時容易被遮擋，難以檢測到，從而導致火災探測的響應時間較長，虛警率和漏警率較高。并且由于火焰的面積往往比煙霧的面積小，導致火災探測的距離較短。在某些特殊場合，例如遠距離草場火災探測，地表火焰是很難探測到的特征，傳統的圖像型火災探測器無法完成火災探測。
實用新型內容針對上述技術問題，本實用新型的目的在于提供一種圖像型煙霧火災探測器，其通過煙霧的多種特征綜合判斷煙霧是否存在，從而完成火災探測，增加了火災探測的距離，而且降低了火災探測的響應時間及虛警率和漏警率。為達到上述目的，本實用新型是通過以下技術方案來實現的—種圖像型煙霧火災探測器，包括圖像傳感器、信號處理芯片、時序控制芯片以及網絡適配器；所述圖像傳感器，用于根據信號處理芯片發出的控制信號捕獲火災監測區域的視頻圖像，并將所述視頻圖像發送給信號處理芯片；所述信號處理芯片，與圖像傳感器連接，用于提取所述視頻圖像的煙霧特征信息，在對煙霧特征信息進行分析后判斷視頻圖像中是否存在煙霧，并將判斷結果通過網絡適配器傳送給客戶端；其中，所述煙霧特征信息包括所述視頻圖像中每個聚類的聚類面積信息、所有連通域的HU矩的平均值、連通域的數量以及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息；所述時序控制芯片，與圖像傳感器和信號處理芯片連接，用于向圖像傳感器和信號處理芯片發送時序控制信號，控制所述圖像傳感器和信號處理芯片同步工作。特別地，所述圖像傳感器選用CMOS圖像傳感器，用于在信號處理芯片的可變幀率驅動下捕獲火災監測區域的視頻圖像。特別地，所述信號處理芯片，還用于在判斷出視頻圖像中存在煙霧時，發送報警信號，并通過網絡適配器將所述報警信號一路發送給客戶端，一路發送給消防設備。特別地，所述客戶端，還用于向所述圖像型火災探測器發送操作信號，通過所述操作信號查詢、設置和修改該圖像型火災探測器的參數。特別地，所述時序控制芯片選用現場可編程門陣列(FPGA)芯片。
·[0015]本實用新型通過信號處理芯片提取視頻圖像中包括每個聚類的聚類面積信息、所有連通域的HU矩的平均值、連通域的數量以及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息的煙霧特征信息，并對煙霧特征信息進行處理后，判斷視頻圖像中是否存在煙霧，增加了火災探測距離，降低了虛警率和漏警率。
圖I為本實用新型實施例提供的圖像型煙霧火災探測器結構圖；圖2為本實用新型實施例提供的信號處理芯片框圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖I所示，本實施例中圖像型煙霧火災探測器包括圖像傳感器101、信號處理芯片102、時序控制芯片103以及網絡適配器104。所述圖像傳感器101，用于根據信號處理芯片102發出的控制信號捕獲火災監測區域的視頻圖像，并將所述視頻圖像發送給信號處理芯片102。圖像傳感器101 選用 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體元件)圖像傳感器，它滿足在多粉塵和野外等惡劣條件下使用，用于在信號處理芯片102的可變幀率驅動下捕獲火災監測區域的視頻圖像。為了降低功耗，信號處理芯片102根據圖像傳感器101傳入的視頻圖像的分析結果，如果分析結果顯示所述視頻圖像中存在煙霧的可能性低，則信號處理芯片102以固定幀率驅動圖像傳感器101捕獲視頻信息，如果分析結果顯示視頻圖像中存在煙霧的可能性較高，則信號處理芯片102在所述固定幀率的基礎上增加幀率來驅動圖像傳感器101捕獲視頻信息。其中，在視頻圖像中存在煙霧的可能性具體在多大概率值時信號處理芯片102才開始改變驅動圖像傳感器101的幀率，可根據需要靈活設定。所述信號處理芯片102，與圖像傳感器101連接，用于提取視頻圖像的煙霧特征信息，在對煙霧特征信息進行分析后判斷視頻圖像中是否存在煙霧，并將判斷結果通過網絡適配器104傳送給客戶端105 ;其中，所述煙霧特征信息包括所述視頻圖像中每個聚類的聚類面積信息、所有連通域的HU矩的平均值、連通域的數量以及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息。信號處理芯片102在接收到圖像傳感器101傳入的視頻圖像后，一路通過網絡適配器104連接的網絡將視頻圖像發送給客戶端105，一路提取視頻圖像的煙霧特征信息，并在對煙霧特征信息進行分析后判斷視頻圖像中是否存在煙霧，將判斷結果如視頻圖像中是否存在煙霧、煙霧在視頻圖像中的位置等信息通過網絡適配器104傳送給客戶端105。如果判斷結果為視頻圖像中存在煙霧，則信號處理芯片102將發出報警信號，并將報警信號一路通過以太網發送給客戶端105,另一路通過RS-485總線輸或CAN (Controller AreaNetwork,控制器局域網絡)總線輸出給消防設備，以驅動消防水炮等操作設備開始工作。另夕卜，客戶端105可以通過向所述圖像型火災探測器發送控制信號，完成圖像型火災探測器各種參數的查詢、設置和修改。本實施中的網絡適配器104選用10/100M自適應以太網適配器，實現TCP(Transmission Control Protocol,傳輸控制協議)服務器功能。輸出現場視頻圖像的格式有 MJPG 和 H. 264 兩種格式可選。所述 MJPG 是 Motion JointPhotographic Experts Group 的簡稱，它是一種視頻編碼格式；H. 264是MPEG-4第十部分，是由視頻編碼專家組和動態圖像專家組聯合組成的聯合視頻組提出的高度壓縮數字視頻編解碼器標準。所述時序控制芯片103，與圖像傳感器101和信號處理芯片102連接，用于向圖像傳感器101和信號處理芯片102發送時序控制信號，控制所述圖像傳感器101和信號處理芯片102同步工作。在本實施例中，時序控制芯片103選用現場可編程門陣列(FPGA)芯片。如圖2所示，圖2為本實用新型實施例提供的信號處理芯片102框圖。本實施中數字信號處理芯片102選用型號為TMS320DM642A的數字視頻處理器，其包括預處理單元、初步分割單元、二次分割單元、特征提取單元以及決策單元。所述二次分割單元包括顏色分割單元和潛在煙霧區獲取單元。所述特征提取單元包括聚類劃分單元、連通域數量統計單元、位置信息獲取單元、面積信息獲取單元、HU矩檢測單元以及飄動性特征檢測單元。所述預處理單元，用于通過高斯濾波器對圖像傳感器101獲取的視頻圖像進行濾波處理。為了降低外界噪聲和傳感器噪聲的影響，預處理單元通過高斯濾波器對視頻圖像進行濾波處理。所述高斯濾波器是根據高斯函數形狀確定權值的平滑線性濾波器，可有效的去除服從正態分布的隨機噪聲。所述初步分割單元，與預處理單元連接，用于對預處理單元處理過的視頻圖像進行差分運算獲得差分圖像，并根據所述視頻圖像和差分圖像，生成靜止圖像。在預處理單元對視頻圖像進行濾波后，初步分割單元通過幀間差分法對視頻圖像中前后兩幀圖像進行減運算，消除視頻圖像的背景，得到差分圖像，然后，計算視頻圖像中的當前幀圖像關于所述差分圖像的補集，并把該補集記為靜止圖像。所述二次分割單元，與初步分割單元連接，包括顏色分割單元和潛在煙霧區獲取單元，用于根據預設顏色模型將所述差分圖像和靜止圖像分割成若干連通域，并對所述若干連通域進行處理，獲得潛在煙霧區。所述顏色分割單元，與初步分割單元連接，用于根據預設顏色模型中的預設顏色遍歷差分圖像和靜止圖像中的每個像素，通過只保留顏色值與所述預設顏色的顏色值相同的像素將所述差分圖像和靜止圖像分割成若干連通域。靜止圖像包含了當前幀視頻圖像中顏色值未變化的像素集合，差分圖像包含了當前幀視頻圖像中顏色值變化的像素集合。煙霧運動有波動性，煙霧區域的一部分在差分圖像中，另一部分在靜止圖像中，為了獲得信息全面的潛在煙霧區，就需要根據預設顏色模型對差分圖像和靜止圖像進一步處理。煙霧區的一個重要特征是顏色，不同的燃燒物體有不同的煙霧顏色，根據火災監測區域可能出現的煙霧顏色建立預設顏色模型，以白色為例，認定顏色空間中一段連續的區域為白色，則根據預設顏色模型中白色的顏色值遍歷差分圖像和靜止圖像中的每個像素，通過只保留顏色值與白色的顏色值相同的像素將所述差分圖像和靜止圖像分割成若干連通域。所述潛在煙霧區獲取單元，與顏色分割單元連接，用于遍歷差分圖像中的連通域，去除差分圖像中與所述靜止圖像中的連通域不相交的連通域，并計算差分圖像和靜止圖像·中存在交集的連通域的并集，獲得潛在煙霧區。為了獲得煙霧的全部信息，對分割后的差分圖像和靜止圖像進行閉運算，分別查找差分圖像和靜止圖像中的連通域。然后，遍歷所述差分圖像中的連通域，去除差分圖像中與所述靜止圖像中的連通域不相交的連通域，并計算差分圖像和靜止圖像中存在交集的連通域的并集，該并集即為潛在煙霧區。所述特征提取單元，與二次分割單元連接，用于將所述潛在煙霧區劃分為若干聚類，并同時獲取每個聚類的聚類面積信息、所有連通域的HU矩的平均值、連通域的數量，以及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息。所述聚類劃分單元，與潛在煙霧區獲取單元連接，用于通過系統聚類法將潛在煙霧區中的若干連通域劃分為若干個聚類。煙霧濃度隨空間變化的速度較大時，潛在煙霧區中的若干連通域是相互靠近的，聚類劃分單元利用系統聚類法，以最短距離為準則，將所述若干連通域集合劃分為若干個聚類。所述連通域數量統計單元，與聚類劃分單元連接，用于統計每個聚類中包含的連通域的數量。相比其它運動物體，煙霧對應的連通域個數較多，這是區分視頻圖像中煙霧和其他運動物體的一個重要特征。當至少有一個聚類中包含的連通域的數量大于預設的閾值時，則提升該聚類是煙霧的可能性。所述閾值是根據對若干煙霧樣本進行實驗獲得的聚類中連通域數量的最優值，將潛在煙霧區中任一聚類中連通域的數量與該閾值進行比較，即可在一定程度上判斷該潛在煙霧區是煙霧的概率。所述位置信息獲取單元，與聚類劃分單元連接，用于對每個聚類中所有連通域的質心坐標的總和對于時間的差分值進行分析，獲得聚類質點位置信息。對于運動方向特征，用連通域的質心坐標位置變化規律來度量。位置信息獲取單元將聚類中所有連通域的質心坐標相加，獲得質心坐標的總和，并計算該質心坐標的總和對時間的差分值，對該差分值進行分析，進而獲得聚類質點位置信息。煙霧處于持續動態擴散狀態，聚類質點位置也在變化，不同聚類之間的質點的相對位置有增加的趨勢，若某個聚類的聚類質點位置信息反映出聚類質點的位置在一定范圍內變化，則提升該聚類是煙霧的可能性。所述一定范圍是指根據對若干煙霧樣本進行實驗獲得的聚類的質點位置變化的最優范圍，將潛在煙霧區中任一聚類質點的位置變化范圍與所述最優范圍進行比較，即可在一定程度上判斷該潛在煙霧區是煙霧的概率。所述面積信息獲取單元，與聚類劃分單元連接，用于根據每個聚類中所有連通域包含的像素的數量的總和，獲得每個聚類的聚類面積信息。聚類面積信息反映了聚類面積的變化，本實用新型以聚類中所有連通域包含的像素的數量的總和來表征聚類面積的大小。根據聚類面積信息獲得聚類面積的增長大小，當聚類面積的增長范圍在預設范圍內變化時，增加潛在煙霧區是煙霧的可能性。所述HU矩檢測單元，與聚類劃分單元連接，用于采用Canny算法對聚類中的所有連通域進行檢測，根據檢測結果計算出該聚類中所有連通域的HU矩的平均值。其中，所述Canny算法是John F. Canny于1986年開發出來的一個多級邊緣檢測算法,它的目標是找到一個最優的邊緣檢測算法。所述HU矩是HU不變矩的簡稱，是由七個由歸一化中心矩組合 成的矩。采用Canny算法檢測聚類中的所有連通域的HU矩，并根據檢測出的所述HU矩計算出該聚類中所有連通域的HU矩的平均值。所述飄動性特征檢測單元，與聚類劃分單元連接，用于分析聚類的每個連通域中相交于同一水平線的所有像素的顏色值的總對于時間和空間的差分值，獲得聚類的飄動性特征信息。濃度是煙霧的顯著特征。濃度在圖像上體現為像素的顏色值。煙霧的飄動性特征使得煙霧濃度特征在特定方向上隨空間和時間而變化，飄動性特征檢測單元將聚類中的每個連通域內相交于同一個水平線的所有像素顏色值之和作為考察對象，將該數值對時間和空間進行離散差分，對得到的差分值進行分析，獲得聚類的飄動性特征信息。根據所述飄動性特征信息反映的聚類中連通域的飄動性可以判斷該連通域是煙霧的可能性。所述決策單元，與特征提取單元連接，用于根據訓練樣本，通過貝葉斯決策器對聚類面積信息、所有連通域的HU矩的平均值、連通域的數量及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息進行分析，判斷潛在煙霧區中是否存在煙霧。利用前期采集的煙霧視頻圖像和非煙霧視頻圖像，計算出各個樣本的聚類面積信息、每個聚類中所有連通域的HU矩的平均值、每個聚類中連通域的數量，以及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息，獲得訓練樣本，從而估算出煙霧特征信息的概率分布函數。以該分布函數為依據，決策單元通過貝葉斯決策器對輸入煙霧特征信息，判斷其中是否包含煙霧。本實用新型的技術方案通過煙霧的多種特征判斷煙霧是否存在，增加了火災探測的距離，降低了火災探測的響應時間及虛警率和漏警率。上述僅為本實用新型的較佳實施例及所運用技術原理，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種圖像型煙霧火災探測器，其特征在于，包括圖像傳感器、信號處理芯片、時序控制芯片以及網絡適配器； 所述圖像傳感器，用于根據信號處理芯片發出的控制信號捕獲火災監測區域的視頻圖像，并將所述視頻圖像發送給信號處理芯片； 所述信號處理芯片，與圖像傳感器連接，用于提取所述視頻圖像的煙霧特征信息，在對煙霧特征信息進行分析后判斷視頻圖像中是否存在煙霧，并將判斷結果通過網絡適配器傳送給客戶端；其中，所述煙霧特征信息包括所述視頻圖像中每個聚類的聚類面積信息、所有連通域的HU矩的平均值、連通域的數量以及每個聚類的飄動性特征信息和聚類質點位置信息； 所述時序控制芯片，與圖像傳感器和信號處理芯片連接，用于向圖像傳感器和信號處理芯片發送時序控制信號，控制所述圖像傳感器和信號處理芯片同步工作。
2.根據權利要求I所述的圖像型煙霧火災探測器，其特征在于，所述圖像傳感器選用CMOS圖像傳感器，用于在信號處理芯片的可變幀率驅動下捕獲火災監測區域的視頻圖像。
3.根據權利要求I或2所述的圖像型煙霧火災探測器，其特征在于，所述信號處理芯片，還用于在判斷出視頻圖像中存在煙霧時，發送報警信號，并通過網絡適配器將所述報警信號一路發送給客戶端，一路發送給消防設備。
4.根據權利要求3所述的圖像型煙霧火災探測器，其特征在于，所述客戶端，還用于向所述圖像型火災探測器發送操作信號，通過所述操作信號查詢、設置和修改該圖像型火災探測器的參數。
5.根據權利要求4所述的圖像型煙霧火災探測器，其特征在于，所述時序控制芯片選用現場可編程門陣列芯片。
專利摘要本實用新型公開一種圖像型煙霧火災探測器，包括圖像傳感器，用于根據信號處理芯片發出的控制信號捕獲火災監測區域的視頻圖像，并將所述視頻圖像發送給信號處理芯片；信號處理芯片，與圖像傳感器連接，用于提取所述視頻圖像的煙霧特征信息，在對煙霧特征信息進行分析后判斷視頻圖像中是否存在煙霧，并將判斷結果通過網絡適配器傳送給客戶端；時序控制芯片，與圖像傳感器和信號處理芯片連接，用于向圖像傳感器和信號處理芯片發送時序控制信號，控制所述圖像傳感器和信號處理芯片同步工作。本實用新型增加了火災探測的距離，而且降低了火災探測的響應時間及虛警率和漏警率。
文檔編號G08B17/10GK202720745SQ20122023606
公開日2013年2月6日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者胡業磊, 付宏博 申請人:無錫藍天電子有限公司