【正文】 是一幅梯度圖。比較常用的梯度算子有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子等。由于計算梯度時需要計算兩個方向的偏導(dǎo)數(shù)，通常需要兩個模板組合起來以構(gòu)成一個梯度算子。(1) 梯度算子 梯度對應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)，梯度算子是一階導(dǎo)數(shù)算子。導(dǎo)數(shù)可用微分算子來計算，實(shí)際上在數(shù)字圖像中求導(dǎo)數(shù)是利用差分近似微分來進(jìn)行的。實(shí)際中的數(shù)字圖像會由于采樣，造成邊緣處的模糊，所以垂直上下的邊緣剖面都表示成有一定坡度，即邊緣區(qū)有一定的寬度。圖21中第一排是一些具有邊緣的圖像示例；第二排是沿圖像水平方向的剖面圖；第三和第四排分別為剖面的一階和二階導(dǎo)數(shù)。邊緣的檢測常借助空域微分算子進(jìn)行，通過將其模板與圖像卷積完成。從某種意義上說，圖像中大部分信息都集中在區(qū)域的邊界上，邊界的確定對場景的理解非常重要。 邊緣檢測法圖像分割圖像的邊緣檢測法是基于邊界的分割算法。本節(jié)中簡單介紹這幾種目前常用的圖像分割算法，大部分都是針對灰度圖的。這里特性可以是灰度、顏色、紋理等，目標(biāo)可以對應(yīng)單個區(qū)域，也可以對應(yīng)多個區(qū)域，實(shí)際上是和具體的實(shí)際應(yīng)用和目標(biāo)要求有關(guān)。因此，對于圖像分割的研究多年里一直受到人們廣泛的重視，也提出了數(shù)以千計的不同算法。在這個過程中主要應(yīng)用了數(shù)字圖像處理里面的圖像分割技術(shù)和濾波技術(shù)。數(shù)字圖像處理部分是火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的核心。對火焰和煙霧的特征進(jìn)行研究，主要在于了解煙霧和火焰的在整個過程的發(fā)展情況并總結(jié)其連續(xù)變化規(guī)律，從圖像信息中實(shí)時了解火災(zāi)的發(fā)展情況[27]。在第二章的基礎(chǔ)上，針對火焰和煙霧的圖像特性，設(shè)計了適合于自然條件下的分割方法，其中包括對分割算法的性能的驗(yàn)證、比較和改進(jìn)；第4章討論了特征識別的方法，比較了不同彩色空間下的火焰顏色模型，總結(jié)了YCbCr空間的特征，分別給出了各項(xiàng)動態(tài)特征的計算方法；針對煙霧的特征設(shè)計了小波特征的檢驗(yàn)方法；第5章完成了火災(zāi)識別整體流程的設(shè)計，利用實(shí)際采集的序列圖像試驗(yàn)了本文的識別算法，并得出了各項(xiàng)閾值。第五，應(yīng)用分割方法和特征識別方法實(shí)驗(yàn)了大量森林環(huán)境和其它自然環(huán)境下的圖片，進(jìn)行算法的驗(yàn)證。因此本文將火焰圖像的分割方法作為研究重點(diǎn)之一，設(shè)計了適合復(fù)雜背景的目標(biāo)分割方法。第三，研究了煙霧及火焰的多種分割方法。分析了煙霧及火焰的各自的產(chǎn)生機(jī)理和特征，并提出自動報警方案。在基于圖像處理的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像處理的算法、火災(zāi)識別算法決定了系統(tǒng)的性能。 論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 論文的研究內(nèi)容圖像型火災(zāi)檢測系統(tǒng)，是利用CCD攝像機(jī)作為探頭，將被監(jiān)視現(xiàn)場的彩色或紅外圖像輸入計算機(jī)，然后利用圖像處理的算法從單幅圖像和圖像序列中來識別有無火災(zāi)的發(fā)生。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。國內(nèi)對火災(zāi)探測和自動滅火的研究目前以中國科技大學(xué)的火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做得比較領(lǐng)先。我國在火災(zāi)報警控制系統(tǒng)的研究開發(fā)相對較晚一些，到二十世紀(jì)八十年代中期才開始這方面的研制開發(fā)[24,25]。在大空間火災(zāi)監(jiān)控方面有ISL公司和Magnox Electric公司聯(lián)合開發(fā)的用于電站火災(zāi)監(jiān)控的VSD8系統(tǒng)。綜合國內(nèi)外的火災(zāi)圖像識別研究，目前為止，大都是在灰度圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，一般采用比較單一的判據(jù)，漏報和誤報率往往比較高，系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性相對較差[23]，這些都是困擾火災(zāi)圖像識別研究人員的世界性難題。文獻(xiàn)19對早期火災(zāi)火焰的輻射特性和形體變化特性作了系統(tǒng)的分析，并用常規(guī)的圖像處理方法實(shí)現(xiàn)了一個完整的火災(zāi)圖像探測系統(tǒng)[19]。文獻(xiàn)17提取電站鍋爐燃燒火焰的圖像特征，并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對火焰形態(tài)作了研究，在區(qū)分燃燒情況方面得到了較好的結(jié)果[17]。目前國內(nèi)外對這種新的火災(zāi)探測技術(shù)開展了深入研究。煙霧在視頻中的面積隨著時間的推移逐漸變大。同時隨著溫度的升高，加快了氣體分子的運(yùn)動速度，使擴(kuò)散的速度加快。擴(kuò)散是由于微粒（原子、分子等）的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的質(zhì)量遷移現(xiàn)象，主要是由密度差引起的。由于擴(kuò)散現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是分子不停地做無規(guī)則運(yùn)動的結(jié)果，所以煙霧在空氣中呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，其邊緣一般是不規(guī)則的曲線。一般情況下，燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧顏色主要集中在白色、灰色、青色、黑色這些顏色中。因此要在理論上、技術(shù)上作進(jìn)一步的探討，并作深入的研究和試驗(yàn)。所以火焰的整體移動是連續(xù)的、非跳躍性的。分層變化特性體現(xiàn)了不同灰度級的像素點(diǎn)在空間的分布規(guī)律。火災(zāi)中的燃燒屬于擴(kuò)散燃燒，擴(kuò)散燃燒的火焰都有明顯的分層特性。在數(shù)字圖像中就是灰度級直方圖隨時間的變化規(guī)律，這個特性體現(xiàn)了一幀圖像的像素點(diǎn)在不同灰度級上隨時間的變化情況。(4) 閃動規(guī)律：火焰的閃動規(guī)律，即亮點(diǎn)在空間上的分布隨時間變化的規(guī)律。在早期火災(zāi)階段，火焰的形狀變化、空間取向變化、火焰的抖動以及火焰的分和等，具有自己獨(dú)特的變化規(guī)律。利用這些特征量在早期火災(zāi)階段中進(jìn)行火災(zāi)判斷。(2) 邊緣變化：早期火災(zāi)火焰的邊緣變化有一定的規(guī)律，同其他的高溫物體以及穩(wěn)定火焰的邊緣變化不同。當(dāng)其他高溫物體向著攝像頭移動或者從視野外移入時，探測到的目標(biāo)面積也會逐漸增大，容易造成干擾。在這個階段，火災(zāi)火焰的面積呈現(xiàn)連續(xù)的、擴(kuò)展性的增加趨勢。(2) 基于火焰動態(tài)特征的識別算法，包括基于火焰閃爍頻率設(shè)計的識別算法、基于火焰無序性設(shè)計的識別算法、基于火焰面積增長性設(shè)計的算法等。根據(jù)識別算法設(shè)計所基于的判據(jù)類型，可以分為兩大類：(1) 基于火焰靜態(tài)特征的識別算法，包括對圖像進(jìn)行預(yù)處理、火焰顏色識別、火焰形狀識別。抓住火災(zāi)的這些特點(diǎn)可以為火災(zāi)的識別打下良好的基礎(chǔ)。這個階段火焰的圖像特征就更加明顯?；鹧娴念伾怯捎陔娮釉诤送膺\(yùn)動時有不同的能級，各種能級上的能量是一個一個不連續(xù)的確定值，在正式常狀態(tài)下，原子總是處在能量最低的基態(tài)，當(dāng)原子被火焰、電弧、電火花激發(fā)時，核外電子就會吸收能量而被激發(fā)躍遷到較高的能級上去，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，當(dāng)它躍回到能量較低的能級時就會發(fā)出一定能量、一定波長的光譜線，即表現(xiàn)為顏色?；鹧嫒紵募t外輻射主要集中于950nm~2000nm的波段[13]。人眼只對380nm~780nm的電磁波有亮度感覺，因此該波段的電磁波被稱為可見光。這種非接觸式的探測技術(shù)，防腐蝕性能和密封性能良好，抗干擾能力強(qiáng)，同時結(jié)合數(shù)字通信和數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析火災(zāi)火焰的圖像特征，可以很好的解決大空間或自然環(huán)境下的火災(zāi)識別問題。其它任何火災(zāi)探測技術(shù), 均不能提供如此豐富和直觀的信息，圖像檢測技術(shù)具有以下優(yōu)勢： (1) 可以在大空間、大面積的環(huán)境中使用；(2) 可以在多粉塵、高濕度的室內(nèi)場所中使用；(3) 可以提供直觀的、豐富的火災(zāi)信息；(4) 可以對火災(zāi)現(xiàn)象中的圖像信息做出快速的反應(yīng)；(5) 可以有效提高報警的準(zhǔn)確度，減少漏報和誤報。由于視覺所接受的信息是以光為傳播媒介，圖像檢測比傳統(tǒng)探測方法能更快速地做出判斷。所以，在進(jìn)行圖像處理時，也關(guān)心紅外波段的圖像識別，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。利用這些特征，采用圖像處理的方法對火災(zāi)進(jìn)行識別。為此我國設(shè)立了以國家林業(yè)局衛(wèi)星林火監(jiān)測處，租用美國的兩顆氣象衛(wèi)星NOAH12和NOAA14，主要是從氣象衛(wèi)星收集的氣象資料中提取有關(guān)林火方面的信息，對同地點(diǎn)一晝夜至少掃描4次。我國的林火監(jiān)測技術(shù)和國外比還存在差距。以色列飛機(jī)公司的飛鳥2001型遙控?zé)o人駕駛飛機(jī)可以準(zhǔn)確地報告森林起火的時間、林火規(guī)模、蔓延速度等信息。它配備一臺共享傳感器和一臺攝像機(jī)，以及一臺由測量地面溫度的紅外線監(jiān)測器。在國際上，林火監(jiān)測技術(shù)得到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視。由于傳統(tǒng)火災(zāi)探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并易于實(shí)現(xiàn)，所以已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用?；蛘弋?dāng)環(huán)境溫度較高時，該類防火探測器容易產(chǎn)生誤報。感溫型火災(zāi)探測器是探測由于火災(zāi)而產(chǎn)生的溫度變化來發(fā)出報警信號的。但是火災(zāi)煙氣在上升過程中會隨著高度的增加而溫度逐漸降低，當(dāng)空間高度增大時，煙氣將不能到達(dá)頂棚，或者由于空氣的流動，使到達(dá)頂棚的煙氣濃度達(dá)不到報警極限，感煙探頭就不會產(chǎn)生報警信號。感煙型火災(zāi)探測器是探測火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣并發(fā)出報警信號。 森林防火技術(shù)的研究現(xiàn)狀1847年美國牙科醫(yī)生Charming和緬因大學(xué)教授Farmer研制出了世界上第一臺用于城鎮(zhèn)火災(zāi)報警的發(fā)送裝置[8,9]，1890年英國研制成功了第一個感溫式火災(zāi)探測器，國外己經(jīng)有了一百五十多年的火災(zāi)自動監(jiān)測報警技術(shù)的研究。圖像處理部分，將采集來的圖像經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，首先進(jìn)行實(shí)時的火災(zāi)識別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)時利用高速數(shù)字信號處理器運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)基于檢測現(xiàn)場內(nèi)容的JPEG2000方式壓縮[7]，對可疑的(感興趣)區(qū)域提高分辨率，而總體不改變圖像壓縮率，從而保證圖像質(zhì)量；圖像傳輸部分，將圖像數(shù)據(jù)分組，針對無線傳輸信道特征進(jìn)行糾錯編碼，經(jīng)短波調(diào)制解調(diào)器后送入短波電臺發(fā)送；終端的指揮中心，將多路短波電臺數(shù)據(jù)分別接收（頻分方式），再經(jīng)過信道解碼、圖像解壓縮、將圖像還原為檢測現(xiàn)場圖像存檔。圖像采集為全天候24小時，前端采集設(shè)備為普通CCD攝像頭，在有條件情況下可采用可見光和紅外成像雙機(jī)方案。中心將接受的圖像信息用臺式機(jī)解壓縮和還原，實(shí)現(xiàn)指揮中心對火險監(jiān)查現(xiàn)場可視。各個瞭望塔與指揮中心直線距離遠(yuǎn)，且地處森林深處，無法架設(shè)有線電纜。 課題來源本課題來源于黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目－森林防火遠(yuǎn)程圖像無線傳輸系統(tǒng)?；趫D像處理的火災(zāi)識別是運(yùn)用通用的數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識別技術(shù)，依據(jù)火災(zāi)火焰的圖像特性來解決某些特殊場所的火災(zāi)探測的難題，實(shí)現(xiàn)無人看守地區(qū)火災(zāi)自動報警的目的。并獲得了較好的成效[5]。數(shù)字圖像處理技術(shù)是研究模擬人眼的功能來完成人們某些工作的一門學(xué)科。自動監(jiān)測系統(tǒng)一方面可減輕人的體力勞動，另一方面也可延伸人的感官功能，擴(kuò)大監(jiān)測范圍，即使在惡劣的條件下也能正常工作。利用衛(wèi)星監(jiān)測雖然能夠解決這些問題，但是我國基本采用租用國外衛(wèi)星的方法對我國森林地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，所付出代價相當(dāng)昂貴[3]?？咳斯げt望發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)時效不理想并且準(zhǔn)確性不高，一旦發(fā)生大火，很難掌握火場形勢。所以實(shí)現(xiàn)森林防火指揮中心對于所管轄地區(qū)的全天候圖像監(jiān)測是森林防火發(fā)展的必然趨勢。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。 image segmentation。s lives and property safety can be effectively protected. More traditional fire detectors use a single moment of the parameters as a standard, in the underinterference caused frequent false positives or omissions. In recent years the fire alarm system based on the machine vision uses digital image processing techniques to