周義勇

(上海電控研究所, 上海 200092)

當(dāng)前國內(nèi)外裝甲車輛的滅火分乘員艙和動(dòng)力艙兩個(gè)部分，其中乘員艙涉及到乘員的安全問題，使用兩波段或三波段(包括紅外波段、紫外波段)光學(xué)探測(cè)器探測(cè)火警并進(jìn)行滅火和抑爆，當(dāng)敵方破甲彈的射流引燃車內(nèi)油氣混合氣或彈藥爆炸引起二次效應(yīng)時(shí),乘員艙的光學(xué)火焰探測(cè)器能夠在5 ms內(nèi)作出反應(yīng)觸發(fā)報(bào)警完成滅火抑爆，保護(hù)乘員的人身安全；而動(dòng)力艙的火警探測(cè)采用線式火焰?zhèn)鞲衅靼惭b于動(dòng)力艙的周圍壁上，通過線式火焰?zhèn)鞲衅鞲兄獎(jiǎng)恿ε搩?nèi)的異常高溫來判斷火警并觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行滅火，其響應(yīng)時(shí)間一般3～5 s，其過大的延遲響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)喪失裝甲車輛的動(dòng)力性能或戰(zhàn)斗力[1]。

近年來，國內(nèi)外對(duì)火焰檢測(cè)方面有著廣泛的研究，提出了很多火災(zāi)探測(cè)視頻技術(shù)和算法。袁偉在博士論文[2]中提出利用局部二元模式LBP、Gabor算子等局部特征描述并提取火焰的局部紋理特征、頻率特征，再利用Adaboost分類器學(xué)習(xí)訓(xùn)練主動(dòng)式識(shí)別方法提高火焰識(shí)別率。吳建勝[3]提出的基于OHTA顏色空間最大類間方差法并通過Otsu閾值來分割火焰區(qū)域，再利用三幀差法進(jìn)行火焰的確定。Toreyin[4]對(duì)火焰的邊界采用小波變換，提取其高頻特征來描述火焰的閃爍特征。Jenifer[5]采用概率論統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)火焰的顏色、面積、表面粗糙度、偏斜度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后使用貝葉斯分類器進(jìn)行決策?？傮w來說，國內(nèi)外視頻火焰探測(cè)方法算法差異很大，普遍存在著計(jì)算量太大不利于要求高實(shí)時(shí)性場(chǎng)合的實(shí)際應(yīng)用，因此提出高效的火焰視頻探測(cè)識(shí)別和檢測(cè)算法具有重要的意義。

對(duì)此提出通過在動(dòng)力艙安裝視頻采集火焰視頻，對(duì)火焰固有多特征(靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征)進(jìn)行分析，首先通過火焰的顏色特征建立火焰的顏色模型并提取疑似火焰區(qū)域；其次通過提取疑似火焰區(qū)域的閃爍特征、面積變化特性等動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)一步判斷待檢區(qū)域是否發(fā)生火災(zāi)從而觸發(fā)火警信號(hào)，從探測(cè)到疑似火焰區(qū)域，通過算法進(jìn)行探測(cè)識(shí)別并輸出火警觸發(fā)信號(hào)，其響應(yīng)時(shí)間為500 ms左右，相對(duì)于原先的線式火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)方式，具有響應(yīng)時(shí)間快、判斷準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 火焰圖像顏色特征的描述與疑似火焰區(qū)域分析提取

火焰的靜態(tài)特征是視頻采集中單幀數(shù)字圖像所表現(xiàn)出來的固有特征，主要體現(xiàn)在火焰突出的光譜特征和獨(dú)特的火焰空間區(qū)域特征兩個(gè)方面[6-7]。因此，本文從火焰圖像區(qū)域的顏色特征和形狀特征來分析和提取火焰圖像的疑似區(qū)域。

火焰的顏色特征主要體現(xiàn)在其與動(dòng)力艙環(huán)境強(qiáng)烈的亮度對(duì)比和獨(dú)特的顏色信息上，火焰發(fā)光、發(fā)熱的特征在視頻圖像中表現(xiàn)為該區(qū)域的像素點(diǎn)的色度值偏紅并且亮度值明顯高于艙內(nèi)其他區(qū)域的像素點(diǎn)[8]，因此通過RGB顏色模型和HSI顏色模型的公式變換來提取疑似火焰區(qū)域[9]。

根據(jù)RGB和HIS模型的特征，其RGB顏色空間到HSI顏色空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1)所示：

(1)

利用火焰顏色的R、G、B三個(gè)分量之間關(guān)系的分析過程，對(duì)火焰顏色分量分別進(jìn)行提取，不同的顏色分量如圖1所示。

圖1 火焰顏色分量

從圖1可以看出：對(duì)于圖像中顏色偏紅和紅黃的火焰區(qū)域，僅含有R分量的火焰圖像明顯是最亮的，說明該區(qū)域中的R分量的值最大，其次是僅含有G分量的火焰圖像，最暗則是僅含有B分量的火焰圖像[10]，根據(jù)明亮程度可以初步得到，這些區(qū)域R分量的值大于等于G分量的值，G分量的值大于等于B分量的值。各顏色分量轉(zhuǎn)化成直方圖[11]如圖2所示。

圖2 火焰顏色分量直方圖

原圖像的R、G、B三通道的直方圖可以看出，在火焰區(qū)域中R分量像素值要大于G分量的像素值，G分量的像素值大于B分量的像素值。對(duì)于每個(gè)火焰像素點(diǎn)，紅色分量R取值大小的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 火焰圖像R值統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在16 129個(gè)火焰像素點(diǎn)上，大概80%的火焰像素點(diǎn)紅色分量的值是大于100的，當(dāng)R分量的值限定到125以上時(shí)，滿足這一要求的火焰像素點(diǎn)僅能達(dá)到10%。所以認(rèn)為火焰的像素點(diǎn)R分量取值范圍是100～120。在這里我們?nèi)』鹧嫦袼攸c(diǎn)的閾值RT為115。

火焰的顏色是介于紅色和黃色之間，映射到HSI顏色模型中，色調(diào)H的取值范圍為0～ 60。火焰的飽和度S會(huì)隨著背景亮度變化而變化，對(duì)于同一像素點(diǎn)，當(dāng)R分量的值為RT時(shí)，飽和度S對(duì)應(yīng)為ST。通過統(tǒng)計(jì)分析火焰區(qū)域R、G、B、H、S、I分量的大小關(guān)系可知，R分量和飽和度S之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 火焰像素點(diǎn)R分量與S分量關(guān)系示意圖

火焰像素點(diǎn)滿足條件S≥((255-R)*ST/RT)，這個(gè)條件說明隨著R值的增大飽和度會(huì)降低。當(dāng)R值增加到最大值255時(shí)，飽和度會(huì)降低到0。

通過上面的分析可得到火焰的顏色模型如式(2)：

(2)

通過上述的顏色模型公式，可以粗略地分割出疑似火焰區(qū)域。

2 火焰面積和火焰閃爍特征分析

在確定火焰疑似區(qū)域后，根據(jù)動(dòng)力艙的內(nèi)部環(huán)境特性，對(duì)火焰面積和火焰閃爍特征分析，從而確定火焰存在并觸發(fā)火警信號(hào)。

在動(dòng)力艙內(nèi)部封閉環(huán)境中，發(fā)生火焰區(qū)域的面積表現(xiàn)為連續(xù)性、不斷擴(kuò)展的變化趨勢(shì)[12-13]，因此攝像頭采集的視頻圖像監(jiān)測(cè)到的疑似火焰目標(biāo)面積相對(duì)于靜態(tài)的艙內(nèi)環(huán)境也會(huì)逐漸變大，通過目標(biāo)圖像火焰面積分析對(duì)疑似火焰連續(xù)視頻幀的圖像進(jìn)行算法分析，先通過閾值分割出疑似火焰目標(biāo)區(qū)域，然后統(tǒng)計(jì)出目標(biāo)物體的像素點(diǎn)數(shù)，同時(shí)計(jì)算相鄰視頻幀的像素點(diǎn)的變化率來判斷火焰的閃爍特征，確定火焰的存在[14-15]，具體算法如下：

Ai為第i幀圖像疑似火焰區(qū)域的面積，Ai-1為第i-1幀圖像疑似火焰區(qū)域的面積，ad為相鄰幀疑似火焰區(qū)域面積變化率，m為滿足連通區(qū)域面積大于閾值T1的連續(xù)幀數(shù)。

1) 首先判斷第i幀圖像連通區(qū)域的面積Ai是否大于閾值T1;

2) 在滿足Ai大于T1的條件下，m++，判斷連續(xù)幀數(shù)m是否大于5，一旦Ai小于T1出現(xiàn)，則m清零;

3) 如果m≥5成立，計(jì)算此時(shí)疑似火焰區(qū)域面積的變化率ad，同時(shí)m清零;

4) 若1.15≤ad≤ 20，或者ad< 0.85則認(rèn)為，此疑似火焰圖像可能具有閃爍性，則an++；

5) 保存當(dāng)前幀火焰區(qū)域的面積Ai作為下一幀的Ai-1，用來下一幀的面積分析；

6) 若ad值不在(4)范圍內(nèi)，認(rèn)為疑似火焰區(qū)域面積在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)沒有太大變化，不符合火焰面積變化規(guī)律，則所有的計(jì)數(shù)器清零，包括an計(jì)數(shù)清零；

7) 如果an>T2則認(rèn)為此區(qū)域滿足火焰的面積變化規(guī)律，判定此區(qū)域發(fā)生火災(zāi)。

采用360P，30fps攝像頭對(duì)該空間進(jìn)行疑似火焰圖像視頻流進(jìn)行采集并靜態(tài)特征分析，其疑似火焰一般在發(fā)生初期10 ms內(nèi)就能識(shí)別確定，據(jù)實(shí)際環(huán)境以及經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)力艙的攝像頭有效探測(cè)空間約為1 m2,因此其疑似火焰區(qū)域的感光成像面積即連通區(qū)域像素點(diǎn)總數(shù)基本確定，其閾值T1一般500～700范圍內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)得知當(dāng)T1=600時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)排除一般的噪聲干擾和其他背景干擾的影響，并且能把漏檢率降到最低。滿足面積變化率的累積計(jì)數(shù)an=3，即這里統(tǒng)計(jì)連續(xù)的15幀(m乘以an)范圍內(nèi)能夠滿足面積變化率的計(jì)數(shù)an超過T2=3計(jì)數(shù)時(shí)，則認(rèn)為滿足火焰的面積變化規(guī)律和火焰的閃爍性特征，同時(shí)在500 ms內(nèi)完成檢測(cè)確定，其火焰面積以及閃爍特征算法流程如圖4所示。

圖4 火焰面積分析算法流程

3 方法的試驗(yàn)結(jié)果和分析

參考動(dòng)力艙限定的封閉空間環(huán)境，建立動(dòng)力艙模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室并人工產(chǎn)生火源，彩色CCD攝像頭采集火焰圖像視頻流并進(jìn)行靜態(tài)區(qū)域提取和動(dòng)態(tài)特征分析，圖5為以時(shí)間軸為順序經(jīng)圖像預(yù)處理的火源視頻截圖。

圖5 圖像預(yù)處理后的火源視頻截圖

其靜態(tài)分析火焰圖像的R值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2(RT為115時(shí))。

表2 火焰圖像R值統(tǒng)計(jì)表

圖6表示了疑似火焰的連通面積，可以看出：根據(jù)火焰的動(dòng)態(tài)連續(xù)擴(kuò)展特性，其連通區(qū)域面積具有持續(xù)變大的趨勢(shì)。通過圖像算法分析，計(jì)算相鄰視頻幀的像素點(diǎn)的變化率(ad)來判斷火焰的閃爍特征，因?yàn)榛鹪词巧L(zhǎng)狀態(tài)，因此ad值是大于1的，如火源在熄滅過程，則ad值小于1，見表3。

圖6 疑似火焰連通面積

T2=1ad=Ai-1Ai火焰判定T2=2ad=Ai-1Ai火焰判定T2=3ad=Ai-1Ai火焰判定無疑似2.3疑似4.6確定

根據(jù)其火焰閃爍特征分析判定方法，即ad值在1.15≤ad≤ 20范圍內(nèi)，并且滿足面積變化率的計(jì)數(shù)an超過T2=3計(jì)數(shù)時(shí)，則認(rèn)為滿足火焰的面積變化規(guī)律和火焰的閃爍性特征，判定火焰發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對(duì)裝甲車輛特定環(huán)境內(nèi)提取火焰的顏色特征，形狀特征等靜態(tài)特征確定疑似火焰區(qū)域，并且提取疑似火焰區(qū)域閃爍特征、面積變化特征等動(dòng)態(tài)特征并進(jìn)行算法分析，進(jìn)一步判斷待檢測(cè)區(qū)域是否發(fā)生火災(zāi)。通過建立動(dòng)力艙模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室并試驗(yàn)，文中提出的多特征火焰分析和識(shí)別算法能快速確定動(dòng)力艙的火焰發(fā)生，使視頻探測(cè)裝甲車輛動(dòng)力艙火焰發(fā)生的技術(shù)可行，從而取代傳統(tǒng)的線式火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>