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基于視頻分析的煙火自動檢測預警系統

二〇一七年三月

一、視頻分析煙火檢測預警系統概述..................................................................... 3

二、應用場合........................................................................................................ 3

三、火焰檢測........................................................................................................ 5

四、煙霧檢測........................................................................................................ 7

五、系統拓撲圖.................................................................................................... 9

六、管理客戶端.................................................................................................... 9

七、設備介紹...................................................................................................... 10

一、視頻分析煙火檢測預警系統概述

基于視頻分析的室內、室外煙火自動檢測預警系統的目的是能夠實現無人值守的不間斷工作，自動發現監控區域內的異常煙霧和火災苗頭，以最快、最佳的方式進行告警和協助消防人員處理火災危機，并最大限度的降低誤報和漏報現象；同時還可查看現場實時圖像，根據直觀的畫面直接指揮調度救火。

該系統利用計算機視覺、人工智能以及閉路電視監控技術，通過視頻圖像來檢測煙火。系統自動分析、識別視頻圖像內的火焰、煙霧，產生告警信息，在數秒內完成火災探測及報警，大大縮短了火災告警時間。該系統具有非接觸式探測的特點，不受空間高度、熱障、易爆/有毒等環境條件的限制，使得該系統為室內大空間、室外以及傳統探測手段失效的特殊場所火災探測提供了一種有效的解決途徑。

二、應用場合

視頻分析煙火檢測預警系統在國外得到了非常廣泛的應用，由于其技術特點，它非常適合于傳統煙感無法應用的室內、室外空曠場合，具體來說，可以分為以下幾種：

	森林防火、煤礦、化工、石油加工廠、水利及核電站對森林火災、發電站的火災，早期的煙火檢測預警可以有效減免財產損失或者停機損失。視頻分析煙火檢測預警系統被成功應用于森林、渦輪機房、電池間、傾料間、壓縮間等防火。
	大型客輪、輪渡輪船內的應用包括發動機艙、推進艙、渦輪艙、泵房以及其他設備間等。視頻分析煙火檢測預警系統已經被西方國家海軍成功應用到各種艦船，避免重大損失。
	倉庫、大型存儲、集散中心這些場合的規模都很大，而且很空曠，同時單位面積上囤積貨物比例很高，采用分析視頻煙火檢測預警系統可以在火災發生的倪端即可產生報警，避免大的損失。
	商場商場一旦發生火災，由于其所存物品的易燃性會使得火勢快速蔓延，造成更大的損失。視頻分析煙火監測預警系統被安裝于空曠大廳上空不放過視野內任何可疑現象。
	飛機機庫飛機機庫的價格與它所保護的物品（飛機）的價格相比不值一提。機庫火災不僅造成上千萬元的損失而且會進一步影響其相關聯的服務。視頻分析煙火檢測預警系統能夠在昂貴的輕水泡沫被釋放前及時檢測到煙火的存在并及時撲滅。
	體育場館大型體育場館的空間都非常大，等到傳統煙火檢測裝置檢測到煙火的時候情況都已十分嚴重。如何能夠在火災前期有效地發出報警是管理人員急待解決的問題。采用視頻分析煙火檢測預警系統可以時刻監視空曠空間煙火情況，及時反映給相關管理人員。
	隧道、地鐵隧道及地鐵都是半封閉的環境，一旦火災發生，人員疏散是與時間的較量。視頻分析煙火檢測預警系統可以在空曠無人區域及時發現發生的火災情況，爭取到更多的寶貴時間。

目前國內對上述場合的火災監控還沒有十分有效的方法，基本上還是采用傳統的煙霧顆粒感應或者紅外線、激光技術。傳統煙霧顆粒感應系統需要煙霧顆粒進入傳感器才能引起報警，紅外及激光技術也需要煙霧遮擋才能引發報警。這些前提要求場合是相對封閉的空間。而室外場合像煉油廠、倉庫等因為設備設施分散，空氣流動大，傳統煙火設備根本起不到作用，現在往往采用人員值守看管，造成管理成本上升。

視頻分析煙火自動檢測預警系統正是彌補傳統火災報警設備的不足，完全適應于室外場合，而且可以遠程提供實時視頻，使得集中管理變為可能，具有非常廣闊的市場空間。

三、火焰檢測

火焰有著與眾不同的特征，他的顏色、溫度、形狀以及跳動的形式都可以作為識別的依據。下面，我們將從火焰的靜態特征和動態特征兩方面入手進行火焰識別。

3.1靜態特征（顏色與形狀）

首先，火焰有著與眾不同的顏色特征。描述其顏色的模型有很多，圖7就是其中一種，它可以由RGB空間經過簡單比較計算得到。


圖7 火焰顏色分布圖

由上圖，任何RGB圖像中只要滿足R>=G且G>B的顏色都可以看作是火焰。圖8中顯示了由該模型對各種火焰的檢測結果。雖然這種模型的誤報會很多，但可以作為最初始的篩選手段排除掉最不可能是火焰的物體。


圖8 火焰圖片（上行）及相應顏色檢測結果（下行）

火焰的外形也是用來識別的重要特征。一種模型是采用嵌套式輪廓模型。它默認火焰存在一個或幾個燃燒點，火焰從這些燃燒點一層層的向外擴散。越到外層的地方其形狀的可邊度越大，而且是連續的。圖9展示了一個燃燒點的火焰模型，它由三層火焰輪廓組成，對于其右側圖10中的火焰經過該模型捕捉得到圖11結果。


圖9 火焰模型	圖10 火焰圖片	圖11 符合模型的火焰

3.2動態特征（頻率）

火焰是跳躍著的，或者說是移動變化著的。初看起來沒有什么規律，其實，經研究發現，火焰的外焰部分的運動存在一定頻率。從圖12中紅色標出的火焰外焰部分來看，這些像素點在經歷著有火焰和無火焰兩種狀態的切換，這個切換的頻率經過計算是10HZ。這樣，我們通過捕捉這個10赫茲的特征可以進一步確認是否有火焰的存在。


圖12 火焰外焰部分	圖13 外焰運動存在一定頻率

除此之外，火焰的運動是有能量變化的。燃燒的物理變化和化學變化造成了火焰能量的不均衡分布。這點可以作為區分火焰與其他顏色相似運動物體的特征。圖14中紅色衣服上被黑色邊框劃出的區域能量變化在其右側顯示，可見衣服的能量分布是均勻的（顯示為均一灰色，沒有亮暗變化）。與之對比，火焰的能量變化就顯得非常不均勻，在能量分布圖上看得到明顯的亮暗變化。


圖14 與火焰顏色接近圖案的能量分布	圖15火焰的能量分布

四、煙霧檢測

煙霧的特征和火焰有著明顯的不同，無論是靜態的還是動態的。這樣使得我們可以將其與火焰識別分開處理。

4.1靜態特征（外形與對比度）

煙霧在顏色上沒有像火焰樣存在明顯的分布，而且顏色與煙霧的濃度有直接關系。淡淡的煙是半透明的，可以看到其后面的物體，而濃煙是灰黑的，完全擋住了后面的事物。這樣，單獨考慮煙霧的顏色便無法描述它的特征。然而，無論煙霧濃淡，它都會使后面的事物變得模糊，甚至被完全遮擋。我們可以通過像素的對比度變化判斷煙霧的有無。圖16顯示了通過對比度變化檢測煙霧的結果。


圖16 煙霧（上行）及通過對比度變化檢測結果（下行）

4.2動態特征（擴散）

煙霧的動態特征是煙霧區別于其他事物的重要特征。它具備以下特點：首先，煙霧以擴散的形式變化，可以假想存在一個或幾個煙霧發生點，煙霧圍繞這些點擴散開去（如圖17和圖18所示）；其次，與火焰類似，煙霧的邊界變化也存在一個3Hz的頻率；再有，煙霧的輪廓是清晰畫面與被煙霧模糊畫面的交界；最后，煙霧的運動是連續而且是非剛性的。這些特點決定了煙霧與行人，汽車等等前景運動物體有本質的不同。