JP5356094B2 - 火災検出システム - Google Patents

Description

本発明は、監視カメラにより撮像された画像に対して画像処理を施すことにより、火災を検出する火災検出システムに関し、特に、複数の検出アルゴリズムを備えた火災検出システムに関する。

火災発生時の初期消火、あるいは火災事故における逃げ遅れの防止の観点から、火災あるいは煙の早期発見が非常に重要となっている。そこで、火災検出システムの分野においては、監視カメラにより撮像された画像に対して画像処理を施すことで、火災要因の早期発見を行うことが研究されている。

２次元画像から火災を検出する方法は、これまで多種多様な方法が提案されており、実用化されているものもある。その一例として、トンネル内などにカメラを設置し、カメラにより撮像された画像に対して画像処理を施すことで、煙を検出するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９０９６６５号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
火災の検出対象は、炎と煙に大別される。さらに、同じ煙でも、例えば、火源を伴い動きの早い流動する煙、薄く緩慢に拡散する煙、濃く緩慢に拡散する煙などがある。従って、煙のみを検出するにしても、拡散の仕方や流速等により性状が全く異なってしまい、この様な種々の性状の火災現象を高精度に検出することは、極めて困難であった。

また、監視環境によっては、その火災性状を検出することが困難な場合が考えられる。さらには、同じ監視環境である１画面内においても、火災性状ごとで、適した監視範囲が異なることも考えられる。従って、従来の火災検出システムでは、監視環境、監視範囲に応じて、所望の性状の火災現象を高精度に検出することは、極めて困難であった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、種々の火災性状を高精度に検出することのできる火災検出システムを得ることを目的とする。

本発明に係る火災検出システムは、カメラにより撮像された監視対象の２次元画像と、あらかじめ記憶部に記憶された基準画像に基づいて、画面をマトリクス状に分割して、分割された複数の検出領域を検出の最小単位として画像処理を施すことにより火災を検出する画像処理部を備えた火災検出システムにおいて、画像処理部は、火源を伴い動きの早い流動する煙を検出するアルゴリズム、薄く緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズム、および濃く緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズムの３つのアルゴリズムがそれぞれ別個に検出処理を実行できるように併存して実装されており、３つのアルゴリズムのうちの一部のアルゴリズムの実行を停止させるように切り替え設定する第１機能と、それぞれのアルゴリズムごとに独立して複数の検出領域のサイズに相当する最小単位を個別に設定する第２機能と、第２機能によりそれぞれのアルゴリズムごとに独立して個別設定された複数の検出領域のうちの一部に相当する１以上の検出領域を非検出領域としてマスク処理を施し、検出アルゴリズムごとに画面内で検出処理を実行しない領域を独立して設定する第３機能とを有するものである。

本発明に係る火災検出システムによれば、火災の性状ごとに感度を高めた検出アルゴリズムを複数実装させ、並列実行させることにより、種々の火災性状を高精度に検出することのできる火災検出システムを得ることができる。

本発明の実施の形態１における火災検出の全体処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける炎検出の一連の処理を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける流動煙検出の一連の処理を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける薄い煙検出の一連の処理を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける濃い煙検出の一連の処理を示したフローチャートである。

以下、本発明の火災検出システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下においては、種々の火災性状として、炎、緩慢な薄い煙、緩慢な濃い煙、早く流動する煙、の４種類を例に説明するが、他の火災性状についても、適用できることはいうまでもない。

実施の形態１．
従来、煙と炎を検出させるアルゴリズムを別個に実装しているシステムはあった。これに対して、本実施の形態１における火災検出システムは、煙と炎を検出するアルゴリズムを併存して実装するとともに、特に煙に関しても、性状ごとに別個に検出するアルゴリズムを併存して実装している点を技術的特徴とする。

煙を検出するに当たっては、監視画像がどのような環境の、何処を監視しているかによって大きく見え方が異なる点に注意する必要がある。例えば、燃え盛る炎から発生する煙の火源付近を見れば、煙の流速は早く、大きなうねりを伴った流れを確認できる。一方、火源から遠い場所を見れば、煙は薄められ、熱量も失われて、はっきりとした流れを観測することはできない。

また、じわじわと燻焼する火源から発生する煙は、火源付近を見ても大きな熱量を伴わないので、ゆっくりと流れていく。このように、煙は、発生条件、観測条件が異なれば、見え方は全く異なり、これを同じ手法で高精度に検出することは困難である。

そこで、本実施の形態１における火災検出システムは、炎、流動する煙、薄く緩慢に拡散する煙、濃く緩慢に拡散する煙、の４種類の検出対象に対して、別々のアルゴリズムを実装し、それぞれを並列に実行できるように構成されている。

さらに、実装される複数のアルゴリズムのそれぞれは、以下の２つの機能を有している。
［機能１］検出領域細分化機能：アルゴリズムごとに独立して、画面を最適なサイズに例えばマトリクス状に分割して複数の検出領域を構成し、それら検出領域を検出の最小単位として火災検出を行なう機能。
［機能２］マスク機能：アルゴリズムごとに独立した検出マスクマップを持たせ、それぞれのアルゴリズムに適した検出領域を個別に設定することができる機能。

これらの機能を有することで、例えば、炎を検出対象とする場合には、炎の発生の可能性の低い検出領域を監視しないようにすれば、誤報の確率を低く抑えることができる。例えば、監視画像が室内の場合にあっては、その室内の上部である天井付近などは炎が発生する可能性は低いので検出対象領域から除外し、画面の下側にだけ検出領域を設定するようにする。炎検出用のアルゴリズムに関して、画面の上側の検出領域にはマスク機能によりマスク処理を施すことで、画面の下側だけ検出することで、炎の誤報源となりやすい光源を監視対象から外すことができる。また、薄い緩慢に拡散する煙を薄い煙検出用のアルゴリズムで検出する場合には、緩慢煙は、下方から上方へと移動して、天井付近に滞留しがちであるので、炎とは逆に画面の下側領域にマスク処理を施して、天井付近だけを観測するように検出領域を設定すれば、通行人などの影響を小さくできる。なお、濃い緩慢煙に関しては、薄い緩慢煙と似たような挙動を示すものとして、同じようなマスク設定を行うようにしればよい。
また、流動煙については、画面の下側に存在する火源の近傍から発生するので、画面の上側ではなく、むしろ、画面の下側に検出領域を設定し、上側の検出領域にはマスク処理を施すようにすると、対象となる流動煙を検出しやすく、誤報を生じにくくすることができる。

このように、個々の現象に適した検出領域の設定、およびマスク設定を、別個に行うことによって、不要な計算処理を抑え、より精度の高い火災検出が可能となる。

さらに、次のような新たな機能を持たせることもできる。
［機能３］アルゴリズムＯＮ／ＯＦＦ切り替え機能：各検出アルゴリズムを、個別にＯＮ／ＯＦＦさせる機能。
例えば、吹き抜け等の高い天井の建物の上部を監視している画像などでは、火源付近を観測することはできない。すなわち、このような領域の監視画像では、流動する煙や炎そのものを観測することは、設置条件上、困難である。

このような状況では、流動する煙を検出するアルゴリズム、および炎を検出するアルゴリズムは、発生の有無を判断すること自体が無意味であり、これらのアルゴリズムを機能させても、消費する計算能力および誤報率の増大といったデメリットを招くのみである。

そこで、このような場合に上述の機能３を働かせることで、設置条件に応じて、適切なアルゴリズムを個別に選択して、動作させることができ、上述したデメリットを解消することができる。

次に、本実施の形態１における火災検出システムの一連の検出処理について、フローチャートを用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における火災検出の全体処理を示すフローチャートである。

火災が発生していない正常な状態における監視対象の画像が、あらかじめ基準画像として記憶部（図示せず）に記憶されている。そこで、火災検出システムは、記憶部から基準画像を取得する（ステップＳ１０１）。

次に、火災検出システムは、カメラにより撮像された現時刻の画像を、現画像として取得する（ステップＳ１０２）。実際の検出処理においては、例えば、定期的に現画像を取り込み、その都度、以下に述べる火災検出処理を行うこととなる。

次に、火災検出システムは、基準画像および現画像に基づいて、種々の火災性状に適した個別のアルゴリズムを用いて、火災検出処理を行う（ステップＳ１０３）。このステップＳ１０３においては、アルゴリズム１として炎検出処理、アルゴリズム２として流動煙検出処理、アルゴリズム３として薄い煙検出処理、そしてアルゴリズム４として濃い煙検出処理が並列に行えるようになっている。

なお、図１においては、複数のアルゴリズムが並列に動く場合を例示しているが、各アルゴリズムが独立に実行可能なモジュールであれば、必ずしも並列動作させなくてもよい。また、個々のアルゴリズムの処理については、図２〜図５を用いて、後述する。

そして、火災検出システムは、ステップＳ１０３での各アルゴリズムの検出結果に基づいて、最終的に、監視画像内における種々の火災性状の発生状況を判定する（ステップＳ１０４）。

このように、本実施の形態１における火災検出システムは、火災性状ごとに別個に検出するアルゴリズムを併存して実装している点を技術的特徴としている。さらに、上述したように、各アルゴリズムは、個別に機能１〜機能３を有している。そこで、次に、図２〜図５を用いて、アルゴリズムごとの機能１〜機能３の働きについて。説明する。

図２は、本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける炎検出の一連の処理を示したフローチャートである。また、図３は、本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける流動煙検出の一連の処理を示したフローチャートである。また、図４は、本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける薄い煙検出の一連の処理を示したフローチャートである。さらに、図５は、本発明の実施の形態１の火災検出システムにおける濃い煙検出の一連の処理を示したフローチャートである。

基本的な処理は、４種のアルゴリズムに対応する図２〜図５のいずれも同じであるため、図２について、詳細に説明する。まず始めに、火災検出システムは、炎検出アルゴリズムがＯＮ設定になっているか否か（すなわち、取得した現画像に対して、炎検出を行う設定になっているか否か）を判断する（ステップＳ２０１）。このステップＳ２０１の処理は、機能３に相当する。

ステップＳ２０１において、炎検出アルゴリズムがＯＦＦ設定である場合には、炎検出を行わずに、直ちに終了する。この結果、不要な計算処理を行わず、炎検出の必要がない監視領域での炎検出の誤報をなくすことができる。

一方、ステップＳ２０１において、炎検出アルゴリズムがＯＮ設定である場合には、ステップＳ２０２以降の炎検出処理を行うこととなる。炎検出処理を行うに当たって、まず始めに、火災検出システムは、監視対象である１画面を、炎検出に適するようにあらかじめ設定された検出領域に細分化する（ステップＳ２０２）。このステップＳ２０２の処理は、機能１に相当する。このように、アルゴリズムに対応する火災性状ごとに、適切な領域細分化を行うことができ、誤報の防止、および検出精度の向上を図ることができる。

次に、火災検出システムは、細分化された検出領域ごとに、あらかじめ設定されたマスク処理を行う（ステップＳ２０３）。このステップＳ２０３の処理は、機能２に相当する。これにより、１画面内の所望の領域に対してのみ、炎検出処理を実行させることが可能となる。

そして、火災検出システムは、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３を経て最終的に特定された検査対象とすべき領域に対して、炎検出判定を行うこととなる。この結果、適切なサイズの領域ごとに、所望の火災性状検出処理を行うことができ、不要な計算処理を抑え、誤報を抑えた高精度な検出が可能となる。

詳細な説明は、省略するが、他のアルゴリズムの処理を示した図３〜図５も、図２と同様の処理を行うことができる。すなわち、各アルゴリズム個別に、機能１〜機能３の最適設定を行うことが可能となる。

なお、ここで、各アルゴリズムの特性について説明する。
炎検出処理用のアルゴリズムは、明るい炎を検出することから、高輝度値の画素の領域を抽出する処理、フーリエ変換などの周波数分析による判定処理、平均輝度の変化量を判定する処理などを備えている。

流動煙検出処理用のアルゴリズムは、移動量が大きい煙を抽出すればよいことから、画素毎のヒストグラムを一定時間見て、特定の輝度値を有する頻度数が多いかどうかを判定する処理、基準画像との相関値を見て、変化がないかどうかを判断する処理、基準画像のエッジ量の差分処理などを備えている。

緩慢煙については、濃い煙の場合は、透過率を低下することを判断すればよく、また、薄い煙なら、透過率が所定範囲に収まることを判断するか、画像のエッジ量が低下することを判断すればよい。よって、薄い煙検出処理用および濃い煙検出処理用のアルゴリズムは、透過率による判定処理、検出領域内の輝度変化を生じた画素数の時系列データについて周波数分析し、そのスペクトル比やスペクトル強度を判定する処理、基準画像との相関値を判断する処理、エッジ量を判定する処理などを備えている。

以上のように、実施の形態１によれば、火災性状ごとに、感度を高めた検出アルゴリズムを複数実装させ、並列実行させることで、多様な火災現象を高精度に検出することができる。さらに、設置環境に応じて必要なアルゴリズムだけを選択して実行させることで、誤報の少ない高精度なシステムを実現することができる。

さらに、同一画面内においても、アルゴリズムごとに適切な領域サイズ、および適切なマスク領域設定を行うことができる。このように、アルゴリズムごとに、適切な監視範囲を任意に設定することができ、この結果、誤報が少なく、高精度な火災検出を実現できる。

なお、本実施の形態の火災検出システムの詳細な使用例について以下に記載する。
例えば、粉塵が舞っている工場や、排気ガスで薄曇りの状態のトンネルなど薄い緩慢煙検出用のアルゴリズムだと誤検出を起こしそうな誤報要因のある環境の場合は、濃い緩慢煙と流動煙、炎の監視の各アルゴリズムを併用して利用するようにすることで、誤報を減少して、監視を継続することができる。

また、監視環境の状態によって、各アルゴリズムやマスク設定を随時変更しながら監視を行なうようにしてもよい。例えば、人の出入りの激しい施設の監視を行なう場合、施設が稼動していて人が存在する時間帯は、人が存在する領域をマスクして監視し、施設が稼動していない時間帯は、マスク領域を解除して監視を行うことで、稼動時の誤報を抑えながら非稼動時の高感度化を行なうことが可能となる。

また、工場が稼動している時は薄い緩慢煙のプログラムをＯＦＦしていて、稼動していない時はＯＮすることによって、同様の効果を得ることができる。稼動しているかどうかの判断は、機器内に時計を持っていて、時間毎にマスク設定や動作プログラム選択をすることもできるし、例えば、警備システムの監視・未監視状態の信号入力や、外部タイマーからの入力信号によって切り替えるようにしてもよい。また、ネットワークに接続されているならば、別の場所のサーバーからこれらの設定を動的に変更できる様にすることも可能である。

なお、以上の実施形態１では、火災検出システムとして説明したが、より具体的には、上述した複数のアルゴリズムを備えた火災検出装置として火災検出システムを構成してもよい。

この場合には、火災検出装置は、監視カメラと、監視カメラが撮影した画像を画像処理する画像処理装置とから構成される。そして、画像処理装置が、炎を検出するための炎検出アルゴリズムと、流動煙を検出するための流動煙検出アルゴリズムと、薄い緩慢煙を検出する薄い煙検出アルゴリズムと、濃い緩慢煙を検出する濃い煙検出アルゴリズムとを有し、これら複数の検出用アルゴリズムを並列に実行可能できるよう構成されている。

また、この画像処理装置は、４つのアルゴリズムにそれぞれに対して、機能１を実行するための画像を複数の検出領域に分割する領域分割手段と、機能２を実行するための検出領域についてマスク処理を行うマスク設定手段と、機能３を実行するためのアルゴリズムのＯＫ／ＯＦＦ切替実行手段とを備える。

Claims (4)

1. カメラにより撮像された監視対象の２次元画像と、あらかじめ記憶部に記憶された基準画像に基づいて、画面をマトリクス状に分割して、分割された複数の検出領域を検出の最小単位として画像処理を施すことにより火災を検出する画像処理部を備えた火災検出システムにおいて、
   前記画像処理部は、
   火源を伴い動きの早い流動する煙を検出するアルゴリズム、薄く緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズム、および濃く緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズムの３つのアルゴリズムがそれぞれ別個に検出処理を実行できるように併存して実装されており、
   前記３つアルゴリズムのうちの一部のアルゴリズムの実行を停止させるように切り替え設定する第１機能と、それぞれのアルゴリズムごとに独立して前記複数の検出領域のサイズに相当する前記最小単位を個別に設定する第２機能と、前記第２機能によりそれぞれのアルゴリズムごとに独立して個別設定された前記複数の検出領域のうちの一部に相当する１以上の検出領域を非検出領域としてマスク処理を施し、検出アルゴリズムごとに画面内で検出処理を実行しない領域を独立して設定する第３機能とを有する
   ことを特徴とする火災検出システム。
2. 請求項１に記載の火災検出システムにおいて、
   前記濃く緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズムは、透過率が低下することで判断する判定処理を備えており、
   前記薄く緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズムは、透過率が所定範囲に収まることで判断する判定処理を備えている
   ことを特徴とする火災検出システム。
3. 請求項１または２に記載の火災検出システムにおいて、
   前記第１機能は、警備システムの監視・未監視状態の信号入力または外部タイマーからの入力信号によって切り替えられる
   ことを特徴とする火災検出システム。
4. 請求項１に記載の火災検出システムにおいて、
   前記緩慢に拡散する煙を検出するアルゴリズムは、前記第３機能により、画面の下側の検出領域にマスク処理を施し、
   前記火源を伴い動きの早い流動する煙を検出するアルゴリズムは、前記第３機能により、画面の上側の検出領域にマスク処理を施す
   ことを特徴とする火災検出システム。

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