ES2221580B1 - AUTONOMOUS SYSTEM FOR ACQUISITION AND PROCESSING OF THERMOMETRIC IMAGES. - Google Patents
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Abstract
Sistema autónomo de adquisición y procesado de imágenes termométricas. El sistema tiene su aplicación fundamental como parte de sistemas complejos de detección, localización y clasificación de focos de temperatura incontrolados, en el ámbito de la detección de focos de incendios en grandes extensiones de terreno, tanto forestales como habitadas u otras aplicaciones donde el control térmico sea crítico. Básicamente, comprende una etapa de adquisición de imágenes termométricas (2) y una serie de etapas de procesado (3), de manera que en la etapa de adquisición (2) se adquieren las imágenes termométricas capturadas mediante un sensor térmico (1), convirtiéndolas a formato digital y se mandan comandos a estos sensores térmicos para su control, mientras que en las etapas de procesado (3) las imágenes captadas son procesadas y se decide si existen cambios de temperatura significativos y cómo es su comportamiento con el tiempo, siendo capaz de generar diferentes decisiones, tales como tipos de alarmas (4), en función de la intensidad del cambio térmico detectado.Autonomous system for acquiring and processing thermometric images. The system has its fundamental application as part of complex systems for the detection, location and classification of uncontrolled temperature sources, in the field of detection of fire sources in large areas of land, both forest and inhabited or other applications where thermal control be critical Basically, it comprises a stage of acquisition of thermometric images (2) and a series of processing stages (3), so that in the acquisition stage (2) the thermometric images captured by means of a thermal sensor (1) are acquired, converting them to digital format and commands are sent to these thermal sensors for control, while in the processing stages (3) the captured images are processed and it is decided if there are significant temperature changes and how is their behavior over time, being able to generate different decisions, such as types of alarms (4), depending on the intensity of the thermal change detected.
Description
Sistema autónomo de adquisición y procesado de imágenes termométricas.Autonomous system of acquisition and processing of thermometric images
La presente invención se refiere a un sistema de adquisición y procesado de imágenes termométricas, previsto preferentemente para su aplicación en la detección, localización y clasificación de focos de temperatura incontrolados, en el ámbito de la detección de incendios en grandes extensiones de terreno, tanto forestales como habitadas. Esta aplicación preferente no limita su uso en otras aplicaciones donde la temperatura sea un factor fundamental a vigilar.The present invention relates to a system of acquisition and processing of thermometric images, planned preferably for application in detection, location and classification of uncontrolled temperature sources, in the field of fire detection in large areas of land, both forest and inhabited. This preferred application does not limits its use in other applications where the temperature is a fundamental factor to watch.
El objeto de la invención es por tanto proporcionar un sistema de vigilancia autónoma con una mínima probabilidad de falsa alarma y con máxima probabilidad de detección, que sea capaz de detectar posibles cambios de temperatura en tiempo real, así como clasificar los mismos y decidir si existe riesgo de fuego incontrolado y en qué nivel.The object of the invention is therefore provide an autonomous surveillance system with a minimum probability of false alarm and with maximum probability of detection, that is able to detect possible changes of real-time temperature as well as classify them and Decide if there is a risk of uncontrolled fire and at what level.
Los sistemas utilizados actualmente para la detección de incendios forestales, utilizan simples detectores de umbral de temperatura que realizan un mínimo procesado de las señales captadas por cámaras térmicas, por lo que los resultados son en general poco fiables. Las limitaciones que presentan los sistemas basados en dichos medios pueden proporcionar grandes probabilidades de falsas alarmas si el umbral elegido es bajo, por lo que son sistemas que en la práctica no van a ser de utilidad; si por el contrario se eligen umbrales más elevados para disminuir esta probabilidad de falsa alarma, son sistemas con una probabilidad de detección muy baja y por lo tanto poco fiables.The systems currently used for the forest fire detection, use simple detectors temperature threshold that perform a minimum processing of signals captured by thermal cameras, so the results They are generally unreliable. The limitations presented by systems based on such media can provide large Probabilities of false alarms if the threshold chosen is low, for what are systems that in practice will not be useful; yes on the contrary, higher thresholds are chosen to decrease this probability of false alarm, are systems with a Detection probability very low and therefore unreliable.
El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver la problemática anteriormente expuesta, constituyendo un sistema novedoso y avanzado técnicamente para conseguir que se dé una mínima probabilidad de falsa alarma, y sin embargo se consiga una máxima probabilidad de detección, siendo capaz de detectar posibles cambios de temperatura en tiempo real, clasificarlos y saber si existe o no un riesgo real de incendio.The system that is recommended has been conceived to solve the problem described above, constituting a new and technically advanced system to get it give a minimal probability of false alarm, and yet get a maximum probability of detection, being able to detect possible temperature changes in real time, classify them and know whether or not there is a real fire risk.
Más concretamente, el sistema de la invención se basa en la adquisición, procesado, detección y clasificación de incrementos de temperatura mediante la utilización de imágenes termométricas, siendo éstas captadas por sensores termométricos y convertidas posteriormente en digitales, para finalmente ser procesadas en tiempo real, con la consiguiente detección de incrementos de temperaturas susceptibles de ser generadores de focos de calor incontrolados.More specifically, the system of the invention is based on the acquisition, processing, detection and classification of temperature increases through the use of images thermometers, these being captured by thermometric sensors and later converted into digital, to finally be processed in real time, with the consequent detection of temperature increases likely to be generators of uncontrolled heat sources.
Por consiguiente, el sistema comprende dos etapas claramente diferenciadas, consistiendo la primera de ellas en la adquisición de imágenes termométricas en el rango de frecuencias infrarrojas y convertirlas a formato digital para su almacenamiento y posterior tratamiento. La segunda etapa consiste precisamente en el procesado de las imágenes referidas, estableciendo si existen cambios de temperatura significativos y cómo es su comportamiento con el tiempo, siendo capaz de generar diferentes decisiones en función de la intensidad del cambio térmico detectado, todo ello minimizando las falsas alarmas que pudieran ser originadas por otras causas externas y ajenas a las que se originan por focos de calor descontrolados.Therefore, the system comprises two stages clearly differentiated, the first one consisting of the acquisition of thermometric images in the frequency range infrared and convert them to digital format for storage and subsequent treatment. The second stage consists precisely in the processing of the referred images, establishing if they exist significant temperature changes and how is their behavior over time, being able to generate different decisions in function of the intensity of the thermal change detected, all minimizing false alarms that could be caused by others external and external causes to those originating from heat sources out of control
Lógicamente, el sistema estará apoyado en un software específico de adquisición y procesado, desarrollado en lenguaje de alto nivel que permite capturar las imágenes termométricas en tiempo real, digitalizarlas mediante un sistema digitalizador y procesarlas en tiempo real, proporcionando datos relativos a:Logically, the system will be supported by a specific acquisition and processing software, developed in high level language that allows you to capture images thermometers in real time, digitize them using a system digitizer and process them in real time, providing data relating to:
- --
- Si existe detección;Yes there is detection;
- --
- Qué tipo de detección es, yThat type of detection is, and
- --
- Cuál es el nivel de riesgo.Which It is the level of risk.
En función de esos datos se generarán posteriormente alarmas con mayor o menor nivel de prioridad, de manera que si se llega al máximo nivel de alarma posible se puede concluir que existe un incendio incontrolado en una determinada área de cobertura.Based on that data, it will be generated subsequently alarms with higher or lower priority level, of so that if you reach the maximum possible alarm level you can conclude that there is an uncontrolled fire in a given coverage area.
Por lo tanto, la etapa de procesado se puede resumir diciendo que en base a la misma el sistema es capaz de ir tomando imágenes adquiridas en la etapa de adquisición e ir procesándolas píxel a píxel, considerando no sólo la imagen del instante actual sino imágenes de tiempos anteriores y posteriores.Therefore, the processing stage can be summarize by saying that based on it the system is able to go taking acquired images in the acquisition stage and go processing them pixel by pixel, considering not only the image of the current moment but images from earlier times and later.
Por otra parte, el sistema de la invención y concretamente su etapa de procesado, es capaz de decidir cuál es el tipo de alarma originado, es decir, si corresponde a un foco de calor incontrolado, o si corresponde a variaciones térmicas producidas por ruido térmico, viento, etc., para lo cual se incluye una etapa de predicción y una etapa de detección, la primera de ellas prevista para reducir el ruido de fondo y aumentar la probabilidad de detección, mientras que la segunda está prevista para generar los diferentes niveles de riesgo.Moreover, the system of the invention and specifically its processing stage, it is able to decide which is the type of alarm originated, that is, if it corresponds to a focus of uncontrolled heat, or if it corresponds to thermal variations produced by thermal noise, wind, etc., for which it is included a prediction stage and a detection stage, the first of they planned to reduce background noise and increase the detection probability, while the second is planned to generate different levels of risk.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de diseños en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of this description, a set of designs where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
La figura 1.- Muestra el esquema general correspondiente al diagrama de bloques del sistema autónomo de adquisición y procesado de imágenes termométricas realizado de acuerdo con el objeto de la invención.Figure 1.- Shows the general scheme corresponding to the block diagram of the autonomous system of acquisition and processing of thermometric images made of according to the object of the invention.
La figura 2.- Muestra una vista esquemática de la sucesión de imágenes en diferentes barridos y predicción del ruido, según un procesamiento píxel a píxel.Figure 2.- Shows a schematic view of the succession of images in different sweeps and noise prediction, according to pixel to pixel processing.
La figura 3.- Muestra un diagrama de bloques correspondiente al esquema general de procesado de las imágenes termométricas, realizado de acuerdo con el objeto de la invención.Figure 3.- Shows a block diagram corresponding to the general scheme of image processing thermometers, performed according to the purpose of the invention.
Haciendo referencia concretamente a la figura 1, puede observarse cómo el sistema de la invención incluye un bloque inicial (1) correspondiente a una cámara termo-gráfica como medio sensor de captación de imágenes termométricas en el rango de frecuencias infrarrojas, a continuación de cuyo bloque (1) existe un segundo bloque (2) de adquisición de datos, en base al cual es posible capturar imágenes analógicas e ir convirtiéndolas a formato digital para su almacenamiento y su posterior tratamiento. Además la comunicación entre el segundo bloque y el primero es bidireccional ya que se han de transmitir y recibir comandos de control entre la cámara y el sistema de adquisición y procesado.Referring specifically to Figure 1, it can be seen how the system of the invention includes a block initial (1) corresponding to a camera thermo-graphic as a means of collecting sensor thermometric images in the infrared frequency range, to continuation of whose block (1) there is a second block (2) of data acquisition, based on which it is possible to capture images analog and converting them to digital format for storage and subsequent treatment. Also communication between the second block and the first one is bidirectional since they have of transmitting and receiving control commands between the camera and the Acquisition and processing system.
Seguidamente existe un tercer bloque (3) correspondiente a la etapa de procesado, en la que se realiza una predicción y varias detecciones, de manera que en esta etapa o bloque (3) las imágenes termométricas captadas anteriormente son procesadas y se decide si existen cambios de temperatura significativos y cómo es su comportamiento con el tiempo, siendo capaz de generar diferentes decisiones en función de la intensidad de cambio térmico detectado para, mediante un último bloque (4), generar alarmas con mayor o menor nivel de prioridad, de forma que si se llega al máximo nivel de alarma posible se puede concluir que existe un fuego incontrolado en una determinada área de cobertura.Then there is a third block (3) corresponding to the processing stage, in which a prediction and several detections, so that at this stage or block (3) the thermometric images captured above are processed and it is decided if there are temperature changes significant and how is their behavior over time, being able to generate different decisions depending on the intensity of thermal change detected for, by means of a last block (4), generate alarms with higher or lower priority level, so that if the maximum possible alarm level is reached, it can be concluded that there is an uncontrolled fire in a certain area of coverage.
La etapa de procesado (3) resulta fundamental para la validez del sistema, ya que su objetivo es detectar automáticamente la posible existencia de focos de temperatura descontrolados, pero minimizando las falsas alarmas, ya sean debidas al ruido de fondo infrarrojo, o a efectos ocasionales como vehículos, personas o movimientos de ramas u otros fenómenos que puedan producir cambios bruscos de temperatura.The processing stage (3) is essential for the validity of the system, since its objective is to detect automatically the possible existence of temperature sources uncontrolled, but minimizing false alarms, whether due to infrared background noise, or occasional effects such as vehicles, people or movements of branches or other phenomena that may cause sudden temperature changes.
Cabe destacar igualmente el hecho de que el sistema ha sido diseñado de forma que resulte fiable, es decir, que no pueda estar generando continuamente alarmas falsas, pero también sensible, es decir, debe detectar los mínimos cambios de temperaturas debidas a posibles focos de calor descontrolados, y aunque estos dos aspectos parezcan contradictorios, exigen un procesado avanzado de las señales termométricas.Also noteworthy is the fact that the system has been designed in a way that is reliable, that is, may not be continuously generating false alarms, but also sensitive, that is, you should detect the minimum changes of temperatures due to possible uncontrolled heat sources, and although these two aspects seem contradictory, they demand a Advanced processing of thermometric signals.
Con tal fin, se ha diseñado un sistema de procesado y un software específico de adquisición y procesado que permite capturar las imágenes termométricas en tiempo real, digitalizarlas y procesarlas también en tiempo real, decidiendo si existe detección, qué tipo de detección y qué nivel de riesgo se está obteniendo.To this end, a system of processed and specific acquisition and processing software that allows you to capture thermometric images in real time, digitize them and process them also in real time, deciding if there is detection, what type of detection and what level of risk is getting
También cabe destacar el hecho de que el sistema ha sido diseñado de manera robusta frente a cortes de tensión y caídas del sistema, desarrollándose a la par protocolos específicos de comunicación con los sensores térmicos y de generación de datos de alarmas para que su posterior transmisión se pueda realizar de manera eficiente en lo referente tanto al tiempo de los datos a transmitir como al tiempo de transmisión.Also noteworthy is the fact that the system It has been robustly designed against power outages and system crashes, developing specific protocols for communication with thermal sensors and data generation of alarms so that their subsequent transmission can be made of efficient way regarding both the data time to transmit as at the time of transmission.
El procesado se puede resumir básicamente en un sistema que es capaz de ir tomando las imágenes adquiridas en la etapa de adquisición e ir procesándolas píxel a píxel, considerando no sólo la imagen del instante actual sino imágenes de instantes de tiempo anteriores, como se representa en la figura 2, teniendo en cuenta que la imagen termométrica está formada por una matriz de píxeles, y que cada píxel puede ser asociado a una celda de resolución con sus correspondientes y rango o distancias.The processing can be basically summarized in a system that is able to take the images acquired in the acquisition stage and process them pixel by pixel, considering not only the image of the current moment but images of moments of previous time, as shown in figure 2, taking into note that the thermometric image is formed by a matrix of pixels, and that each pixel can be associated with a cell of resolution with their corresponding and range or distances.
De esta manera el sistema de procesado es capaz de decidir automáticamente, barrido a barrido para todos y cada unos de los píxeles, si existe una alarma y de qué tipo es; es decir, si el sistema ha de considerar que puede ir más allá de la simple detección e indicar qué riesgo existe en la zona de vigilancia con una serie de niveles de alarmas posibles, en función de si simplemente el nivel medido supera un umbral, o si además se dan otras condiciones más restrictivas.In this way the processing system is capable to decide automatically, sweep by sweep for each and every one of the pixels, if there is an alarm and what type it is; is say, if the system is to consider that it can go beyond the simple detection and indicate what risk exists in the area of surveillance with a series of possible alarm levels, depending on of whether the measured level simply exceeds a threshold, or if they give other more restrictive conditions.
Lo expuesto con anterioridad, lleva al sistema de la figura 3, a aplicar a cada una de las celdas de resolución, con dos etapas o partes claramente diferenciadas, y que corresponden a los bloques (5) y (6), el primero como etapa de predicción y el segundo como etapa de detección. En este esquema de la figura 3, el bloque (7) corresponde a la estadística del entorno, el bloque (8) a la calibración y el bloque (9) al conocimiento sobre la evolución térmica, con la particularidad de que la etapa o parte relativa a la predicción, representada en el bloque (5), consiste básicamente en un elemento que permite al sistema reducir el fondo de ruido y aumentar la probabilidad de detección, mientras que la parte correspondiente al bloque de detección (6) consiste en la utilización de técnicas estadísticas de procesado de señal para la generación de las diferentes alarmas posibles. Estas dos partes o bloques se nutren en paralelo a un conocimiento deducido de la calibración correspondiente al bloque (8) sobre la estadística del bloque infrarrojo del entorno bajo vigilancia. Adicionalmente, se aprovechan de todos los posibles conocimientos sobre la evolución del cambio de temperatura, para maximizar la probabilidad de detección de focos descontrolados y minimizar la detección de efectos ocasionales no correspondientes a incrementos térmicos descontrolados, manteniendo una cierta probabilidad de falsas alarmas debidas al ruido de fondo del entorno.The above, leads to the system of Figure 3, to be applied to each of the resolution cells, with two stages or parts clearly differentiated, and corresponding to blocks (5) and (6), the first as the prediction stage and the second as a detection stage. In this scheme of Figure 3, the block (7) corresponds to the environment statistics, block (8) to calibration and block (9) to knowledge about evolution thermal, with the particularity that the stage or part relative to the prediction, represented in block (5), basically consists of an element that allows the system to reduce the noise background and increase the probability of detection while the part corresponding to the detection block (6) consists of the use of statistical techniques of signal processing for generation of the different possible alarms. These two parts or blocks are nurtured in parallel to a knowledge deduced from the calibration corresponding to block (8) on the statistics of infrared block of the environment under surveillance. Additionally, it take advantage of all possible knowledge about evolution of the temperature change, to maximize the probability of detection of uncontrolled foci and minimize the detection of occasional effects not corresponding to thermal increases out of control, maintaining a certain probability of false alarms due to background noise from the environment.
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