基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法和装置

1.本发明涉及火灾监测技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的火灾火焰检测方法和一种基于机器视觉的火灾火焰检测装置。


背景技术：

2.随着生活水平的提高，人们的工作及生活中对各种燃料的使用也随之增加，同时每年发生火灾的频率也逐年增长。因此，把火灾造成的损失减小到最小程度是火灾防治技术领域的重点研究内容，而火灾自动检测系统则起着至关重要的作用。
3.目前的火灾检测系统还是传统型火灾探测器，利用延误、温度等传感器在屋内顶部进行检测，而火灾早期时火焰一般比较小，产生的烟雾和温度很难到达房间顶部，且易受通风速度、现场干扰和噪声等影响，无法及时进行火灾监测和报警。由于目前火灾图像识别的判据比较单一，误报、漏报率高，系统性、实时性差等原因，难以实现火灾的及时预警。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法和装置，能够快速检测出火灾火焰，不仅运算简单，且抗干扰性较强，准确率较高。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法，包括以下步骤：获取待测视频；依次读取所述待测视频的相邻两帧图像，并将所述相邻两帧图像缩小，得到缩小的相邻两帧图像的矩阵数组；对所述缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，得到分割后的图像的矩阵数组；对所述分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，得到含疑似火焰图像的矩阵数组；对所述含疑似火焰图像的矩阵数组进行边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组；根据所述边界二值化图像的矩阵数组计算火焰边缘变化图像的矩阵数组；计算所述火焰边缘变化图像的矩阵数组的边缘变化率；根据所述边缘变化率判断是否发出火灾预警信号。
7.所述待测视频分别为火灾视频和干扰视频，其中，所述火灾视频为点蜡烛视频，所述干扰视频分别为与火焰颜色相近的灯和穿着与火焰颜色相近的人，在所述点蜡烛视频中的第a帧蜡烛被点燃，在所述点蜡烛视频中的第b帧所述蜡烛熄灭，其中，b大于a。
8.将所述待测视频的相邻两帧图像分别缩小至480*320像素分辨率大小。
9.对所述缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，具体包括：将所述缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行灰度化处理，得到灰度图像的矩阵数组；将所述灰度图像的矩阵数组利用二值化公式进行二值化处理，得到二值化掩膜图像；将所述二值化掩膜图像与所述缩小的相邻两帧图像的矩阵数组相乘，得到所述分割后的图像的矩阵数组。
10.所述二值化公式为：
[0011][0012]
其中，m为图像矩阵行向量的变量，m的变化范围为[1,480]，n为图像矩阵列向量的
变量，n的变化范围为[1,320]，f为图像矩阵的变量。
[0013]
对所述含疑似火焰图像的矩阵数组进行边界提取，具体包括：对所述含疑似火焰图像的矩阵数组进行二值化处理，得到二值化图像的矩阵数组；对所述二值化图像的矩阵数组进行八邻域边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组。
[0014]
所述火焰边缘变化图像的矩阵数组的计算公式为：
[0015][0016]
其中，表示异或，
·
表示逻辑与，x表示前一帧图像的矩阵数组，y表示后一帧图像的矩阵数组，k表示边缘变化图像的矩阵数组。
[0017]
所述边缘变化率的计算公式为：
[0018][0019]
其中，i为循环变量且i的变化范围为[1，n]，n为所述待测视频总帧数，pl为所述边缘变化率。
[0020]
判断是否发出火灾预警信号，具体包括：对所述边缘变化率数组的n-1个数，每a列为一组，其中，a小于n-1；每a列中所述边缘变化率大于或等于b每出现一次，则频次变量就累加一次，其中，b的变化范围为[0，1]；若该a列中频次变量的数值大于或等于a/2，则判断所述该a列中存在火灾，发出火灾预警信号。
[0021]
一种基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测装置，包括：获取单元，所述获取单元用于获取所述待测视频；缩小单元，所述缩小单元用于将所述相邻两帧图像缩小，得到缩小的相邻两帧图像的矩阵数组；分割单元，所述分割单元用于对所述缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，得到分割后的图像的矩阵数组；检测单元，所述检测单元用于对所述分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，得到含疑似火焰图像的矩阵数组；图像处理单元，所述图像处理单元用于对所述含疑似火焰图像的矩阵数组进行边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组；第一计算单元，所述第一计算单元用于根据所述边界二值化图像的矩阵数组计算火焰边缘变化图像的矩阵数组；第二计算单元，所述第二计算单元用于计算所述火焰边缘变化图像的矩阵数组的边缘变化率；判断单元，所述判断单元用于根据所述边缘变化率判断是否发出火灾预警信号。
[0022]
本发明的有益效果：
[0023]
本发明，通过对待测视频的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，对分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，然后通过边界提取确定疑似火焰区域，并通过疑似火焰区域计算火焰边缘变化图像的矩阵数组，最后通过计算火焰边缘变化率判断是否发出火灾预警信号，由此，能够快速检测出火灾火焰，不仅运算简单，且抗干扰性较强，准确率较高。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例的基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法的流程图；
[0025]
图2为本发明一个实施例的火灾视频中蜡烛被点燃的状态图；
[0026]
图3为本发明一个实施例的干扰视频中与火焰颜色相近的灯；
[0027]
图4为本发明一个实施例的干扰视频中穿着与火焰颜色相近的人；
[0028]
图5为本发明一个实施例的疑似火焰区域图；
[0029]
图6为本发明实施例的基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测装置的方框示意图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
图1为本发明实施例的基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法的流程图。
[0032]
如图1所示，本发明实施例的基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法，包括以下步骤：
[0033]
s1，获取待测视频。
[0034]
在本发明的一个实施例中，可从网络上下载待测视频，待测视频分别为火灾视频和干扰视频，其中，火灾视频可为点蜡烛视频，干扰视频可分别为与火焰颜色相近的灯和穿着与火焰颜色相近的人，在点蜡烛视频中的第a帧蜡烛被点燃，在点蜡烛视频中的第b帧蜡烛熄灭，其中，b大于a。
[0035]
在本发明的一个具体实施例中，火灾视频可为时长20秒、帧率为25帧/秒的点蜡烛视频。其中，该点蜡烛视频在第21帧时蜡烛被点燃，蜡烛被点燃的状态如图2所示，第333帧时蜡烛被熄灭。图3和图4分别为与火焰颜色相近的灯和穿着与火焰颜色相近的人的干扰视频。
[0036]
s2，依次读取待测视频的相邻两帧图像，并将相邻两帧图像缩小，得到缩小的相邻两帧图像的矩阵数组。
[0037]
在本发明的一个实施例中，将待测视频的相邻两帧图像分别缩小至480*320像素分辨率大小，以便于减少后续的运算量，提高运算速度。
[0038]
s3，对缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，得到分割后的图像的矩阵数组。
[0039]
具体地，首先，将缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行灰度化处理，得到灰度图像的矩阵数组。
[0040]
进一步地，将灰度图像的矩阵数组利用二值化公式进行二值化处理，得到二值化掩膜图像，其中，二值化公式为：
[0041][0042]
其中，m为图像矩阵行向量的变量，m的变化范围为[1,480]，n为图像矩阵列向量的变量，n的变化范围为[1,320]，f为图像矩阵的变量。
[0043]
最后，将二值化掩膜图像与缩小的相邻两帧图像的矩阵数组相乘，得到分割后的图像的矩阵数组。
[0044]
s4，对分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，得到含疑似火焰图像的矩阵数
组。
[0045]
在本发明的一个实施例中，可使用独立分量分析的方式将待测视频中的火焰图像分割。具体地，首先，将待测视频的图像序列进行白化处理，然后，使用独立分量分析将图像中包含着独立信息的区域分离出来，最后，通过hsv颜色模型确定火焰所在的区域。通过使用独立分量分析的方式，能够有效地分割出疑似火焰区域，且不易受到噪声和光线变化的影响。
[0046]
s5，对含疑似火焰图像的矩阵数组进行边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组。
[0047]
具体地，首先对含疑似火焰图像的矩阵数组进行二值化处理，得到二值化图像的矩阵数组，再对二值化图像的矩阵数组进行八邻域边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组。图5所示为图2经过图像分割、hsv颜色检测和边界提取后的疑似火焰区域图像。
[0048]
s6，根据边界二值化图像的矩阵数组计算火焰边缘变化图像的矩阵数组。
[0049]
在本发明的一个实施例中，火焰边缘变化图像的矩阵数组的计算公式为：
[0050][0051]
其中，表示异或，
·
表示逻辑与，x表示前一帧图像的矩阵数组，y表示后一帧图像的矩阵数组，k表示边缘变化图像的矩阵数组。
[0052]
s7，计算火焰边缘变化图像的矩阵数组的边缘变化率。
[0053]
在本发明的一个实施例中，边缘变化率的计算公式为：
[0054][0055]
其中，i为循环变量且i的变化范围为[1，n]，n为所述待测视频总帧数，pl为所述边缘变化率。
[0056]
s8，根据边缘变化率判断是否发出火灾预警信号。
[0057]
在本发明的一个具体实施例中，首先，对边缘变化率数组的n-1个数，可设每10列为一组。然后，每10列中边缘变化率大于或等于0.2每出现一次，则频次变量就累加一次。最后，若该10列中频次变量的数值大于或等于6，则判断该10列中存在火灾，发出火灾预警信号。
[0058]
根据本发明实施例的基于基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法，通过对待测视频的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，对分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，然后通过边界提取确定疑似火焰区域，并通过疑似火焰区域计算火焰边缘变化图像的矩阵数组，最后通过计算火焰边缘变化率判断是否发出火灾预警信号，由此，能够快速检测出火灾火焰，不仅运算简单，且抗干扰性较强，准确率较高。
[0059]
为实现上述实施例的基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测方法，本发明还提出一种基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测装置。
[0060]
如图6所示，本发明实施例的基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测装置包括：获取单元10、缩小单元20、分割单元30、检测单元40、图像处理单元50、第一计算单元60、第二计
算单元70和判断单元80。其中，获取单元10用于获取待测视频；缩小单元20用于将相邻两帧图像缩小，得到缩小的相邻两帧图像的矩阵数组；分割单元30用于对缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，得到分割后的图像的矩阵数组；检测单元40用于对分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，得到含疑似火焰图像的矩阵数组；图像处理单元50用于对含疑似火焰图像的矩阵数组进行边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组；第一计算单元60用于根据边界二值化图像的矩阵数组计算火焰边缘变化图像的矩阵数组；第二计算单元70用于计算火焰边缘变化图像的矩阵数组的边缘变化率；判断单元80用于根据边缘变化率判断是否发出火灾预警信号。
[0061]
在本发明的一个实施例中，获取单元10可从网络上下载待测视频，待测视频分别为火灾视频和干扰视频，其中，火灾视频可为点蜡烛视频，干扰视频可分别为与火焰颜色相近的灯和穿着与火焰颜色相近的人。在点蜡烛视频中的第a帧蜡烛被点燃，在点蜡烛视频中的第b帧蜡烛熄灭，其中，b大于a。
[0062]
在本发明的一个具体实施例中，火灾视频可为时长20秒、帧率为25帧/秒的点蜡烛视频。其中，该点蜡烛视频在第21帧时蜡烛被点燃，第333帧时蜡烛被熄灭。
[0063]
在本发明的一个实施例中，缩小单元20将待测视频的相邻两帧图像分别缩小至480*320像素分辨率大小，以便于减少后续的运算量，提高运算速度。
[0064]
在本发明的一个实施例中，分割单元30通过以下步骤对缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割：
[0065]
首先，将缩小的相邻两帧图像的矩阵数组进行灰度化处理，得到灰度图像的矩阵数组；进一步地，将灰度图像的矩阵数组利用二值化公式进行二值化处理，得到二值化掩膜图像，其中，二值化公式为：
[0066][0067]
其中，m为图像矩阵行向量的变量，m的变化范围为[1,480]，n为图像矩阵列向量的变量，n的变化范围为[1,320]，f为图像矩阵的变量；最后，将二值化掩膜图像与缩小的相邻两帧图像的矩阵数组相乘，得到分割后的图像的矩阵数组。
[0068]
在本发明的一个实施例中，检测单元40可使用独立分量分析的方式将待测视频中的火焰图像分割。具体地，首先，将待测视频的图像序列进行白化处理，然后，使用独立分量分析将图像中包含着独立信息的区域分离出来，最后，通过hsv颜色模型确定火焰所在的区域。通过使用独立分量分析的方式，能够有效地分割出疑似火焰区域，且不易受到噪声和光线变化的影响。
[0069]
在本发明的一个实施例中，图像处理单元60首先对含疑似火焰图像的矩阵数组进行二值化处理，得到二值化图像的矩阵数组，再对二值化图像的矩阵数组进行八邻域边界提取，得到边界二值化图像的矩阵数组。
[0070]
在本发明的一个实施例中，火焰边缘变化图像的矩阵数组的计算公式为：
[0071][0072]
其中，表示异或，
·
表示逻辑与，x表示前一帧图像的矩阵数组，y表示后一帧图像的矩阵数组，k表示边缘变化图像的矩阵数组。
[0073]
在本发明的一个实施例中，边缘变化率的计算公式为：
[0074][0075]
其中，i为循环变量且i的变化范围为[1，n]，n为所述待测视频总帧数，pl为所述边缘变化率。
[0076]
在本发明的一个具体实施例中，判断单元80判断是否发出火灾预警信号具体包括：首先，对边缘变化率数组的n-1个数，可设每10列为一组。然后，每10列中边缘变化率大于或等于0.2每出现一次，则频次变量就累加一次。最后，若该10列中频次变量的数值大于或等于6，则判断该10列中存在火灾，发出火灾预警信号。
[0077]
根据本发明实施例的基于基于火焰抖动特征的火灾抗干扰检测装置，通过分割单元对待测视频的相邻两帧图像的矩阵数组进行分割，检测单元对分割后的图像的矩阵数组进行hsv颜色检测，然后通过图像处理单元确定疑似火焰区域，并通过疑似火焰区域计算火焰边缘变化图像的矩阵数组，最后通过计算火焰边缘变化率判断是否发出火灾预警信号，由此，能够快速检测出火灾火焰，不仅运算简单，且抗干扰性较强，准确率较高。
[0078]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0079]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0080]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0081]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0082]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括
一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0083]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0084]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0085]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0086]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0087]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。