【正文】 、化工、油庫(kù)、機(jī)場(chǎng)等重點(diǎn)工程、企業(yè)迅速發(fā)展，這些場(chǎng)所易燃、易爆 ，因此對(duì)消防安全提出了較高的要求。這些場(chǎng)所的火災(zāi)特征有 :火勢(shì)發(fā)展迅速災(zāi)規(guī)模大、有爆炸危險(xiǎn)等。國(guó)外對(duì)這種易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所的消防安全相當(dāng)重視，如日本、英國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)制訂了相應(yīng)的法律和規(guī)范，明確規(guī)定在以上場(chǎng)所必須配備高壓水炮系統(tǒng)。高壓水炮系統(tǒng)被安裝在特定的位置，與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)配合，能夠在火災(zāi)發(fā)生的第一時(shí)間，根據(jù)消防人員的需要通過(guò)遙控達(dá)到快速滅火的目的。同時(shí)近年來(lái)全國(guó)各地大空間建筑不斷涌現(xiàn)如會(huì)展場(chǎng)館 (中 第 6 頁(yè) 心 )、體育 (文體 )館、飛機(jī)場(chǎng)、火 (汽 )車(chē)站、藝術(shù)館 (廳 )、圖書(shū)館、影 (歌 )劇院、會(huì)議廳、貨物配送中心 、大型商場(chǎng)、交易中心、酒店大堂、大廈中庭等，這些建筑物由頂棚距地面高度大，普通水噴淋消防系統(tǒng)噴出的水滴在下降過(guò)程中受到氣流影響，難以有效的集中于火災(zāi)發(fā)生處，影響消防效果。普通噴淋系統(tǒng)滅火時(shí)大量不集的噴水作業(yè)容易造成火災(zāi)后的水漬損失降?？紤]到大型空間的空曠性，普通噴淋系統(tǒng)在這些場(chǎng)所的管路布置也較為困難，在某些特殊場(chǎng)合布置普通水噴淋系統(tǒng)還會(huì)破壞建筑的內(nèi)部美感，因此普通噴淋系統(tǒng)不適于大空間建筑的內(nèi)部防火。而高壓水炮系統(tǒng)因?yàn)槠鋰娚渌未?，水柱集中等特點(diǎn)很適合用于這些場(chǎng)所的消防作業(yè)，因此高壓水炮將得到更廣泛的應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外研究和開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，可燃物在燃燒時(shí)會(huì)放出頻率范圍從紫外到紅外的光波，在可見(jiàn)光波段，火焰圖像具有獨(dú)特的色譜、紋理等方面的特征，使之在圖像上明顯的區(qū)別于背景。利用這些特征，采用圖像處理的方法，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)燃燒學(xué)的原理，在火焰燃燒時(shí)，其放出的能量 95%集中于紅外波段。所以，我們?cè)谶M(jìn)行圖像處理時(shí)，非常關(guān)心紅外波段的圖像識(shí)別，可以利用紅外成像的原理獲取燃燒所發(fā)出的紅外圖像進(jìn)行圖像處理，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理知識(shí) ，通過(guò)攝像頭所獲取的紅外圖像和彩色圖像來(lái)計(jì)算火災(zāi)發(fā)生的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)高壓水炮的自動(dòng)滅火。圖像型火災(zāi)探測(cè)和高壓水炮就是基于以上的認(rèn)識(shí)而提出的。 由于視覺(jué)所接受的信息是以光為傳播媒介，圖像監(jiān)測(cè)比傳統(tǒng)探測(cè)方法能更快速地做出判斷。而圖像信息的豐富和直觀(guān)，更為早期火災(zāi)的辨識(shí)和判斷奠定了基礎(chǔ)，其它任何火災(zāi)探測(cè)技術(shù)均不能提供如此豐富和直觀(guān)的信息。此外，圖像監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵器件 — 像敏感元件通過(guò)光學(xué)鏡頭與外界只發(fā)生了間接接觸這種結(jié)構(gòu)保證了圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)既可以較惡劣 (多粉塵、高濕度 )的室內(nèi)環(huán)境中使用，也可以室外環(huán)境中使用。 由此，圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)在火災(zāi)探測(cè)中的地位和作用為 : 1)可在太空間、大面積的環(huán)境中使用 。 2)可用于多粉塵、高濕度的場(chǎng)所 。 3)可在室外環(huán)境中使用 。 4)可對(duì)火災(zāi)現(xiàn)象中的圖像信息做出快速反應(yīng) 。 5)可提供直觀(guān)豐富的火災(zāi)信息。 在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，國(guó)外各大公司和科研機(jī)構(gòu)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)也相應(yīng)的快速發(fā)展，例如， 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，在準(zhǔn)確識(shí)別森林火災(zāi)的同時(shí)還可以區(qū)別其他現(xiàn)象的干擾，誤報(bào)率很低。在大空間火災(zāi)監(jiān)控方面有 sIL公 司和 MganxoElecrtic公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用于電站 第 7 頁(yè) 火災(zāi)監(jiān)控的 VSD8 系統(tǒng)。該系統(tǒng)以視頻運(yùn)動(dòng)檢測(cè)軟件為主體，使用了各種濾波器技術(shù)，并與人工智能相結(jié)合，該系統(tǒng)可以用來(lái)對(duì)電站內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)控。在自動(dòng)滅火方面，國(guó)際上并未有知名產(chǎn)品出現(xiàn)。 我國(guó)在火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚一些，到二十世紀(jì)八十年代中期才開(kāi)始這方面的研制開(kāi)發(fā)。但發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在已經(jīng)基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)對(duì)火災(zāi)探測(cè)和高壓水炮定位的研究目前以中國(guó)科技大學(xué)的火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做得比較領(lǐng)先。該實(shí)驗(yàn)室研制的 LA100 型雙波段大空間 早期火災(zāi)智能探測(cè)和高壓水炮系統(tǒng)通過(guò)了有關(guān)方面的驗(yàn)收，并已轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。此外，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等都在火災(zāi)探測(cè)方面進(jìn)行了積極的研究，并根據(jù)工程實(shí)踐提出了一些改進(jìn)算法。但是，迄今為止，并沒(méi)有研制出令人滿(mǎn)意的系統(tǒng)，還存在火災(zāi)誤報(bào)率較高，高壓水炮定位算法誤差很大的問(wèn)題，實(shí)用程度還有待提高。 圖像型火災(zāi)探測(cè)和高壓水炮定位系統(tǒng)，是利用 CCD 攝像機(jī)作為探頭，將被監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的彩色和紅外圖像輸入計(jì)算機(jī)，然后利用圖像處理的算法，從兩幅圖像和圖像序列中來(lái)識(shí)別有無(wú)火災(zāi)的發(fā)生。在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的情況下，計(jì)算火災(zāi)的空間位 置，自動(dòng)啟動(dòng)高壓水炮系統(tǒng)和疏散系統(tǒng)。在圖像型火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像處理的算法、火災(zāi)探測(cè)算法以及火災(zāi)空間定位算法決定了系統(tǒng)的性能。圖 是圖像型火災(zāi)探測(cè)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 控制 狀態(tài) 火災(zāi) 探頭信息 圖 11 圖像型火災(zāi)探測(cè)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ● 視頻采集卡：實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)實(shí)行監(jiān)控，按照一定規(guī)律進(jìn)行巡檢。通過(guò)視頻采集卡的視頻切換功能，可以利用一套系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。 ● 攝像頭：將進(jìn)入鏡頭的光信 號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 ● 信號(hào)處理系統(tǒng)：主要進(jìn)行圖像處理的算法，可以由計(jì)算機(jī)構(gòu)成，也可以是單片機(jī)系統(tǒng)。 ● 中心控制系統(tǒng)：對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)對(duì)信號(hào)處理 視 頻 采 集 卡 攝像機(jī) 攝像機(jī) 攝像機(jī) 攝像機(jī) 數(shù)據(jù)庫(kù) 信號(hào)處理 系統(tǒng) 火災(zāi)定位 系統(tǒng) 中心控制 系統(tǒng) 信 息 管 理 系 統(tǒng) 聯(lián)動(dòng)模塊 第 8 頁(yè) 系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)進(jìn)行控制。 ● 信息管理系統(tǒng)：它可以將收集到的各種火災(zāi)信息，顯示于計(jì)算機(jī)，以便于觀(guān)察和選擇，通過(guò)它還可以查詢(xún)各種設(shè)備的狀況，有利于對(duì)損壞或老化的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的維修和更換。 ● 聯(lián)動(dòng)模塊：包括報(bào)警部分和自動(dòng)滅火部分。 實(shí)現(xiàn)功能 本論文是基于空間幾何定位算法的研究，首先利用雙目攝像機(jī)獲取三維空間圖像（火源）， 再將其在世界坐標(biāo)系下的三維圖像轉(zhuǎn)換為攝像機(jī)標(biāo)定的三維坐標(biāo)圖像，再利用計(jì)算機(jī)將其處理為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二維圖片，再對(duì)火源進(jìn)行前期處理，消除干擾，將其二值化后利用 matlab 中的 regionprops 函數(shù)進(jìn)行中心點(diǎn)坐標(biāo)的提取，然后計(jì)算出 火源與水炮轉(zhuǎn)軸的距離和火源與水炮炮管中軸的夾角，再驅(qū)動(dòng)高壓水炮進(jìn)行滅火。 高壓水炮進(jìn)行定位時(shí)，主要考慮的是火源與水炮轉(zhuǎn)軸的距離和火源與水炮炮管中軸的夾角，有了這兩個(gè)定位參數(shù)，就可以準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)高壓水炮到火源處進(jìn)行滅火。 基于圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中的高壓水炮的定位，解決了傳統(tǒng)消防中遇到的問(wèn)題，可以及時(shí)、準(zhǔn)確的將火災(zāi)遏制在剛發(fā)生的階段，避免了財(cái)產(chǎn)的損失及人員的傷亡。本文利用 matlab 實(shí)現(xiàn)算法調(diào)試時(shí)只是確定了火源與水炮轉(zhuǎn)軸的距離及火源與水炮炮管中軸的夾角，而火源圖片的處理及將世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)二維坐標(biāo)的程序并未涉及，只是做簡(jiǎn)單說(shuō)明。 論文整體介紹 本文主要通過(guò)空間幾何定位算法的研究，通過(guò) matlab 對(duì)雙目攝像機(jī)獲取的圖片進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)高壓水炮的定位。 第一章 緒論。主要講述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)存在的局限性做了簡(jiǎn)單說(shuō)明，并對(duì)圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前 景進(jìn)行了介紹。 第二章 圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)。介紹圖像的預(yù)處理和分割以及火焰特征的提取，并分析其原理。 第三章 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的高壓水炮定位的研究。引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)，空間定位雙目成像原理。 第四章 高壓水炮的空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。利用空間幾何定位的方法對(duì)火災(zāi)進(jìn)行空間定位，計(jì)算出其二維坐標(biāo)，再根據(jù)一系列運(yùn)算計(jì)算出火源與高壓水炮轉(zhuǎn)軸的距離和水炮炮管的夾角 . 第 9 頁(yè) 第五章 小結(jié)。總結(jié)了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程中的不足提出了改進(jìn)的設(shè)想和要求。 第 10 頁(yè) 2 圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù) 概述 ]5[ 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 ,黃 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)。 第 11 頁(yè) 火災(zāi)圖像的分割處理 所謂圖像分割是指將圖像中具有特殊含義的不同區(qū)域分開(kāi)，這些區(qū)域是互不相交的，每一個(gè)區(qū)域都滿(mǎn)足特定區(qū)域的一致性。 均勻性一般是指同一區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)之間的灰度值差異較小或灰度 值變化較緩慢。 圖像分割方法很多，其中最常用的圖像分割方法是將圖像分成不同的等級(jí)，然后用設(shè)置灰度門(mén)限的方法確定有意義的區(qū)域或欲分割的物體的邊界，這種方法也稱(chēng)為閾值分割法。閾值分割法就是簡(jiǎn)單地用一個(gè)或幾個(gè)閾值將圖像的灰度直方圖分成幾個(gè)類(lèi)，并且認(rèn)為圖像中灰度值在同一個(gè)灰度類(lèi)內(nèi)的像素屬于同一個(gè)物體。 區(qū)域生長(zhǎng)法分割圖像 分割的目的是要把一幅圖像劃分成一些小區(qū)域，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的最直接的方法是把一幅圖像分成滿(mǎn)足某種判據(jù)的的區(qū)域；也就是說(shuō)，把點(diǎn)組成區(qū)域。與此相對(duì)應(yīng)，數(shù)字圖像處理中存在一種分割區(qū)域的方 法稱(chēng)為區(qū)域生長(zhǎng)或區(qū)域生成。 假定區(qū)域的數(shù)目，以及在每個(gè)區(qū)域中單個(gè)點(diǎn)的位置已知，則可推導(dǎo)出一種算法。從一個(gè)已知點(diǎn)開(kāi)始，加上與已知點(diǎn)相似的的鄰近點(diǎn)形成一個(gè)區(qū)域。這個(gè)相似性準(zhǔn)則可以是灰度級(jí)、顏色、幾何形狀、梯度或其他特性。相似性的測(cè)度可以由所確定的閾值判定。它的方法是從滿(mǎn)足檢測(cè)準(zhǔn)則的點(diǎn)開(kāi)始，在各個(gè)方向上生長(zhǎng)區(qū)域。當(dāng)其鄰近點(diǎn)滿(mǎn)足檢測(cè)準(zhǔn)則就并入小區(qū)域中，當(dāng)新的點(diǎn)合并后再用新的區(qū)域重復(fù)這一過(guò)程，直到?jīng)]有可接受的鄰近點(diǎn)生成過(guò)程終止。 當(dāng)生成任意物體時(shí)，接受準(zhǔn)則可以以