試述基于視頻監(jiān)控的火災(zāi)圖像識別研究的重要性

劉佳　高雪

摘 要：在當(dāng)今社會，火災(zāi)依然是威脅人類生命安全的重大災(zāi)害。尤其是隨著經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，各種高層的綜合性建筑群體越來越多。況且在高層建筑中，人口和財(cái)產(chǎn)更加密集和集中，所以各種消防問題就更為突出。那么我們?nèi)绾慰s短火災(zāi)探測報(bào)警時(shí)間，減少火災(zāi)的發(fā)生的可能性，并及時(shí)采取有效防火與滅火的措施；如何大幅度提高火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，降低相應(yīng)誤碼率，為自動(dòng)報(bào)警與聯(lián)動(dòng)控制滅火系統(tǒng)提供支持保障；火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和監(jiān)控技術(shù)就變成了火災(zāi)探測報(bào)警領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；火災(zāi)圖像識別；重要性

物質(zhì)在其燃燒時(shí)，產(chǎn)生煙霧，并釋放出稱之謂氣溶膠的燃燒氣體，當(dāng)氣體與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就會成為含有大量紅外線和紫外線的火焰，致使周遭溫度升高。那么煙霧、溫度、火焰和燃燒氣體就成為了火災(zāi)參量。

火災(zāi)探測器的主要功能是通過對溫度、火焰和燃燒氣體等參量及時(shí)做出有效反應(yīng)，然后再通過一些敏感軟件，把這些表征火災(zāi)參量的物理量變化為電信號，最后傳送到火災(zāi)報(bào)警器。因此我們可以根據(jù)不同的火災(zāi)參量以及不用的響應(yīng)方式，創(chuàng)制各種各樣的火災(zāi)探測器。其中較典型的有：感溫、感煙、火焰、氣體、圖像和復(fù)合式等。

火災(zāi)過程通常都伴隨著大量煙、氣、溫、光等各類信號的出現(xiàn)，處于不同的環(huán)境以及不一樣的燃燒成分，都會對煙霧顆粒的組成、色彩、溫場分布以及光譜造成不同。因此，火災(zāi)發(fā)生過程中會涉及到許多物理與化學(xué)參數(shù)，而且其表現(xiàn)出的特征又比較突出，那么針對火災(zāi)發(fā)生時(shí)不同生成物的特性而起作用的是不同類型的火災(zāi)探測器。分別作用于不同的場合，自然也有各自的局限性。

1 早期火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展

自19世紀(jì)40年代至20世紀(jì)40年代，感溫探測器一直都是占據(jù)主導(dǎo)地位，但是這類探測器有一個(gè)明顯的不足就是對火災(zāi)探測的反應(yīng)不是很靈敏。但是當(dāng)時(shí)隨著感溫火災(zāi)探測器大量的不斷被用于軍事上，這在一定程度上促進(jìn)了火災(zāi)探測技術(shù)的迅猛發(fā)展。

到了20世紀(jì)50年代，瑞士物理學(xué)家Emst Meili研制出了現(xiàn)代離子感煙探測器的雛形，1970年時(shí)，歐洲已經(jīng)安裝了近百萬只離子感煙探測器，到目前仍占已經(jīng)安裝火災(zāi)探測器的90%。在離子感煙探測器統(tǒng)治的30年之中，人們也逐步開始研究光電感煙技術(shù)，但卻苦于相關(guān)工藝技術(shù)原因沒有得到實(shí)際應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代末，由于突破了高壽命的光電元件技術(shù)，光電感煙探測器應(yīng)運(yùn)而生，并取得長足進(jìn)步。國外在大幅度減少離子感煙探測器，光電感煙探測器的銷售量己經(jīng)占到90%，我國也逐步呈現(xiàn)這種趨勢。

2 大空間火災(zāi)探測研究概況

根據(jù)采集的信號的類型不同火災(zāi)探測器可分為感溫、感煙、感光、氣體火災(zāi)探測器以及復(fù)合型探測器等幾類。但由于受到各種因素（粉塵、溫度、濕度、空間高度、空氣流速等）的影響，或者被保護(hù)場所的特殊要求，因而在相對較大的場所，或需要早期以及更早期發(fā)現(xiàn)火險(xiǎn)的重要場所失去了效用。所以大空間內(nèi)早期火災(zāi)的探測報(bào)警成為熱安全工程技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)難點(diǎn)，主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）由于空間高度增大和空氣流動(dòng)等原因致使煙氣和溫度無法到達(dá)頂棚，即使到達(dá)頂棚卻出現(xiàn)了煙氣濃度和溫度下降，這就使感煙和感溫探測器產(chǎn)生誤報(bào)警或不報(bào)警。當(dāng)粉塵濃度過大也會使離子型感煙探測器失去相應(yīng)效用。

（2）根據(jù)探測火焰發(fā)出的紅外或紫外光感光火災(zāi)探測器發(fā)出報(bào)警信號。但由于判據(jù)單一，極易對高功率熱源或強(qiáng)光產(chǎn)生誤報(bào)警。

（3）復(fù)合型防火探測器僅僅增加了判據(jù)的數(shù)目，并沒有完全消除以上缺點(diǎn)，僅僅使探頭的整體性能稍有改善。

近年來火災(zāi)科學(xué)界正逐步把注意力轉(zhuǎn)移到火災(zāi)現(xiàn)象本身和深層次的機(jī)理研究方面，并取得了一定的成果。相關(guān)的技術(shù)方法都把火災(zāi)過程中的某個(gè)特征物理量作為監(jiān)測對象。比如圖像型火災(zāi)探測器技術(shù)和產(chǎn)品的研究和開發(fā)。

3 火災(zāi)圖像監(jiān)測技術(shù)的提出

通過不斷的研究我們意識到當(dāng)可燃物質(zhì)處于燃燒的過程中時(shí)，會釋放出從紫外到紅外頻率范圍的光波，對于可見光波段，因?yàn)槠涠加歇?dú)特的色譜以及紋理等特點(diǎn)，會出現(xiàn)火焰的圖像與背景有明顯的區(qū)分。燃燒學(xué)的各種原理證明，當(dāng)火焰燃燒過程中有高達(dá)95%的能量是集中到紅外波段進(jìn)行釋放的。所以這就提示我們在對圖像進(jìn)行處理的過程中，對于紅外波段的圖像識別完全可以通過紅外成像的原理來獲的可燃物燃燒所釋放出的紅外圖像進(jìn)行圖像處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。圖像信息的豐富化和直觀性是其他任何火災(zāi)探測器所不能提供的。

我們通過對圖像的處理，可以及時(shí)的觀察到火災(zāi)的發(fā)生。而圖像監(jiān)測快速性的基礎(chǔ)是視覺所接受以光為傳播媒介的信息；因此可以判定圖像信息是否豐富和直觀往往是我們對火災(zāi)發(fā)生時(shí)辨別及判定，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這是其他火災(zāi)探測技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)的。通過圖像來監(jiān)控火災(zāi)的發(fā)生，其中涉及到一個(gè)非常關(guān)鍵的部件，那就是光學(xué)鏡頭。它是圖像檢測過程中與外界發(fā)生間接接觸的紐帶，通過這種監(jiān)控結(jié)構(gòu)，即使是在十分惡劣的室內(nèi)環(huán)境中也可以保證圖像監(jiān)測技術(shù)的正常使用，同時(shí)也可以在室外環(huán)境中使用。

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過采用非接觸式的探測技術(shù)，使其防腐蝕性能和密封性能良好，抗干擾能力強(qiáng)，利用結(jié)合數(shù)字通信和數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析火災(zāi)火焰的圖像特征，使大空間惡劣環(huán)境下的火災(zāi)探測問題得到了更好的解決。

4 火災(zāi)圖像監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

火災(zāi)圖像探測系統(tǒng)，是一種以計(jì)算機(jī)為核心，結(jié)合光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)研制而成的火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)具有觀測普通影像和紅外監(jiān)測實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的雙重功能。基于數(shù)字圖像處理和分析的新型火災(zāi)探測，火災(zāi)圖像探測利用攝像頭對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)視，對獲得的圖像進(jìn)行圖像處理和分析，這樣就可以通過早期火災(zāi)火焰的形體變化特征來探測火災(zāi)的發(fā)生。

利用圖像進(jìn)行火災(zāi)探測有自己獨(dú)特的優(yōu)勢，因?yàn)閳D像是包含了強(qiáng)度、形體、位置等信息的信號。目前國內(nèi)外對這種新的火災(zāi)探測技術(shù)開展了深入研究。比如“視頻火災(zāi)探測”方法；通過提取電站鍋爐燃燒火焰的圖像特征，再用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對火焰形態(tài)作研究，這樣在區(qū)分燃燒情況方面就得到了更好的結(jié)果；通過闡述火災(zāi)圖像探測的基本原理，提出了提取早期火災(zāi)火焰輻射持性、形體變化特性的幾種新方法等。

目前為止，綜合國內(nèi)外的火災(zāi)圖像識別研究，可以看出大都是在灰度圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，采用的大都是比較單一的判據(jù)，導(dǎo)致了漏報(bào)，誤報(bào)率比較高，所以系統(tǒng)的魯棒性、適應(yīng)性比較差，這些都成為了困擾火災(zāi)圖像識別研究人員的世界性難題。

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作者簡介：劉佳（1984，1-），男，漢族，河北省秦皇島市人，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事電子信息與技術(shù)研究。