【正文】 氧化碳的共鳴放射能量作為探測和定位的判據(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，也不會導(dǎo)致誤報，這能極大地減少誤報的概率。探測裝置對監(jiān)控區(qū)域進行水平200m、垂直90m。的三維掃描，監(jiān)視距離可達(dá)200米，火源的探測分析能力為0．5米，探測誤差為2米，與紅外線火災(zāi)探測裝置聯(lián)動的水炮滅火系統(tǒng)射程可達(dá)100米，有4種型號可供選擇，rrv監(jiān)視器能自動瞄準(zhǔn)火源，用于確認(rèn)火災(zāi)和噴水狀況，中央控制臺可進行集中監(jiān)視和控制。該系統(tǒng)己應(yīng)用于神戶時裝表演城、京都火車站、大阪體育館、北九州體育館、神戶市體育館、臺北金融大廈等處。 美國諾蒂菲爾公司推出的IPX751新型先進多傳感器探測系統(tǒng)。這種新型探測系統(tǒng)是由光電、離子及感溫傳感器復(fù)合組成，其裝有一個具有先進算法的微處理器，可使傳感器共同工作。該產(chǎn)品能夠隨時分析報警情況，在快速響應(yīng)各種火災(zāi)的同時，還具有極高的免誤報能力。IPX751多傳感器探測系統(tǒng)的離子和光電探測元件靈敏度高，可在提供優(yōu)異探測能力的同時，大大減少誤報。此外，還增加了感溫元件，能使系統(tǒng)探測任何類型的火災(zāi)。 英國瓦哥那的Titanus3000高靈敏度吸氣式感煙探測系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和高級處理算法鑒別被吸入的氣樣是否含有真實火災(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現(xiàn)象，具有很高的防誤報能力，能夠可靠地分辯真假火災(zāi)現(xiàn)象。另外，該系統(tǒng)也可通過這種先進方法，實現(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。該產(chǎn)品主要用于使用傳統(tǒng)感煙探測系統(tǒng)不可靠的場所，如回收廠、面粉廠、冷凍庫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的雙波段監(jiān)控，可以對林火在短時間內(nèi)進行識別并發(fā)出警報。攝像機安裝在觀測塔上，觀測塔與指揮中心采用無線通信，系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別森林火災(zāi)，可以區(qū)別其它現(xiàn)象的干擾，誤報率較低。系統(tǒng)還具有火災(zāi)行為預(yù)測軟件，參照監(jiān)控區(qū)域的地形數(shù)據(jù)和植被情況，根據(jù)起火地點來預(yù)測火勢發(fā)展。軟件還能模擬滅火過程，從而有效地控制火勢。在火災(zāi)頻繁發(fā)生的季節(jié)中，實時的畫面能讓監(jiān)控人員無需到達(dá)現(xiàn)場，就能得到火災(zāi)情況的比較，對較嚴(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)雜的計算機視覺技術(shù)，通過CCTV圖像煙霧邊緣檢測技術(shù)可以在火災(zāi)初起階段報警，適用于電站、化工廠和造紙、水泥、污水處理等企業(yè)。 國內(nèi)起步雖然較晚，但一些科研機構(gòu)也做了積極的研究，并取得了一定的進展，如科大立安安全技術(shù)有限責(zé)任公司。其開發(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)探測器、線型光束圖像感煙火災(zāi)探測器和遠(yuǎn)控消防炮系統(tǒng)組成，擁有“雙波段圖像火災(zāi)探測技術(shù)”和“光截面圖像感煙火災(zāi)探測技術(shù)”。線型光束圖像感煙火災(zāi)探測器分為發(fā)射器和接收器，采用人工發(fā)射的紅外線形成光截面，該探測器火災(zāi)響應(yīng)時間短，反映區(qū)域大，配置靈活，安裝方便，當(dāng)燃燒時產(chǎn)生的上升煙霧遮擋住紅外線，便會產(chǎn)生報警。雙波段火災(zāi)探測器具有火焰探測功能，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彩色視頻圖像信號傳送給信息處理主機，利用火災(zāi)在視頻圖像上的特征進行火災(zāi)探測和定位。報警靈敏度可現(xiàn)場編程靈活設(shè)定，以滿足不同場所需要。其采用非接觸式探測，可以在防護罩內(nèi)安裝，具有防塵、防潮、防腐蝕功能，對環(huán)境因素適應(yīng)能力強(灰塵、潮濕、溫度、一般腐蝕性氣體或防爆場所等)，可用于環(huán)境惡劣的工業(yè)場所。LAl00能實現(xiàn)大空間建筑早期火災(zāi)的探測和三維空間定位，對消防炮在大空間建筑中的自動定位滅火問題有較好的解決，已成功應(yīng)用于中央電視臺、人民大會堂、首都體育館等數(shù)個國家重要單位，以及一些會展中心和企業(yè)。 目前日本、歐美等國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，能夠較精確地探測和定位火災(zāi)，并得到廣泛應(yīng)用，但價格昂貴，如日本的消防炮，每臺報價約人民幣100萬元，整套系統(tǒng)可達(dá)上千萬元。為了解決國內(nèi)的巨大需求，開發(fā)性能相似、價格低廉的大空間火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。因此以價格相對低廉的CCD攝像頭作為傳感器的圖像型火災(zāi)探測中消防炮定位技術(shù)在我國是有很大的應(yīng)用前途的。CCD攝像頭雖然不能直接探測火災(zāi)，但其能夠反映較多的火焰特征信息，我們可以結(jié)合機器視覺技術(shù)，利用處理分析CCD采集的圖像信息來進行火災(zāi)探測定位。由于CCD的信息量豐富，可同時反映火災(zāi)火焰和火焰煙氣的信息，如果本系統(tǒng)加強在早期火災(zāi)煙氣探測方面的算法研究，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)報警技術(shù)已經(jīng)比較成熟。通過對光、煙、濕度等參考量加以判斷，然后直接實施滅火措施，進行斷電、噴水等并報警。而對于室外的或大面積的監(jiān)控對象(如高層建筑、船舶碼頭、油庫、大型倉庫等)，相對來說可以使用的探測方式較少，利用圖像進行火災(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，所以首先需要對圖像進行預(yù)處理，通常包括圖像增強、濾波、細(xì)化等幾個方面，然后對圖像進行分割。 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)性的兩個基本概念上，其目的就是為下一步的圖像識別打下堅實的基礎(chǔ)。精確的分割處理是提高整個探測系統(tǒng)準(zhǔn)確性、魯棒性的前提條件，但同時由于各種環(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。我們通過實際火災(zāi)火焰的圖像像素顏色分布統(tǒng)計仿真分析,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,通過探究其從根部開始,向上膨脹直至消失的過程,可以發(fā)現(xiàn),火災(zāi)火焰都是“活”的,具有跳動的規(guī)律性特性。于是,我們設(shè)計了特殊的低通濾波器,并成功地得到了火災(zāi)火焰的跳動頻率,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)展趨勢及其在圖像上所表現(xiàn)出來的外形變化特征,還有基本固定的著火點等綜合信息,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、保存圖像的存儲設(shè)備以及處理圖像的計算機等組成。在火災(zāi)探測系統(tǒng)中，需要將攝像機的視頻信號數(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)，以便進行進一步的火災(zāi)識別和處理。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)換過程。以下對攝像頭和視頻采集卡進行重點介紹。（1）攝像器件 對于一般物質(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。通過攝像機攝取的影像，利用實時影像的多重判據(jù)，可實現(xiàn)火災(zāi)早期探測。由于彩色影像中的干擾信息很多，單純依靠彩色影像進行火災(zāi)的探測是不夠的，紅外光譜的組合利用將極大的改善利用影像信息探測火災(zāi)的效果，一般稱這種組合探測方式為雙波段圖像型火災(zāi)探測。用于火災(zāi)探測的攝像器件應(yīng)根據(jù)火災(zāi)的典型光譜特征進行選擇。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為強水氣吸收帶，因此在工程上有意義的波長范圍為0．2um～20um。據(jù)此，早期火災(zāi)圖像探測可選擇對特定光譜敏感的像敏元件作為探測器件。 根據(jù)微電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，可以實現(xiàn)以上探測功能的攝像器件主要有以下四種：熱像儀、微光攝像機、黑白CCD攝像機以及彩色CCD攝像機。（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RGB格式的支持稍弱，但性價比較高，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)探測系統(tǒng)的核心。它對數(shù)字圖像首先進行圖像分割，然后利用圖像特性對這些目標(biāo)亮點區(qū)域加以識別和分類，檢測出圖像中是否有火災(zāi)。 在處理火災(zāi)圖像的過程中，我們將用圖像作為實際的載體，進行早期火災(zāi)火焰和其他干擾現(xiàn)象的識別、分辨。下面對YUV圖像格式進行簡單介紹。 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或彩色CCD攝像機，把所攝得的彩色圖像信號經(jīng)分色棱鏡分成Ro，Go，Bo三個分量的信號：分別經(jīng)放大和校正得到三基色，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號Y、色差信號RY(u)和BY(V)，最后發(fā)送端將Y、RY(U)和BY(V)三個信號進行編碼，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，同時不會明顯降低視覺質(zhì)量。通過描述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)可被視為一個不帶正負(fù)號的char值組成的數(shù)組，其中第一個字節(jié)包含第一個Y樣例，第二個字節(jié)包含第一個U樣例，第三個字節(jié)包含第二個Y樣例，第四個字節(jié)包含第一個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，該濾鏡能將可見光完全濾除掉，只有波長大于850nm的紅外輻射才能形成視頻信號。該視頻信號通過?？低暪镜囊曨l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，需要對圖像解壓縮成最為直觀的bmp格式。其轉(zhuǎn)換公式為： (21)在實際情況中，大部分時間處于無疑似火源的狀態(tài)，因此可對圖像序列先進行簡單的有無異常情況的判斷。本系統(tǒng)采用減法運算來檢測圖像的狀態(tài)是否有改變。運算公式為： (22)