基于全方位视觉传感器的自动消防灭火装置

摘要

一种基于全方位视觉传感器的自动消防灭火装置，包括微处理器、用于监视现场的视频传感器、用于与外界通信的通信模块以及灭火喷头，灭火喷头连接喷头驱动装置，视频传感器是全方位视觉传感器，进行图像处理和分析，通过火灾的简单的模式分类、火焰面积变化特征判断、火焰形体变化特征判断、火焰颜色特征判断、火焰闪动规律特征判断、火焰整体运动特征判断以及火灾强度特征判断得到综合判断结果，根据所发现的火苗点位置自动控制喷头对准火苗点将灭火剂喷洒在火源附近。本发明能够有效减少误报率、对火源点检测定位准确、实时性能好、在发现火苗情况时能自动控制喷头以最短的时间将灭火剂喷射到火苗点、实现的检测算法和控制算法简单。

主权项

1、一种基于全方位视觉传感器的自动消防灭火装置，该自动消防灭火装置包括微处理器、用于监视现场的视频传感器、用于与外界通信的通信模块以及灭火喷头，所述灭火喷头连接喷头驱动装置，所述的微处理器包括：图像数据读取模块，用于读取从视频传感器传过来的视频图像信息；文件存储模块，用于将视频传感器采集的数据存储到存储器中；现场实时播放模块，用于连接外部的显示设备，将监视现场画面实时播放；所述的视频传感器的输出与微处理器通信连接，其特征在于：所述的视频传感器是全方位视觉传感器，所述的视觉传感器包括用于反射监控领域中物体的外凸反射镜面、透明圆柱体、摄像头，所述的外凸反射镜面朝下，所述的透明圆柱体支撑外凸反射镜面，用于拍摄外凸反射镜面上成像体的摄像头位于透明圆柱体的内部，摄像头位于外凸反射镜面的虚焦点上；所述的微处理器还包括：传感器标定模块，用于对全方位视觉传感器的参数进行标定，建立空间的实物图像与所获得的视频图像的对应关系；颜色模型转换模块，用于将彩色图像中的每一个像素点的颜色从RGB颜色空间转换到(Cr，Cb)空间颜色模型；图像展开处理模块，用于将采集的圆形视频图像展开为全景柱状图，根据圆形全方位图像上的一个点(x^*，y^*)和矩形柱状全景图上的一个点(x^**，y^**)的对应关系，建立(x^*，y^*)与(x^**，y^**)的映射矩阵，式(1)所示：P^**(x^**，y^**)←M×P^*(x^*，y^*)            (1)上式中，M是映射矩阵，P^*(x^*，y^*)是圆形全方位图像上的像素矩阵，P^**(x^**，y^**)是矩形柱状全景图上的像素矩阵；运动对象检测模块，用于将所获得的当前帧现场视频图像与一个相对比较稳定的基准参考图像进行差值运算，图像相减的计算公式如式(2)表示：f_d(X，t₀，t_i)＝f(X，t_i)-f(X，t₀)                (2)上式中，f_d(X，t₀，t_i)是实时拍摄到图像与基准参考图像间进行图像相减的结果；f(X，t_i)是实时拍摄到图像；f(X，t₀)是基准参考图像；并将当前图像中与相邻K帧的图像相减计算公式如(3)所示：f_d(X，t_i-k，t_i)＝f(X，t_i)-f(X，t_i-k)             (3)上式中，f_d(X，t_i-k，t_i)是实时拍摄到图像与相邻K帧图像间进行图像相减的结果；f(X，t_i-k)是相邻K帧时的图像；如f_d(X，t₀，t_i)≥阈值、f_d(X，t_i-k，t_i)≥阈值成立时，判定为可疑火焰对象；如f_d(X，t₀，t_i)≥阈值、f_d(X，t_i-k，t_i)＜阈值，判定静止对象，并用式(4)来更新替换基准参考图像： $f(X,t_0)\Leftarrow f(X,t_{i-k})...\left(4\right)$如f_d(X，t₀，t_i)＜阈值，判定为静止对象；连通区域计算模块，用于对当前图像进行标记，像素灰度为0的小区表示此小区无可疑火焰，像素灰度为1则表示此小区有可疑火焰，计算当前图像中的像素是否与当前像素周围相邻的某一个点的像素相等，如灰度相等判断为具有连通性，将所有具有连通性的像素作为一个连通区域；模式分类模块，用于判定为可疑火焰后，对每个连通区域求出其面积Si，并依照如下：1)若S_i＜阈值1，则该变化区域为噪声点；2)若S_i＞阈值2，则该变化区域为大面积的红外光线变化；3)若阈值1＜S_i＜阈值2，则该变化区域为可疑的火焰区域；判断为可疑的火焰区域后，计算相邻帧变化图像的相似度ε_i，如公式(5)所示， ${ϵ}_i=\frac{\underset{(x,y)\in \Omega }{\Sigma }{b}_i(x,y)\cap b_{i+1}(x,y)}{\underset{(x,y)\in \Omega }{\Sigma }{b}_i(x,y)\cup b_{i+1}(x,y)},i=1,N-1...\left(5\right)$式中，b_i(x，y)为上一帧中可疑的火焰区域，b_i+1(x，y)为当前帧中可疑的火焰区域；根据上述计算结果，模式分类为：1)若ε_i≤阈值1，则图像模式为快速运动的亮点；2)若ε_i≥阈值2，则图像模式为固定红外发光区域；3)若阈值1＜ε_i＜阈值2，则图像模式为火焰；火焰颜色特征判断模块，用于在(Cr，Cb)空间的分布模型，计算发光源是否落在火焰图像在(Cr，Cb)空间的分布模型内，计算公式由式(6)所示： $W_{\mathrm{firecolor}}=\exp \{-\frac{1}{2}[A*{(\mathrm{Cr}-\overline{\mathrm{Cr}})}^2+2B*(\mathrm{Cr}-\overline{\mathrm{Cr}})*(\mathrm{Cb}-\overline{\mathrm{Cb}})+C*{(\mathrm{Cb}-\overline{\mathrm{Cb}})}^2\left]\right\}...\left(6\right)$式(6)中，W_firecolor是颜色特征量，Cr，Cb是火焰点Cr、Cb的样本标准均值，A、B、C分别是由样本标准差和均值计算出来的系数；Cr＝144.6；Cb＝117.5；A＝3.7*10^-3；B＝4.1*10^-3；C＝4.5*10^-3；火焰面积变化特征判断模块，用于根据每帧图像的发光面积Si进行递推计算，求在下一帧图像的发光面积的递推值计算公式由式(7)给出； ${{\bar{S}}_i}^{t(i+1)}=(1-k)*{{\bar{S}}_i}^{t\left(i\right)}+k*S_i...\left(7\right)$式中，是下一帧图像的发光面积的递推平均值，是目前帧图像的发光面积的递推平均值，Si是目前帧发光面积的计算值，K为系数，小于1，得到下式(8) $\frac{{{\bar{S}}_i}^{t(i+1)}+{{\bar{S}}_i}^{t\left(i\right)}+{{\bar{S}}_i}^{t(i-1)}}{3}>\frac{{{\bar{S}}_i}^{t(i-2)}+{{\bar{S}}_i}^{t(i-3)}+{{\bar{S}}_i}^{t(i-4)}}{3}...\left(8\right)$如果上述(8)成立，火焰面积扩展W_fire area量化值取为1；如上式(8)不成立，火焰面积扩展W_fire area量化值取为0；火焰闪动规律特征判断模块，用于在上述(8)成立时，将发光面积的计算值Si与目前帧图像的发光面积的递推平均值求差计算，如两者的差的正负发生变化就进行记数，计算在一定时间段中其变化的次数作为火焰闪动的变化频率f_fenquncy，并将该f_fenquncy与所设定的阈值f_c相比较，当f_fenquncy≥f_c时，火焰闪动W_fire bicker量化值取为1；当f_fenquncy＜f_c时，火焰闪动W_fire bicker量化值0；火灾强度判断模块，用于在火焰面积扩展W_fire areax量化值为1和火焰颜色特征W_fire color的计算值大于0.5时，计算公式如式(9)所示； $W_{\mathrm{fire\; indensity}}=\frac{S_i}{\mathrm{\Sigma S}}*10\mathrm{where}{W}_{\mathrm{firearea}}=1\mathrm{AND}{W}_{\mathrm{fire\; color}}\ge =0.5...\left(9\right)$上式(9)中，∑S是整个监控面积，W_{fire indensity}是火灾强度值；火灾发生综合判断模块，用于根据火焰模式、火焰颜色特征值、火焰面积、火焰闪动规律综合判断是否有火灾发生，其计算式如(10)所示：W_fire alarm＝K_{fire pattern}×εx_i+K_fire color×W_fire color+K_fire area×W_fire area    (10)+K_fire bicker×W_fire bicker+K_{fire indensity}×W_{fire indensity}式中：K_{fire pattern}为火焰模式的加权系数；K_fire color为火焰颜色特征的加权系数；K_fire area为火焰面积变化的加权系数；K_fire bicker为火焰闪动的加权系数；K_{fire indensity}为火灾强度的加权系数；如K_alarm≤W_fire alarm，判定为火灾告警，通过通信模块通知管理人员；火焰发生位置计算模块，用于根据三维空间与图像像素的对应性关系，计算火焰的中心点，确定火源点位置；自动灭火控制模块，用于在判断火灾告警后，控制喷头驱动装置使喷头朝向火源点移动，当喷头对准火点时，发出打开喷头阀门灭火的指令。