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(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015)

基于圖像的火焰識(shí)別屬于模式識(shí)別技術(shù)的范疇，是火災(zāi)視頻探測(cè)過程中的核心部分。基于圖像的火焰識(shí)別是對(duì)經(jīng)過目標(biāo)區(qū)域分割后的灰度圖或二值圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分析、處理，提取目標(biāo)區(qū)域中一些符合火焰的特征，用來識(shí)別火焰和區(qū)分干擾源?；鹧娴奶卣饔泻芏喾N，具體的選擇要考慮使用環(huán)境、干擾源類型、算法實(shí)現(xiàn)難易程度等多種因素，以滿足火災(zāi)探測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求。在一些區(qū)分度很高的應(yīng)用環(huán)境中，判決過程可以采用簡(jiǎn)單的閾值判別；而在那些圖像信息表達(dá)不清晰、干擾源多的環(huán)境中，則需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的判決規(guī)則，必要時(shí)可以考慮使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[1-2]。

1 模式識(shí)別

模式識(shí)別是指對(duì)表征實(shí)物或現(xiàn)象的各種形式的(數(shù)值的、文字的和邏輯關(guān)系的)信息進(jìn)行處理和分析，以對(duì)實(shí)物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過程。根據(jù)是否預(yù)先已知目標(biāo)樣本所屬的類別，可分為有監(jiān)督的和無監(jiān)督的模式識(shí)別。在實(shí)際應(yīng)用中，往往無法獲得大量已知樣本類別信息，因此研究無監(jiān)督的模式識(shí)別十分必要。基于圖像的火焰識(shí)別是模式識(shí)別的一類具體應(yīng)用，即圖像識(shí)別。圖像識(shí)別一般依次分為圖像獲取及預(yù)處理、特征提取、依據(jù)判據(jù)分類。

火焰識(shí)別是火災(zāi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其識(shí)別率的高低直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。而識(shí)別率主要取決于所選的火焰特征，需要選擇與環(huán)境差異大、區(qū)分度高的特征作為識(shí)別依據(jù)。

2 火焰特征提取

可用來進(jìn)行識(shí)別的火焰特征有很多，大體上分為靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征兩大類。靜態(tài)特征包括火焰的形狀、顏色、紋理等，而面積變化、火焰閃動(dòng)、邊緣抖動(dòng)等則屬于動(dòng)態(tài)特征。在實(shí)際應(yīng)用中，利用單一特征進(jìn)行火焰識(shí)別是十分困難且不可靠的。大多數(shù)的應(yīng)用都是提取幾種火焰與干擾源有明顯區(qū)別的特征綜合利用，加以識(shí)別。例如火焰面積變化特征。早期火焰從無到有并有擴(kuò)大趨勢(shì)，火焰面積不斷增大。但是發(fā)光物體靠近攝像頭，在圖像上表現(xiàn)出來的也是面積增大的特征。因此，需要利用多個(gè)特征形成多重判據(jù)，才能夠提高識(shí)別率。

用來進(jìn)行火焰識(shí)別的圖像，并不是通過攝像頭直接采集的原始圖像，而是經(jīng)過前期預(yù)處理的圖像，一般為經(jīng)過目標(biāo)分割后的二值圖像。這是因?yàn)樵紙D像中包含了太多無用的或?qū)ψR(shí)別結(jié)果容易產(chǎn)生干擾的信息，濾掉這些信息更便于火焰特征的提取和判別。

使用環(huán)境對(duì)火焰特征的選擇有很大的影響，因?yàn)榄h(huán)境不同，存在的干擾源也不盡相同，因此需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整算法，最大程度地滿足火焰探測(cè)的快速性和準(zhǔn)確性的要求。本文提取火焰的面積變化特征、圓形度等特征來識(shí)別火焰。

2.1 面積變化特征

(1)

(2)

n的范圍是從某一幀開始的連續(xù)10幀圖像。每完成一次計(jì)算之后，重新取出的圖像并不是第11幀到第20幀，而是用第11幀圖像代替第一幀圖像，以此類推。從而進(jìn)一步減弱了火焰面積振蕩變化帶來的影響。

當(dāng)R(M)>1時(shí)，就說明當(dāng)前目標(biāo)區(qū)域面積有增大的趨勢(shì)。同時(shí)，火災(zāi)火焰的面積不會(huì)太小，否則也不會(huì)造成危害，與蠟燭的小火有明顯區(qū)別。

2.2 圓形度

圓形度可以用來表征目標(biāo)區(qū)域形狀的規(guī)則程度?；馂?zāi)火焰的形狀是十分不規(guī)整的，而諸如蠟燭、手電筒、燈光等干擾源的形狀就要規(guī)整得多。因此，圓形度可以用來有效地區(qū)分火災(zāi)火焰與部分干擾源。

目標(biāo)區(qū)域Ω的圓形度CΩ的計(jì)算表達(dá)式為

(3)

式中：LΩ——目標(biāo)區(qū)域Ω的周長(zhǎng)；

SΩ——目標(biāo)區(qū)域Ω的面積。

目標(biāo)區(qū)域的周長(zhǎng)LΩ的計(jì)算方法有兩種。第一種原理非常簡(jiǎn)單，就是統(tǒng)計(jì)目標(biāo)區(qū)域邊緣的像素?cái)?shù)。使用這種方法首先需要獲得目標(biāo)區(qū)域的單像素邊緣圖像，每個(gè)像素代表相對(duì)長(zhǎng)度1。這種方法計(jì)算的數(shù)據(jù)不夠精確，一些對(duì)計(jì)算精度要求不是很高的應(yīng)用均可以采用。另一種方法是采用邊緣鏈碼。以8鄰域[3]檢測(cè)獲取目標(biāo)區(qū)域邊緣鏈碼。算法實(shí)現(xiàn)如下。

圖1 邊緣鏈碼方向碼

在式(3)中除以4π是為了使結(jié)果更易于觀察，CΩ越接近1，說明目標(biāo)區(qū)域越接近圓形，邊緣越規(guī)則，CΩ越大就表示目標(biāo)區(qū)域邊緣越復(fù)雜。

例如蠟燭、手電筒、太陽光等干擾源，其圓形度非常接近1，而火災(zāi)火焰的圓形度一般在2以上，由此可以很容易將火災(zāi)火焰與部分干擾源區(qū)分開來。

2.3 火焰尖角

火焰尖角也是用來區(qū)別火災(zāi)火焰與干擾源的主要特征之一。不穩(wěn)定火焰邊緣的抖動(dòng)特性集中表現(xiàn)為火焰尖角數(shù)量的無規(guī)則變化。因此不穩(wěn)定火焰的尖角特征一是火焰尖角的個(gè)數(shù)較多，二是尖角數(shù)量的變化范圍較大?？梢岳眠@個(gè)特點(diǎn)來區(qū)分火災(zāi)火焰與干擾源。

火焰尖角的識(shí)別需要滿足以下兩個(gè)條件。

1)必須有一個(gè)“頂點(diǎn)”，即火焰邊緣的一個(gè)極值點(diǎn)；

2)尖角的形態(tài)為尖而長(zhǎng)[4]，從“頂點(diǎn)”展開的內(nèi)角應(yīng)小于一個(gè)角度閾值。

具體算法實(shí)現(xiàn)如下。

①頂點(diǎn)的確定。在已知的邊緣上尋找這樣的點(diǎn)i，它的前、后各N個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)都不大于它的縱坐標(biāo)，且第N個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)不大于第N-1個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)，即滿足式(4)。

(4)

N的取值會(huì)對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生影響，N越大，滿足的條件就越苛刻，符合要求的尖角就會(huì)越少；反之則尖角越多。選擇適當(dāng)?shù)腘值是十分重要的。通過實(shí)驗(yàn)，本文選擇N=3。

②角度的計(jì)算。以頂點(diǎn)i為中心，前后各間隔M個(gè)點(diǎn)取點(diǎn)i-M和i+M,以這三點(diǎn)形成的三角形，則頂點(diǎn)i處的內(nèi)角可用式(5)～(8)計(jì)算得到。

(5)

(6)

(7)

(8)

M應(yīng)小于等于N。M的取值同樣會(huì)影響計(jì)算的結(jié)果，本文選取M=2。當(dāng)i小于某一個(gè)值時(shí)，可以認(rèn)為頂點(diǎn)i處為一個(gè)火焰尖角。

這樣計(jì)算角度會(huì)增加算法的復(fù)雜度，如果對(duì)計(jì)算精度要求不高，可使用高寬比粗略計(jì)算，計(jì)算公式見(9)～(11)。

(9)

d=xi+M-xi-M

(10)

(11)

k的值越大，尖角越“尖”；k的值越小，則尖角越平滑。

太陽光、手電筒、蠟燭等干擾源的尖角數(shù)會(huì)較少，而不穩(wěn)定火焰的尖角數(shù)會(huì)比較多，并且在一個(gè)較大的范圍內(nèi)不斷變化。

3 結(jié)論

本文對(duì)同時(shí)滿足面積變化、圓形度和火焰尖角特征的目標(biāo)區(qū)域判別為火災(zāi)火焰，而對(duì)僅滿足一種或兩種特征的目標(biāo)判別為干擾源。

不僅對(duì)于本文上述的幾種干擾源可以進(jìn)行有效區(qū)分，對(duì)于一些不同的干擾源也同樣適用。例如，當(dāng)手電筒向攝像頭移動(dòng)，目標(biāo)區(qū)域面積同樣會(huì)增大，但是圓形度和火焰尖角特征均不滿足，因此不是火災(zāi)火焰。陽光透過樹葉形成的反光區(qū)域，雖然滿足圓形度和火焰尖角的特征，但其面積沒有增大的趨勢(shì)，因此也不是火災(zāi)火焰。

如果使用環(huán)境中仍存在某些干擾源，同時(shí)滿足面積變化、圓形度和火焰尖角特征，則本文所涉及的算法就會(huì)誤識(shí)別為火災(zāi)火焰，需要增加火焰特征或選擇不同火焰特征重新設(shè)計(jì)。

[1] 孫兆林.MATLAB 6.x圖像處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[2] 朱 虹.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3] 胡學(xué)龍，徐開宇.數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.[4] 董 墨.基于圖像處理的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的研究[D].沈陽:沈陽理工大學(xué).2008.