CN103285548A

CN103285548A - 利用单目摄像机定位地面火灾的方法及装置

Info

Publication number: CN103285548A
Application number: CN2013101816031A
Authority: CN
Inventors: 吴海彬; 马森晨
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: CN103285548B

Abstract

本发明涉及一种利用单目摄像机定位地面火灾的方法及装置，该方法将单目摄像机设置在被监控地面区域上方，然后驱动所述单目摄像机运动扫描被监控地面区域以获取监控图像，当监控图像中出现火焰对象时，以火焰对象所成图像底边中心为基准点，在所述监控图像中指定一点，驱动所述单目摄像机移动，使所述基准点与指定点重合，以喷水灭火。对应的，该装置包括设于被监控地面区域中心上方且可在水平面和竖直面上转动的运动机构、设于所述运动机构上的单目摄像机以及分别与所述单目摄像机和运动机构相连接的控制器。该方法及装置不仅定位精度高，定位速度快，而且定位方法简单，技术要求低，易于安装调试。

Description

利用单目摄像机定位地面火灾的方法及装置

技术领域

本发明涉及基于摄像的火灾定位技术领域，特别是一种利用单目摄像机定位地面火灾的方法及装置。

背景技术

火灾给人们的生产生活造成了巨大的生命财产损失，如何快速有效地找到火源并灭火，将火灾造成的损失降到最小是急需解决的关键技术问题。对于智能化的自动灭火系统，关键技术之一就是要在最短的时间内锁定火源目标，准确定位火源的位置，并为喷水灭火做好准备。

传统的基于红外传感器的定位方法受炮体运动引起的振动、外界温度变化、电磁干扰等因素的影响，容易造成漏报，误报等现象，并且这种传感器类探测装置不能完整识别火焰的形状和大小，也就无法使落水点正好落在火焰的中心，灭火效率较低。

现有的针对图像的火灾定位方法，采用的是两个摄像机形成立体视觉来获得火灾坐标，定位方法繁琐复杂，技术要求高，安装调试困难。双目摄像立体视觉系统在定位前，考虑到摄像头的各种畸变因素，需要对摄像头进行标定矫正，标定过程复杂专业，在实际应用中，难以普及。双目摄像定位需要对场所内摄像头位置进行固定安装，针对不同场合，需要重新计算及建立坐标系，计算各个摄像头与坐标系间位置关系，提取火源位置算法复杂，环境适应性差，实时性不高。专利200910033034申请公开的“一种基于计算机视觉技术的火灾智能探测、扑灭方法及系统”，采用双目视差方法来进行火灾定位，但它未对双目摄像头进行标定，未考虑摄像头各种畸变因素，定位精度差，自适应性差。专利201110238242申请公开的“双目摄像火灾探测与定位装置及其火灾定位方法”，通过调整两台摄像头对火灾根部图像坐标与图像中心坐标重合形成三角关系来定位火灾，由于不同角度采集到的火焰根部图像位置不同，在一定程度上无法满足理想的三角关系，使算法结果与实际存在偏差，定位精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用单目摄像机定位地面火灾的方法及装置，该方法及装置不仅定位精度高，定位速度快，而且定位方法简单，技术要求低，易于安装调试。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种利用单目摄像机定位地面火灾的方法，将单目摄像机设置在被监控地面区域上方，然后驱动所述单目摄像机运动扫描被监控地面区域以获取监控图像，当监控图像中出现火焰对象时，以火焰对象所成图像底边中心为基准点，在所述监控图像中指定一点，驱动所述单目摄像机移动，使所述基准点与指定点重合，以喷水灭火。

进一步的，该方法包括以下步骤：

步骤1：将装有单目摄像机的运动机构安装于被监控地面区域的中心上方；

步骤2：所述运动机构工作，调整所述单目摄像机的俯角，使单目摄像机的视角可以覆盖被监控地面区域的整个半径区域；

步骤3：所述运动机构带动所述单目摄像机进行水平转动，扫描被监控地面区域，获取监控图像；

步骤4：所述单目摄像机将监控图像实时传送给控制器，所述控制器判断监控图像内是否有火焰对象，是则控制所述运动机构停止转动，并转步骤5，否则按照步骤3继续扫描；

步骤5：提取火焰对象所成图像底部中心在监控图像中的坐标和所述监控图像中指定点的坐标，并计算把火焰对象所成图像底部中心移动到所述指定点，所述运动机构需转过的水平转角和竖直转角；

步骤6：驱动所述运动机构转过所述水平转角和竖直转角定位火源，以喷水灭火。

进一步的，所述指定点是所述监控图像中心点，或是监控图像中心点上方朝向校正后的点。

进一步的，在步骤1中，如果所述单目摄像机的视角无法覆盖被监控地面区域的整个半径区域，则将整个半径区域沿径向划分为多个区段，按一定的顺序对各区段进行扫描。

进一步的，所述步骤6还包括：基于水的重力作用，估算所述单目摄像机的俯角补偿角度，并驱动所述运动机构转过相应角度。

本发明还提供了一种利用单目摄像机定位地面火灾的装置，包括设于被监控地面区域中心上方且可进行水平和竖直转动的运动机构、设于所述运动机构上的单目摄像机以及分别与所述单目摄像机和运动机构相连接的控制器；

所述运动机构用于在所述控制器控制下，带动所述单目摄像机在水平面和竖直面上转过相应角度；所述单目摄像机用于扫描被监控地面区域，获取监控图像，并将监控图像实时传送给所述控制器；所述控制器用于控制所述运动机构的启停及在水平面和竖直面上转过设定的角度，还用于对监控图像进行处理，判断是否有火焰对象，提取监控图像中任意指定点的坐标，并计算将监控图像中一点移动到另一点，所述运动机构需转过的水平转角和竖直转角。

进一步的，所述控制器还用于给灭火装置发出喷水灭火的触发信号。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1、只需要一个单目摄像头，实施成本低，安装调试简单，图像处理的计算量很小。

2、同时驱动水平和竖直转动机构实现火灾的定位，定位火灾的速度更快，这对于迅速有效的灭火具有十分重要的意义。

3、不仅可以实现地面火灾的定位以及位置坐标的计算，当图像上指定点为朝向校正之后的点时，还可以实现不经过二次朝向校正，直接喷水灭火，更加节省了定位时间。

附图说明

图1是本发明方法的工作流程图。

图2是本发明装置的连接结构示意图。

图3是火焰光谱特征示意图。

图4是本发明在被监控地面区域建立的坐标系示意图。

图5是本发明在监控图像上以左上角为原点建立的坐标系示意图。

图6是本发明在监控图像和单目摄像机焦点之间建立的三维坐标系示意图。

具体实施方式

本发明利用单目摄像机定位地面火灾的方法，将单目摄像机设置在被监控地面区域上方，然后驱动所述单目摄像机运动扫描被监控地面区域以获取监控图像，当监控图像中出现火焰对象时，以火焰对象所成图像底边中心为基准点，在所述监控图像中指定一点，驱动所述单目摄像机移动，使所述基准点与指定点重合，以喷水灭火。如图1所示，本发明方法具体包括以下步骤：

步骤4：所述单目摄像机将监控图像实时传送给控制器，所述控制器判断监控图像内是否有火焰对象，即监控范围是否有火灾发生，是则控制所述运动机构停止转动，并转步骤5，否则按照步骤3继续扫描；

步骤5：提取火焰对象所成图像底部中心在监控图像中的坐标和所述监控图像中心点的坐标，并计算把火焰对象所成图像底部中心移动到所述监控图像中心点，所述运动机构需转过的水平转角和竖直转角；

在步骤1中，如果所述单目摄像机的视角无法覆盖被监控地面区域的整个半径区域，则将整个半径区域沿径向划分为多个区段，按一定的顺序对各区段进行扫描。

所述步骤6还包括：基于水的重力作用，估算所述单目摄像机的俯角补偿角度，并驱动所述运动机构转过相应角度。

本发明还提供了实现上述方法的装置，包括设于被监控地面区域中心上方且可进行水平和竖直转动的运动机构、设于所述运动机构上的单目摄像机以及分别与所述单目摄像机和运动机构相连接的控制器。

所述运动机构用于在所述控制器控制下，带动所述单目摄像机在水平面和竖直面上转过相应角度。所述单目摄像机用于扫描被监控地面区域，获取监控图像，并将监控图像实时传送给所述控制器。所述控制器用于控制所述运动机构的启停及在水平面和竖直面上转过设定的角度，还用于对监控图像进行处理，判断是否有火焰对象，提取监控图像中任意点的坐标，并计算将监控图像中一点移动到另一点，所述运动机构需转过的水平转角和竖直转角。所述控制器还用于给灭火装置发出喷水灭火的触发信号。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

使单目摄像机能够实现水平和竖直转动的运动机构结构如图2所示，单目摄像机固定在运动机构的末端，摄像机的朝向与运动机构末端连杆的方向平行。实际的运动机构，可以采用连杆的空心设计，使灭火用水直接从运动结构底座进入，再通过末端空心连杆喷出。运动机构在水平旋转（绕竖直轴）和竖直旋转（绕水平轴）时需要进行定位，这可以在运动机构的水平、竖直轴上安装光电编码器，由于运动机构转过的角度与编码器计数存在相应的线性关系，因此可通过正交编码器计数，获得运动机构水平、竖直走过的角度，实时取得运动机构和摄像头所在的位姿信息，也可以采用电位器等其它传感器实现运动机构的定位。

为了更好地实现火焰的图像处理，可以对摄像头透镜进行一定的处理。根据图3所示火焰的光谱特征，火焰在 4.2μm红外波段附近能够观察到红外辐射峰值，这是与火焰燃烧共鸣的二氧化碳原子团的发光光谱，为火焰所特有，且比其他光谱波段具有大得多的强度。因此采用特殊定制4.2-4.5μm范围的滤光片覆盖在摄像头靶面上，以达到滤除背景信息与其它光源干扰的目的。

在此基础上，按如下方法实现利用单目摄像机定位地面火灾：

首先在需保护的建筑空间内建立坐标系，如图4所示，根据场地需求将运动机构及单目摄像机安装在A点上方，安装高度为H，可通过测量直接得到定位系统的三维坐标为（X₁，Y₁，H）。

为了使单目摄像机摄像头的视角可以覆盖被监控地面区域的整个半径区域，根据装置安装的高度H，需要探测的范围以及摄像机参数，控制摄像机竖直转动到一定斜度，使摄像机视野刚好覆盖被监控地面区域整个半径范围，记录此时摄像头的竖直角度为，同时记录当前水平转角

作为初始水平转角。

以（

，

）作为运动机构的起始位姿，运动机构带动摄像头开始水平转动，以寻找目标区域的火源，同时，摄像头开始采集监控图像，传输至控制器进行图像处理和火灾识别。

在扫描过程中，控制器实时对图像进行灰度处理，经过滤光片过滤的视频图像，呈灰暗色，若视野里存在火源，即会以高亮特征显示。通过设定阈值二值化来剥离背景，从而提取火源信息，然后通过八方向生长来获取完整火源形状、大小。一旦检测到火源存在，则运动机构停止扫描，记录此时水平转角

和竖直转角。为确定火源基准点在图像中的二维坐标，以图像的左上角为原点建立图像坐标系，如图5所示，图像中心坐标

，其中图像分辨率为L*H，L为图像宽度像素数，H为图像高度像素数，在此以图像中火焰底边中心为基准点。通过控制器对图像像素逐行扫描可得到火源图像基准点坐标。

为使图像内火焰底边中心和图像中心重合，首先需计算运动机构需偏转角度。如图6中图像坐标系所示，O点为图像焦点，O₁点为图像中心点，A点为火焰底边中心在图像上的投影点，O₁B垂直于AB，直线OO₁为摄像头焦距f，O₁点坐标为

，A点坐标为

。图像采样率为P，每个像素的实际长度为0.0254/P（m）；因此可通过计算得到图像中心和火焰中心的偏移量

。为使火焰底边中心和图像中心重合，运动机构需要在水平方向需转过角，在竖直方向需转过角，且：

；

；

运动机构水平转动

、竖直转动

后，火焰达到图像中心，即摄像头正对准火源。对准火源的目的往往是为了喷水灭火，但由于光是直线传播，水射流走的是抛物线，所以落水点与火源会有一定的偏差，因此必须对喷口在竖直面上进行一定的角度补偿。竖直角度补偿大小可以依据水射流初速度、仰角、距地面高度等因素计算出来。为此，运动机构只要再竖直旋转

角喷水，即可直接灭火。此时，运动机构水平走过

、竖直走过

，可以根据下面公式算出火源坐标：

;

;

这种火灾定位方法分为两步进行，第一步是先把火焰调节到图像中心，第二步是进行竖直角补偿。在执行第一步的时候，不需要先水平旋转再竖直旋转，从而节省了定位时间。为了进一步节省火焰的定位时间，还可以把上述两步再进一步合并为一步，即运动机构同时水平、竖直旋转运动，使图像基准点直接与补偿后火焰在图像中的位置重合。

实践证明，在摄像头安装高度和喷水压力一定的情况下，

Figure DEST_PATH_228621DEST_PATH_IMAGE016

只取决于当火灾正处于图像中心时摄像机与竖直轴的夹角，其值为

，基于此，

Figure DEST_PATH_470246DEST_PATH_IMAGE016

也可以直接获得，而不需要先转动摄像头使火灾成像正好落在图像中点上，火焰定位流程图如图1所示。当发生火灾时，启动运动机构，调整运动机构的竖直角度，使摄像头视角覆盖被测空间半径方向区域，以便于通过水平转动能监视到整个被监测的空间。之后启动水平转动，在水平转动的同时，控制器通过图像处理检测火焰是否进入其视角空间。一旦进入摄像头的视角空间，运动就停止。接着提取图像火焰基准点和图像中心点的坐标，计算要使火焰基准点运动到图像中心所需的水平偏转角度和竖直偏转角度，再基于竖直偏转角度估计水射流的仰角补偿角度，最后同时驱动运动机构进行水平和竖直转动，直接到达补偿后的目标位置，从而为喷水灭火做好了准备。

这样做的好处是，依据获得的

和

，直接驱动运动机构到达指定点，可直接定位火灾，就不需要分成两步，先转到图像中心再进行校正，从而可以大幅节省火灾对准的时间。

本发明提供了一种快速有效地利用单目摄像机定位地面火灾的方法及装置，不仅能够准确得到地面火灾的坐标，而且还能够同时通过运动机构进行水平和竖直旋转使单目摄像头对上火源，从而为进一步喷水灭火提供准备；同时，还可以利用本发明提供的算法，直接使摄像机对准到一地面指定点，使从摄像机方向喷出的水不经过校正就直接落在火源上，从而为迅速锁定火源目标并喷水灭火争取了宝贵的时间。而且，这种设计简单易行，只需要一个摄像机便能满足定位需求，具有很好的实用性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用单目摄像机定位地面火灾的方法，其特征在于：将单目摄像机设置在被监控地面区域上方，然后驱动所述单目摄像机运动扫描被监控地面区域以获取监控图像，当监控图像中出现火焰对象时，以火焰对象所成图像底边中心为基准点，在所述监控图像中指定一点，驱动所述单目摄像机移动，使所述基准点与指定点重合，以喷水灭火。

2.根据权利要求1所述的利用单目摄像机定位地面火灾的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤6：驱动所述运动机构同时转过所述水平转角和竖直转角定位火源，以喷水灭火。

3.根据权利要求1或2所述的利用单目摄像机定位地面火灾的方法，其特征在于：所述指定点是所述监控图像中心点，或是监控图像中心点上方朝向校正后的点。

4.根据权利要求2所述的利用单目摄像机定位地面火灾的方法，其特征在于：在步骤1中，如果所述单目摄像机的视角无法覆盖被监控地面区域的整个半径区域，则将整个半径区域沿径向划分为多个区段，按一定的顺序对各区段进行扫描。

5.根据权利要求2所述的利用单目摄像机定位地面火灾的方法，其特征在于：所述步骤6还包括：基于水的重力作用，估算所述单目摄像机的俯角补偿角度，并驱动所述运动机构转过相应角度。

6.一种利用单目摄像机定位地面火灾的装置，其特征在于：包括设于被监控地面区域中心上方且可进行水平和竖直转动的运动机构、设于所述运动机构上的单目摄像机以及分别与所述单目摄像机和运动机构相连接的控制器；

所述运动机构用于在所述控制器控制下，带动所述单目摄像机在水平面和竖直面上转过相应角度；

所述单目摄像机用于扫描被监控地面区域，获取监控图像，并将监控图像实时传送给所述控制器；

所述控制器用于控制所述运动机构的启停及在水平面和竖直面上转过设定的角度，还用于对监控图像进行处理，判断是否有火焰对象，提取监控图像中任意指定点的坐标，并计算将监控图像中一点移动到另一点，所述运动机构需转过的水平转角和竖直转角。

7.根据权利要求6所述的利用单目摄像机定位地面火灾的装置，其特征在于：所述控制器还用于给灭火装置发出喷水灭火的触发信号。