基于无量纲特征提取的火灾火焰检测方法

摘要

基于无量纲特征提取的火焰检测方法，通过“搜寻”的方法对火焰图像进行准确的可疑区域分割，运用无量纲的多尺度不变性，用三个无量纲特征因子：中心偏移因子、面积增量因子和“动态常数”因子描述火焰的动态特征因子；将所述特征因子组成特征向量在分类器中训练，从而实现对火焰的正确识别；并对一般干扰具有较好的区分；本发明通过步骤：可疑区域的“搜寻”分割+无量纲动态提取+分类器算法设计，实现了对不同距离空间和多干扰条件下火焰检测与抗干扰分析的检测流程。

主权项

1.基于无量纲特征提取的火焰检测方法，其特征是通过“搜寻”的方法对火焰图像进行准确的可疑区域分割，运用无量纲的多尺度不变性，用三个无量纲特征因子：中心偏移因子、面积增量因子和“动态常数”因子描述火焰的动态特征因子；将所述特征因子组成特征向量在分类器中训练，从而实现对火焰的正确识别；并对一般干扰具有较好的区分；搜寻可疑区域分割：通过图像处理中帧差法提取动态区域和灰度阈值法提取高亮区域；记第A_i和B_i分别为第i帧获得的动态区域和高亮区域，且均可分解成互不相交的集合的并集：A_i＝∪A_α，α＝1，2，3...                     (1)B_i＝∪B_β，β＝1，2，3...                     (2)其中，A_α和B_β分别为某个动态和高亮区域；记C_i＝A_i∩B_i，若有：C_i＝∪C_γ，γ＝1，2，3...                     (3)标记C_γ的中心点为x_γ，在B_β中寻找包含x_γ的区域，记为B_k，得到可疑区域R为：R＝∪B_k，k＝1，2，3...                        (4)中心偏移因子：用来衡量可疑区域中心偏移的相对大小的无量纲因子，用ΔL^*表示：${\mathrm{\Delta L}}^{*}=\frac{\mathrm{\Delta L}}{L_M}---\left(5\right)$其中，$\mathrm{\Delta L}=\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2}---\left(6\right)$ΔL为中心偏移量，为相邻两帧可疑区域中心点的偏移大小，如图1所示。其中，(x_i，y_i)表示第i帧中心点的坐标，(x_i-1，y_i-1)表示第i-1帧中心点的坐标。L_M表示第i帧可疑区域的直径。面积增量因子：面积增量因子用来衡量可疑区域面积变化的相对大小的无量纲因子，用ΔS^*表示：${\mathrm{\Delta S}}^{*}=\frac{\mathrm{\Delta S}}{S_i}---\left(7\right)$其中，ΔS＝S_i-S_i-1                                  (8)其中，ΔS为面积增量，表示可疑区域在相邻两帧面积的增量；其中，S_i为第i帧可疑区域的面积，S_i-1为第i-1帧可疑区域的面积；“动态常数”因子：用来描述火焰的“跳动”的规律，反映中心偏移和面积变化之间相互依赖的本质联系的无量纲量，用D表示：$D=\frac{{\mathrm{\pi \Delta L}}^2}{\mathrm{\Delta S}}---\left(9\right)$其中，ΔL为中心偏移度，ΔS为面积增量。该因子的分子部分为以中心偏移量为半径的圆的面积，分母为相邻两帧面积的变化量。该因子表征区域单位面积的变化能引起其中心距离变化能力大小；其修正因子为D^*：$D^{*}=\frac{{\mathrm{\pi \Delta L}}^{*2}}{{\mathrm{\Delta S}}^{*}}=\lambda *D---\left(10\right)$其中，ΔL^*为中心偏移因子，ΔS^*为面积增量因子，0＜λ＜1，λ为区域面积和包围区域的最小外接正方形的比值。对于细长物体其取值比较小。为了实现火焰的最终检测，需要对三个无量纲因子在分类器中训练，将训练好的分类器对测试样本进行测设。其中“动态常数”因子有较好的稳定性，突破了传统研究的时空局限性，不受火焰发展阶段、空间探测尺度以及监控设备种类的影响，能够较好地描述火焰的特征，并且与高亮移动干扰和火焰类似物区分开来。三个无量纲因子提取组成特征向量：$T=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta L}}^{*}\\ {\mathrm{\Delta S}}^{*}\\ D^{*}\end{array}\right]---\left(11\right)$在支持向量机分类器中进行训练，训练出的分类器对近、中和远距离的火焰场景进行检测，在多帧跟踪“投票”判别器输出中得到最终检测结果。