CN102348099A - 嵌入式视频烟雾探测器及烟雾识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式视频烟雾探测器及烟雾识别方法，可以实时采集监控现场图像，并对采集图像进行实时处理，判断是否发生火灾。实时采集到的图像由DSP进行处理，然后提取图像的边缘特征、运动特征、纹理特征进行模式识别，从而判定该图像中是否存在烟雾。当发现存在烟雾目标时，发出报警信号并发送实时图像到消防控制室。
Description
技术领域
本发明涉及消防设备及技术领域，尤其是一种嵌入式视频烟雾探测器及烟雾识别方法。
背景技术
传统的吸气式、光电式、离子式等类型的烟雾探测器，大多属于接触型探测器，探测器需要对被探测烟雾进行接触后，才能进行判断是否存在烟雾，而大空间或室外远距离场所的烟雾到达探测器时间较长、浓度较低或者烟雾根本无法到达探测器，导致无法探测到火灾烟雾，以致无法发现火灾。现有的图像型烟雾探测器，大多采用一种现场视频探头进行视频采集，通过电缆将图像信息传送到信号处理主机进行信息处理，由于主机在同一时间只能处理一路图像信息，当外部探头数目较多时，势必出现视频切换排队等候处理的现象，造成了巡检时间过长，系统响应较慢的问题，所以系统容量不能太大，探测器数量受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种嵌入式视频烟雾探测器及烟雾识别方法，以解决传统的烟雾探测器数目过多而造成的系统响应速度慢的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
嵌入式视频烟雾探测器，包括有壳体，其特征在于：所述壳体上安装有指示灯，壳体内有电路板，所述电路板上集成有彩色单板机，所述彩色单片机电连接有摄像头，所述摄像头安装在壳体上，所述电路板上还集成有DSP，有图像解码芯片与DSP的视频输入接口连接，所述图像解码芯片的输入接口与彩色单板机的输出接口连接以接收图像信号，并将图像信号解码后传输至所述DSP，有图像编码芯片与所述DSP的视频输出接口连接，所述图像编码芯片的输出接口连接有视频输出接线端，所述视频输出接线端安装在壳体上，所述图像编码信号将DSP传输的图像信息编码后输出，有实时时钟电路与DSP外部总线接口连接以提供时序信号，有扩展存储芯片和闪存芯片与DSP内部总线接口连接以提供数据存储空间，有以太网控制芯片与DSP的通讯接口相连接实现以太网数据链路层协议，并通过IP/TCP协议栈实现网络通讯，所述以太网控制芯片输出接口连接有安装在壳体上的通讯接线端，有串口实现芯片与DSP的信号输入、输出接口连接，实现RS485/232接口，所述串口实现芯片的输出接口连接有安装在壳体上的串口接线端，所述电路板上还集成有数字信号转换电路，所述指示灯通过数模信号转换电路与DSP连接，所述信号转换电路信号输出端还连接有安装在壳体上的报警信号输出接线端。
所述的嵌入式视频烟雾探测器，其特征在于：所述彩色单板机型号为WK-53X11，所述DSP型号为TMS320DM642，所述图像解码芯片型号为TVP5150，所述图像编码芯片型号为SAA7121，所述以太网控制芯片型号为BCM5221，所述串口实现芯片型号为TL16C752B。
所述的嵌入式视频烟雾探测器的烟雾识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)检测嵌入式视频烟雾探测器的工作状态，在DSP中完成算法环境初始化，摄像头捕捉到监控场所的图像信息，并将图像信息发送到图像解码芯片进行图像解码；
(2)图像解码芯片将解码后得到的数字视频信号发送到DSP的数据输入端口，在DSP中对输入的视频信号进行预处理，然后对预处理过的图像序列进行帧间差分运算，得到运动变化的图像，再对差分运算后的图像采用一个固定阈值加帧差分偏移量进行二值化运算，得到运动的二值化图像，所述二值化图像是由动点和不动点组成；
(3)对所述步骤(2)中得到的运动的二值化图像进行形态学除噪，将孤立点和干扰像素进行去除，采用设定的网格尺寸，对除噪以后的二值化图像进行网格映射；
(4)对所述步骤(3)网格化的图像采用种子生长算法对封闭空洞进行填充，再对填充以后的网格化图像进行连通性分析，对监测范围内的运动目标进行框定，采用逐行生长累加算法捕捉监控范围内的运动目标，得到当前帧的运动目标列表，所述的逐行生长累加算法是指第一行的每组不相邻的动点标记为不同的目标，从第二行开始把每一行的动点累加到已经标记的目标上面，并根据是否相邻进行目标合并；
(5)在原始图像中，对步骤(4)得到的运动目标序列进行空间定位，对定位的原始图像采用Robert边缘识别算子进行高通滤波，并进行网格化，得到滤波网格图，对得到的滤波网格图与步骤(3)所得到的网格图像进行图像相似度匹配，匹配度高的为刚体不透明运动目标，匹配度低为半透明运动目标，对匹配度规整化输出，以此匹配度作为相似度特征值，若相似度特征值小于DSP中提前设定的经验阈值则将目标判定为烟雾；
(6)对所述步骤(4)得到的运动目标序列进行八方向的目标跟踪，统计跟踪到的目标形心点，并对时间序列上的形心点进行曲线拟合作为目标的运动轨迹，对得到的目标运动曲线进行运动速度及运动方向的特征提取，运动速度缓慢、方向向上的目标作为烟雾图像概率因子进行输出，得到运动特征值；
(7)在差分二值化后的图像中对所述步骤(4)得到的运动目标序列进行空间定位，对定位的二值化图像，采用由小到大的窗口进行滤波，分别记录窗口滤波滤除的像素点数，得到多规格的窗口滤波像素变化曲线，烟雾下方靠近烟雾产生源的颗粒聚集度高，上方远离源的烟雾颗粒较分散，所以下方窗口滤波像素变化较慢，上方窗口滤波像素变化较快，得出烟雾图像的纹理特征值并作为概率因子进行输出，得到纹理特征值；
(8)对所述步骤(5)、(6)、(7)中得到的概率因子进行融合判定，当概率大于一个给定值时，得出该目标图像为烟雾的结论并发出火灾报警信号，同时将火灾报警信号和现场视频图像信号通过通讯接线端传输到外部的消防控制室。
本发明中，摄像头配合彩色单板机对现场环境进行实时图像采集，经图像解码芯片将模拟视频信号转换为数字图像序列，并将图像序列发送到DSP上。DSP对输入的图像进行图像预处理，并针对烟雾图像存在边缘扩散、半透明、火灾烟雾持续产生并不断上升、烟雾图像纹理细腻等特征，分别提取其边缘、运动形态及纹理等特征值，并经算法识别得出基于这几种特征的烟雾图像的匹配度，最终判定现场是否存在火灾产生的烟雾。若发现烟雾，触发报警并通过通讯单元将报警信号及现场图像发送到消防控制中心。以太网控制芯片负责网络协议栈的建立和数据包的封装，完成数据信号和控制信号的传输。
本发明具有以下特点：
1、采用视频图像处理识别技术，可以非接触式对监控场景的图像信息进行实时处理，对于长距离、大空间场所具有抗干扰能力强、监控范围广、响应速度快的特点，并可满足相关人员实时观看监控场景的可视化要求；最大探测距离可达100m以上，烟雾响应速度不超过15s，具有明显的优势；
2、通讯可采用普通的局域网或英特网，相对于传统的图像集中处理型探测器，节省了通讯传输成本，同时提高了系统的抗干扰能力和准确性；
3、采用嵌入式处理技术，可以在探测器前端同时进行信号采集和数据处理，并根据处理的结果判断是否进行报警，具有远距离传输信息不易受干扰，无巡检等待时间，响应速度快的特点；
4、采用有效的烟雾识别算法，可以在DSP平台上，进行实时有效的处理并判断是否有火灾烟雾产生，具有灵敏度、准确度高的特点；
5、每个嵌入式视频烟雾探测器都是一个独立的火灾探测器，具有易扩展、易维护等特点。
本发明适用大型仓库、飞机库、体育馆、会展中心等大空间场所及森林火灾监控系统中使用。具有响应速度快、监控范围广、易扩展、易维护等特点，可以实现早期火灾报警的目的。
附图说明
图1为本发明嵌入式视频烟雾探测器结构图。
图2为本发明嵌入式视频烟雾探测器功能框图。
图3为本发明电路板原理框图。
图4为DSP中软件流程示意图。
图5为图像处理算法流程图。
图6为电源和接口模块电路。
图7为图像解码芯片电路图。
图8为图像编码芯片电路图。
具体实施方式
如图1所示，嵌入式视频烟雾探测器，包括有壳体1，壳体1上安装有指示灯2，电源接口3，壳体1内有电路板9，电路板上集成有彩色单板机，彩色单片机电连接有摄像头4，摄像头4安装在壳体1上，电路板上还集成有DSP，有图像解码芯片与DSP的视频输入接口连接，图像解码芯片的输入接口与彩色单板机的输出接口连接以接收图像信号，并将图像信号解码后传输至所述DSP，有图像编码芯片与DSP的视频输出接口连接，图像编码芯片的输出接口连接有视频输出接线端5，视频输出接线端5安装在壳体1上，图像编码信号将DSP传输的图像信息编码后输出，有实时时钟电路与DSP外部总线接口连接以提供时序信号，有扩展存储芯片和闪存芯片与DSP内部总线接口连接以提供数据存储空间，有以太网控制芯片与DSP的通讯接口相连接实现以太网数据链路层协议，并通过IP/TCP协议栈实现网络通讯，以太网控制芯片输出接口连接有安装在壳体上的通讯接线端6，有串口实现芯片与DSP的信号输入、输出接口连接，实现RS485/232接口，串口实现芯片的输出接口连接有安装在壳体上的串口接线端7，电路板上还集成有数字信号转换电路，指示灯2通过数模信号转换电路与DSP连接，信号转换电路信号输出端还连接有安装在壳体1上的报警信号输出接线端8。
彩色单板机型号为WK-53X11，所述DSP型号为TMS320DM642，所述图像解码芯片型号为TVP5150，所述图像编码芯片型号为SAA7121，所述以太网控制芯片型号为BCM5221，所述串口实现芯片型号为TL16C752B。
如图2、图3、图4、图5所示。嵌入式视频烟雾探测器的烟雾识别方法，包括以下步骤：
(1)检测嵌入式视频烟雾探测器的工作状态，在DSP中完成算法环境初始化，摄像头捕捉到监控场所的图像信息，并将图像信息发送到图像解码芯片进行图像解码；
(2)图像解码芯片将解码后得到的数字视频信号发送到DSP进行预处理和图像校正，在DSP中对预处理过的图像序列进行帧间差分运算，得到运动变化的图像，再对差分运算后的图像采用一个固定阈值加帧差分偏移量进行二值化运算，得到运动的二值化图像；
(3)对步骤(2)中得到的运动的二值化图像进行形态学除噪，将孤立点和干扰像素进行去除，采用设定的网格尺寸，对除噪以后的二值化图像进行网格映射；
(4)对步骤(3)网格化的图像使用8方向的光照方法对封闭空洞进行填充，再对填充以后的网格化图像进行连通性分析，对监测范围内的运动目标进行框定，采用一种线性复杂度的逐行生长算法提取监控范围内的运动目标，得到当前帧的运动目标列表；
(5)在原始图像中，对步骤(4)得到的运动目标序列进行空间定位，对定位的原始图像采用Robert边缘识别算子进行高通滤波，并进行网格化，得到滤波网格图，对得到的滤波网格图与步骤(3)所得到的网格图像进行图像相似度匹配，匹配度高的为刚体不透明运动目标，匹配度低为半透明运动目标，对匹配度规整化输出，作为目标为半透明烟雾的概率因子，得到相似度特征值；
(6)采用缓步式8方向对步骤(4)得到的运动目标序列进行类目标跟踪，统计跟踪到的目标形心点，并对时间序列上的形心点进行曲线拟合作为目标的运动轨迹，对得到的目标运动曲线进行运动速度及运动方向的特征提取，运动速度缓慢、方向向上的目标作为烟雾图像概率因子进行输出，得到运动特征值；
(7)在差分二值化后的图像中对步骤(4)得到的运动目标序列进行空间定位，对定位的二值化图像，采用由小到大的窗口进行滤波，分别记录窗口滤波滤除的像素点数，得到多规格的窗口滤波像素变化曲线，烟雾下方靠近烟雾产生源的颗粒聚集度高，上方远离源的烟雾颗粒较分散，所以下方窗口滤波像素变化较慢，上方窗口滤波像素变化较快，得出烟雾图像的纹理特征值并作为概率因子进行输出，得到纹理特征值；
(8)对步骤(5)、(6)、(7)中得到的概率因子进行融合判定，当概率大于一个给定值时，得出该目标图像为烟雾的结论并发出火灾报警信号，同时将火灾报警信号和现场视频图像信号通过通讯接线端传输到外部的消防控制室。
本发明嵌入式视频烟雾探测器中，电路板上还集成有电源接口模块。电源接口模块如图6所示，该模块实现前端探测器与外部的接口，并为图像捕捉单元和图像处理单元提供5VDC和12VDC的电源。外部接口由24VDC输入、RS232接口、以太网接口、报警接口、视频输出接口等组成，RS232接口、报警接口和以太网接口与图像处理单元进行连接。电源模块包含24VDC-5VDC和24VDC-12VDC的两块电源模块。
图像解码单元如图7所示，该模块输入制式模拟视频信号，完成视频解码，并将解码后的图像信号输入到图像处理单元；该模块采用TI公司的TVP5150视频解码芯片，可编程支持NTSC和PAL制式的视频输入，通过DSP的控制进行实时解码。
图像编码单元如图8所示，该模块采用TI公司的SAA7121视频编码芯片输入YUV格式的数字视频信号，将该信号编码成制式模拟视频信号。
嵌入式视频烟雾探测器的工作流程如下：第一步是系统初始化，检测图像捕捉单元和通讯模块的工作状态，并完成算法环境初始化；第二步图像捕捉单元捕捉到监控场所的图像信息，发送到解码单元进行图像解码；第三步将数字视频信号发送到图像处理单元进行预处理和图像校正；第四步对预处理过的图像序列进行帧间差分并进行二值化处理，得到运动的二值化图像；第五步对二值化图像进行形态学除噪，将孤立点和干扰像素进行去除；第六步采用设定的网格尺寸，对除噪以后的二值化图像进行网格化；第七步对网格化图像使用光照方法对封闭空洞进行填充；第八步对填充以后的网格化图像进行连通性分析，从而对运动目标进行框定，得到当前帧的运动目标列表；第九步每个运动目标对应的灰度图像进行Robert滤波，并进行网格化，得到滤波网格图；第十步对滤波网格图和运动网格图进行相似度匹配，得到相似度特征值；第十一步，对目标进行跟踪，并提取运动特征值；第十二步，通过多尺寸网格滤波得到滤波曲线，分析此曲线得到图像的纹理特征值；第十三步，综合相似度特征值、运动特征值和纹理特征值进行烟雾判断，如果是烟雾则进行报警，否则返回第二步。
Claims (3)
1.嵌入式视频烟雾探测器，包括有壳体，其特征在于：所述壳体上安装有指示灯，壳体内有电路板，所述电路板上集成有彩色单板机，所述彩色单片机电连接有摄像头，所述摄像头安装在壳体上，所述电路板上还集成有DSP，有图像解码芯片与DSP的视频输入接口连接，所述图像解码芯片的输入接口与彩色单板机的输出接口连接以接收图像信号，并将图像信号解码后传输至所述DSP，有图像编码芯片与所述DSP的视频输出接口连接，所述图像编码芯片的输出接口连接有视频输出接线端，所述视频输出接线端安装在壳体上，所述图像编码信号将DSP传输的图像信息编码后输出，有实时时钟电路与DSP外部总线接口连接以提供时序信号，有扩展存储芯片和闪存芯片与DSP内部总线接口连接以提供数据存储空间，有以太网控制芯片与DSP的通讯接口相连接实现以太网数据链路层协议，并通过IP/TCP协议栈实现网络通讯，所述以太网控制芯片输出接口连接有安装在壳体上的通讯接线端，有串口实现芯片与DSP的信号输入、输出接口连接，实现RS485/232接口，所述串口实现芯片的输出接口连接有安装在壳体上的串口接线端，所述电路板上还集成有数字信号转换电路，所述指示灯通过数模信号转换电路与DSP连接，所述信号转换电路信号输出端还连接有安装在壳体上的报警信号输出接线端。
2.根据权利要求1所述的嵌入式视频烟雾探测器，其特征在于：所述彩色单板机型号为WK-53X11，所述DSP型号为TMS320DM642，所述图像解码芯片型号为TVP5150，所述图像编码芯片型号为SAA7121，所述以太网控制芯片型号为BCM5221，所述串口实现芯片型号为TL16C752B。
3.利用权利要求1所述的嵌入式视频烟雾探测器的烟雾识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)检测嵌入式视频烟雾探测器的工作状态，在DSP中完成算法环境初始化，摄像头捕捉到监控场所的图像信息，并将图像信息发送到图像解码芯片进行图像解码；
(2)图像解码芯片将解码后得到的数字视频信号发送到DSP的数据输入端口，在DSP中对输入的视频信号进行预处理，然后对预处理过的图像序列进行帧间差分运算，得到运动变化的图像，再对差分运算后的图像采用一个固定阈值加帧差分偏移量进行二值化运算，得到运动的二值化图像，所述二值化图像是由动点和不动点组成；
(3)对所述步骤(2)中得到的运动的二值化图像进行形态学除噪，将孤立点和干扰像素进行去除，采用设定的网格尺寸，对除噪以后的二值化图像进行网格映射；
(4)对所述步骤(3)网格化的图像采用种子生长算法对封闭空洞进行填充，再对填充以后的网格化图像进行连通性分析，对监测范围内的运动目标进行框定，采用逐行生长累加算法捕捉监控范围内的运动目标，得到当前帧的运动目标列表，所述的逐行生长累加算法是指第一行的每组不相邻的动点标记为不同的目标，从第二行开始把每一行的动点累加到已经标记的目标上面，并根据是否相邻进行目标合并；
(5)在原始图像中，对步骤(4)得到的运动目标序列进行空间定位，对定位的原始图像采用Robert边缘识别算子进行高通滤波，并进行网格化，得到滤波网格图，对得到的滤波网格图与步骤(3)所得到的网格图像进行图像相似度匹配，匹配度高的为刚体不透明运动目标，匹配度低为半透明运动目标，对匹配度规整化输出，以此匹配度作为相似度特征值，若相似度特征值小于DSP中提前设定的经验阈值则将目标判定为烟雾；
(6)对所述步骤(4)得到的运动目标序列进行八方向的目标跟踪，统计跟踪到的目标形心点，并对时间序列上的形心点进行曲线拟合作为目标的运动轨迹，对得到的目标运动曲线进行运动速度及运动方向的特征提取，运动速度缓慢、方向向上的目标作为烟雾图像概率因子进行输出，得到运动特征值；
(7)在差分二值化后的图像中对所述步骤(4)得到的运动目标序列进行空间定位，对定位的二值化图像，采用由小到大的窗口进行滤波，分别记录窗口滤波滤除的像素点数，得到多规格的窗口滤波像素变化曲线，烟雾下方靠近烟雾产生源的颗粒聚集度高，上方远离源的烟雾颗粒较分散，所以下方窗口滤波像素变化较慢，上方窗口滤波像素变化较快，得出烟雾图像的纹理特征值并作为概率因子进行输出，得到纹理特征值；
(8)对所述步骤(5)、(6)、(7)中得到的概率因子进行融合判定，当概率大于一个给定值时，得出该目标图像为烟雾的结论并发出火灾报警信号，同时将火灾报警信号和现场视频图像信号通过通讯接线端传输到外部的消防控制室。
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