【正文】 氧化碳的共鳴放射能量作為探測(cè)和定位的判據(jù)，由于非火災(zāi)熱源不能產(chǎn)生高溫二氧化碳，因此即使到達(dá)火災(zāi)的同一溫度，也不會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)，這能極大地減少誤報(bào)的概率。探測(cè)裝置對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行水平200m、垂直90m。的三維掃描，監(jiān)視距離可達(dá)200米，火源的探測(cè)分析能力為0．5米，探測(cè)誤差為2米，與紅外線火災(zāi)探測(cè)裝置聯(lián)動(dòng)的水炮滅火系統(tǒng)射程可達(dá)100米，有4種型號(hào)可供選擇，rrv監(jiān)視器能自動(dòng)瞄準(zhǔn)火源，用于確認(rèn)火災(zāi)和噴水狀況，中央控制臺(tái)可進(jìn)行集中監(jiān)視和控制。該系統(tǒng)己應(yīng)用于神戶時(shí)裝表演城、京都火車站、大阪體育館、北九州體育館、神戶市體育館、臺(tái)北金融大廈等處。 美國(guó)諾蒂菲爾公司推出的IPX751新型先進(jìn)多傳感器探測(cè)系統(tǒng)。這種新型探測(cè)系統(tǒng)是由光電、離子及感溫傳感器復(fù)合組成，其裝有一個(gè)具有先進(jìn)算法的微處理器，可使傳感器共同工作。該產(chǎn)品能夠隨時(shí)分析報(bào)警情況，在快速響應(yīng)各種火災(zāi)的同時(shí)，還具有極高的免誤報(bào)能力。IPX751多傳感器探測(cè)系統(tǒng)的離子和光電探測(cè)元件靈敏度高，可在提供優(yōu)異探測(cè)能力的同時(shí)，大大減少誤報(bào)。此外，還增加了感溫元件，能使系統(tǒng)探測(cè)任何類型的火災(zāi)。 英國(guó)瓦哥那的Titanus3000高靈敏度吸氣式感煙探測(cè)系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和高級(jí)處理算法鑒別被吸入的氣樣是否含有真實(shí)火災(zāi)產(chǎn)生的煙粒子，并以同樣方法排除諸如灰塵和粉塵等誤報(bào)現(xiàn)象，具有很高的防誤報(bào)能力，能夠可靠地分辯真假火災(zāi)現(xiàn)象。另外，該系統(tǒng)也可通過(guò)這種先進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)極高感煙靈敏度，并可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，調(diào)整不同靈敏度等級(jí)。該產(chǎn)品主要用于使用傳統(tǒng)感煙探測(cè)系統(tǒng)不可靠的場(chǎng)所，如回收廠、面粉廠、冷凍庫(kù)和電磁兼容性較高的區(qū)域等。 Bosque公司的BSDS系統(tǒng)采用紅外和普通攝像機(jī)的雙波段監(jiān)控，可以對(duì)林火在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行識(shí)別并發(fā)出警報(bào)。攝像機(jī)安裝在觀測(cè)塔上，觀測(cè)塔與指揮中心采用無(wú)線通信，系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別森林火災(zāi)，可以區(qū)別其它現(xiàn)象的干擾，誤報(bào)率較低。系統(tǒng)還具有火災(zāi)行為預(yù)測(cè)軟件，參照監(jiān)控區(qū)域的地形數(shù)據(jù)和植被情況，根據(jù)起火地點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)火勢(shì)發(fā)展。軟件還能模擬滅火過(guò)程，從而有效地控制火勢(shì)。在火災(zāi)頻繁發(fā)生的季節(jié)中，實(shí)時(shí)的畫(huà)面能讓監(jiān)控人員無(wú)需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，就能得到火災(zāi)情況的比較，對(duì)較嚴(yán)重的火災(zāi)先采取措施。 Fire Sentry公司的VSD8(Visual Smoke Detection)系統(tǒng)基于復(fù)雜的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)CCTV圖像煙霧邊緣檢測(cè)技術(shù)可以在火災(zāi)初起階段報(bào)警，適用于電站、化工廠和造紙、水泥、污水處理等企業(yè)。 國(guó)內(nèi)起步雖然較晚，但一些科研機(jī)構(gòu)也做了積極的研究，并取得了一定的進(jìn)展，如科大立安安全技術(shù)有限責(zé)任公司。其開(kāi)發(fā)了“LAl00型大空間火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)”，系統(tǒng)由雙波段火災(zāi)探測(cè)器、線型光束圖像感煙火災(zāi)探測(cè)器和遠(yuǎn)控消防炮系統(tǒng)組成，擁有“雙波段圖像火災(zāi)探測(cè)技術(shù)”和“光截面圖像感煙火災(zāi)探測(cè)技術(shù)”。線型光束圖像感煙火災(zāi)探測(cè)器分為發(fā)射器和接收器，采用人工發(fā)射的紅外線形成光截面，該探測(cè)器火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間短，反映區(qū)域大，配置靈活，安裝方便，當(dāng)燃燒時(shí)產(chǎn)生的上升煙霧遮擋住紅外線，便會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。雙波段火災(zāi)探測(cè)器具有火焰探測(cè)功能，其由紅外CCD和彩色CCD組成，可將采集到的紅外視頻圖像信號(hào)彩色視頻圖像信號(hào)傳送給信息處理主機(jī)，利用火災(zāi)在視頻圖像上的特征進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)和定位。報(bào)警靈敏度可現(xiàn)場(chǎng)編程靈活設(shè)定，以滿足不同場(chǎng)所需要。其采用非接觸式探測(cè)，可以在防護(hù)罩內(nèi)安裝，具有防塵、防潮、防腐蝕功能，對(duì)環(huán)境因素適應(yīng)能力強(qiáng)(灰塵、潮濕、溫度、一般腐蝕性氣體或防爆場(chǎng)所等)，可用于環(huán)境惡劣的工業(yè)場(chǎng)所。LAl00能實(shí)現(xiàn)大空間建筑早期火災(zāi)的探測(cè)和三維空間定位，對(duì)消防炮在大空間建筑中的自動(dòng)定位滅火問(wèn)題有較好的解決，已成功應(yīng)用于中央電視臺(tái)、人民大會(huì)堂、首都體育館等數(shù)個(gè)國(guó)家重要單位，以及一些會(huì)展中心和企業(yè)。 目前日本、歐美等國(guó)家在大空間建筑中普遍使用的消防炮火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，雖然性能成熟，能夠較精確地探測(cè)和定位火災(zāi)，并得到廣泛應(yīng)用，但價(jià)格昂貴，如日本的消防炮，每臺(tái)報(bào)價(jià)約人民幣100萬(wàn)元，整套系統(tǒng)可達(dá)上千萬(wàn)元。為了解決國(guó)內(nèi)的巨大需求，開(kāi)發(fā)性能相似、價(jià)格低廉的大空間火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。因此以價(jià)格相對(duì)低廉的CCD攝像頭作為傳感器的圖像型火災(zāi)探測(cè)中消防炮定位技術(shù)在我國(guó)是有很大的應(yīng)用前途的。CCD攝像頭雖然不能直接探測(cè)火災(zāi)，但其能夠反映較多的火焰特征信息，我們可以結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，利用處理分析CCD采集的圖像信息來(lái)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)定位。由于CCD的信息量豐富，可同時(shí)反映火災(zāi)火焰和火焰煙氣的信息，如果本系統(tǒng)加強(qiáng)在早期火災(zāi)煙氣探測(cè)方面的算法研究，就可以解決陰燃等特殊情況，最大限度地提高系統(tǒng)可靠性和適用范圍。 概述 當(dāng)前室內(nèi)火災(zāi)報(bào)警技術(shù)已經(jīng)比較成熟。通過(guò)對(duì)光、煙、濕度等參考量加以判斷，然后直接實(shí)施滅火措施，進(jìn)行斷電、噴水等并報(bào)警。而對(duì)于室外的或大面積的監(jiān)控對(duì)象(如高層建筑、船舶碼頭、油庫(kù)、大型倉(cāng)庫(kù)等)，相對(duì)來(lái)說(shuō)可以使用的探測(cè)方式較少，利用圖像進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)控是目前主要的研究方向。由于圖形包含的數(shù)據(jù)量很大，所以首先需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，通常包括圖像增強(qiáng)、濾波、細(xì)化等幾個(gè)方面，然后對(duì)圖像進(jìn)行分割。 分割的目的是把圖像空間分成一些有意義的區(qū)域，可以以像素為基礎(chǔ)去研究圖像分割，也可以利用在指定區(qū)域中的某些圖像信息去分割。分割可以建立在相似性和非連續(xù)性的兩個(gè)基本概念上，其目的就是為下一步的圖像識(shí)別打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。精確的分割處理是提高整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性、魯棒性的前提條件，但同時(shí)由于各種環(huán)境下光照亮度的變化，以及經(jīng)常存在的干擾光源的影響，實(shí)現(xiàn)精確分割的難度較大。 原理介紹火災(zāi)火焰一般具有較為明顯的視覺(jué)特性:陰燃亮光、火焰顏色、閃爍和外形變化等。由于火災(zāi)火焰的顏色與溫度具有相關(guān)關(guān)系,隨著火焰由焰心到火焰外表面溫度的升高,其顏色依次為暗紅色、紅色、橙色、藍(lán)色、藍(lán)白色和白色。我們通過(guò)實(shí)際火災(zāi)火焰的圖像像素顏色分布統(tǒng)計(jì)仿真分析,還發(fā)現(xiàn)火災(zāi)火焰的顏色呈現(xiàn)指數(shù)分布規(guī)律的分布特性,及火災(zāi)火焰的顏色分布的周界可以用指數(shù)函數(shù)加以擬合,正是抓住了這種顏色分布規(guī)律,我們比較“干凈”地區(qū)分出了圖像中的“火焰”信息和背景噪聲信息。 其次,火災(zāi)火焰的燃燒遵循一定的規(guī)律,通過(guò)探究其從根部開(kāi)始,向上膨脹直至消失的過(guò)程,可以發(fā)現(xiàn),火災(zāi)火焰都是“活”的,具有跳動(dòng)的規(guī)律性特性。于是,我們?cè)O(shè)計(jì)了特殊的低通濾波器,并成功地得到了火災(zāi)火焰的跳動(dòng)頻率,我們把它叫做火災(zāi)火焰的閃爍頻率,而且我們把這種閃爍頻率作為火災(zāi)火焰的基本特性,用于判斷火災(zāi)火焰在圖像中的表現(xiàn)，從而能夠把火災(zāi)火焰從眾多噪聲信息中加以區(qū)分。 除開(kāi)上述兩種火災(zāi)火焰的特性之外,我們還試圖歸納出火災(zāi)火焰的發(fā)展趨勢(shì)及其在圖像上所表現(xiàn)出來(lái)的外形變化特征,還有基本固定的著火點(diǎn)等綜合信息,用于火災(zāi)火焰在序列視頻圖像幀中是否準(zhǔn)確存在的判斷依據(jù)。 火災(zāi)圖像處理系統(tǒng)的硬件組成一般圖像處理系統(tǒng)是由圖像輸入設(shè)備、保存圖像的存儲(chǔ)設(shè)備以及處理圖像的計(jì)算機(jī)等組成。在火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中，需要將攝像機(jī)的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)輸入電腦，并轉(zhuǎn)換成電腦可辨別的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便進(jìn)行進(jìn)一步的火災(zāi)識(shí)別和處理。這需要攝像器件獲取視頻圖像，需要使用視頻采集卡以完成轉(zhuǎn)換過(guò)程。以下對(duì)攝像頭和視頻采集卡進(jìn)行重點(diǎn)介紹。（1）攝像器件 對(duì)于一般物質(zhì)如木制品等易燃物，早期火災(zāi)的主要光譜特征在紅外、紅光以及黃光范圍，般燃燒很難達(dá)到藍(lán)光范圍。通過(guò)攝像機(jī)攝取的影像，利用實(shí)時(shí)影像的多重判據(jù)，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)早期探測(cè)。由于彩色影像中的干擾信息很多，單純依靠彩色影像進(jìn)行火災(zāi)的探測(cè)是不夠的，紅外光譜的組合利用將極大的改善利用影像信息探測(cè)火災(zāi)的效果，一般稱這種組合探測(cè)方式為雙波段圖像型火災(zāi)探測(cè)。用于火災(zāi)探測(cè)的攝像器件應(yīng)根據(jù)火災(zāi)的典型光譜特征進(jìn)行選擇。如上一節(jié)所述，早期火災(zāi)的各種物理現(xiàn)象(陰燃、火羽流和煙氣)都存在著大量的紅外輻射，盡管其峰值輻射光譜范圍較窄(～97um)，但整個(gè)輻射光譜基本上包括了熱輻射的光譜范圍：～100um。由于20um～100um為強(qiáng)水氣吸收帶，因此在工程上有意義的波長(zhǎng)范圍為0．2um～20um。據(jù)此，早期火災(zāi)圖像探測(cè)可選擇對(duì)特定光譜敏感的像敏元件作為探測(cè)器件。 根據(jù)微電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，可以實(shí)現(xiàn)以上探測(cè)功能的攝像器件主要有以下四種：熱像儀、微光攝像機(jī)、黑白CCD攝像機(jī)以及彩色CCD攝像機(jī)。（2）視頻采集卡 常用的視頻輸入處理芯片有荷蘭PHILIPS公司的SAA711l以及?？低暪镜腄S一40xxHC，支持RGB和YUV兩種格式。雖然?？低暪镜腄s一40xxHC對(duì)RGB格式的支持稍弱，但性價(jià)比較高，且基本功能滿足系統(tǒng)需要，因此本系統(tǒng)采用該款視頻卡。（3）圖像文件格式 數(shù)字圖像處理的軟件部分是火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的核心。它對(duì)數(shù)字圖像首先進(jìn)行圖像分割，然后利用圖像特性對(duì)這些目標(biāo)亮點(diǎn)區(qū)域加以識(shí)別和分類，檢測(cè)出圖像中是否有火災(zāi)。 在處理火災(zāi)圖像的過(guò)程中，我們將用圖像作為實(shí)際的載體，進(jìn)行早期火災(zāi)火焰和其他干擾現(xiàn)象的識(shí)別、分辨。下面對(duì)YUV圖像格式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 YUV格式在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中廣泛使用?，F(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色CCD攝像機(jī)，把所攝得的彩色圖像信號(hào)經(jīng)分色棱鏡分成Ro，Go，Bo三個(gè)分量的信號(hào)：分別經(jīng)放大和校正得到三基色，再經(jīng)過(guò)矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y、色差信號(hào)RY(u)和BY(V)，最后發(fā)送端將Y、RY(U)和BY(V)三個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼，用同一倍道發(fā)送出去，這就是我們常用的YUV彩色空間。 YUV的色度頻道的采樣率可比Y頻道低，同時(shí)不會(huì)明顯降低視覺(jué)質(zhì)量。通過(guò)描述Y、U、V的采樣頻率比例，YUV格式可分為4：4：4格式、4：2：2格式、4：2：0格式。 在4：2：2格式中，數(shù)據(jù)可被視為一個(gè)不帶正負(fù)號(hào)的char值組成的數(shù)組，其中第一個(gè)字節(jié)包含第一個(gè)Y樣例，第二個(gè)字節(jié)包含第一個(gè)U樣例，第三個(gè)字節(jié)包含第二個(gè)Y樣例，第四個(gè)字節(jié)包含第一個(gè)V樣例，如圖1所示。 Increasing memory address YO UO Y1 V0 Y2 U1 Y3 V1 Y4 U2 Y5 V2 圖21 YUV4:2:2 內(nèi)存布局 火災(zāi)圖像的獲取 火焰燃燒時(shí)的紅外輻射主要集中于950nm至2000nm的波段，因此本系統(tǒng)采用帶有紅外濾鏡的CCD攝像頭，該濾鏡能將可見(jiàn)光完全濾除掉，只有波長(zhǎng)大于850nm的紅外輻射才能形成視頻信號(hào)。該視頻信號(hào)通過(guò)海康威視公司的視頻卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像序列。 該數(shù)字圖像序列為YUV4：2：2格式，為便于處理，需要對(duì)圖像解壓縮成最為直觀的bmp格式。其轉(zhuǎn)換公式為： (21)在實(shí)際情況中，大部分時(shí)間處于無(wú)疑似火源的狀態(tài)，因此可對(duì)圖像序列先進(jìn)行簡(jiǎn)單的有無(wú)異常情況的判斷。本系統(tǒng)采用減法運(yùn)算來(lái)檢測(cè)圖像的狀態(tài)是否有改變。運(yùn)算公式為： (22)