JP4102626B2

JP4102626B2 - 煙検出装置

Info

Publication number: JP4102626B2
Application number: JP2002267529A
Authority: JP
Inventors: 雅央井上; 貴俊山岸
Original assignee: Nohmi Bosai Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP2004104727A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像処理を用いた煙検出装置に関するもので、特に火災時の煙を検出するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、煙を検出する装置として、光電式分離型感知器が知られている。この感知器は、監視領域において、距離を隔てて配置される発光器（投光器）と受光器とから構成され、両者の間に火災時の煙が生じると、受光器に入射する光が減ることで煙の発生を検出するものである。
【０００３】
また受光器の代わりとして、監視カメラを用いたものが、特開平５−２０５６３号、特開平８−１２４０６４号、特開平１０−２６９４７１号などで開示されている。この場合には、監視カメラに画像処理装置を接続し、撮像画像における発光器の領域の輝度値などを演算している。煙の発生時には、輝度値が低下することから、演算した輝度値と所定値とを比較することで、煙の発生を検出するようにしてある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の受光器又は監視カメラを使用した煙検出装置では、煙の発生による減光だけを検出しており、煙の濃度や色相を演算するものはなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる煙検出装置は、監視カメラの映像信号から監視領域内に発生した煙の濃度を演算する煙検出装置であって、該煙の色相を演算して火災か否かを判断することを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。図において、１は撮像手段としての監視カメラであって、例えばＣＣＤカメラなどが使用され、所定のサンプリング周期で監視領域を撮影するものである。この監視カメラ１は、ＲＧＢのカラー成分信号でなるカラー画像信号を出力するカラーカメラである。
【０００７】
２は監視領域に設けられた発光器である。発光器２は所定の距離をおいて監視カメラ１と対向して設けられ、発光器２を撮影するように監視カメラ１は位置決めされている。発光器２と監視カメラ１の距離は、例えば１ｍ程度の短い距離から１００ｍ程度の長い距離までに設定することが可能であり、その間に発生する、火源からの煙を捕らえられるようにしてある。なお発光器２にカメラの焦点を合わせ、その領域（座標）を画像処理部に記憶しておき、その後は、記憶させた位置の画像により自動的に画像処理する。
【０００８】
ここで、発光器２について補足説明する。発光器２の光源は、少なくとも波長λ４５０〜６５０ｎｍの範囲の光を発生する光源であり、監視カメラ１で撮像された映像のＲＧＢ成分が概ね均等に出力されるものである。光源としては、ある面内で均一な光量を発する平面発光光源が望ましく、例えば、白色ＬＥＤ、冷陰極管、白熱電球などを使用して、それらに波長を制限する減光フィルタを取り付けることで構成される。
【０００９】
３は監視カメラ１と接続された画像処理装置で、画像処理装置３の内部構成については以下に説明する。５は監視カメラ１に接続されたアナログデジタル変換器で、監視カメラ１から得られたカラー画像、即ちＲＧＢ信号のそれぞれを画素単位で多階調、例えば２５５階調のデジタル信号に変換するものである。６はアナログデジタル変換器５に接続され、デジタル化された映像信号を記憶する画像メモリで、Ｒ成分画像メモリ６Ｒ、Ｇ成分画像メモリ６Ｇ、Ｂ成分画像メモリ６Ｂから構成される。
【００１０】
７はＥＥＰＲＯＭなどからなる記憶手段、８はマイコンなどで構成される演算処理部、９は演算処理用のメモリである。記憶手段７は、通常時における監視カメラ１の映像信号の輝度値を初期値[Ｒ₀、Ｇ₀、Ｂ₀]として記憶する。この初期値とは、監視領域に煙などが発生していない状況において、発光器２部分を撮像した映像信号をＲＧＢ成分毎の輝度値で示したものである。
【００１１】
演算処理部８は、次のような演算処理を行う。まず（煙発生時を含む）監視時に、監視カメラ１の映像信号の輝度値[Ｒ、Ｇ、Ｂ]を前述の初期値[Ｒ₀、Ｇ₀、Ｂ₀]で除算する。そしてその除算された値[Ｒ／Ｒ₀、Ｇ／Ｇ₀、Ｂ／Ｂ₀]から煙の濃度を演算する。また演算処理部８は、映像信号の輝度値を初期値で除算することにより規格化（正規化）したり、映像信号の輝度値から煙の色相Ｈを演算する。
【００１２】
１０は制御部で、画像処置装置３全体を制御し、演算処理部８で演算された結果をもとに、表示装置（モニタ）１１に映像を出力する。図示しないがこの制御部１０は、警報発生部などが必要に応じて接続され、煙が所定量発生したら、警報を発生させるようにしてもよい。以上で説明した監視カメラ１、発光器２及び画像処理装置３によって本発明の煙検出装置は構成される。
【００１３】
次に、監視カメラ１の輝度値を利用した煙濃度の演算処理方法について説明する。煙濃度の演算にあたっては、複数の画素の輝度値を平均化した平均輝度値を求めることで、精度の向上がはかられる。また発光器２としては図２に示すような発光領域Ａと非発光領域Ｂとを備えたものを使用することで、外光による影響を受けない精度の高い煙濃度計にすることができる。
【００１４】
まず発光器２について図２を用いて説明する。発光器２は、発光領域Ａと非発光領域Ｂとを備えている。具体的には、矩形状の発光領域Ａの周りを、矩形状の非発光領域Ｂで囲んだ形状となっている。符号ａは発光領域Ａ内にあるｎ個、例えば１０画素からなる参照領域で、符号ｂは非発光領域Ｂ内にあるｎ個、例えば１０画素からなる参照領域である。この発光器２の大きさは、監視カメラ１と発光器２との距離によって適宜設定されるが、例えば両者の間の距離が１ｍ程度であれば、発光器２の大きさは、縦横４０ｍｍ程度の大きさとなる。
【００１５】
発光器２の発光領域Ａと非発光領域Ｂは、例えば、特許第３１８９５８８号で説明されているような、矩形状の発光領域Ａと非発光領域Ｂとを交互に設けて縞模様状にしたものでもよい。また、非発光領域Ｂの部分を省略して、発光領域Ａだけで発光器２を構成してもよい。
【００１６】
ここではじめに、画像処理装置３に設けた演算処理部８により、煙がない通常時における領域ａと領域ｂの平均輝度値を初期値として演算しておく。領域ａにおける平均輝度値とは、領域ａのｎ個の画素の輝度値Ｉａを合計して、ｎで割った値であり、この値をＩa0とする。同様に、領域ｂにおける平均輝度値とは、領域ｂのｎ個の画素の輝度値Ｉｂを合計して、ｎで割った値であり、この値をＩb0とする。
【００１７】
また煙が空間に存在している監視時の領域ａの平均輝度値をＩａとし、煙が空間に存在している時の領域ｂの平均輝度値をＩｂとする。なお平均輝度値の演算の仕方は、煙がない時と同じである。ここで光の透過率Ｘは、次の式（１）で示される。
【００１８】
Ｘ=（Ｉａ −Ｉｂ）／（Ｉa0−Ｉb0）＊１００[％]・・式（１）
【００１９】
平均輝度値から演算された光の透過率Ｘは、次の式（２）に代入することで、煙濃度Ｃｓにすることができる。
【００２０】
Ｃｓ＝１００−Ｘ［％／ｍ］・・・式（２）
【００２１】
以上のように、式（１）は、非発光領域Ｂの平均輝度値を考慮して光の透過率Ｘを演算するようにしてある。
【００２２】
ところで、一番簡単に透過率Ｘを演算するのであれば、監視時の輝度値Ｉを初期値の輝度値Ｉ₀で除算すればよいのであるから、次式（３）により演算することが可能である。
【００２３】
Ｘ＝（Ｉ／Ｉ₀）＊１００［％］・・・式（３）
【００２４】
ここで、外光の影響によって発光器２の表面の輝度が高まる場合について説明する。この場合には、発光領域Ａの輝度が高まるので、式（３）のように発光領域Ａの輝度だけに基づいて煙濃度を演算すると正確な煙濃度が算出できない。しかし非発光領域Ｂにおける輝度値をも考慮し、その値を発光領域Ａにおける輝度値Ｉａから減算するようにして演算することで、外光の影響をうち消すことが可能となる。
【００２５】
また煙発生時に、煙の散乱光により非発光領域Ｂ部分の輝度値が増加するが、発光器２の汚れだけでは、非発光領域Ｂの部分の輝度値は増加しない。即ち、この式（１）は、煙による光の減衰だけでなく、光の散乱をも利用して透過率を演算していることになる。よってこの式（１）を使用することで、外光や発光器２の汚れの影響を受けずに、より正確に煙濃度を求めることが可能となる。
【００２６】
次に図３を使用して、式（１）の精度の良さについて説明する。図３は濾紙を燻焼させて白煙をカメラ１と発光器２との間に生じさせた時の実験結果である。白煙の濃度を変えて、６回程、異なる濃度を測定した。Ｘ軸には減光率計で測定した煙濃度（Ｃｓ値）を示してある。またＹ軸には、その６回測定した時の濃度を、式（１）による光透過率に基づいて計算により求めた値をＣＣＤとして示してある。
【００２７】
この図３のグラフ結果によれば、６つの測定点を結んだ直線が、ほぼＹ＝Ｘという直線上にあることがわかる（正確には、直線の傾きは１．００６７である）。即ち、式（３）で演算した煙濃度が、減光率計で求めた煙濃度とほぼ同じ値をとることが判明した。このことは式（１）による煙濃度の計算結果が、減光率計という極めて精度の高い分析機器によって求められる濃度と同じ値をとることを示しており、式（１）の精度の高さがうかがえる。
【００２８】
続いて、図１の画像処理装置３における動作例について説明する。なおここでは、煙濃度の演算にあたって、一つの画素の輝度値をもとに演算する場合で演算式などを説明していくが、式（１）、式（２）で説明したように、カメラ１の輝度値を利用した煙濃度の演算においては、複数画素を平均化した平均輝度値を使用しても良いし、また図２の発光器２を使用して非発光領域部分の画素の輝度値（Ｉｂ、Ｉb0）を利用するようにしてもよく、これにより煙濃度の測定精度を向上させることができる。
【００２９】
まず煙のない通常時における監視カメラ１の輝度値を、初期値[Ｒ₀、Ｇ₀、Ｂ₀]として記憶手段７に記憶させておく。そして監視時において、監視カメラ１が発光器２を撮影すると、その画像はアナログデジタル変換器５で、２５５階調のデジタル信号に変換された後、画像メモリ６Ｒ〜６Ｂ（以下、画像メモリ６で説明する）に格納される。ここで演算処理部８は、次に示す式（４）（５）（６）により各色成分毎の煙濃度を演算する。
【００３０】
１−Ｒ／Ｒ₀ ・・・（４）
１−Ｇ／Ｇ₀ ・・・（５）
１−Ｂ／Ｂ₀ ・・・（６）
【００３１】
つまり演算処理部８は、監視時における監視カメラ１の輝度値[Ｒ、Ｇ、Ｂ]を通常時の初期輝度値[Ｒ₀、Ｇ₀、Ｂ₀]で除算し減光率を求める。そしてその除算された値[Ｒ／Ｒ₀、Ｇ／Ｇ₀、Ｂ／Ｂ₀]を１から引き算して煙濃度を演算する。ここで[１−Ｒ／Ｒ₀ ]が、ある時間におけるＲ成分の画素の煙濃度を示す。またある時間における煙濃度は、各ＲＧＢの煙濃度から次式（７）によって平均値を演算することで求められる。
【００３２】

【００３３】
この式（７）により求められる値は、０から１の値をとり、１００を乗算した値が煙濃度[％]で表される。そしてこの値が所定値としての０．１（１０％）を越えた時に、例えば火災発生したものと定義してもよく、この場合には、図示しない警報発生部より火災警報を行う。
【００３４】
なお、ＲＧＢ成分の輝度値を平均化して煙濃度としたが、各色の輝度値のみで煙濃度を演算するようにしてもよい。特に、濾紙を燻焼させた際に、現行の煙感知器の煙濃度と、監視カメラ１の演算による煙濃度とを正確に一致させる場合には、発光器２の前面に青色透過フィルタを設け、監視カメラ１の映像信号の緑（Ｇ）成分の減光率から煙濃度を演算すると好ましい結果が得られることが後述の表１で示す実験結果より明らかになった。
【００３５】
演算処理部８は、煙濃度の演算以外に煙の色相Ｈを演算する。まず煙の色相の演算に先立って、各輝度値の規格化（正規化）を行う。つまり、各輝度値を初期値で除算した値[Ｒ／Ｒ₀、Ｇ／Ｇ₀、Ｂ／Ｂ₀]に２５５を乗算する（式（８）〜式（１０）参照）。
【００３６】
Ｒ’＝Ｒ／Ｒ₀＊２５５・・・式（８）
Ｇ’＝Ｇ／Ｇ₀＊２５５・・・式（９）
Ｂ’＝Ｂ／Ｂ₀ ＊２５５・・・式（１０）
【００３７】
ここで２５５を乗算するのは、アナログデジタル変換器５で２５５階調のデジタル信号に変換しているためである。また式中のＲ’、Ｇ’、Ｂ’は、規格化された補正ＲＧＢ値を示す。
【００３８】
この演算された補正ＲＧＢ値を使用して、表示装置１１に煙減光後のカラー映像を表示して煙の透過色を可視化する。このようにして、監視領域を透過した煙の色を計測する煙の可視化装置を実現できる。続いて演算処理部８は、補正ＲＧＢ値（Ｒ’、Ｇ’、Ｂ’）を使用して煙の色相Ｈを演算する。輝度値から色相Ｈを演算するには、例えば次式（１１）を使用すればよい。
【００３９】
Ｈ＝tan^-1｛（Ｇ’−Ｂ’）／（２Ｒ’−Ｇ’−Ｂ’）｝・・・式（１１）
【００４０】
この式（１１）により求められる色相Ｈ[θ]は、色相環上での角度で表され、赤を０°として右回りに黄色近辺が９０°、青緑近辺が１８０°、青紫（及び紫）近辺が２７０°で表されるものである。この色相Ｈを輝度値から演算することで、煙の種類を色相Ｈの値より分類することが可能となる。ここで式（８）〜式（１０）において、補正ＲＧＢ値を演算するのは、監視時の輝度値ＲＧＢよりも、より色相Ｈがはっきりと演算されるためである。つまり補正前のＲＧＢ値で表示装置１１に映像を表示するよりは、補正後のＲ’Ｇ’Ｂ’値で煙の映像を表示する方が、より煙の色相Ｈが明確に表示されるのである。
【００４１】
次に実験結果について説明する。図１に示す煙検出装置を使用して次のような実験を行った。火源の燃料として濾紙、発煙片、ケロシン、綿灯心、線香の５つを用意して、これら燃料を燃やして監視カメラ１と発光器２の間に煙を発生させた。また測定結果を比較するために、スモークマシンでエチレングリコールの微粒子を監視区域に放出した。そして監視カメラ１の映像信号から、今まで説明した減光率[Ｒ／Ｒ₀、Ｇ／Ｇ₀、Ｂ／Ｂ₀]、煙濃度（式７より演算）、補正ＲＧＢ値（Ｒ’、Ｇ’、Ｂ’）、色相Ｈ（式１１より演算）をそれぞれ演算した。その結果を表１に示す。
【表１】

【００４２】
表１に示すように、本実施形態の煙検出装置は、監視カメラ１の映像信号から煙濃度及び煙の透過色を計測することができた。この表１においては、現行の煙感知器の煙濃度（１０％／ｍ）における計測値を示したものであり、式（７）により演算した煙濃度では、それぞれ１３[％／ｍ]〜１６[％／ｍ]の範囲におさまる値が得られた。
【００４３】
また煙の透過色について、色相Ｈを演算したところ、青系と赤系の２つに分かれることがわかった。濾紙燻焼が概ね青色（Ｈ＝１８７°）、発煙片及びケロシンの煤については青（緑）（Ｈ＝１８０°）になった。また綿灯心の色相Ｈ＝５°で、線香の色相Ｈ＝４５°であり、赤系の色になった。これに対し、スモークマシンによるエチレングリコールの微粒子の色相Ｈ＝２７０°であり紫色となった。このように火災と判定される綿灯心、濾紙燻焼、ケロシン煤、発煙片については、その煙の透過色の色相が０°近傍または１８０°近傍の値をとることが判明し、色相Ｈがこの値をとる場合に火災の可能性が高いと判断できる。
【００４４】
以上のことから、本実施の形態の煙検出装置を、煙の色相を演算して火災か否かを判断する火災判断装置として使用するのであれば、煙濃度が所定値（１０％／ｍ）を越え、その煙の透過色の色相Ｈが０°近傍または１８０°近傍にある時に、火災の可能性が高いと判断させればよい。また煙の色相をもとめることで、煙の色相により燃焼性状を分類してもよく、煙の色相に応じて、消火設備の制御や警報などの対応を変化させるようにしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成され、監視カメラの映像信号の輝度値から煙の色相を演算することができ、この煙の色相の値から煙の種類を判断でき、より正確な火災判断が可能となる。
また発光器に波長４５０〜６５０nmの光を発生する光源を使用することで、複数の光源や間欠点灯回路などを備えることなく、監視カメラの映像信号から正確に煙濃度を演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の煙検出装置のシステム構成図である。
【図２】発光器の正面図である。
【図３】煙濃度の演算方法と減光率計による濃度とを比較したグラフである。
【符号の説明】
１監視カメラ、２発光器、３画像処理装置、
５アナログデジタル変換器、６Ｒ〜６Ｂ画像メモリ、７記憶部、
８演算処理部、９演算用メモリ、１０制御部、１１表示装置、

Claims

監視カメラの映像信号から監視領域内に発生した煙の濃度を演算する煙検出装置であって、該煙の色相を演算して火災か否かを判断することを特徴とする煙検出装置。
通常時における前記監視カメラの映像信号の輝度値を初期値として記憶する記憶手段と、煙発生時における前記監視カメラの映像信号の輝度値を前記初期値で除算する手段と、その除算された値から煙の濃度を演算する手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の煙検出装置。
前記映像信号の輝度値を前記初期値で規格化してモニタに映像出力することを特徴とする請求項２記載の煙検出装置。