DE102014219829A1

DE102014219829A1 - Smoke detection device, method for detecting smoke and computer program

Info

Publication number: DE102014219829A1
Application number: DE102014219829.1A
Authority: DE
Inventors: Anton Stadler; Stephan Simon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-03-31

Abstract

Neben automatisierten Brandmeldern, welche über Temperaturmessung, Streulichtmessung und andere Messmethoden Merkmale eines Brandes detektieren und darauf basierend einen Alarm ausgeben, sind mittlerweile eine Vielzahl von videobasierten Brandmeldern bekannt geworden, welche mittels Bildverarbeitung einen Brand über aussagekräftige Brandmerkmale wie zum Beispiel optische Emissionen oder Rauchemissionen erkennen und melden können. Es wird eine Rauchdetektionsvorrichtung 1 zur Detektion von Rauch 10 eines Brands 9 in einem Überwachungsbereich U, mit einer Kameraschnittstelle 5 zur Übernahme von einer Bildfolge 3 mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern 4, wobei die Einzelbilder 4 den Überwachungsbereich U zeigen, mit einem Differenzmodul 6 zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds 8 des Überwachungsbereichs U in den Einzelbildern 4 und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13, und mit einem Auswertemodul 14 vorgeschlagen, wobei das Auswertemodul 14 eine Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung von Rauchabschnitten des Rauchs 10 in dem Überwachungsbereich U auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13 durchführt.In addition to automated fire detectors, which detect the characteristics of a fire via temperature measurement, scattered light measurement and other measurement methods and issue an alarm based on this, a multitude of video-based fire detectors have become known which detect a fire via meaningful fire characteristics such as optical emissions or smoke emissions and image processing can report. There is a smoke detection device 1 for detecting smoke 10 of a fire 9 in a surveillance area U, with a camera interface 5 for taking over a sequence of images 3 with at least two temporally successive frames 4, wherein the individual images 4 show the monitoring area U, with a difference module 6 for Elimination of a scene background 8 of the surveillance area U in the individual images 4 and for generating background images intermediate 13, and provided with an evaluation module 14, wherein the evaluation module 14 is a motion estimation for determining a movement of smoke portions of the smoke 10 in the monitoring area U based on the background-cleaned intermediate images 13 performs.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Rauchdetektionsvorrichtung zur Detektion von Rauch eines Brands in einem Überwachungsbereich, mit einer Kameraschnittstelle zur Übernahme von einer Bildfolge mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern, wobei die Einzelbilder den Überwachungsbereich zeigen, mit einem Differenzmodul zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds des Überwachungsbereichs in den Einzelbildern und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Rauch sowie ein Computerprogramm.The invention relates to a smoke detection device for detecting smoke from a fire in a surveillance area, comprising a camera interface for taking over a sequence of images with at least two temporally successive individual images, the individual images showing the surveillance area, with a difference module for eliminating a scene background of the surveillance area in the individual images and for the generation of background-cleaned intermediate images. The invention further relates to a method for the detection of smoke and a computer program.

Neben automatisierten Brandmeldern, welche über Temperaturmessung, Streulichtmessung und andere Messmethoden Merkmale eines Brandes detektieren und darauf basierend einen Alarm ausgeben, sind mittlerweile eine Vielzahl von videobasierten Brandmeldern bekannt geworden, welche mittels Bildverarbeitung einen Brand über aussagekräftige Brandmerkmale wie zum Beispiel optische Emissionen oder Rauchemissionen erkennen und melden können.In addition to automated fire detectors, which detect the characteristics of a fire via temperature measurement, scattered light measurement and other measurement methods and issue an alarm based on this, a multitude of video-based fire detectors have become known which detect a fire via meaningful fire characteristics such as optical emissions or smoke emissions and image processing can report.

Bei den videobasierten Brandmeldern beschäftigt sich eine Auswertungsart mit der Detektion von Rauchemissionen des Brandes. Hierbei wurde zum Beispiel in der Druckschrift US 7,804,522 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, festgestellt, dass gerade die Erfassung von dünnem oder transparentem Rauch schwierig ist, da in dem zugehörigen Videobild der Rauch nicht undurchsichtig ist und dadurch einen Hintergrund nicht vollständig abdeckt. In video-based fire detectors, one type of analysis deals with the detection of smoke emissions from the fire. This was for example in the document US 7,804,522 which is arguably the closest prior art, found that it is precisely the detection of thin or transparent smoke that is difficult because in the associated video image the smoke is not opaque and therefore does not completely cover a background.

So ist es für einen videobasierten Brandmelder schwierig zu unterscheiden, ob in einem Videobild eine Trübung, eine Messungenauigkeit oder eine transparente Rauchemission vorliegt. Zur Verbesserung der Detektionsfähigkeit des videobasierten Brandmelders wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, von einem aktuellen Videobild einen Hintergrund abzuziehen, wobei der Hintergrund beispielsweise über mehrere Bilder hinweg ermittelt wurde. In dem resultierenden Bild ist die Rauchemission besser zu erkennen.Thus, it is difficult for a video-based fire detector to discriminate whether a video image has turbidity, inaccuracy in measurement, or transparent smoke emission. In order to improve the detection capability of the video-based fire alarm, it is proposed in the cited document to subtract a background from a current video image, wherein the background has been determined over several images, for example. In the resulting image, the smoke emission is easier to recognize.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wird eine Rauchdetektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Detektion von Rauch mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.In the context of the invention, a smoke detection device with the features of claim 1, a method for detecting smoke with the features of claim 9 and a computer program with the features of claim 10 is proposed. Preferred or advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the following description and the accompanying drawings.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Rauchdetektionsvorrichtung zur Detektion von Rauch eines Brandes in einem Überwachungsbereich. Der Rauch wird durch Rauchemissionen, insbesondere Verbrennungsprodukte des Brandes, gebildet. Bei dem Überwachungsbereich kann es sich um einen geschlossenen Überwachungsbereich, wie zum Beispiel eine Halle handeln, alternativ kann der Überwachungsbereich auch als ein Freibereich ausgebildet sein. Die Rauchdetektionsvorrichtung ist ausgebildet, Rauch, insbesondere Rauchabschnitte, zu detektieren und dadurch mittelbar den Brand erkennen zu können. Die Rauchdetektionsvorrichtung kann zum Beispiel als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, ein Mikrocontroller, etc. ausgebildet sein. Optional ergänzend ist die Rauchdetektionsvorrichtung ausgebildet einen Brandalarm auf Basis der Rauchdetektion auszugeben. Insbesondere ist die Rauchdetektionsvorrichtung als ein automatischer Brandmelder ausgebildet. The invention thus provides a smoke detection device for detecting smoke of a fire in a surveillance area. The smoke is formed by smoke emissions, in particular combustion products of the fire. The monitoring area can be a closed surveillance area, such as a hall, alternatively, the surveillance area can also be designed as a free area. The smoke detection device is designed to detect smoke, in particular smoke sections, and thereby indirectly detect the fire. The smoke detection device may be formed, for example, as a digital data processing device such as a computer, a microcontroller, etc. Optionally in addition to the smoke detection device is designed to issue a fire alarm based on the smoke detection. In particular, the smoke detection device is designed as an automatic fire detector.

Die Rauchdetektionsvorrichtung weist eine Kameraschnittstelle auf, welche zur Übernahme von einer Bilderfolge mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern ausgebildet ist. Die Kameraschnittstelle kann kabellos oder kabelgebunden sein. Es ist auch möglich, dass die Kameraschnittstelle als eine Netzwerkschnittstelle ausgebildet ist. Die Bildfolge wird von einer Überwachungskamera bereitgestellt, welche auf den Überwachungsbereich gerichtet ist. Optional bildet die Überwachungskamera einen Teil der Rauchdetektionsvorrichtung. Die zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder zeigen besonders bevorzugt den gleichen Abschnitt des Überwachungsbereichs. Somit ist das Sichtfeld der Überwachungskamera in dem Überwachungsbereich bevorzugt konstant ausgebildet. Der zeitliche Abstand zwischen den mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern liegt beispielsweise zwischen 20 Millisekunden und 300 Millisekunden. Beispielsweise kann eine Standardkamera mit einer Bildfrequenz von 30 Hertz oder 60 Hertz als Überwachungskamera verwendet werden. The smoke detection device has a camera interface, which is designed to take over an image sequence with at least two temporally successive individual images. The camera interface can be wireless or wired. It is also possible that the camera interface is designed as a network interface. The image sequence is provided by a surveillance camera which is directed to the surveillance area. Optionally, the surveillance camera forms part of the smoke detection device. The temporally successive individual images particularly preferably show the same section of the monitoring area. Thus, the field of view of the surveillance camera in the monitoring area is preferably designed to be constant. The time interval between the at least two temporally successive individual images is, for example, between 20 milliseconds and 300 milliseconds. For example, a standard camera with a frame rate of 30 Hertz or 60 Hertz can be used as a surveillance camera.

Die Rauchdetektionsvorrichtung weist ein Differenzmodul auf, welches zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds, insbesondere eines statischen Szenenhintergrunds, des Überwachungsbereichs in den Einzelbildern und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern ausgebildet ist. In dem Überwachungsbereich sind stationäre und optional ergänzend quasi-stationäre Objekte angeordnet. Die stationären Objekte haben eine Verweildauer von mehr als 1 Tag in dem Überwachungsbereich. Die quasi-stationären Objekte haben z.B. eine Verweildauer von mehr als 10 Minuten, jedoch vorzugsweise weniger als 1 Tag in dem Überwachungsbereich. Bei den stationären Objekten kann es sich beispielsweise um Bäume, Häuser, Wege, einen Untergrund, einen Berg, etc. handeln. Bei den quasi-stationären Objekten kann es sich um Autos, Möbel, abgestellte Gegenstände etc. handeln. Die Gesamtheit dieser stationären und optional ergänzend quasi-stationären Objekte bildet den Szenenhintergrund des Überwachungsbereichs. Insbesondere ist der Szenenhintergrund konstant über die zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder. The smoke detection device has a difference module which is designed to eliminate a scene background, in particular a static scene background, the surveillance area in the individual images and to generate background-cleaned intermediate images. Stationary and optionally supplementary quasi-stationary objects are arranged in the surveillance area. The stationary objects have a residence time of more than 1 day in the surveillance area. The quasi-stationary objects, for example, have a residence time of more than 10 minutes, however preferably less than 1 day in the surveillance area. The stationary objects may be, for example, trees, houses, paths, a subsoil, a mountain, etc. The quasi-stationary objects may be cars, furniture, parked items, etc. The entirety of these stationary and optionally supplementary quasi-stationary objects forms the scene background of the surveillance area. In particular, the scene background is constant over the temporally successive frames.

Das Differenzmodul ist ausgebildet, den Szenenhintergrund in den Einzelbildern zu eliminieren, wobei insbesondere Verfahren der digitalen Bildverarbeitung umgesetzt werden. Zum Beispiel werden durch das Differenzmodul Bildpunkte der Einzelbilder, die dem Szenenhintergrund entsprechen, auf einen konstanten Wert, wie zum Beispiel 0, gesetzt. Statt einem konstanten Wert kann auch ein vorbestimmter Wertebereich oder ein sehr kleiner Wert benutzt werden. Durch das Differenzmodul wird erreicht, dass bewegte Objekte, wie zum Beispiel Rauch in dem Überwachungsbereich, deutlich herausgearbeitet werden. Insbesondere kann durch das Differenzmodul transparenter Rauch, also Rauch, durch den in der Abbildung in den Einzelbildern Szenenhintergrund erkennbar oder noch erkennbar ist, signifikant herausgearbeitet werden.The difference module is designed to eliminate the scene background in the individual images, wherein in particular methods of digital image processing are implemented. For example, by the difference module, pixels of the frames corresponding to the scene background are set to a constant value, such as 0. Instead of a constant value, a predetermined value range or a very small value can also be used. The difference module ensures that moving objects, such as smoke in the monitored area, are clearly worked out. In particular, through the difference module transparent smoke, ie smoke, through which in the figure in the images scene background recognizable or still recognizable, be significantly worked out.

Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rauchdetektionsvorrichtung ein Auswertemodul aufweist, wobei das Auswertemodul eine Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung von mindestens einem Rauchabschnitt des Rauchs in dem Überwachungsbereich auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder durchführt und/oder entsprechend programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist. Das Auswertemodul ist insbesondere als ein Softwaremodul realisiert. Insbesondere wird durch das Auswertemodul eine Bewegung des Rauchabschnitts des Rauchs in dem Überwachungsbereich zwischen den zwei hintergrundbereinigten Zwischenbildern bestimmt. Optional werden durch die Bewegungsschätzung die Bewegung von weiteren oder anderen bewegten Objekten abgeschätzt, wobei diese weiteren Ergebnisse nachfolgend als nicht-Rauch verworfen werdenIn the context of the invention, it is proposed that the smoke detection device has an evaluation module, wherein the evaluation module performs a motion estimation for determining a movement of at least one smoke section of the smoke in the monitoring area on the basis of the background-cleaned intermediate images and / or is designed according to program technology and / or circuit technology. The evaluation module is realized in particular as a software module. In particular, the evaluation module determines a movement of the smoke section of the smoke in the monitoring area between the two background-cleaned intermediate images. Optionally, the motion estimation estimates the movement of other or other moving objects, these further results being subsequently rejected as non-smoke

Bei dem Rauchabschnitt kann es sich um einen einzigen Pixelabschnitt des Rauchs in den Einzelbildern oder Zwischenbildern oder um einen räumlich ausgedehnten Teilbereich des Rauchs handeln. In einem optionalen kontinuierlichen Betrieb der Rauchdetektionsvorrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bestimmung der Bewegung des Rauchabschnitts in dem Überwachungsbereich über weitere Einzelbilder oder Zwischenbilder fortgeführt wird. The smoke section may be a single pixel portion of the smoke in the frames or intermediate images or a spatially extended portion of the smoke. In an optional continuous operation of the smoke detection device, it is preferably provided that the determination of the movement of the smoke section in the monitoring area is continued via further individual images or intermediate images.

Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass durch die Kombination der Verwendung des Differenzmoduls mit der Verwendung des Auswertemoduls eine besonders aussagekräftige Auswertung für transparenten Rauch geschaffen wird. Während durch das Differenzmodul der transparente Rauch herausgearbeitet wird, wird durch das Auswertemodul geprüft, welche Bewegung der Rauch oder Rauchabschnitte des Rauchs zwischen den hintergrundbereinigten Zwischenbildern und gegebenenfalls weiteren Zwischenbildern durchführt. Nachdem Rauch im Vergleich zur Umgebung üblicherweise eine höhere Temperatur aufweist, steigt der Rauch in vertikale und/oder lotrechte Richtung auf. Es wurde festgestellt, dass sich Rauch mit einer typischen Geschwindigkeit von ca. 0,5 Meter pro Sekunde als Steiggeschwindigkeit bewegt. Diese Bewegung des Rauchs, insbesondere die Bewegungsgeschwindigkeit oder Steiggeschwindigkeit und die Richtung, ist charakteristisch für den Rauch und bildet ein signifikantes Merkmal zur Detektion des Rauchs. Damit ermöglicht es das Auswertemodul, gerade diese signifikanten Merkmale aus den Zwischenbildern herauszuarbeiten und dadurch eine belastbare Grundlage für die Detektion von Rauch zu bilden. It is a consideration of the invention that a particularly meaningful evaluation for transparent smoke is created by the combination of the use of the difference module with the use of the evaluation module. While the transparent smoke is worked out by the difference module, the evaluation module checks which movement of the smoke or smoke sections of the smoke takes place between the background-cleaned intermediate images and possibly further intermediate images. After smoke usually has a higher temperature than the environment, the smoke rises in the vertical and / or vertical direction. It was found that smoke moves at a typical rate of about 0.5 meters per second as a climbing speed. This movement of the smoke, in particular the speed of movement or rate of climb and the direction, is characteristic of the smoke and constitutes a significant feature for the detection of the smoke. This makes it possible for the evaluation module to work out precisely these significant features from the intermediate images and thereby form a reliable basis for the detection of smoke.

Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Bewegungsschätzung als ein Block-Matching-Verfahren ausgebildet. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Bewegungsschätzung als die Bestimmung eines optischen Flussfeldes ausgebildet. Unter dem optischen Flussfeld wird ein Vektorfeld der in die Bildebene der Einzelbilder oder Zwischenbilder projizierten Geschwindigkeitsvektoren von sichtbaren Punkten, insbesondere von Rauchabschnitten, des Überwachungsbereichs im Bezugssystem der Abbildungsoptik der Überwachungskamera verstanden. Auf einen Pixelabschnitt des Rauchs als Rauchabschnitt in den Einzelbildern oder Zwischenbildern oder auf einen räumlich ausgedehnten Teilbereich des Rauchs als Rauchabschnitt bezogen, umfasst das optische Flussfeld einen Vektor, der die Geschwindigkeit und die Richtung des Pixelabschnitts oder räumlich ausgedehnten Teilbereichs des Rauchs angibt, die dieser Bereich zwischen den zwei Einzelbildern oder Zwischenbildern zurückgelegt hat. Die Berechnung des optischen Flusses in Einzelbildern oder Zwischenbildern ist dem Fachmann bekannt und wird vielfach in der digitalen Bildverarbeitung eingesetzt, sodass mittels der Berechnung des optischen Flusses die Rauchdetektionsvorrichtung sehr zuverlässig umgesetzt werden kann.In one possible embodiment of the invention, the motion estimation is designed as a block matching method. In a particularly preferred embodiment of the invention, the motion estimation is designed as the determination of an optical flux field. The optical flow field is understood to mean a vector field of the velocity vectors of visible points, in particular of smoke sections, projected into the image plane of the individual images or intermediate images in the monitoring region in the reference system of the imaging optics of the surveillance camera. The optical flow field comprises a vector indicating the speed and direction of the pixel portion or spatially extended portion of the smoke, which is that region, on a pixel portion of the smoke as a smoke portion in the frames or intermediate images or on a spatially extended portion of the smoke has traveled between the two frames or intermediate images. The calculation of the optical flow in individual images or intermediate images is known to the person skilled in the art and is widely used in digital image processing, so that by means of the calculation of the optical flow the smoke detection device can be implemented very reliably.

Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung umfasst die Rauchdetektionsvorrichtung ein Hintergrundmodul zur Erstellung eines Hintergrundmodells des Überwachungsbereichs. Das Hintergrundmodell entspricht dem Szenenhintergrund und ist beispielsweise in dem gleichen Format wie die Einzelbilder ausgebildet. Das Differenzmodul nutzt das Hintergrundmodell und wendet dieses auf die Einzelbilder an, um die hintergrundbereinigten Zwischenbilder zu erzeugen.In a preferred embodiment of the invention, the smoke detection device comprises a background module for creating a background model of the surveillance area. The background model corresponds to the scene background and is for example in the same format as the Individual pictures formed. The difference module uses the background model and applies it to the frames to create the background-cleaned intermediate images.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Hintergrundmodul zur gleitenden und/oder akkumulierenden Erstellung des Hintergrundmodells aus einer Vielzahl von Einzelbildern ausgebildet ist. It may be provided that the background module is designed for the sliding and / or accumulating creation of the background model from a plurality of individual images.

So ist es beispielsweise möglich, dass das Hintergrundmodell aus früheren Einzelbildern gemittelt wird, wobei vorgesehen sein kann, dass Einzelbilder mit einem älteren Zeitstempel eine geringere Gewichtung bei der Mittelung als Einzelbilder mit einem neueren Zeitstempel aufweisen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Hintergrundmodell manuell aus Einzelbildern zusammengestellt wird. Thus, for example, it is possible for the background model to be averaged from previous individual images, wherein it may be provided that individual images with an older time stamp have a lower weighting in the averaging than individual images with a newer time stamp. Alternatively, it can also be provided that the background model is assembled manually from individual images.

Bei möglichen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Anwendung des Hintergrundmodells auf die Einzelbilder als eine Subtraktion des Hintergrundmodells von dem jeweiligen Einzelbild ausgebildet. Somit wird der Szenenhintergrund von dem abgebildeten Überwachungsbereich abgezogen. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die aktuellen Einzelbilder durch das Hintergrundmodell insbesondere pixelweise dividiert werden, um die hintergrundbereinigten Einzelbilder zu erstellen.In possible embodiments of the invention, the application of the background model to the individual images is formed as a subtraction of the background model from the respective individual image. Thus, the scene background is subtracted from the imaged monitoring area. Alternatively, it can also be provided that the current individual images are divided by the background model, in particular pixel-by-pixel, in order to produce the background-cleaned individual images.

Bei einer möglichen alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Differenzmodul ausgebildet, die hintergrundbereinigten Zwischenbilder zu erzeugen, indem jeweils Differenzbilder zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern erstellt werden. Insbesondere wird eines der Einzelbilder von dem anderen der Einzelbilder abgezogen, um damit das hintergrundbereinigte Zwischenbild zu erzeugen. Zeitlich betrachtet können die Zwischenbilder somit in der Bilderfolge zwischen den Einzelbildern einsortiert werden, wobei das jeweilige Zwischenbild die Differenz zwischen dem vorlaufenden, insbesondere unmittelbar vorlaufenden Einzelbild und dem nachlaufenden, insbesondere unmittelbar nachlaufenden Einzelbild als Bildinhalt hat. Nachdem die zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder jeweils den gleichen Szenenhintergrund zeigen, wird dieser bei der Erzeugung des Differenzbilds eliminiert und es verbleiben als Bildinhalte die Unterschiede in den Bildbereichen die den Rauch zeigen. In a possible alternative embodiment of the invention, the difference module is designed to generate the background-cleaned intermediate images, in each case by creating differential images between two temporally successive individual images. In particular, one of the frames is subtracted from the other of the frames to produce the background-cleaned intermediate frame. In terms of time, the intermediate images can thus be sorted between the individual images in the image sequence, the respective intermediate image having the difference between the preceding, especially immediately preceding individual image and the trailing, in particular immediately trailing, individual image image. After the temporally successive individual images each show the same scene background, this is eliminated in the generation of the difference image and remain as image content, the differences in the image areas showing the smoke.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Rauchdetektionsvorrichtung ein Detektionsmodul zur Detektion von Rauch des Brandes auf Basis der Bewegungsschätzung. Umfasst die Bewegungsschätzung beispielsweise die Bestimmung des optischen Flussfeldes, so ist der Rauch durch eine charakteristische Ansammlung von Flussvektoren, welche vertikal oder im Wesentlichen vertikal beziehungsweise lotrecht oder im Wesentlichen lotrecht ausgerichtet sind, und eine vorbestimmte Länge oder einen vorbestimmten Längenbereich haben, als Merkmal detektierbar, da der Rauch meist in einem zusammenhängenden Bereich angeordnet ist, vertikal nach oben steigt und eine einheitliche Steiggeschwindigkeit oder einen einheitlichen Steiggeschwindigkeitsbereich als natürliche Bewegung aufweist. Andere bewegte Objekte, die diese natürliche Bewegung von Rauch nicht aufweisen werden als nicht-Rauch verworfen. In a preferred embodiment of the invention, the smoke detection device comprises a detection module for detecting smoke of the fire based on the motion estimation. For example, if the motion estimation includes the determination of the optical flow field, the smoke is detectable as a feature by a characteristic collection of flow vectors that are vertically or substantially vertically, or vertically or substantially perpendicular, and have a predetermined length or range of lengths; since the smoke is usually arranged in a continuous area, rises vertically upwards and has a uniform rate of climb or a uniform rate of climb speed as natural movement. Other moving objects that do not exhibit this natural movement of smoke are discarded as non-smoke.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Detektionsmodul eine Rauchwahrscheinlichkeit auf Basis der Bewegungsschätzung bestimmt und beispielsweise bei dem Überschreiten einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit Rauch detektiert. Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass weitere Parameter wie zum Beispiel die Größe der Fläche in den Zwischenbildern mit ausreichender Rauchwahrscheinlichkeit und/oder die zeitliche Länge der detektierten Rauchwahrscheinlichkeit in die Berechnung einfließen. In particular, it is provided that the detection module determines a smoke probability on the basis of the motion estimation and, for example, detects smoke when a predefinable probability is exceeded. Optionally, it can additionally be provided that further parameters, such as, for example, the size of the area in the intermediate images with sufficient smoke probability and / or the temporal length of the detected smoke probability, are included in the calculation.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Rauch in einem Überwachungsbereich, vorzugsweise mit der zuvor beschriebenen Rauchdetektionsvorrichtung. Bei dem Verfahren werden Einzelbilder von dem Überwachungsbereich aufgenommen. Nachfolgend wird in den Einzelbildern ein Szenenhintergrund insbesondere aus statischen und optional ergänzend quasi statischen Objekten entfernt, um hintergrundbereinigte Zwischenbilder zu erzeugen. In einem nachfolgenden Schritt wird eine Bewegung von Rauchabschnitten des Rauchs in den Zwischenbildern abgeschätzt, um den Rauch zu detektieren.Another object of the invention relates to a method for detecting smoke in a monitoring area, preferably with the smoke detection device described above. The method captures frames from the surveillance area. Subsequently, in the individual images, a scene background is removed, in particular from static and optionally supplementary quasi-static objects, in order to generate background-adjusted intermediate images. In a subsequent step, movement of smoke portions of the smoke in the intermediate images is estimated to detect the smoke.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, vorzugsweise auf einer Rauchdetektionsvorrichtung oder auf einer Datenverarbeitungsanlage.Another object of the invention is a computer program with program code means for carrying out the method described above, preferably on a smoke detection device or on a data processing system.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:Further features, advantages and effects of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention and the accompanying figures. Showing:

1 ein schematisches Blockdiagramm einer Rauchdetektionsvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a schematic block diagram of a smoke detection device as an embodiment of the invention;

2a, b zwei unterschiedliche Darstellungen von optischen Flussfeldern der Rauchdetektionsvorrichtung zur weiteren Beschreibung der Funktionsweise beziehungsweise des Verfahrens. 2a , b two different representations of optical flow fields of the smoke detection device for further description of the operation or the method.

Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Rauchdetektionsvorrichtung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Rauchdetektionsvorrichtung 1 ist als ein automatischer Brandmelder ausgebildet und kann beispielsweise als ein Computer oder eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung mit einem Computerprogramm zur Umsetzung der einzelnen Module realisiert sein. The 1 shows a highly schematic representation of a smoke detection device 1 when an embodiment of the invention. The smoke detection device 1 is designed as an automatic fire detector and can be implemented, for example, as a computer or a digital data processing device with a computer program for implementing the individual modules.

Zudem ist in der 1 eine Überwachungskamera 2 gezeigt, welche mit dem Sichtfeld auf einen Überwachungsbereich U gerichtet ist, so dass der Überwachungsbereich U von der Überwachungskamera 2 abgebildet wird. Die Überwachungskamera 2 kann beispielsweise als eine Schwarz-Weiß-Kamera oder als eine Farbkamera ausgebildet sein. Die Überwachungskamera 2 kann optional einen integralen Teil der Rauchdetektionsvorrichtung 1 bilden. Moreover, in the 1 a security camera 2 shown, which is directed with the field of view on a monitoring area U, so that the monitoring area U of the surveillance camera 2 is shown. The security camera 2 For example, it may be formed as a black-and-white camera or as a color camera. The security camera 2 Optionally, it can be an integral part of the smoke detection device 1 form.

Die Überwachungskamera 2 stellt über einen Kameraausgang eine Bildfolge 3 von einer Vielzahl von Einzelbildern 4, welche zeitlich aufeinanderfolgen, zur Verfügung. Beispielsweise werden die Einzelbilder 4 mit einer festen Frequenz von z.B. 30 Hertz zur Verfügung gestellt. Die Bildfolge 3 beziehungsweise die Einzelbilder 4 werden über eine Kameraschnittstelle 5 der Rauchdetektionsvorrichtung 1 übertragen. The security camera 2 sets a picture sequence via a camera output 3 from a variety of frames 4 , which follow each other in time. For example, the individual images 4 provided with a fixed frequency of eg 30 hertz. The sequence of pictures 3 or the individual pictures 4 be via a camera interface 5 the smoke detection device 1 transfer.

Die Rauchdetektionsvorrichtung 1 weist ein Differenzmodul 6 auf, welches zur Bildverarbeitung der Einzelbilder 4 ausgebildet ist. Beispielhaft sind in der Rauchdetektionsvorrichtung 1 zwei Einzelbilder 4 dargestellt, welche den Überwachungsbereich U zeigen. In dem Überwachungsbereich U ist zum einen ein stationäres Objekt 7, in diesem Beispiel ein Haus, dargestellt, welches gemeinsam mit anderen stationären Objekten sowie der gesamten Umgebung des Überwachungsbereichs U einen Szenenhintergrund 8 bildet. Ferner ist stark schematisiert ein Brand 9 mit einer Rauchfackel als Rauch 10 dargestellt.The smoke detection device 1 has a difference module 6 which is used for image processing of the individual images 4 is trained. Exemplary are in the smoke detection device 1 two frames 4 shown, which show the monitoring area U. In the monitoring area U, on the one hand, a stationary object 7 , in this example a house, which, together with other stationary objects as well as the entire surroundings of the surveillance area U, has a scene background 8th forms. Furthermore, a highly schematized fire 9 with a smoke torch as smoke 10 shown.

Das Differenzmodul 6 ist ausgebildet, in den Einzelbildern 4 den Szenenhintergrund 8 zu eliminieren. Zur Umsetzung weist die Rauchdetektionsvorrichtung 1 zum Beispiel ein Modellmodul 11 auf, welches den Hintergrund 8 als Hintergrundmodell 12 modelliert. Die Erstellung des Hintergrundmodells 12 kann beispielsweise durch eine Mittelung von einer Mehrzahl der Einzelbilder 4 erfolgen. Um ein aktuelles Hintergrundmodell 12 zu erhalten, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei der Mittelung aktuelle Einzelbilder 4 stärker gewichtet werden als ältere Einzelbilder. Auf diese Weise ist es zum Beispiel auch möglich, schleichende Veränderungen, wie zum Beispiel Helligkeitsänderungen, durch Tag-Nacht-Wechsel oder Änderungen durch Wetterwechsel zu berücksichtigen.The difference module 6 is trained in the individual pictures 4 the scene background 8th to eliminate. For implementation, the smoke detection device 1 for example, a model module 11 on which the background 8th as a background model 12 modeled. The creation of the background model 12 can, for example, be averaged by a plurality of the individual images 4 respectively. To a current background model 12 To obtain, for example, can be provided that in averaging current frames 4 weighted more heavily than older frames. In this way, it is also possible, for example, to consider creeping changes, such as changes in brightness, by day-night changes or changes due to weather changes.

Das Differenzmodul 6 wendet das Hintergrundmodell 12 auf die Einzelbilder 4 an, welche zur aktuellen Bearbeitung vorliegen. Das Anwenden kann beispielsweise durch eine Subtraktion erfolgen, sodass der Szenenhintergrund 8 zum Beispiel pixelweise von den Einzelbildern 4 abgezogen wird. Alternativ hierzu können auch übereinstimmende Pixel oder Pixelwerte auf einen vorgebbaren Wert gesetzt werden.The difference module 6 applies the background model 12 on the individual pictures 4 which are available for the current processing. The application can be done for example by a subtraction, so that the scene background 8th for example, pixel by pixel from the individual images 4 is deducted. Alternatively, matching pixels or pixel values can also be set to a predefinable value.

Bei einer alternativen Ausgestaltung erzeugt das Differenzmodul 6 Differenzbilder von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern 4 als die hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13. Hierbei subtrahiert das Differenzmodul 6 die zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder voneinander, um für dieses Paar an Einzelbildern 4 ein Differenzbild als hintergrundbereinigtes Zwischenbild 13 zu erhalten. Bei dieser Ausgestaltung kann somit auf das Modellmodul 11 verzichtet werden. In an alternative embodiment, the difference module generates 6 Difference pictures of two temporally successive single pictures 4 as the background-cleaned intermediate pictures 13 , This subtracts the difference module 6 the two temporally consecutive frames from each other, for this pair of frames 4 a difference image as a background-adjusted intermediate image 13 to obtain. In this embodiment can thus on the model module 11 be waived.

Als Ergebnis gibt das Differenzmodul 6 hintergrundbereinigte Zwischenbilder 13 aus, welche als Hauptbildinhalt nur noch den Rauch 10 zeigen. Dieser ist jedoch nur schlecht erkennbar, da zum Beispiel für den Fall eines transparenten Rauchs 10 nur schwache Schlieren in den hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 verbleiben.The result is the difference module 6 background-cleaned intermediate pictures 13 from, which as the main picture content only the smoke 10 demonstrate. However, this is only poorly recognizable, for example in the case of transparent smoke 10 only faint streaks in the background-cleaned intermediate pictures 13 remain.

Die hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 werden an ein Auswertemodul 14 übergeben, welches eine Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung des Rauchs 10, insbesondere von Rauchabschnitten, also Teilabschnitten des Rauchs 10, in dem Überwachungsbereich U auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13 durchführt. Beispielsweise wird die Bewegungsschätzung durch Berechnung eines optischen Flussfeldes 18 zwischen den hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 umgesetzt. Bei der Berechnung des optischen Flusses oder des optischen Flussfeldes werden Vektoren erzeugt, welche die Positionsänderung und die Geschwindigkeit und/oder Länge der Positionsänderung zwischen den zwei zeitlich aufeinanderfolgenden hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 umfasst. In der 1 ist das optische Flussfeld 18 kodiert dargestellt, wobei Vektoren des optischen Flussfelds 18, welche eine Richtung und Länge haben, die der natürlichen Bewegung von Rauch 10 entspricht, dunkel eingefärbt sind. The background-cleaned intermediate images 13 are sent to an evaluation module 14 passed, which is a motion estimation to determine a movement of the smoke 10 , in particular of smoke sections, ie sections of the smoke 10 , in the monitoring area U based on the background-cleaned intermediate images 13 performs. For example, the motion estimation is calculated by calculating an optical flux field 18 between the background-cleaned intermediate images 13 implemented. In the calculation of the optical flow or the optical flow field, vectors are generated which show the change in position and the speed and / or length of the position change between the two temporally successive background-corrected intermediate images 13 includes. In the 1 is the optical flow field 18 shown coded, wherein vectors of the optical flow field 18 which have a direction and length, that of the natural movement of smoke 10 corresponds, are colored dark.

In einem Detektionsmodul 15 wird das optische Flussfeld 18 oder der optische Fluss zur Detektion von Rauch 10 des Brandes 9 bewertet. Dabei wird als Grundlage herangezogen, dass sich der Rauch 10 in der natürlichen Bewegung in lotrechte und/oder vertikale Richtung mit einer Steiggeschwindigkeit von ca. 0,5 Meter pro Sekunde bewegt. Somit ist ein dunkler Bereich wie dieser in der kodierten Darstellung des optischen Flussfelds 18 gezeigt ist, ein Merkmal für den Rauch 10. In a detection module 15 becomes the optical flow field 18 or the optical flow for the detection of smoke 10 of the fire 9 rated. It is used as a basis that the smoke 10 moved in the natural movement in vertical and / or vertical direction with a climbing speed of about 0.5 meters per second. Thus, a dark area like this is in the coded representation of the optical flow field 18 shown is a feature for the smoke 10 ,

Die Rauchdetektionsvorrichtung 1 weist eine Ausgangsschnittstelle 17 auf, welche einen Alarm aus dem Detektionsmodul 15 zum Beispiel an eine Alarmeinrichtung 19, eine Einsatzzentrale oder dergleichen überträgt. The smoke detection device 1 has an output interface 17 on which an alarm from the detection module 15 for example to an alarm device 19 , an operations center or the like transmits.

In den 2a, b ist beispielhaft eine Auswertung des optischen Flussfeldes 18 gezeigt, wobei Bildpunkte mit Vektoren, die der natürlichen Bewegung des Rauchs 10 entsprechen in diesem Beispiel hell eingefärbt sind. In der 2a ist ein optisches Flussfeld 18, welches auf Basis von nicht-hintergrundbereinigten Einzelbilder 4 erstellt wurde. In der 2b ist für die gleichen Einzelbilder 4 ein optisches Flussfeld 18 auf Basis von hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13 berechnet worden. Die Hintergrundbereinigung erfolgte beispielhaft mit dem Tool OpenCV Background Subtraction. Bei einem Vergleich der beiden Darstellungen erkennt man, dass das optische Flussfeld 18, das auf Basis der hintergrundbereinigten Bilder 13 berechnet wurde, deutlich stärker zu erkennen ist als das optische Flussfeld 18, das nur auf Basis der nicht-hintergrundbereinigten Einzelbilder 4 umgesetzt wurde. In the 2a , b is an example of an evaluation of the optical flow field 18 shown, using pixels with vectors representing the natural movement of the smoke 10 correspond brightly colored in this example. In the 2a is an optical flow field 18 , which is based on non-background-cleaned frames 4 was created. In the 2 B is for the same frames 4 an optical flow field 18 based on background-cleaned intermediate pictures 13 calculated. The background cleaning was done by way of example with the tool OpenCV Background Subtraction. A comparison of the two representations reveals that the optical flow field 18 based on the background-cleaned images 13 calculated, is much more noticeable than the optical flux field 18 based solely on non-background-cleaned frames 4 was implemented.

Somit ist das Zusammenspiel der Hintergrundbereinigung mit der Berechnung des optischen Flussfeldes eine vorteilhafte Auswertung von Einzelbildern 4 einer Bildfolge 3, welche deren Vorzüge besonders gut ausspielen kann, wenn der Rauch 10 als ein transparenter und/oder durchsichtiger Rauch ausgebildet ist.Thus, the interaction of background cleaning with the calculation of the optical flow field is an advantageous evaluation of individual images 4 a picture sequence 3 , which can play their benefits particularly well when the smoke 10 is designed as a transparent and / or transparent smoke.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7804522 [0003]

Claims

Smoke detection device ( 1 ) for the detection of smoke ( 10 ) of a brand ( 9 ) in a surveillance area (U), with a camera interface ( 5 ) for taking over a picture sequence ( 3 ) with at least two temporally successive individual images ( 4 ), the individual images ( 4 ) show the monitoring area (U), with a difference module ( 6 ) for the elimination of a scene background ( 8th ) of the surveillance area (U) in the individual images ( 4 ) and for generating background images ( 13 ), characterized by an evaluation module ( 14 ), wherein the evaluation module ( 14 ) a motion estimation for determining a movement of smoke portions of the smoke ( 10 ) in the monitoring area (U) on the basis of the background-cleaned intermediate images ( 13 ).

Smoke detection device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the evaluation module ( 14 ) for determining an optical flux field ( 18 ) is designed as a motion estimation for determining the movement.

Smoke detection device ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized by a background module ( 11 ) to create a background model ( 12 ) of the monitoring area (U), the difference module ( 6 ) the background model ( 12 ) on the individual images ( 4 ) for generating the background-cleaned intermediate images ( 13 ) applies.

Smoke detection device ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the background module ( 11 ) for the sliding and / or accumulating creation of the background model ( 12 ) from a plurality of individual images ( 4 ) is trained.

Smoke detection device ( 1 ) according to one of claims 3 or 4, characterized in that the application of the background model ( 12 ) on the individual images ( 4 ) as a subtraction of the background model ( 12 ) of the single image ( 4 ) or as a division of the frame ( 4 ) through the background model ( 12 ) is trained.

Smoke detection device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the difference module ( 6 ) for the elimination of the scene background ( 8th ) of the surveillance area (U) in the individual images ( 4 ) is formed by being used as background-corrected intermediate images ( 13 ) Difference pictures of two temporally successive single pictures ( 4 ) to be created.

Smoke detection device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized by a detection module ( 15 ) for the detection of smoke ( 10 ) of the fire on the basis of the motion estimation.

Smoke detection device ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the detection module ( 15 ) determines a smoke probability based on the motion estimation.

Method for detecting smoke, preferably with the smoke detection device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein individual images ( 4 ) are recorded by a surveillance area (U), whereby a scene background ( 8th ) in the individual pictures ( 4 ) is removed to provide background-cleaned intermediate images ( 13 ) and whereby a movement of smoke sections of the smoke ( 10 ) in the background-adjusted intermediate images ( 13 ) is estimated.

Computer program with program code means for performing all the steps of the method according to claim 9, when the program is stored on a computer and / or on the smoke detection device ( 1 ) is carried out by any one of claims 1 to 8.