【導讀】隨著大空間火災探測技術的研究，傳統(tǒng)的消防已經(jīng)不適用于大空間的滅火，論文是在系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)火災探測的基礎上提出的高壓水炮空間定位技術，計算機計算火災的空間位置。本文提出的定位算法具有定位準確、識別性較高、計算速度快、實時性較高等特點。炮和攝像機各參數(shù)，直接計算出高壓水炮的定位參數(shù)。用的方法為空間幾何定位，并在其基礎上利用matlab對其定位算法進行了研究，中軸的夾角，再驅動高壓水炮進行定點滅火。

　　

【正文】 00 ?????????? ? ?? ? (316) 從攝像頭經(jīng)過視頻卡進入計算機的視頻圖片大小為 704*576 像素的圖片，其中寬為 702 像素，高為 576 像素。通過對比，每個像素在水平方向最多表征實際空間距離的 ，在垂直方向最多表征實際空間距離的。由此可得圖像部分誤差為 米。兩個攝像頭一般平行擺放，其焦點距離為 。在理想情況下，兩個攝像頭所攝得的目標物體在圖片上的位置偏移應有 16 個像素。這樣就能推算出火災發(fā)生位置與攝像頭的距離為 1OOm。 下面計算一下出現(xiàn)誤 差時的情況。假設因為誤差，圖片上的位置偏移成了 個像素。這樣，根據(jù)相似三角形原理，計算得到的距離攝像頭的位置為 : ?? (317) 竟有 的誤差 !因此，需要對傳統(tǒng)的雙目定位算法進行改進，以提高精確度。 改進的空間定位算法 為了解決上一小節(jié)的問題，我們把攝像機固定在消防水炮炮管頂端，利用攝像機隨水炮轉動時在 不同時刻的位移和角度變化在計算機得出另一組空間定位值，稱之為掃描式空間定位算法。 當高壓水炮轉動時，前后兩次攝像機位置的之間位移就構成了基線，對攝像機在不同位置采集的圖像進行火源區(qū)域匹配之后便求得視差，這樣就構成了雙攝像機進行空間定位的兩個要素。但是，由于攝像機轉動后在 2,1tt 時刻的光軸不再平行，因此圖所示的平行攝像機定位原理不再適用，必須重新推導圖像坐標和空間坐標的對應關系。 第 31 頁 圖 火源、攝像機、物方 坐標系的關系圖 ]7[ 圖中： 0XYZ—— 物方坐標系； f—— 攝像機焦距； D—— 水炮轉軸到攝像機位置的距離； 111 ZYS? —— 1t 時刻圖像坐標系； 222 ZYS ? —— 2t 時刻圖像坐標系； ? ?11,yx —— 1t 時刻火源圖像坐標； ? ?22,yx —— 2t 時刻火源圖像坐標； 1? —— 1t 時刻攝像機光軸與 Z 軸的夾角； 2? —— 2t 時刻攝像機光軸與 Z 軸的夾角； S—— 火源中心距物方坐標系原點距離； ? —— 火源中心與 Z 軸的夾角； 圖是發(fā)現(xiàn)火災后的 2,1tt 時刻的火源、攝像機、物方坐標系的關系。 根據(jù)圖所示幾何關系，取右手方向為正，則 0,0 21 ?? ?? 。在物方坐標系和圖像 第 32 頁 坐標系之間我們得到如下關系： ??? ??? ???1111111111 c o sc o ss in s ins inc o s ??? ??? DZYZ DZYY (318) ??? ??? ???2222222222 c o sc o ss in s ins inc o s ??? ??? DZYZ DZYY (319) 根據(jù) ，視平面上的點 p(x,y)與空間中的對應點 p(X,Y,Z)有如下的關系： ?????????ZYfyZXfx (320) 將等式 (320)帶入 (318)、 (319)得到： ? ?? ?? ?2222211222 s i nt a nc osc osc oss i ns i nt a n ?? ?????? ???? ???????????? Dfy DBABAfyDY (321) ? ?2112 c o sc o ss i ns i n ???? ??????? BABA DZ (322) 其中： ?????????????????fyfyBfyfyA22221111tantantantan???? (323) 這樣，就可以求出火源距水炮轉軸的距離 d 和火源與水炮炮管中軸的 夾角? 。 22 YZd ?? (324) YZ1tan??? (325) 上述算法在 21,tt 時刻兩幅圖像相同時有很好的效果。但是，火災火焰是一個不斷動態(tài)變化的過程，中間必然存在誤差。因此本文提出雙目定位和掃描定 第 33 頁 位算法相結合的方法，其整體算法步驟如下 : 1)發(fā)現(xiàn)火災后，通過雙目定位算法計算出第一組火災空間位置 ? ?111 , zyx 。 2)以較小的步進轉動水炮，同時攝像機連續(xù)采集圖像，不斷標記火源區(qū)域重心與圖像中心比較確定移動方向，當火源重心到達圖像左邊緣時停止轉動，此作為 1t 時刻，火源區(qū)重心的像素坐標為 ? ?11,ji 并記錄下當前電機的水平角度反饋 1? 。同時通過雙目定位算法計算第二組火災空間位置 ? ?222 , zyx 。 3)電機水平向右步進轉動，當火源重心到達圖像右邊緣中央時停止轉動 。此作為 2t 時刻，火源區(qū)重心的像素坐標為 ? ?22,ji ，記錄下當前電機的水平角度反饋 2? 。此外通過雙目定位算法計算第三組火災空間位置 ? ?333 , zyx 。 4)將上述參數(shù)代入 (318)~(315)式即可獲得兩組火災 空間位置，第四組是紅外攝像頭所得的空間位置 ? ?444 , zyx ，第五組是彩色攝像頭所得的空間位置? ?555 , zyx 。 5) 對 五 組 空 間 位 置 分 別 賦 信 度 54321 , ????? ，滿足154321 ????? ????? 由此計算可得空間位置的修正值 (x， y， z)。 總之，大空間的火 災高壓水炮定位是火災自動探測與撲救研究中的一個難點問題，本章基于計算機視覺原理，利用紅外和彩色 CCD 圖像實現(xiàn)了一種雙目定位和掃描式火災空間定位相結合的方法，建立了攝像頭在不同位置所拍攝的圖像中火源圖像坐標和火源的空間坐標之間的關系，實現(xiàn)了大空間中火源空間位置的自動定位，為大空間自動滅火建立了基礎。 第 34 頁 4 高壓水炮的空間定位系統(tǒng)設計和實現(xiàn) 基于圖像型火災探測系統(tǒng)中的高壓水炮定位，其主要關鍵是利用雙目攝像機成像原理，獲取同一時間的不同的火災狀態(tài)圖片，對其進行數(shù)字圖像處理，通過計算機提取火災圖像，排除干擾，對火災 進行分析，最后根據(jù)圖像的特征，利用 Matlab 對其進行處理并計算，求出火源距水炮轉軸的距離 d和火源與水炮炮管中軸的夾角 ? ，有了這兩個數(shù)據(jù)，就可以通過驅動程序，驅動高壓水炮進行及時和準確的自動滅火。 高壓水炮定位算法 基于圖像型火災探測系統(tǒng)的高壓水炮的定位，是在利用雙目攝像機獲取同一時間不同圖像，在通過計算機的處理來精確計算火災空間位置坐標，從而驅動高壓水炮進行定點滅火。 1) 利用攝像機獲取火災圖片，再將火災空間坐標轉化為攝 像機坐標； 2) 將攝像機獲取的圖片經(jīng)處理轉化為幀圖片，用計算機對其進行處理，排除干擾； 3) 將排除干擾后的圖片進行二值化處理，提取火災中心點坐標，再利用之前的空間定位的方法將其通過算法處理，仿真得到火源距水炮轉軸的距離和火源與水炮炮管轉軸的夾角。 4) 求得上述參數(shù)后便可利用計算機軟件驅動高壓水炮進行定點滅火。 高壓水炮的空間定位系統(tǒng)的設計 本文是在圖像型火災探測的基礎上，以及實現(xiàn)了火災空間幾何定位的基礎上利用 matlab 進行空間幾何定位的仿真的研究，即如何利用 matlab 將空間幾何定位轉換為用計算機控制計算的算 法，用計算機實現(xiàn)定位參數(shù)的運算，再驅動高壓水炮進行滅火。 利用雙目攝像機獲取火源的圖像，再通過極線幾何的方法進行確定其空間坐標，準確定位，并將獲取的圖片二值化后利用 matlab 中的 regionprops 函數(shù)確定其中心點坐標，最后計算出火源距水炮轉軸的距離 d 和火源與水炮炮管中軸的夾角 ? 。 22 YZd ?? (41) YZ1tan??? (42) 第 35 頁 其中： ? ?? ?? ?2222211222 s i nt a nc osc osc oss i ns i nt a n ?? ?????? ???? ???????????? Dfy DBABAfyDY (43) ? ?2112 c o sc o ss i ns i n ???? ??????? BABA DZ (44) ?????????????????fyfyBfyfyA22221111tantantantan???? (45) f—— 攝像機焦距； D—— 水炮轉軸到攝像機位置的距離； ? ?11,yx —— 1t 時刻火源圖像坐標； ? ?22,yx —— 2t 時刻火源圖像坐標； 1? —— 1t 時刻攝像機光軸與 Z 軸的夾角； 2? —— 2t 時刻攝像機光軸與 Z 軸的夾角； 這樣 ，通過在計算機上對圖像進行二值化處理后獲得的火源在 1t 和 2t 時刻的圖像坐標 ? ?11,yx ， ? ?22,yx 和 1t ， 2t 時刻攝像機光軸與 Z 軸的夾角 1? 、 2? 以及水炮轉軸到攝像機位置的距離 D，便可計算出火災的空間位置 (X,Y,Z),通過 Y和 Z就可以求出 火源距水炮轉軸的距離 d 和火源與水炮炮管中軸的夾角 ? 。 高壓水炮的空間 定位系統(tǒng)實現(xiàn) 首先利用 matlab 讀入由雙目攝像機獲取的來自火源的兩幅圖像，對其進行二值化處理，選取適當?shù)娜≈涤?，將其變化為黑白圖片，再對圖片進行處理，消除毛刺，干擾等，獲取只有火災火焰的二值化圖片，通過 matlab 中的regionprops 函數(shù)計算出火災火焰中心點坐標，也即二值化后的白色區(qū)域的中心點坐標，提取出中心點坐標，帶入式 (41)~式 (45)中，計算出 火源距水炮轉軸的距離 d和火源與水炮炮管中軸的夾角 ? 。 第 36 頁 本文 利用雙目攝像機獲取的兩幅圖像為： %引入雙目攝像機獲取的圖片 I1=imread(39。C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \39。)。 subplot(121) imshow(I1) I2=imread(39。C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \39。)。 subplot(122) imshow(I2) 圖 41 雙目攝像機獲取的火災火焰圖像 對獲取的火災火 焰圖像進行二值化處理后得到： %將雙目圖片二值化 BW1=im2bw(I1,)。 figure subplot(121) imshow(BW1) BW2=im2bw(I2,)。 subplot(122) imshow(BW2) 第 37 頁