CN105056455B - 一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置，消防炮定位方法包括以下步骤：炮管水平方向调整角度的确定，包括以下步骤：处理单元通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心，根据火焰区域的中心相对于图像中心的位置，与炮管形成的夹角即为炮管水平方向调整角度；炮管垂直方向调整角度的确定，包括以下步骤：根据图像上标记火源区域的中心，确定炮管的定位角及消防炮的落水点位置，再结合消防炮安装高度、射流速度修正炮管，得到炮管仰角即为炮管垂直方向调整角度。本发明的消防炮定位方法及装置，使用广角摄像镜头结合传感器构成的广角火焰探测器，广角镜头探测范围广，可探测以消防炮为中心360度范围内的火焰目标。
Description
技术领域
本发明属于消防炮技术领域，具体涉及一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置。
背景技术
消防炮以射流量大，灭火剂喷射集中，在大空间消防领域有着非常重要的地位。在环境和空间相对复杂的情况下，实现准确快速的火点定位是消防炮控制的关键。目前主要采用红紫外传感器的扫描定位技术和采用图像传感器的两次定位技术。
红紫外传感器使用紫外传感器进行火情触发，在触发后，使用红外传感器进行水平和垂直扫描定位。该技术存在以下缺陷：
1.在水平扫描过程中，信号强弱表征的是垂直方向的积分值，不能代表着火点具体强度和形状大小。因此，对于多点火情，很难准确判定喷射位置的先后顺序。
2.在有电弧焊、卤素灯、气体放电管、紫外灯等能够发出一定紫外线的场合，将会触发紫外传感器，引起消防炮进行红外扫描，触发消防炮灭火，形成对消防炮的误导。
3.对扫描到的位置点，对于消防炮炮口瞄准方向来说是直线瞄准，但是射流轨迹是抛物线，很难定点瞄准。在这种情况下，部分厂家采用消防炮垂直方向摆动的方式进行灭火，但这种方式大大削弱了消防炮射流集中的优势。
图像传感器的两次定位技术是在触发火灾报警的探测器检测到火点后，给出初定位坐标，消防炮将转动到该位置，然后利用炮口上的火灾探测器做二次精确定位。该技术存在以下缺陷：
1.火灾探测需要两次探测动作，定位响应时间慢。
2.存在和红紫外扫描炮缺陷3相同的技术问题。尽管有些厂家对此做了改进，比如采用炮口摄像机和探测器的摄像机进行双目视觉判定距离，但是由于实际安装过程中存在两个摄像机距离测量和按要求精确安装困难，这种方法也很多停留在实验室内。
3.探测器数量增加，故障率也相应提高，安装和调试也变得更加麻烦，甚至对于一些使用场所来说，过多的信号连线却成了新的火灾隐患。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术中存在的问题，提供一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置，使用广角摄像镜头结合传感器构成的广角火焰探测器，不需要扫描定位，也不需要两次定位，定位简单且精准，提供装置的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于图像辨识的消防炮定位方，包括以下步骤：
图像探测器的摄像头采集视场覆盖范围内的图像，经处理单元分析处理，判断摄像头的视场覆盖范围内是否有火源，如有火源存在时，处理单元根据火源位置确定消防炮的炮管水平方向调整角度和垂直方向调整角度，然后驱动运动控制单元调整炮管在水平方向的转角和垂直方向的转角，使得消防炮的落水点位置与火源位置重合；其中，
炮管水平方向调整角度的确定，包括以下步骤：
处理单元通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心，根据火焰区域的中心相对于图像中心的位置，与炮管形成的夹角即为炮管水平方向调整角度；
炮管垂直方向调整角度的确定，包括以下步骤：
根据图像上标记火源区域的中心，确定炮管的定位角及消防炮的落水点位置，再结合消防炮安装高度、射流速度修正炮管，得到炮管仰角即为炮管垂直方向调整角度。
优选地，炮管水平方向调整角度的确定，具体为：
处理单元通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心P(Px，Py)，火焰区域中心坐标P(Px，Py)由下式确定,
式中，(xi,yi)为图像中火焰对应的像素位置坐标，Pi为该位置火焰确信度百分比；
并根据图像中心坐标C(Cx，Cy)，其中，Cx为W/2，Cy为H/2，W为图像水平方向有效像素数量，H为图像垂直方向有效像素数量；
根据火焰区域的中心P(Px，Py)相对于图像中心C(Cx，Cy)的相对位置向量CP，与炮管形成的夹角α，α即为炮管水平方向调整角度。
进一步优选地，炮管垂直方向调整角度的确定，具体为：
根据图像上标记火源区域的中心P(Px，Py)，确定炮管的定位角β及消防炮的落水点位置M(L，h)，其中，L为火源与炮管水平距离，h为消防炮的安装高度；
根据消防炮的落水点位置M(L，h)，再结合消防炮安装高度h、射流速度v修正炮管，结合射流轨迹方程，得到炮管仰角θ，θ即为炮管垂直方向调整角度；其中，射流轨迹方程如下式：
式中，A、B、C为待定系数，h为消防炮的安装高度，v为射流速度。
优选地，所述的图像探测器包括摄像头和传感器，摄像头采用广角镜头，广角镜头的水平和垂直视场角度不小于130度，传感器为CMOS传感器，传感器同轴固定安装在摄像头尾部；摄像头采集到光信号，通过传感器转换成数字图像信号。
优选地，图像探测器的摄像头的光轴与消防炮的支撑轴平行安装。
进一步优选地，所述的摄像头采用镜头竖直向下的悬挂式安装，消防炮的炮管通过支撑轴固定在地面，且摄像头的光轴与消防炮的支撑轴共线。
优选地，处理单元的分析处理包括：处理单元接收图像探测器输出的数字图像信号，对信号进行逐帧分析，提取符合火焰燃烧特征的信息，其中包括亮度或温度信息、闪烁频率、形态信息。
本发明还提供一种实现上述所述的消防炮定位方法的装置，包括图像探测器，处理单元和运动控制单元，其中，图像探测器主要由摄像头和传感器组成；
摄像头用于采集视场覆盖范围内的图像；
传感器用于将摄像头采集的光信号转换成数字图像信号；
处理单元用于将传感器的数字图像信号进行分析处理，判断摄像头的视场覆盖范围内是否有火源，如有火源存在时，根据火源位置确定消防炮的炮管水平方向调整角度和垂直方向调整角度，然后驱动运动控制单元调整炮管在水平方向的转角和垂直方向的转角，使得消防炮的落水点位置与火源位置重合；其中，
炮管水平方向调整角度的确定，包括以下步骤：
处理单元通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心，根据火焰区域的中心相对于图像中心的位置，与炮管形成的夹角即为炮管水平方向调整角度；
炮管垂直方向调整角度的确定，包括以下步骤：
根据图像上标记火源区域的中心，确定炮管的定位角，然后根据炮管的定位角，确定消防炮的落水点位置，再结合消防炮安装高度、射流速度修正炮管，得到炮管仰角即为炮管垂直方向调整角度。
优选地，所述的摄像头采用广角镜头，广角镜头的水平和垂直视场角度不小于130度，传感器为CMOS传感器，传感器同轴固定安装在摄像头尾部。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的一种基于图像辨识的消防炮定位方法及装置，使用广角摄像镜头结合传感器构成的广角火焰探测器，广角镜头探测范围广，可探测以消防炮为中心360度范围内的火焰目标，并能将火焰目标与炮口的水平夹角计算出来。设定消防炮水平运动角度；同时能将炮口的仰角计算出来，设定消防炮垂直运动角度，定位精度高，不需要扫描定位，也不需要两次定位，在探测过程中无机械运动，提高了系统寿命。
附图说明
图1是本发明的消防炮定位装置结构框图。
图2是本发明的消防炮定位装置垂直方向成像示意图。
图3是火源在水平方向的平面投影示意简图。
图中标记：100-图像探测器，101-摄像头，102-传感器，200-处理单元，300-运动控制单元，400-消防炮，401-炮管，402-支撑轴。
具体实施方式
参照图1，图2，本发明的一种基于图像辨识的消防炮定位装置，包括图像探测器100，处理单元200和运动控制单元300，其中，图像探测器100主要由摄像头101和传感器102组成，摄像头101用于采集视场覆盖范围内的图像，传感器102用于将摄像头101采集的光信号转换成数字图像信号，处理单元200用于将传感器102的数字图像信号进行分析处理，判断摄像头101的视场覆盖范围内是否有火源，如有火源存在时，根据火源位置确定消防炮400的炮管401水平方向调整角度和垂直方向调整角度，然后驱动运动控制单元300调整炮管401在水平方向的转角和垂直方向的转角，使得消防炮400的落水点位置与火源位置重合。
摄像头101采用广角镜头，广角镜头的水平和垂直视场角度不小于130度，传感器102为CMOS传感器，传感器102同轴固定安装在摄像头101尾部。
摄像头101采用镜头竖直向下的悬挂式安装，消防炮400的炮管401通过支撑轴402固定在地面，且摄像头101的光轴与消防炮400的支撑轴402共线。
在处理单元200运算得到了准确的水平方向的转角和垂直方向的转角后，将水平运动角度和垂直运动角度分别转换为运动控制单元300的数字脉冲数，进而发送控制命令给运动控制单元300实现消防炮400的数字定位。
运动控制单元300可以为开环步进控制或闭环伺服控制。
参照图1-3，本发明的一种基于图像辨识的消防炮400定位方法，包括以下步骤：
图像探测器100的摄像头101采集视场覆盖范围内的图像，经处理单元200分析处理，即处理单元200接收图像探测器100输出的数字图像信号，对信号进行逐帧分析，提取符合火焰燃烧特征的信息，其中包括亮度或温度信息、闪烁频率、形态信息。
处理单元200分析处理后，判断摄像头101的视场覆盖范围内是否有火源，如有火源存在时，处理单元200根据火源位置确定消防炮400的炮管401水平方向调整角度和垂直方向调整角度，然后驱动运动控制单元300调整炮管401在水平方向的转角和垂直方向的转角，使得消防炮400的落水点位置与火源位置重合。
炮管401水平方向调整角度的确定，包括以下步骤：
参照图2，图3，处理单元200通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心P(Px，Py)，火焰区域中心坐标P(Px，Py)由下式确定,
式中，(xi,yi)为图像中火焰对应的像素位置坐标，Pi为该位置火焰确信度百分比；
并根据图像中心坐标C(Cx，Cy)，其中，Cx为W/2，Cy为H/2，W为图像水平方向有效像素数量，H为图像垂直方向有效像素数量；
根据火焰区域的中心P(Px，Py)相对于图像中心C(Cx，Cy)的相对位置向量CP，若设定炮管401方向为图3的实轴方向，向量CP与炮管401形成夹角α，α即为炮管401水平方向调整角度。
炮管401垂直方向调整角度的确定，包括以下步骤：
参照图2，根据图像上标记火源区域的中心P(Px，Py)，确定炮管401的定位角β，本实施例中摄像头101与传感器102同轴固定安装，光轴与图像的中心点重合，根据CP向量的长度b、摄像头101的安装高度H和摄像头101镜头的焦距f，则光轴与物象连线之间的夹角δ＝atan(bf/H)，火源中心与光轴之间的距离L＝H×tanδ＝bf，消防炮400炮管401的定位角度β＝atan(L/h)＝atan(bf/h)。为了准确地让水柱击中火源，需要对定位角度β进行修正，因为消防炮400射流受到重力影响在垂直平面内，并不是一条直线，而是一条曲线。
然后根据消防炮400的落水点位置M(L，h)，其中，L为火源与炮管401水平距离，h为消防炮400的安装高度。再结合消防炮400安装高度h、射流速度v修正炮管401，结合射流轨迹方程，得到炮管401仰角θ，θ即为炮管401垂直方向调整角度；其中，射流轨迹方程如下式：
式中，A、B、C为待定系数，h为消防炮400的安装高度，v为射流速度。将落水点位置M(L，h)代入上述射流轨迹方程，即可求出炮管401仰角θ，从而调节消防炮400的炮管401在垂直方向的转角。
Claims (9)
1.一种基于图像辨识的消防炮定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
图像探测器(100)的摄像头(101)采集视场覆盖范围内的图像，经处理单元(200)分析处理，判断摄像头(101)的视场覆盖范围内是否有火源，如有火源存在时，处理单元(200)根据火源位置确定消防炮(400)的炮管(401)水平方向调整角度和垂直方向调整角度，然后驱动运动控制单元(300)调整炮管(401)在水平方向的转角和垂直方向的转角，使得消防炮(400)的落水点位置与火源位置重合；其中，
炮管(401)水平方向调整角度的确定，包括以下步骤：
处理单元(200)通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心，根据火焰区域的中心相对于图像中心的位置，与炮管(401)形成的夹角即为炮管(401)水平方向调整角度；其中，摄像头(101)的光轴与炮管(401)回转中心线平行安装，且炮管(401)在摄像头(101)光轴垂直平面上的投影角度在调整前有确定夹角；
炮管(401)垂直方向调整角度的确定，包括以下步骤：
根据图像上标记火源区域的中心，确定炮管(401)的定位角及消防炮(400)的落水点位置，再结合消防炮(400)安装高度、射流速度修正炮管(401)，得到炮管(401)仰角即为炮管(401)垂直方向调整角度。
2.根据权利要求1所述的消防炮定位方法，其特征在于，炮管(401)水平方向调整角度的确定，具体为：
处理单元(200)通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心P(Px，Py)，火焰区域中心坐标P(Px，Py)由下式确定,
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式中，(xi,yi)为图像中火焰对应的像素位置坐标，Pi为该位置火焰确信度百分比；
并根据图像中心坐标C(Cx，Cy)，其中，Cx为W/2，Cy为H/2，W为图像水平方向有效像素数量，H为图像垂直方向有效像素数量；
根据火焰区域的中心P(Px，Py)相对于图像中心C(Cx，Cy)的相对位置向量CP，与炮管(401)形成的夹角α，α即为炮管(401)水平方向调整角度。
3.根据权利要求2所述的消防炮定位方法，其特征在于，炮管(401)垂直方向调整角度的确定，具体为：
根据图像上标记火源区域的中心P(Px，Py)，确定炮管(401)的定位角β及消防炮(400)的落水点位置M(L，h)，其中，L为火源与炮管(401)水平距离，h为消防炮(400)的安装高度；
根据消防炮(400)的落水点位置M(L，h)，再结合消防炮(400)安装高度h、射流速度v修正炮管(401)，结合射流轨迹方程，得到炮管(401)仰角θ，θ即为炮管(401)垂直方向调整角度；其中，射流轨迹方程如下式：
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式中，A、B、C为待定系数，h为消防炮(400)的安装高度，v为射流速度。
4.根据权利要求1所述的消防炮定位方法，其特征在于，所述的图像探测器(100)包括摄像头(101)和传感器(102)，摄像头(101)采用广角镜头，广角镜头的水平和垂直视场角度不小于130度，传感器(102)为CMOS传感器(102)，传感器(102)同轴固定安装在摄像头(101)尾部；摄像头(101)采集到光信号，通过传感器(102)转换成数字图像信号。
5.根据权利要求1所述的消防炮定位方法，其特征在于，图像探测器(100)的摄像头(101)的光轴与消防炮(400)的支撑轴(402)平行安装。
6.根据权利要求5所述的消防炮定位方法，其特征在于，所述的摄像头(101)采用镜头竖直向下的悬挂式安装，消防炮(400)的炮管(401)通过支撑轴(402)固定在地面，且摄像头(101)的光轴与消防炮(400)的支撑轴(402)共线。
7.根据权利要求1所述的消防炮定位方法，其特征在于，处理单元(200)的分析处理包括：处理单元(200)接收图像探测器(100)输出的数字图像信号，对信号进行逐帧分析，提取符合火焰燃烧特征的信息，其中包括亮度或温度信息、闪烁频率、形态信息。
8.一种实现权利要求1-7任意一项所述的消防炮定位方法的装置，其特征在于，包括图像探测器(100)，处理单元(200)和运动控制单元(300)，其中，图像探测器(100)主要由摄像头(101)和传感器(102)组成；
摄像头(101)用于采集视场覆盖范围内的图像；
传感器(102)用于将摄像头(101)采集的光信号转换成数字图像信号；
处理单元(200)用于将传感器(102)的数字图像信号进行分析处理，判断摄像头(101)的视场覆盖范围内是否有火源，如有火源存在时，根据火源位置确定消防炮(400)的炮管(401)水平方向调整角度和垂直方向调整角度，然后驱动运动控制单元(300)调整炮管(401)在水平方向的转角和垂直方向的转角，使得消防炮(400)的落水点位置与火源位置重合；其中，
炮管(401)水平方向调整角度的确定，包括以下步骤：
处理单元(200)通过对图像分析处理，在图像上标记火源区域的中心，根据火焰区域的中心相对于图像中心的位置，与炮管(401)形成的夹角即为炮管(401)水平方向调整角度；
炮管(401)垂直方向调整角度的确定，包括以下步骤：
根据图像上标记火源区域的中心，确定炮管(401)的定位角，然后根据炮管(401)的定位角，确定消防炮(400)的落水点位置，再结合消防炮(400)安装高度、射流速度修正炮管(401)，得到炮管(401)仰角即为炮管(401)垂直方向调整角度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的摄像头(101)采用广角镜头，广角镜头的水平和垂直视场角度不小于130度，传感器(102)为CMOS传感器(102)，传感器(102)同轴固定安装在摄像头(101)尾部。
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