CN105741481A - 一种基于双目摄像头的火灾监测定位装置及火灾监测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火灾监测定位装置及火灾监测定位方法，属于嵌入式计算机领域。该装置包括摄像头支架、硬件电路和火灾监测方法；两个带红外透镜的摄像头空间平齐放置，并固定在金属杆的两端，两个摄像头的镜头中心距为80～120cm，构成了摄像头支架。硬件电路是以数字视频媒体处理器为核心，包括视频信号采集电路、烟雾浓度的采集处理电路和网络通信电路。火灾监测方法分为两部分，其中烟雾浓度监测是周期性采集电压并处理，把浓度信息上传到服务器存档；其中火焰识别及定位是通过火焰识别算法确定火灾发生，更进一步根据上述摄像头的空间结构计算着火点的位置。本发明在烟雾浓度监测、火灾报警和后续火灾情况分析等领域有重要作用。

Description

一种基于双目摄像头的火灾监测定位装置及火灾监测定位方法

技术领域

本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种基于双目摄像头的火灾监测定位装置及火灾监测定位方法。

背景技术

目前，绝大多数的火灾监测装置只能监测火灾发生，而不能确定着火点的物理位置，同时现在火焰识别算法在强光下存在误检的可能，这给火灾救援带来了一定的盲目性。本发明旨在提高监测火灾发生的准确率，并提供具体着火点的物理位置，给火灾救援提供数据支持及后续的火情分析提供有效的数据记录。

由于处理信息量大的图像相应地需要更多处理器资源，故而减少不必要的图像信息量可以提高系统处理性能。本发明采用带红外透镜的摄像头，滤除可见光，采集火焰辐射的红外线，获取包含火焰信息而滤除了其他无用信息的图像。为提高监测火灾发生的准确率，本发明利用烟雾传感器辅助确定火灾是否发生。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种火灾监测定位装置，该装置能够实时监测装置观测区域有无火灾发生，同时可以周期性记录装置所处区域的烟雾浓度情况；若有火情发生，可定位火灾着火点的位置。

本发明的技术方案：

一种基于双目摄像头的火灾监测定位装置，包含摄像头支架和硬件电路；

摄像头支架为两个独立摄像头空间平齐放置，通过金属杆固定；两个摄像头的镜头中心距为80～120cm，两个摄像头的镜头均采用红外透镜，摄像头负责采集拍摄区域的实时图像信息。

摄像头支架定位的原理：

如图4所示，建立一个空间坐标系，x轴与两镜头中心连线重合，且原点O与该连线中点重合，两镜头的镜片平面与y轴垂直，摄像头朝向是y轴正方向；假定I点为着火点，两镜头中心分别为B点和A点，所以其相对应边的向量分别为和已知与三轴正方向所成的角分别为θ_xA、θ_yA和θ_zA，与三轴正方向所成的角分别为θ_xB、θ_yB和θ_zB。因此的单位向量为 的单位向量∠BAI＝α＝arccos(cosθ_xA)，∠ABI＝β＝arccos(-cosθ_xB)。令线段AB的长度是c，则线段AI的长度为线段BI的长度为因此，再由图中的向量关系得：

$\stackrel{\→}{OI}=\frac{1}{2}(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{b})=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{\α}}_0}+b\·\stackrel{\→}{b_0})---\left(1\right)$

根据式(1)，代入上述分析的数值，即可算出向量由此，便可得出着火点I在空间坐标系里的具体坐标，即确定了着火点的位置。

硬件电路以专用的数字视频媒体处理器为核心，包括视频信号采集电路、烟雾浓度的采集处理电路和网络通信电路；视频信号采集电路采用多路视频解码器作为系统的视频解码装置，该视频解码器最少应支持两路摄像头信号同时输入，这两路分别连接本发明使用的摄像头，视频解码器输出接口应连接数字视频媒体处理器的视频信号输入接口；烟雾浓度的采集处理电路将烟雾传感器输出1kHz的脉冲采用截止频率为10Hz的二阶有源低通滤波器过滤成稳定的直流电压，再将稳定的直流电压输入处理器的ADC管脚，经过处理器内部的ADC转换模块，即得到相应的数字量；网络通信电路是由1000Mbps以太网收发器作为该系统的以太网PHY芯片，一端连接处理器的GMII接口，另一端则通过网线连接互联网设备，负责把处理器的处理结果送到远端服务器，同时系统也可以通过它从服务器抓取本地所需的一些基本信息。

一种利用基于双目摄像头的火灾监测定位装置实现火灾监测定位方法，步骤如下：

火灾监测定位方法分为烟雾浓度监测和火焰识别及定位两部分：

将摄像头支架固定，然后将摄像头的供电线和信号线分别连接到硬件电路上供电接口和视频信号输入接口；硬件电路上的通信接口使用网线连接互联网设备；开启远程PC，监控装置所在环境的情况；

烟雾浓度监测过程：由ADC采集子模块、ADC数据处理子模块和网络通信子模块组成；ADC采集子模块每隔一段时间自动采集一次烟雾传感器的感应电压并数字化，ADC数据处理子模块再按照电压与烟雾浓度对应关系确定烟雾浓度，网络通信子模块将得到的烟雾浓度值上传到服务器存档，同时向PC端推送该信息；具体为烟雾传感器采集当前的烟雾浓度，输出相应的电压脉冲，经过二阶有源低通滤波器调理成稳定的直流电压，直流电压输入处理器的ADC管脚，处理器每隔一段读取一次该直流电压，按照电压与烟雾浓度对应关系，即得相应的烟雾浓度值，将其上传到服务器存档，服务器存档同时向PC客户端推送本次的烟雾浓度值。

火焰识别及定位过程：由图像采集子模块、图像处理子模块、ADC采集子模块、ADC数据处理子模块和网络通信子模块组成；图像采集子模块负责采集图像，图像处理子模块负责提取图像信息并利用该信息判断是否存在火灾，ADC采集子模块和ADC数据处理子模块通过烟雾监测功能再次确认火灾是否发生；若有火灾发生，图像处理子模块进一步处理数据计算出着火点的物理位置；最后通过网络通信子模块把图像信息、着火点位置信息和烟雾浓度信息上传服务器存档，同时服务器给PC端推送报警信息；具体为摄像头采集到的信号经由信号线接到硬件电路上，经过视频解码器解码，把视频数据送到处理器，根据火焰识别算法识别有无着火点，若无着火点则重复火焰识别，反之通过烟雾传感器采集烟雾浓度再次确认火灾是否发生，若烟雾浓度正常则重复火焰识别，反之利用式(1)代入数据计算着火点位置，并上传到服务器存档，服务器接收信息存储并推送报警信息给PC客户端；

$\stackrel{\→}{OI}=\frac{1}{2}(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{b})=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{\α}}_0}+b\·\stackrel{\→}{b_0})---\left(1\right)$

本发明的有益效果在于可以实时监测记录装置所处位置的烟雾浓度，可供PC机远程查询。同时，该装置可以检测和定位着火点，并上传相应数据到服务器存储，远程PC可接收报警信息。该系统使用方便，远程监控和报警简单易行，具有良好的经济性。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明烟雾浓度采集电路的滤波电路原理图。

图3是本发明火灾监测方法的组织结构。

图4是本发明双目摄像头着火点定位计算的坐标图。

图5是本发明火焰识别及定位的流程图。

图6是本发明烟雾浓度监测的流程图。

图中：1摄像头；2视频解码器；3数字视频媒体处理器；4烟雾传感器；

5滤波器；61000Mbps以太网收发器；7服务器；8PC机；9金属杆。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

实施例

1)摄像头支架

如图1所示，摄像头支架是用两个带红外透镜的摄像头平齐放置，它们固定在一根长约100cm的金属杆的两端，并要求这两个摄像头的镜头中心距为100cm。每个摄像头向外引出两根线，分别是一根供电线和一根通信线，其中供电线还细分为两股线：电源线和地线；其中通信线也细分为两股线：信号线和地线。

建立空间坐标系，满足以下要求：x轴与两镜头中心连线重合，且原点O与该连线中点重合，两镜头的镜片平面与y轴垂直，摄像头朝向是y轴的正方向。

以下为双目摄像头的定位原理：

如图4所示，I点为已经确认的着火点，两镜头中心到I点的向量分别为和摄像头采集图像中的每一个点对应一个图像上二维坐标，这个点的观测射线与摄像头坐标各个轴的夹角是固定的，所以可以通过查表的方式得到这个点与各个轴的夹角，故与三轴正方向所成的角分别为θ_xA、θ_yA和θ_zA，与三轴正方向所成的角分别为θ_xB、θ_yB和θ_zB。因此的单位向量为 的单位向量∠BAI＝α＝arccos(cosθ_xA)，∠ABI＝β＝arccos(-cosθ_xB)。再令线段AB的长度是c，则线段AI的长度为线段BI的长度为因此，再由图中的向量关系得： 由此，代入上述分析的数值，即可使用三维坐标表示向量即确定了着火点的位置。

2)硬件电路

如图1所示，硬件电路部分是以数字视频媒体处理器为核心，视频信号采集电路、烟雾浓度的采集处理电路和网络通信电路。

视频信号采集电路部分采用多路视频解码器，该视频解码器必须至少支持两路路摄像头信号同时输入，本发明中使用其中两路作为双摄像头的信号输入。摄像头信号接入视频解码器，视频解码器会将信号数字化，然后从8位的数字视频输出接口输出，相应的视频信号线连接到处理器的数字视频输入接口，处理器通过相应的处理即可得到需要的图像信息；

网络通信电路使用1000Mbps网以太网收发器芯片，该芯片与处理器的GMII接口相连接，最高支持1000Mbps以太网，以太网接口采用标准的RJ45连接器，使用网线可将它连接到互联网。它负责把处理器的处理结果送到远端服务器，同时系统也可以通过它从服务器抓取本地所需的一些基本信息；

如图1所示，烟雾浓度的采集处理电路主要由烟雾传感器、二阶有源低通滤波器和处理器ADC模块组成。烟雾传感器的输出是一个电平幅度变化而频率固定为1kHz的脉冲，经过截止频率为10Hz的二阶有源低通滤波器，脉冲将会滤成平滑的直流电平，再接到处理器的ADC采集管脚上。滤波器电路如图2所示，该电路的传递函数是：

$A\left(s\right)=\frac{V_o\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{1}{1+s(R_2{C}_2+R_1{C}_2)+s^2{R}_1{R}_2{C}_1{C}_2}---\left(2\right)$

依据式(2)，令代入相关数据，得ω≈62.8，则频率f＝10Hz。故设计的滤波器的截止频率是10Hz。

3)火灾监测方法

本发明中火灾监测方法的组织结构如图3所示，主要分为烟雾浓度监测和火焰识别及定位模块。烟雾浓度监测模块由ADC采集子模块、ADC数据处理子模块和网络通信子模块组成；火焰识别及定位模块除了包含以上三个子模块，还拥有图像采集子模块和图像处理子模块。

烟雾浓度检测是一个周期性运行的方法，其流程图如图6所示。它每隔5分钟会自动运行一次，ADC采集子模块采集经过滤波器调理的直流电压并把电压值数字化，ADC数据处理子模块使用得到的电压值和存储表中相对应烟雾浓度值做比较，然后找到相对应的烟雾浓度值，最后把相应的烟雾浓度值交由网络通信子模块上传到远端服务器存档，远程PC可以通过访问服务器数据监测装置处的烟雾浓度情况。

火焰识别及定位的方法如图5所示。摄像头的信号输入到视频解码器输入端，视频处理器解码之后，把数字化的图像信号传输给处理器，处理器使用火焰识别算法检测图像中是否存在火焰特征，如果没有，则返回继续火焰识别。反之则通过采集烟雾浓度相应的电压获取烟雾浓度数据，如果浓度小于发生火灾的阈值，则返回继续火焰识别。反之则在根据式(1)，

$\stackrel{\→}{OI}=\frac{1}{2}(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{b})=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{\α}}_0}+b\·\stackrel{\→}{b_0})---\left(1\right)$

代入本装置的相关数据，即可算出着火点的具体位置。最后，通过网络上传计算结果到远端服务器，远端服务器存储计算结果并推送报警信息到远端的PC机上。

Claims (2)

1.一种基于双目摄像头的火灾监测定位装置，其特征在于，该火灾监测定位装置包含摄像头支架和硬件电路；

摄像头支架为两个独立摄像头空间平齐放置，通过金属杆固定；两个摄像头的镜头中心距为80～120cm，两个摄像头的镜头均采用红外透镜，摄像头负责采集拍摄区域的实时图像信息；

摄像头支架定位的原理：

建立一个空间坐标系，x轴与两镜头中心连线重合，且原点O与该连线中点重合，两镜头的镜片平面与y轴垂直，摄像头朝向是y轴正方向；假定I点为着火点，两镜头中心分别为B点和A点，其相对应边的向量分别为和已知与三轴正方向所成的角分别为θ_xA、θ_yA和θ_zA，与三轴正方向所成的角分别为θ_xB、θ_yB和θ_zB；的单位向量为 的单位向量∠BAI＝α＝arccos(cosθ_xA)，∠ABI＝β＝arccos(-cosθ_xB)；令线段AB的长度是c，则线段AI的长度为线段BI的长度为因此，得到下述公式：

$\stackrel{\→}{OI}=\frac{1}{2}(\stackrel{\→}{a}+\stackrel{\→}{b})=\frac{1}{2}(a\·\stackrel{\→}{a_0}+b\·\stackrel{\→}{b_0})---\left(1\right)$

根据式(1)，代入上述分析的数值，即得出向量得出着火点Ⅰ在空间坐标系里的具体坐标，即确定了着火点的位置；

硬件电路以数字视频媒体处理器为核心，包括视频信号采集电路、烟雾浓度的采集处理电路和网络通信电路；视频信号采集电路采用多路视频解码器作为系统的视频解码装置，该多路视频解码器最少支持两路摄像头信号同时输入，两路摄像头信号分别连接两个摄像头，多路视频解码器输出接口连接数字视频媒体处理器的视频信号输入接口；烟雾浓度的采集处理电路将烟雾传感器输出1kHz的脉冲采用截止频率为10Hz的二阶有源低通滤波器过滤成稳定的直流电压，再将稳定的直流电压输入处理器的ADC管脚，经过处理器内部的ADC转换模块，即得到相应的数字量；网络通信电路是由1000Mbps以太网收发器作为该系统的以太网PHY芯片，一端连接处理器的GMII接口，另一端通过网线连接互联网设备，负责把处理器的处理结果送到远端服务器，同时系统通过网络通信电路从服务器抓取本地所需的基本信息。

2.一种利用基于双目摄像头的火灾监测定位装置实现火灾监测定位方法，其特征在于，步骤如下：

火灾监测定位方法分为烟雾浓度监测和火焰识别及定位两部分：

将摄像头支架固定，摄像头的供电线和信号线分别连接到硬件电路上供电接口和视频信号输入接口；硬件电路上的通信接口使用网线连接互联网设备；开启远程PC，监控装置所在环境的情况；

烟雾浓度监测过程：由ADC采集子模块、ADC数据处理子模块和网络通信子模块组成；ADC采集子模块每隔一段时间自动采集一次烟雾传感器的感应电压并数字化，ADC数据处理子模块再按照电压与烟雾浓度对应关系确定烟雾浓度，网络通信子模块将得到的烟雾浓度上传至服务器存档，同时向PC端推送该信息；具体为烟雾传感器采集当前的烟雾浓度，输出相应的电压脉冲，经过二阶有源低通滤波器调理成稳定的直流电压，直流电压输入处理器的ADC管脚，处理器每隔一段读取一次该直流电压，按照电压与烟雾浓度对应关系，即得相应的烟雾浓度，将其上传到服务器存档，服务器存档同时向PC客户端推送本次的烟雾浓度；

火焰识别及定位过程：由图像采集子模块、图像处理子模块、ADC采集子模块、ADC数据处理子模块和网络通信子模块组成；图像采集子模块负责采集图像，图像处理子模块负责提取图像信息并利用该信息判断是否存在火灾，ADC采集子模块和ADC数据处理子模块通过烟雾监测功能再次确认火灾是否发生；若有火灾发生，图像处理子模块进一步处理数据确定着火点的物理位置；最后通过网络通信子模块把图像信息、着火点位置信息和烟雾浓度信息上传服务器存档，同时服务器给PC端推送报警信息；具体为摄像头采集到的信号经由信号线接到硬件电路上，经过视频解码器解码，把视频数据送到处理器，根据火焰识别算法识别有无着火点，若无着火点则重复火焰识别，反之通过烟雾传感器采集烟雾浓度再次确认火灾是否发生，若烟雾浓度正常则重复火焰识别，反之利用式(1)代入数据计算着火点位置，并上传到服务器存档，服务器接收信息存储并推送报警信息给PC客户端；着火点的物理位置确定方法如下：

$\stackrel{\→}{OI}=\frac{1}{2}(\stackrel{\→}{a}+\stackrel{\→}{b})=\frac{1}{2}(a\·\stackrel{\→}{a_0}+b\·\stackrel{\→}{b_0})---\left(1\right).$