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基于視頻分析的煙火自動(dòng)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

二〇一七年三月

一、視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)概述..................................................................... 3

二、應(yīng)用場(chǎng)合........................................................................................................ 3

三、火焰檢測(cè)........................................................................................................ 5

四、煙霧檢測(cè)........................................................................................................ 7

五、系統(tǒng)拓?fù)鋱D.................................................................................................... 9

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

七、設(shè)備介紹...................................................................................................... 10

一、視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)概述

基于視頻分析的室內(nèi)、室外煙火自動(dòng)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的目的是能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守的不間斷工作，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的異常煙霧和火災(zāi)苗頭，以最快、最佳的方式進(jìn)行告警和協(xié)助消防人員處理火災(zāi)危機(jī)，并最大限度的降低誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象；同時(shí)還可查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像，根據(jù)直觀的畫面直接指揮調(diào)度救火。

該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺、人工智能以及閉路電視監(jiān)控技術(shù)，通過視頻圖像來檢測(cè)煙火。系統(tǒng)自動(dòng)分析、識(shí)別視頻圖像內(nèi)的火焰、煙霧，產(chǎn)生告警信息，在數(shù)秒內(nèi)完成火災(zāi)探測(cè)及報(bào)警，大大縮短了火災(zāi)告警時(shí)間。該系統(tǒng)具有非接觸式探測(cè)的特點(diǎn)，不受空間高度、熱障、易爆/有毒等環(huán)境條件的限制，使得該系統(tǒng)為室內(nèi)大空間、室外以及傳統(tǒng)探測(cè)手段失效的特殊場(chǎng)所火災(zāi)探測(cè)提供了一種有效的解決途徑。

二、應(yīng)用場(chǎng)合

視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在國外得到了非常廣泛的應(yīng)用，由于其技術(shù)特點(diǎn)，它非常適合于傳統(tǒng)煙感無法應(yīng)用的室內(nèi)、室外空曠場(chǎng)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(duì)森林火災(zāi)、發(fā)電站的火災(zāi)，早期的煙火檢測(cè)預(yù)警可以有效減免財(cái)產(chǎn)損失或者停機(jī)損失。視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)被成功應(yīng)用于森林、渦輪機(jī)房、電池間、傾料間、壓縮間等防火。
	大型客輪、輪渡輪船內(nèi)的應(yīng)用包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙、推進(jìn)艙、渦輪艙、泵房以及其他設(shè)備間等。視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)被西方國家海軍成功應(yīng)用到各種艦船，避免重大損失。
	倉庫、大型存儲(chǔ)、集散中心這些場(chǎng)合的規(guī)模都很大，而且很空曠，同時(shí)單位面積上囤積貨物比例很高，采用分析視頻煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以在火災(zāi)發(fā)生的倪端即可產(chǎn)生報(bào)警，避免大的損失。
	商場(chǎng) 商場(chǎng)一旦發(fā)生火災(zāi)，由于其所存物品的易燃性會(huì)使得火勢(shì)快速蔓延，造成更大的損失。視頻分析煙火監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)被安裝于空曠大廳上空不放過視野內(nèi)任何可疑現(xiàn)象。
	飛機(jī)機(jī)庫飛機(jī)機(jī)庫的價(jià)格與它所保護(hù)的物品（飛機(jī)）的價(jià)格相比不值一提。機(jī)庫火災(zāi)不僅造成上千萬元的損失而且會(huì)進(jìn)一步影響其相關(guān)聯(lián)的服務(wù)。視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠在昂貴的輕水泡沫被釋放前及時(shí)檢測(cè)到煙火的存在并及時(shí)撲滅。
	體育場(chǎng)館大型體育場(chǎng)館的空間都非常大，等到傳統(tǒng)煙火檢測(cè)裝置檢測(cè)到煙火的時(shí)候情況都已十分嚴(yán)重。如何能夠在火災(zāi)前期有效地發(fā)出報(bào)警是管理人員急待解決的問題。采用視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以時(shí)刻監(jiān)視空曠空間煙火情況，及時(shí)反映給相關(guān)管理人員。
	隧道、地鐵隧道及地鐵都是半封閉的環(huán)境，一旦火災(zāi)發(fā)生，人員疏散是與時(shí)間的較量。視頻分析煙火檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以在空曠無人區(qū)域及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生的火災(zāi)情況，爭(zhēng)取到更多的寶貴時(shí)間。

目前國內(nèi)對(duì)上述場(chǎng)合的火災(zāi)監(jiān)控還沒有十分有效的方法，基本上還是采用傳統(tǒng)的煙霧顆粒感應(yīng)或者紅外線、激光技術(shù)。傳統(tǒng)煙霧顆粒感應(yīng)系統(tǒng)需要煙霧顆粒進(jìn)入傳感器才能引起報(bào)警，紅外及激光技術(shù)也需要煙霧遮擋才能引發(fā)報(bào)警。這些前提要求場(chǎng)合是相對(duì)封閉的空間。而室外場(chǎng)合像煉油廠、倉庫等因?yàn)樵O(shè)備設(shè)施分散，空氣流動(dòng)大，傳統(tǒng)煙火設(shè)備根本起不到作用，現(xiàn)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(dòng)檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)正是彌補(bǔ)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警設(shè)備的不足，完全適應(yīng)于室外場(chǎng)合，而且可以遠(yuǎn)程提供實(shí)時(shí)視頻，使得集中管理變?yōu)榭赡埽哂蟹浅V闊的市場(chǎng)空間。

三、火焰檢測(cè)

火焰有著與眾不同的特征，他的顏色、溫度、形狀以及跳動(dòng)的形式都可以作為識(shí)別的依據(jù)。下面，我們將從火焰的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征兩方面入手進(jìn)行火焰識(shí)別。

3.1靜態(tài)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(jīng)過簡(jiǎn)單比較計(jì)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(duì)各種火焰的檢測(cè)結(jié)果。雖然這種模型的誤報(bào)會(huì)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(yīng)顏色檢測(cè)結(jié)果（下行）

火焰的外形也是用來識(shí)別的重要特征。一種模型是采用嵌套式輪廓模型。它默認(rèn)火焰存在一個(gè)或幾個(gè)燃燒點(diǎn)，火焰從這些燃燒點(diǎn)一層層的向外擴(kuò)散。越到外層的地方其形狀的可邊度越大，而且是連續(xù)的。圖9展示了一個(gè)燃燒點(diǎn)的火焰模型，它由三層火焰輪廓組成，對(duì)于其右側(cè)圖10中的火焰經(jīng)過該模型捕捉得到圖11結(jié)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(dòng)態(tài)特征（頻率）

火焰是跳躍著的，或者說是移動(dòng)變化著的。初看起來沒有什么規(guī)律，其實(shí)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，火焰的外焰部分的運(yùn)動(dòng)存在一定頻率。從圖12中紅色標(biāo)出的火焰外焰部分來看，這些像素點(diǎn)在經(jīng)歷著有火焰和無火焰兩種狀態(tài)的切換，這個(gè)切換的頻率經(jīng)過計(jì)算是10HZ。這樣，我們通過捕捉這個(gè)10赫茲的特征可以進(jìn)一步確認(rèn)是否有火焰的存在。


圖12 火焰外焰部分	圖13 外焰運(yùn)動(dòng)存在一定頻率

除此之外，火焰的運(yùn)動(dòng)是有能量變化的。燃燒的物理變化和化學(xué)變化造成了火焰能量的不均衡分布。這點(diǎn)可以作為區(qū)分火焰與其他顏色相似運(yùn)動(dòng)物體的特征。圖14中紅色衣服上被黑色邊框劃出的區(qū)域能量變化在其右側(cè)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(duì)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(cè)

煙霧的特征和火焰有著明顯的不同，無論是靜態(tài)的還是動(dòng)態(tài)的。這樣使得我們可以將其與火焰識(shí)別分開處理。

4.1靜態(tài)特征（外形與對(duì)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(guān)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(dú)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(huì)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(duì)比度變化判斷煙霧的有無。圖16顯示了通過對(duì)比度變化檢測(cè)煙霧的結(jié)果。


圖16 煙霧（上行）及通過對(duì)比度變化檢測(cè)結(jié)果（下行）

4.2動(dòng)態(tài)特征（擴(kuò)散）

煙霧的動(dòng)態(tài)特征是煙霧區(qū)別于其他事物的重要特征。它具備以下特點(diǎn)：首先，煙霧以擴(kuò)散的形式變化，可以假想存在一個(gè)或幾個(gè)煙霧發(fā)生點(diǎn)，煙霧圍繞這些點(diǎn)擴(kuò)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(gè)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(yùn)動(dòng)是連續(xù)而且是非剛性的。這些特點(diǎn)決定了煙霧與行人，汽車等等前景運(yùn)動(dòng)物體有本質(zhì)的不同。


圖17 煙霧及其輪廓	圖18 擴(kuò)散的煙霧及其輪廓

五、系統(tǒng)拓?fù)鋱D

六、管理客戶端

七、設(shè)備介紹

7.1智能視頻煙火分析服務(wù)器

外形尺寸： 482.5mm*216mm*50mm

7.2 功能

視頻：

支持4/6/8路實(shí)時(shí)流同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)

支持OSD圖像覆蓋疊加

支持最大圖像分辨率：1080P（1920*1080）

幀率：全實(shí)時(shí)（PAL25幀/秒、NTSC30幀/秒）

網(wǎng)絡(luò)接口：

局域網(wǎng)端口：10/100BASE-T以太網(wǎng)口，RJ45接口

電源：AC 220V輸入

功耗：最大功耗75W

工作環(huán)境：

工作濕度：小于85%RH

工作溫度：-20°C～50°C

功能：

完成視頻火焰檢測(cè)相應(yīng)時(shí)間小于5s。適應(yīng)于室內(nèi)火災(zāi)及室外火災(zāi)（各種氣、固、液體等）的檢測(cè)。最小火焰檢測(cè)象素大小≥50。能夠產(chǎn)生聲光報(bào)警并輸出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)彈出現(xiàn)場(chǎng)視頻�？梢酝饨悠渌O(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警。