CN106861100B - 基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法及装置，包括：1)360度全景摄像头将摄取的全景图像发送到图像处理系统；2)图像处理系统计算全景图像的二值化阈值T1；3)根据二值化阈值T1判断全景图像是否存在火焰区域；4)以T1为阈值将全景图像进行二值化处理，到二值化图像；5)在二值化图像中搜索最大连通区域的面积A，若面积A≥T2则进入步骤6)，否则返回步骤1)；6)提取最大连通区域的中心点坐标，并将其转换为极坐标系的极径和极角；8)将极角和垂直旋转角分别作为电控消防水炮的水平和垂直旋转控制角度控制其进行旋转；9)启动电动消防水炮喷射水柱对火点进行灭火操作；10)火焰熄灭，电控消防水炮复位后转至步骤1)。

Description

基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法及装置

技术领域

本发明涉及一种消防灭火方法及装置，特别是关于一种适用于自动化室外大空间的基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法及装置，属于火灾监测及自动灭火技术领域。

背景技术

在当今社会中，火灾已经是一种严重威胁人类生存与发展的灾害，它具有大时空跨度，高发生频率，严重的损失与危害等特点。自动定位消防水炮是扑灭大空间场所火灾的有效消防装备，通常配合各种火灾探测设备构成大空间灭火系统。消防水炮的研究在国外起步相比国内较早，早在1956年，美国的爱德华兹发明了遥控消防炮塔，可以实现水炮的垂直和水平方向的自由转动，并且利用电机代替人力进行驱动，这成为了以后消防水炮设计的思想基础。

尽管国内的消防水炮起步较晚，上个世纪九十年代上海的消防科研所首先研制出一款不能自动定位的消防水炮。但是经过二十余年的发展，国内消防水炮技术水平已经赶上甚至超越了国外。现有技术对数控自动定点扑救消防水炮进行了研究，研发出了智能传感及其接口控制模块，和大空间火灾安全监测与自动定位结合，形成火灾探测与定点扑救相结合的主动式火灾探测灭火技术。南京理工大学研制出一款倒挂式智能水炮，利用火焰传感器进行定位，通过电机驱动水炮定位火源，适用于大空间场所的灭火。科学技术大学研发的自动消防水炮，利用计算机来控制水炮，通过角度与火焰传感器采集火源的位置信息，能根据现场情况自动调整水炮方向。徐健等人设计了一种基于嵌入式控制器的智能消防水炮，采用LPC2131ARM处理器作为核心控制器，通过远距离遥控消防作业，实现消防水炮喷射方向的全方位调整和水流喷射模式的切换，并且具备多角度智能自摆等功能。刘建翔等人提出了自动消防水炮驱动控制方案，利用两台直流伺服电机与一台推杆直流电机作执行元件，对炮口喷射落水点进行了校正研究，实现了恒定供水压力下的准确喷射灭火。沈阳双利智能灭火装置有限公司生产的消防水炮具有自动巡检、定位灭火的功能。闻名采用专用的电机控制微处理器，设计并实现了一个基于Microchip公司高性能处理器PIC18F452和PIC18F2331的无线遥控消防炮控制系统。陈川等人通过点型传感器的扫描，设计了一种采用DSP和FPGA基于火焰识别与定位的智能消防炮系统，实现了火灾的识别与定位。

当火灾发生时，扑救措施采取的越早，将灾害降低的程度越大，灭火时机分秒必争。目前自动定位消防水炮主要基于红紫外管及双波段图像探测来实现火点定位。定位的原理都是通过在检测范围内水平和垂直扫描来确定火点，定位效率较低。如何提高自动定位消防水炮的火点定位速度对自动定位消防水炮的应用和保护人民人身和财产安全具有重大意义。360度全景摄像头是近年来在视频监控领域得到较快发展的一种监控摄像设备，其配备有鱼眼镜头，拥有360度全景视图。一台360度全景摄像头可以取代多台普通的摄像机，做到了无缝监控，实现了监控新应用，应用于各个领域，其中包括监所，政府机关，银行、社会安全、公共场所、文化场所等。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现火点的快速定位及快速扑灭的基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法，其特征在于包括以下步骤：

1)360度全景摄像头将摄取的全景图像发送到图像处理系统；

2)图像处理系统计算全景图像的二值化阈值T1；

3)根据二值化阈值T1判断全景图像是否存在火焰区域，若阈值T1≤T0，则表明全景图像中没有高亮的区域即不存在火焰，返回步骤1)，否则进入步骤4)，其中，T0是没有火焰时计算的全景图像的最大亮度值；

4)以T1为阈值将摄取的全景图像进行二值化处理，即将全景图像中每个像素的灰度值小于等于T1的赋值为0，大于T1的赋值为255，得到全景图像的二值化图像；

5)在二值化图像中搜索最大连通区域的面积A，若面积A≥T2则认为该区域符合火焰条件，则进入步骤6)，否则返回步骤1)，其中，T2为火焰区域面积阈值；

6)提取最大连通区域的中心点坐标x_c，y_c，并将其转换为360度全景摄像头所对应的极坐标系的极径ρ和极角θ为：

θ＝arctan(x_c-x_o/y_c-y_o)

式中，x_o和y_o为全景图像的中心点坐标；

7)计算极径ρ对应的垂直旋转角α：

α＝arccos(ρ/r/k)

式中，r是全景视野半径，k为鱼眼畸变系数；

8)将极角θ和垂直旋转角α分别作为电控消防水炮的水平和垂直旋转控制角度控制消电动消防水炮进行旋转；

9)启动电动消防水炮喷射水柱对火点进行灭火操作；

10)火焰熄灭，电控消防水炮复位后转至步骤1)。

进一步地，所述步骤8)和步骤9)之间还增加一个步骤：启动电控消防水炮上装载的双波段图像探测器对火点进行二次判断和定位，如果确认是火点，则转至步骤9)，否则转至步骤1)。

进一步地，在进行火灾探测之前，需要将360度全景摄像头固定设置在电动消防水炮的中心轴线上，其中，360度全景摄像头内置有可见光截止红外滤光片。

进一步地，所述步骤2)图像处理系统计算全景图像的二值化阈值T1的具体处理过程为：对于直方图数组H，分别计算像素灰度阈值取t时并将像素点分成两大类：灰度值小于等于t的像素和灰度值大于t的像素，全景图像总像素数个数为S，像素点灰度值的平均值为μ；统计灰度值小于等于t的像素数量为N0(t)，所对应的像素点平均值为μ0(t)；统计灰度值值大于t的像素数量为N1(t)，所对应像素点的平均值为μ1(t)；记ω0(t)＝N0(t)/S，ω1(t)＝N1(t)/S，两类像素点取值的类间方差可表示为：

g(t)＝ω0(t)*(μ0(t)-μ)²+ω1(t)*(μ1(t)-μ)²；

则全景图像二值化阈值T1＝max(g(t))|_{t＝1,...,n-1n＝256}。

为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭装置，其特征在于，该装置包括电控消防水炮、360度全景摄像头、双波段图像探测器和图像处理系统，其中，所述360度全景摄像头内置可见光截止红外滤光片；所述360度全景摄像头固定设置在所述电动消防水炮的中心轴线上，所述360度全景摄像头的镜头朝下，使其摄取图像范围覆盖整个所述电动消防水炮保护区域；所述双波段图像探测器固定设置在所述电动消防水炮的炮管喷嘴上；所述360度全景摄像头和双波段图像探测器均通过数据线连接所述图像处理系统，所述图像处理系统通过总线连接所述电动消防水炮。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将360度全景摄像头安装于电动消防水炮的中心轴线上，可直接对火点进行启动和初步定位，无需进行标定，操作简单方便。2、本发明360度全景摄像头配备有鱼眼镜头，能够摄取360度全景视图，且内置可见光截止红外滤光片，能够有效截止可见光的干扰，并高透火焰产生的红外波段光线，可以通过对该全景图像的处理提取出火点的极坐标，经过公式转换后可以直接作为电动消防水炮的初始定位角度，实现火点的快速定位及快速扑灭火灾。3、本发明全景图像的极坐标系与电动消防水炮运动坐标系基本重合，初定位坐标即可作为水炮水平和垂直旋转的偏移量，实现快速定位，极大地提高火点定位速度。综上所述，本发明可以应用在室外大空间火灾探测、报警、定位及扑灭的场合，例如大型石化工厂、大型室外码头、大型室外公众场所的等诸多领域。

附图说明

图1是本发明的基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法流程示意图；

图2是本发明的360度全景摄像头有无火焰时的输出图像示意图，其中，图(a)是没有火焰时的输出图像，图(b)是有火焰时的输出图像；

图3是本发明的360度全景摄像头有火焰时的输出图像的二值化结果及火点位置判断示意图；

图4是本发明中360度全景摄像头和电动消防水炮坐标系示意图；

图5是本发明的基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法，包括以下步骤：

1、将360度全景摄像头安装于电动消防水炮的底座上(以此为例，不限于此)，且360度全景摄像头位于电动消防水炮的中心轴线，360度全景摄像头的镜头朝下，使其摄取图像范围覆盖整个电动消防水炮保护区域，其中，360度全景摄像头内置有可见光截止红外滤光片。

本发明实施例中，电动消防水炮的悬挂高度为6m，最大保护半径为50m。360度全景摄像头镜头焦距为1.45mm，视场角为180度，分辨率为1280×1024，畸变系数k＝0.77，360度全景摄像头内置的可见光截止红外滤光片为850nm红外滤光片，但是不限于此，可以根据实际需要对上述参数进行选择。

2、360度全景摄像头将摄取的全景图像发送到图像处理系统。

3、图像处理系统采用基于类间方差的方法计算全景图像的二值化阈值T1，具体过程为：

对于直方图数组H，分别计算像素灰度阈值取t(t＝1,...,n-1,n＝256)时并将像素点分成两大类：灰度值小于等于t的像素和灰度值大于t的像素，全景图像总像素数个数为S，像素点灰度值的平均值为μ；统计灰度值小于等于t的像素数量为N0(t)，所对应的像素点平均值为μ0(t)；统计灰度值值大于t的像素数量为N1(t)，所对应像素点的平均值为μ1(t)；记ω0(t)＝N0(t)/S，ω1(t)＝N1(t)/S，两类像素点取值的类间方差可表示为：

g(t)＝ω0(t)*(μ0(t)-μ)²+ω1(t)*(μ1(t)-μ)²，(t＝1,...,n-1,n＝256)；

则全景图像二值化阈值T1＝max(g(t))|_{t＝1,...,n-1}。

4、根据二值化阈值T1判断全景图像是否存在火焰区域，若阈值T1≤T0，则表明全景图像中没有高亮的区域即不存在火焰，返回步骤2，否则进入步骤5，其中，T0是没有火焰时计算全景摄像头摄取的全景图像的最大亮度值。

5、以T1为阈值将摄取的全景图像进行二值化处理，即将摄取的全景图像中每个像素的灰度值小于等于T1的赋值为0，大于T1的赋值为255，得到全景图像的二值化图像，如图2所示。

6、在二值化图像中搜索最大连通区域的面积A，若面积A≥T2则认为该区域符合火焰条件，则进入步骤7，否则返回步骤2，其中，T2为火焰区域面积阈值，根据实际场景大小进行选取，自动跟踪定位射流灭火系统的国际标准(GB25204-2010)规定，自动定位消防水炮应该能够在最大保护半径内探测到直径为570mm的国标火盘的火焰，此时360度全景摄像头的成像半径为50m，对应像素数为1280×1024，火焰所占像素最小面积为(0.57/50*1024)*(0.57/50*1280)＝170，阈值T2选择实际面积80％即可，即130～140即可，可以根据实际需要进行确定，如图3所示。

7、如图4所示，提取最大连通区域的中心点坐标x_c，y_c，并将其转换为360度全景摄像头所对应的极坐标系的极径ρ和极角θ为：

θ＝arctan(x_c-x_o/y_c-y_o)

其中，x_o和y_o为全景图像的中心点坐标，本发明实施例中，x_o＝640，y_o＝512。

8、计算极径ρ对应的垂直旋转角α：

α＝arccos(ρ/r/k)

其中，r是全景视野半径，k为鱼眼畸变系数，本发明实施例中，r＝50、k＝0.77。

9、将极角θ和垂直旋转角α分别作为电控消防水炮的水平和垂直旋转控制角度控制消电动消防水炮进行旋转。

10、启动电控消防水炮上装载的双波段图像探测器对火点进行二次判断和定位，如果确认是火点，则转至步骤11，否则转至步骤2。

11、启动电动消防水炮喷射水柱对火点进行灭火操作。

12、火焰熄灭，电控消防水炮复位后转至步骤2。

如图5所示，基于上述的自动火灾探测、定位和扑灭方法，本发明还提供一种自动火灾探测、定位和扑灭的自动消防装置，包括电控消防水炮1、360度全景摄像头2、双波段图像探测器3和图像处理系统4，360度全景摄像头2固定设置在电动消防水炮1的底座上，且位于电动消防水炮1的中心轴线，360度全景摄像头2的镜头朝下，使其摄取图像范围覆盖整个电动消防水炮1保护区域，360度全景摄像头2内置可见光截止红外滤光片，能够有效截止可见光的干扰，并高透火焰产生的红外波段光线。双波段图像探测器3通过底座固定在电动消防水炮1的炮管喷嘴上，360度全景摄像头2和双波段图像探测器3均通过数据线连接图像处理系统4，图像处理系统4通过RS485总线连接电动消防水炮1。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法，其特征在于包括以下步骤：

1)360度全景摄像头将摄取的全景图像发送到图像处理系统；

2)图像处理系统计算全景图像的二值化阈值T1；

3)根据二值化阈值T1判断全景图像是否存在火焰区域，若阈值T1≤T0，则表明全景图像中没有高亮的区域即不存在火焰，返回步骤1)，否则进入步骤4)，其中，T0是没有火焰时计算的全景图像的最大亮度值；

4)以T1为阈值将摄取的全景图像进行二值化处理，即将全景图像中每个像素的灰度值小于等于T1的赋值为0，大于T1的赋值为255，得到全景图像的二值化图像；

5)在二值化图像中搜索最大连通区域的面积A，若面积A≥T2则认为该区域符合火焰条件，则进入步骤6)，否则返回步骤1)，其中，T2为火焰区域面积阈值；

6)提取最大连通区域的中心点坐标x_c，y_c，并将其转换为360度全景摄像头所对应的极坐标系的极径ρ和极角θ为：

θ＝arctan(x_c-x_o/y_c-y_o)

式中，x_o和y_o为全景图像的中心点坐标；

7)计算极径ρ对应的垂直旋转角α：

α＝arccos(ρ/r/k)

式中，r是全景视野半径，k为鱼眼畸变系数；

8)将极角θ和垂直旋转角α分别作为电动消防水炮的水平和垂直旋转控制角度控制消电动消防水炮进行旋转；

9)启动电动消防水炮喷射水柱对火点进行灭火操作；

10)火焰熄灭，电动消防水炮复位后转至1)。

2.如权利要求1所述的一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法，其特征在于，所述8)和所述9)之间还增加一个步骤：启动电动消防水炮上装载的双波段图像探测器对火点进行二次判断和定位，如果确认是火点，则转至9)，否则转至步骤1)。

3.如权利要求1所述的一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法，其特征在于，在进行火灾探测之前，需要将360度全景摄像头固定设置在电动消防水炮的中心轴线上，其中，360度全景摄像头内置有可见光截止红外滤光片。

4.如权利要求1到3任一项所述的一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭方法，其特征在于，所述2)图像处理系统计算全景图像的二值化阈值T1的具体处理过程为：

对于直方图数组H，分别计算像素灰度阈值取t时并将像素点分成两大类：灰度值小于等于t的像素和灰度值大于t的像素，全景图像总像素数个数为S，像素点灰度值的平均值为μ；统计灰度值小于等于t的像素数量为N0(t)，所对应的像素点平均值为μ0(t)；统计灰度值值大于t的像素数量为N1(t)，所对应像素点的平均值为μ1(t)；记ω0(t)＝N0(t)/S，ω1(t)＝N1(t)/S，两类像素点取值的类间方差可表示为：

g(t)＝ω0(t)*(μ0(t)-μ)²+ω1(t)*(μ1(t)-μ)²；

则全景图像二值化阈值T1＝max(g(t))|_{t＝1,...,n-1}，其中，n＝256。

5.一种基于全景摄像头的火灾探测、定位和扑灭装置，其特征在于，该装置包括电动消防水炮、360度全景摄像头、双波段图像探测器和图像处理系统，其中，所述360度全景摄像头内置可见光截止红外滤光片；

所述360度全景摄像头固定设置在所述电动消防水炮的中心轴线上，所述360度全景摄像头的镜头朝下，使其摄取图像范围覆盖整个所述电动消防水炮保护区域；

所述双波段图像探测器固定设置在所述电动消防水炮的炮管喷嘴上；

所述360度全景摄像头和双波段图像探测器均通过数据线连接所述图像处理系统，所述图像处理系统通过总线连接所述电动消防水炮。