JP5722373B2 - 粒子検出器 - Google Patents

Description

本発明は、センサ装置及び方法の改良に関する。より詳細には、本発明は、粒子を検出するための粒子検出装置及び方法の改良に関する。

この出願は、２００３年５月１４日に出願された「レーザ・ビデオ検出器」と題するオーストリア特許出願第２００３９０２３１９号の優先権を主張し、その内容は、この参照により、その全体において、すべての目的に対してここに組み込まれる。

部屋、建物、囲い地、開放空間などの領域における煙の検出には多くの方法がある。いくつかの方法では、その領域から空気のサンプルを取得し、その空気を検出室を通す。この検出室では、粒子が検出され、その関心領域における煙の量が推定される。そのような装置の１例は、本出願人により販売されるレーザープラス（商標）などの、吸引された煙の検出器である。

他の検出器は、関心領域に置かれ、センサを用いて、そのセンサに近い粒子を検出する。そのような検出器の１例は、点検出器である。この点検出器においては、空気は、発光体とセンサの間を通り、煙は関心領域において直接に検出される。

米国特許第３，９２４，２５２号公報

２つの場合において、もし煙が（吸引煙検出器の）サンプル点に入らないならば、または、点検出器のセンサと発光体の間を通らないならば、煙は検出されない。多くの建物が、ある領域から空気を引き抜く処理手段（空調など）を使用するので、空気処理ダクトを経てその領域の外へ出て行くよりも検出器により検出されることは、保証されない。点検出器を置く適当な場所またはサンプル点と結合チュービングがない戸外の領域や非常に広い室内の領域において煙を検出することについて前述の方法を用いることは非常に難しいことがある。

煙を検出するために使用される他の装置には、米国特許第３，９２４，２５２号公報（ダストン）に開示された検出器がある。この検出器は、粒子からの光の散乱を検出するために光ダイオードを用いる。この検出器は、光を反射して発光体に返す角反射器を用いる。ダストンの光束が放射されたかブロックされたかを検出するフィードバック回路を必要とする。

他の１つの型の検出器は、「光束検出器」として知られている。この検出器は、投影された光の中に浮遊する煙粒子により生じる、投影光源からの信号の強度の減衰を測定する。この検出器は、感度が比較的低く、照射領域内の全減衰を測定できるのみである。

この明細書における文献、装置、行為または知識の説明は、発明の状況を説明するために含まれている。しかし、これは、この明細書及び請求の範囲の開示の優先日以前にオーストラリアまたは他の国における関連技術の従来技術または常識の１部であったことを認めるものではない。

１つの形態では、本発明は、監視される領域の中に光束を放射し、その領域の複数の映像において、粒子の存在を示す変動を検出する粒子検出法を提供する。

上述の方法に関して、好ましい実施の形態の方法と特徴を実施するさらなるステップは、監視領域内の１つのゾーンを表す前記複数の映像における関心領域を同定することを含んでいてもよい。そのゾーンの中の散乱光は、対応する映像の１以上のセグメントに表現でき、これにより、同定される前記領域内の粒子の位置を考慮する。また、前記粒子の位置が、放射された光の光源の位置、光の方向および映像検出の点の間の幾何学的関係を考慮して決定でき、この幾何学的関係が前記複数の映像から決定される。また、検出された前記変動が散乱光強度の増加であってもよい。また、前記増加はしきい値を参照して評価されてもよい。また、前記しきい値は、前記複数の映像から積分強度値を平均することにより計算されてもよい。また、さらに、前記領域内で異なる空間位置について異なるしきい値を割り当ててもよい。また、さらに、前記光を１つの光路にそって向け、前記複数の映像の中で、前記領域内で光が入射する表面に入射する点を表す狙い点を同定してもよい。また、前記複数の映像の中の狙い点の位置が監視され、放射された光の発生が、狙い点の位置の変化に応答して終わってもよい。また、さらに、前記複数の映像において発光体の位置を同定してもよい。また、さらに、前記発光体の同定された位置での放射強度に基づいて前記発光体の動作条件を決定してもよい。また、前記複数の映像は、前記監視領域内で空間的位置を表す複数の区分に分割される複数のフレームとして処理されてもよい。また、さらに、前記複数の映像の複数の区分に関連して強度レベルを監視し、前記区分に対応する前記領域内の異なる空間的位置に対して異なるしきい値を割り当ててもよい。

他の観点では、本発明は、領域を監視する装置を提供する。この装置は、少なくとも１つの予め決められた特性を持つ光束を前記領域の中に放射する発光体と、その領域の少なくとも１つの映像を得る撮像装置と、前記少なくとも１つの映像を解析して、前記領域の中で粒子の存在を示す、前記複数の映像の間で前記少なくとも１つの特性の変動を検出する処理装置とからなる。

この処理装置は、前記粒子の位置を、放射された光の光源の位置、光束の方向および映像検出点の間の幾何学的関係により決定し、この幾何学的関係を前記複数の映像から決定してもよい。また、この装置は、異なる光路にそって発光するように配置された複数の発光体を備えてもよい。また、この装置は、さらに、前記撮像装置が他の光源からの光に優先して前記発光体からの光を撮像するために用いる１以上のフィルタを備える。このフィルタは、時間的フィルタ、空間的フィルタ、バンドパスフィルタおよび偏光フィルタの中の１以上またはすべてであってもよい。

この装置は、好ましくは、減衰器を備える。この減衰器が可変開口装置を備えてもよい。複数の前記撮像装置が備えられてもよい。好ましくは、前記撮像装置がカメラである。また、好ましくは、前記発光体がレーザである。

他の観点では、本発明は、粒子を検出する方法を提供する。この方法は、光源を見る第１撮像装置と放射された光線の光束の光路の少なくとも一部とを置くことを含めて、前記光路を決定するステップと、光源の位置を処理装置に通信するステップと、前記光束が当たる点を見る第２撮像装置を置くステップと、前記当たる点の位置情報を前記処理装置に通信するステップと、前記光源の位置と前記当たる点の位置情報との間の幾何学的位置関係により前記光路を決定するステップとからなる。

さらに他の観点では、本発明は、粒子を検出する方法を提供する。この方法では、光源の位置である第１点の位置を見出すことを含み、撮像装置を用いることにより、光束の光路を含む関心領域を決定するステップと、前記光束の前記撮像装置の視野との交差点である第２点を見出して、第１点と第２点により前記光路を決定するステップと、決定された前記光路を含む関心領域を計算するステップとからなる。

この第２点を見出すステップにおいて、少なくとも１つの実質的に透明のプローブを用いてもよく、好ましくはこのプローブは、前記光路から取り去られる。

さらに別の観点では、本発明は、関心領域の中の１以上のサブ領域で煙のレベルを決定する方法を提供する。この方法は、前記領域内に光束を向けるステップと、撮像装置を用いて前記光束の光路の少なくとも一部の視界を選択するステップと、前記撮像装置に対する前記光束の位置を決定するステップと、前記撮像装置に対する前記光束の方向を決定するステップと、前記光束を複数のセグメントに分割するステップと、前記複数のセグメントと前記撮像装置の間の幾何学的関係を決定するステップと、前記撮像装置により受光された、各セグメントの光のレベルを、前記幾何学的関係を考慮するように調整するステップからなる。前記複数のセグメントは少なくとも１つの画素からなっていてもよく、好ましくは、前記複数のセグメントがグループ化されて、煙検出のための複数のサブ領域を形成する。

さらなる観点では、本発明は、粒子を検出する装置を提供する。この装置は、予め決められた命令セットにより動作する処理手段を備え、前記処理手段は、前記命令セットを用いて、ここで開示された方法を実行可能である。

本発明の実施の形態において、コンピュータプログラムプロダクトが提供される。このコンピュータプログラムプロダクトは、粒子を検出するためデータ処理システム内にコンピュータ読み出し可能なプログラムコードとシステムコードとを備える記録媒体を備え、前記記録媒体内に、ここで開示された方法を実行するためのコンピュータ読み出し可能なコードを備える。

本発明の他の観点、効果および特徴は、明細書に記載され、および／または、添付した特許請求の範囲に定義されていて、発明の説明の一部をなす。

本発明の応用の拡がりは、この後の説明から明らかになる。しかし、理解されるべきことは、詳細な説明と例の説明は、好ましい実施の形態を示しているが、発明の範囲内での変形はこの詳細な説明から当業者にとって明らかであるので、説明のためにのみ提示されている。

検出システムの１つの実施形態における図式的な側面図 図１の検出システムにおける撮像装置と発光体の位置の上面図 図２の撮像装置により得られた映像の図式的な斜視図 図１の検出システムのための信号処理の全体的なワークフローの図 図１の実施形態における撮像装置により得られたデータの区分の図式的な図 図１の実施形態における撮像装置により得られたデータの積分を説明する図 図１の検出システムにより行われる背景消去を説明するための図 図１の検出システムにより行われる背景消去を説明するための図 図１の検出システムにより行われる背景消去を説明するための図 図１の検出システムの操作とともに使用されるソフトウェアの実施形態における、画素半径の計算に使用される方法を示すグラフ 本発明による検出システムの第２の実施形態の図式的な上面図 本発明による検出システムの第３の実施形態の図式的な上面図 本発明による検出システムの第４の実施形態の図式的な上面図 本発明による検出システムの第５の実施形態の図式的な上面図 本発明による検出システムの第６の実施形態の図式的な上面図 図１の検出システムの一部の図式的な図 図１の検出システムの撮像装置からの撮像映像データを示す図式的な図

以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
図１において、粒子検出器１０の１つの実施形態が示される。粒子検出器１０は、監視されるべき領域１２の中に設置される。この領域は、部屋、スタジアム、廊下などの領域である。その領域は、閉じられていたり室内であったりする必要はない。

撮像装置１４は、領域１２の少なくとも１部分を見るが、これは、発光体１６からの電磁放射を含む部分を含む。撮像装置１４は、カメラ、または、光ダイオード、ＣＣＤなどの方向性のある電磁的受光器を形成する１以上の装置（デバイス）を含む。好ましい実施の形態では、この撮像装置１４はカメラである。この実施の形態では、カメラ１４は、映像を撮像してアナログビデオ情報を通信リンク１８にそって処理装置（プロセッサ）２０に送るためフルフレーム撮像を用いる。フルフレーム撮像は必ずしも必要ではない。しかし、好ましくは、複数の映像を得ることにおける技術的単純さ、性能、および、取り付けの制限の最小化のため、フルフレーム撮像を用いる。当業者により理解されるように、ライン・トランスファー・カメラなどの他の撮像装置１４が使用でき、フルフレーム撮像の効率のための補償方法が使用できる。他の通信リンク２２は、発光体１６をプロセッサ２０に結合する。プロセッサ２０は、発光体１６の出力を制御し、および／または、通信リンク２２を介して発光体１６の出力についての情報を受け取る。別の方法では、発光体１６の状態はカメラ１６によって検出でき、または、後で説明するように、自動的に決定される。この好ましい実施の形態では、発光体１６は、可視光、赤外光または他の光を生成するレーザである。レーザ１６は、レンズ２１と、視野制限装置２３などの空間的フィルタを組み込んでいる。光束が均一な媒体を通るとき、散乱はなく、不規則的であるときにのみ、光束が散乱される。したがって、煙粒子などの粒子の存在の下で光束が散乱される。さらに、この好ましい実施の形態により、レーザ１６は変調できる。たとえば、レーザのオンとオフが、与えられたシーケンスで生じる。煙が存在しないとき、レーザの光束を含む撮影映像における画素の強度は、レーザの状態にかかわらず同じである。煙が存在するとき、レーザがオンであるときの撮影された映像の強度（散乱により）と、レーザがオフになったときの強度を比べると、違いが生じる。

図１に示されるオプションのフィルタは、偏光フィルタ２４とバンドパスフィルタ２６の形である。偏光フィルタ２４は、発光体１６から放射された電磁放射が透過するのを可能にするが、背景光の一部がカメラ１４に入るのを防止する。これは、次の点で有用である。発光体１６が偏光を放射するレーザであるならば、偏光フィルタ２４がレーザ光の偏光角でアラインできて、レーザ光の最大透過を可能にし、一方、典型的にはランダムに偏光される光源または偏光されない光源からの背景光の一部を除去する。第２のフィルタ２６はバンドパスフィルタであり、このフィルタは、予め決められた周波数範囲（すなわち、発光体１６からの電磁放射の周波数）内の光のみを透過する。たとえば、干渉フィルタすなわち着色ゲルがバンドパスフィルタ２６として使用できる。バンドパスフィルタ２６（もし６４０ｎｍの赤のレーザが使用されるならば６４０ｎｍ付近の光のみを実質的に通す）を使用することにより、大きな背景光が除去されて、領域１２において空中に懸濁される粒子から散乱される光の相対的強度を増加する。

他のフィルタ方法は、レーザの変調と、後で説明するシステム部品に関する位置情報の使用を含む。

撮像装置は、入力した光（放射）を制御するための減衰器を使用できる。制御可能な中性密度フィルタ装置が使用できる。他の方法では、この減衰は、可変の開口で強度を制御するという形であってもよい。オプションの調節可能なアイリス２４ａが、露光レベルを制御するために使用できる。これは、装着時に手動で設定でき、または、システムが、入射光のレベルにより自動的に設定できる。この理由は、少なくとも後の処理で使用される視野の部分において、カメラの飽和を最小にまたは防止することである。アイリス２４ａは、カメラに入る光量を減少するための機械的アイリス、ＬＣＤアイリスなどである。いくつかの電子カメラは電子シャッタを組み込んでいて、この場合、アイリス２４ａの代わりに露光を制御するために、シャッタ時間が使用される。空間的フィルタも示される。空間的フィルタは、たとえば、カメラ１４への入射光を効果的にマスクするためのスリットを備える。例えば、スリットは、カメラ１４に入射する光をマスクして、カメラ１４のレンズの面に投影されるときのレーザ光の形状にほぼ対応する。部品２６，２４ａ、２４ｂ、２４は、種々の順番または組み合わせで物理的に配置できる。

使用においては、発光体１６からの赤のレーザ光などの電磁波は、領域１２を通り、壁すなわち吸収体２８の上に当たる。カメラ１４の視野は、少なくともレーザの光路の一部を含み、オプションとしては、壁の上のレーザの当たる点（この例では吸収体２８の上に当たる）を含む。レーザと交差する領域の中での空中の粒子（この例では、粒子の雲３０で表される）は、レーザ光の散乱を生じる。粒子から散乱される光の一部は、カメラ１４のセンサの上におちて、検出される。

図１に示される実施の形態において、カメラ１４は、アナログ情報を、プロセッサ２０のビデオ撮像カード３２に出力する。ビデオ撮像カード３２は、アナログ情報をデジタル情報に変換し、デジタル情報は、次にコンピュータ３４により処理される。この処理は、コンピュータ３４で実行されるソフトウェア３６（後で説明する）により行われる。この好ましい実施の形態において、撮像面がレーザ光束での対応位置に対応またはマップされるように、撮像された映像を解釈するために、この処理が実行される。このシステムの部品の予め決められ位置または位置情報が得られると、これは、比較的直接的な幾何学と三角法により実行できる。

他の実施の形態において、ビデオ撮像カード３２を必要とせず、データを取得してデジタル的にプロセッサ２０に送るカメラを用いることは可能である。さらに、カメラ１４、フィルタ２４，２６、プロセッサ２０および光源１６は、１つまたは複数のユニットに一体化できる。また、埋め込まれたシステムが、少なくともプロセッサ２０に機能を提供するために使用できる。

もしデータの形で映像情報がプロセッサ２０に供給できるならば、多数のカメラ１４の構成がこの用途において使用できる。

図１に示される例では、レーザ変調器３８は、発光体１６のパワーを変えるために使用される。パワーのレベルは、照明条件を合わせ、目の安全の要請に応え、オン／オフ変調を提供するために、変更できる。この実施の形態では、カメラ１４は、毎秒３０フレームを撮像し、発光体１６１つのフレームについてオン、次のフレームについてオフと循環する。１つの領域における光量は各フレームについて検出され、レーザがオフであるときのその領域における光の和は、レーザがオンであるときのその領域における光の和から差し引かれる。和は、複数のフレームにわたっていてもよい。レーザがオンであるときに受けた光の和と、レーザがオフであるときの光の和の間の差は、その領域における散乱量の尺度として扱える。警告として動作するため、差のしきい値が設定され、もし差がこのしきい値を越えると、警告を活性化できる。こうして、検出器１０は、粒子検出器として使用できる。この消去、フィルタ処理およびソフウェアについての詳細は、後で説明される。

検出器１０は、警告または予備警告の条件を示す前に、測定された散乱が、予め決められた時間の間、与えられたしきい値を越えるまで待つように設定できる。検出器１０について警告または予備警告の条件を決定するための手法は、ヴィジョン・ファイア・アンド・セキュリティ社により販売されるVESDA（商標）レーザプラス（商標）などの、室の中でレーザを使用する吸引煙検出器において使用される方法と同様であってもよい。

図２は、図１に示される実施の形態の上面を示す。カメラ１４は、視野θをもち、この視野は、この例では、実質的にすべての領域１２（例えば、建物の中の１つの部屋）を見る。発光体１６からの光は、ほぼカメラ１４の方に向くが、直接にはレンズの方に向かない。したがって、カメラ１４と発光体１６の間の仮想線により定められる角度がある。この角度は、図２に角度ｚで示される水平面にあってもよい。レーザ光は、直接にはカメラ１４にあたらない。しかし、レーザ光の光路は、図３に示されるように、カメラの視野の中にある。

物理的システムの変形.
望ましくは、いくつかの状況では、１つのシステムにおいて多数の発光体を用いる。これは、規則に従っており、バックアップを提供し、または、１つの発光体によってより広い領域をカバーできることを助ける。

もし大きい面積の適用範囲が要求されるならば、煙が１つの領域内の異なる多数の位置で検出できるように、多数の発光体を使用することができる。図９は、カメラ５０が部屋５２などの領域の中に位置される構成を示す。もし検出が大きな領域で要求されたなら、カバー範囲を提供するために複数の発光体５４，５５が部屋５２の近傍で広げられる。図９では、発光体は、２つのグループ（点５６に狙い点（ターゲット）を持つグループ５４からの発光体と点５７に狙い点を持つ発光体５５）に分けられる。カメラ５０は、点５６，５７を視野に持つか、または、点５６，５７を見ない。カメラ５０は、カメラ５０の視野に点５６，５７の像を投影するための光学装置（たとえばカメラ５０の前に置かれたバックミラー（図示しない））を用いて、点５６，５７を視野にもつ。同様に、プリズムまたは他の光学システムがこの結果を達成できる。さらに、発光体５４，５５は、同時にまたは循環的に使用され、これにより、もし光が達する点をカメラ５０が検出できるならば、カメラの中に検出される光は、その発光体が動作しているか故障しているかを検証するために使用できる。もし個々の発光体がオンとオフを順番に、または、線形的に依存しないいずれかのパターンで切り換えるならば、個々の発光体の検出が可能であるので、時間情報を使用することにより、どの発光体がどの時間にオンであったかを検出できる。さらに、どの発光体が発光したかを知ることにより、検出器は、保護されるべき領域内のサブ領域を局在化し、検出された粒子がサブ領域に関して位置検出されたことを保証する。その結果、粒子により散乱された１本または複数の光束が決定できる。

発光体５４，５５は、ターゲット５６，５７の上で交差する必要は全くなく、多数のターゲットにそって、または、他のターゲット上で相互の交差することが可能である。

図１０に他の例が示される。ここで、レーザ５８，５９は、カメラ６０から狙い点をそらしている。カメラ６０は、点６１、６２で壁に当たるレーザ光から光を検出できる。もしこれらの点の一方が消えるならば、検出システムは、レーザが故障しているか、または、何かがレーザ光の光路をブロックしていることが分かる。もしレーザがブロックされているならば、レーザ光をブロックしている物体は、一般的に光も反射し、したがって、レーザスポットは、既知の狙いのエリア（すなわちもとの点６１または６２）から位置を変える。特にレーザが目の安全を考慮していないならば、これは重要であることがある。欠陥を検出する他の手段は、蜘蛛の巣などの偽の物体が、散乱を起こす光束と交差するとき、である。たとえば発光体を横方向に移動することにより光束の時々の移動は、散乱光のそのような欠陥検出を防止する。

図１０において、図示される第２のカメラ６３は、システムに結合されて、追加の視野を提供する。２台のカメラの使用は、１つのカメラの使用よりも、煙のエリアのより正確な位置決定の手段を可能にする。また、この追加の視野は、同じ粒子材料について異なる散乱角での散乱情報を提供する。このデータは、異なる粒子径の分布または散乱の性質を持つ材料を区別するために使用できる。これは、たとえばちりなどの、誤った警報を生じる可能性のある有害粒子に対するシステムの感度を減少するために使用できる。１以上の発光体の使用により、散乱角の変化、発生した光の波長、観察している散乱の偏光面、および、発光と検出のタイミングの変化は、すべて、異なる種類の粒子の間の識別手段を提供する。

図１１において、カメラ６４は、部屋を横切る２つのレーザ６５，６６を見る。図１１ｂは、カメラの方に反射されるレーザを使用して、よりよい部屋のカバー範囲を提供し、前方散乱光と後方散乱光を撮像する。

この実施の形態では、プロセッサ１０は、ペンチアム４チップ、ウィンドウズ（登録商標）２０００オペレーティング・システムを使用するパーソナル・コンピュータからなる。

本実施形態などの１つの重要な面は、図４のデータフロー図を参照して後で詳細に説明される信号処理である。このデータフローのレイアウトは当業者により理解されると考えられる。参照の容易のため、この実施の形態における信号処理は、ＬＶＣＤソフトウェアとして参照される検出器１０のためのソフトウェアを用いて実行される。図４を参照して分かるように、データフローのラインは、処理の異なる段階での映像データのフロー、アレイデータのフローおよび単純な数値データまたは構造化されたデータのフローを示す。こうして、説明される処理機能のいくつかは、より集約的な映像データまたはオプションでより集約的でない数値データを処理できる。当業者により理解されるように、作業効率は、これらのそれぞれの段階で処理機能を実行するために使用される部品またはソフトウェア部品の選択により達成できる。

レーザ状態の決定．
図４のステップ４０１で、レーザ状態の決定が行われる。この実施形態におけるＬＶＳＤソフトウェアは、あるフレームのためのレーザの状態を決定するためカメラの視野の中にレーザ光源を持つことをあてにしている。

レーザ光源の光を含む小さな関心領域が割り当てられる。この領域の中心は、レーザ光のスポットの初期位置に設定される。この領域における平均の画素値が計算される。次に、これがしきい値と比較されて、映像がレーザのオンとオフを記録しているか否かを決定する。

しきい値は、ピーク検出器と平均値を与えられるトラフ検出器の出力の平均である。各検出器は、新しいピークまたはトラフが作られなかった場合における現在の平均値にもどる指数関数的減衰を実行する。時定数は、フレームにより、好ましくは１０フレームの値で、設定される。

この技法はかなり強いことが分かった。別の方法は、固定したしきい値により矩形内の平均値を超える１以上の画素を探すことである。

レーザのオン／オフ切り換えがより密接にフレーム取得に結合されている実装では、この機能は必要ではない。しかし、レーザ光源が薄暗くないことや正確な強度であることを２重にチェックすることに役立つ。

レーザ位置.
図４のステップ４０１では、重心アルゴリズムは、監視エリア内でレーザ光源の画素座標を推定する。この位置情報は、オプションでは、マウントおよび／または建物の移動によるレーザ光源またはカメラの位置の時間変動がおこる「レーザ・オン」映像ごとに更新される。安定性に影響する因子は、建物の中の壁の移動、マウント点の固さなどである。

より正確には、前のステップ（レーザ状態の決定）で決定されたしきい値が像から減算され、負の値がゼロにクリップされる。レーザ状態の決定において使用される同じ矩形の重心は、レーザ点の（ｘ，ｙ）座標を生じる。この計算において、画素値は重みとして取り扱われる。

別の技法では、前に説明されたエリアを映像として扱い、多数（〜５０）の既知の「発光体・オフ状態」の映像の平均を計算し、次に、この平均を、発光体・オンで撮影されたことが分かっている最新の映像から減算する。前に説明された重心アルゴリズムが、次に、スポットの位置を推定するためにその映像データに適用される。

関心領域の計算と背景消去．
図４のステップ４０３で、複数の関心領域が計算される。図４のステップ４０４で、背景の消去が行われる。補間とフレーム減算の組み合わせは、背景消去の間に使用されて、映像からの一時的に変化する情報と不変の情報の干渉を少なくする。映像は、図５に示されるように、３つの関心領域に分けられる。背景は、背景領域１０１と１０３に分けられ、さらに、積分領域１０２がある。これらの領域は、検出されたレーザ光源の位置の変化を反映するために、周期的に更新される。関心領域の形の選択は、散乱光の映像における正確な位置の不明確さを反映する。図５において、カメラは、放射された光が壁に当たる点を見ることができず、従って、この光の正確な光路は分からない。このため、関心領域１０２は、発光体からの距離が増加するにつれて拡大される。放射された光の光路を手動で決定する方法では、光を一時的にブロックしてその位置をチェックすることにより、光の位置を試験し、そのデータをプロセッサに手動で入力する。その代わりに、１以上の実質的に透明なプローブ（たとえば板などの物体の形）は、光束の中に挿入できる。散乱は、要求される積分エリアと背景エリアが計算される映像における１以上の参照点を提供する板からの入射と出射において生じる。例えばクリーンルームまたは有害な環境における粒子を検出するために検出器が使用される用途では、そのような閉鎖域の窓が、実質的に透明な板として動作し、従って、検出器システムの部品を取り付けるためにその雰囲気の中に侵入することなしに、光束の光路を確立する。狭い積分エリアの目的は、散乱信号に寄与していない画素からの雑音の寄与を減少するためであり、また、背景領域を積分領域により近くして、レーザ・オフ映像における照明レベルを修正するために使用される修正因子をよりよく推定するためである。

積分領域１０２は、放射された光の光路を含み、各々の側の領域、すなわち、背景領域１０１と１０３は、背景消去の間に使用される。これらの領域は、一般に三角形であり、レーザ光源から離れるほど広くなっている。これは、光の点の正確な位置が既知であるが光路の正確な角度が既知でないので、必要である。それで、カメラがどこで光が終わる化を見ることができないので、より大きな公差が、光路の他端で要求される。積分領域のより広い部分では画素が多いので雑音がより大きいが、各画素がより短い光路長を表し、そのため、単位長さあたりより多くのサンプルが平均に寄与する。もしカメラが光の終わる点を見ることができるならば、その位置の不確定性はより小さく、関心領域は、図５に示されるように、分散する必要がない。

２つの背景領域１０１，１０３は、レーザ・オフ映像における光路のいずれかの側での背景照明の一時的変動を修正するための輝度補償因子の補間のために選択される。照明の変化は、たとえば、光路のどちらかの側での２つの異なる、独立に一時的に変化する光源により起こる。この考えは、さらに、３つのエリア１０１，１０２，１０３を光路にそって複数のセグメントにさらに分割して、各々の分割について計算をすることにより、光路のいずれかの側だけでなく、光路にそっての変化も考慮するように拡張できる。

背景消去アルゴリズムは、ｎ個の「オン・フレーム」とｍ個の「オフ・フレーム」の和と計算する。これらのフレームのシーケンスは、任意であってよい。「発光体・オン」フレームから「発光体・オフ」フレームを減算する前に、「発光体・オフ」フレームは、映像の照明レベルの変化を補償するために、因子ｆにより規格化される。これは、強度が急速に変化する人工照明について有用であることがある。得られた映像は、ｎ個の「オン・フレーム」とｍ個の「オフ・フレーム」の間の差を含む。これは、図６にグラフで示される。

規格化因子ｆは、レーザ・オン・フレームとレーザ・オフ・フレームの間の背景の変動の比を用いて、補間により決定される。

ここで、μは、添字で示されたようにレーザ・オン(on)フレームまたはレーザ・オフ(off)フレームのいずれかにおける、与えられた背景領域での画素強度の平均値である。

もしプロセッサがフルフレーム速度に遅れないほど十分には速くなければ、処理されるフレームのランダムな選択を可能にするスキームが必要である。ｎ個のオン・フレーム映像とｍ個のオフ・フレーム映像がこの数のフレームの蓄積を待ちつつ背景消去のために使用されるならば、余分なレーザ・オン・フレームとレーザ・オフ・フレームを捨てることができる。

別の方法では、撮影した映像に関してレーザの状態についての情報をコンピュータに供給されるように、ロック・ステップ同期技法が使用できる。どの場合でも、最小の１つのオン・フレームと１つのオフ・フレームがこの技法を作動するために必要である。

上述の消去スキームの他の方法は、レーザ・オン・フレームとレーザ・オフ・フレームを減算することである。多くのオン・フレームとオフ・フレームが、減算の前および／または後に加算、平均、低域フィルタ処理を用いて、加算でき、または、平均でき、または、低域フィルタ処理ができる。

背景消去の結果は、主に発光体からの散乱光と残留背景光および雑音からなる映像である。

フレーム積分.
図４のステップ４０５において、フレーム積分が行われる。背景が消去された多数のフレームが合算され、平均され、または、低域フィルタ処理がされて、ノイズが減少された散乱光の映像が得られる。多数のフレームを平均することにより、レーザのオンとオフの切り換えに関連しない干渉が減少され、所望の（相関される）散乱情報が保持される。典型的には、背景消去とフレーム積分において使用される全フレームの数は、ほぼ１００（すなわち約３秒のビデオ）である。積分のより長い期間または低域フィルタ処理のより低いカットオフ周波数は、信号対雑音比を改良し、応答時間の犠牲の下でより高い感度のシステムを可能にする。

図７ａ〜図７ｃに関連して、映像のシーケンスが、散乱光の検出における背景消去と積分の効果を示す。映像の強度は、眼に対してよりよい視認性を可能にするように規格化されている。全体の光束にわたってのオブスキュレーション(不明瞭化）レベルは、本出願人により販売されているＶＥＳＤＡ（商標）レーザプラス（商標）検出器で測定すると、ｍあたり約０．１５％であった。図７ａは、生のビデオを示し、図７ｂは、積分領域を明るく示し、図７ｃは、背景消去と積分の後での煙の存在下での散乱光を示す。

散乱対半径の計算．
図４のステップ４０６において、発光体からの半径の関数としての散乱の計算が行われる。システムの幾何学と散乱による光束にそっての強度の変化は、この方法を用いて補修できる。
積分領域対レーザ光源からの半径（たとえば取得された映像における画素の単位で測定される）の図における散乱光レベルを含むデータ・アレイが、計算される。半径の円弧は、積分の内部の多くの画素をカバーするので、与えられた半径間隔での各画素の強度は共に合算される。図８は、発光体に関して中心とする円弧により積分領域がどのようにセグメントに分けられるかを、図式的に表示する。図８において、三角８０は、予想される積分エリアを示し、円弧は、レーザ光源からの異なる半径を示す。積分エリアにおいて１対の円弧の間の各部分は、合算される画素を備え、この和は、散乱光のデータ・アレイに入る。明らかに２つの円弧の間にはない画素について、そのような画素に対応して計算される半径の丸めまたは切り捨てが、あいまいさを解消するために使用でできる。

幾何学的形状の計算．
図４のステップ４０８で、システムの要素／部品の幾何学的形状が決定される。上述の各画素（すなわち映像の点）は、散乱体積に関して特定の幾何学的形状に対応し、映像の点などの一般的な場合が、図１２に示される。したがって、各々のそのような点すなわち画素で、以下のパラメータが決定される。
θ：散乱角
ｒ：レーザ光源からの距離（単位ｍ）
Ｄ：カメラからレーザ光源までの距離
Ｌ：高速に沿ってのある与えられた点での１画素により見られる物理的長さ

与えられた半径ｒに対応する画素の修正された強度は、次に、現実の世界のシステムについて決定される。ここで、画素の強度は、ロスのない等方的散乱の計算に関連した与えられた半径と与えられた散乱角に対応して、予め決められた散乱利得値により乗算される（後での散乱角の修正参照）。こうして、散乱されたデータアレイが形成される。

散乱角の修正．
散乱角の修正は、図４のステップ４０９で論理的に決定される。入力として、このプログラムは、与えられた材料についての散乱データを含む散乱データファイルを要求する。このファイルにおけるデータは、経験的な構成処理により生成され、種々の種類の煙について平均値を含むように意図される。

上述の幾何学の計算の間に決定される各散乱角で、すべての散乱角に対して利得が導出される。入力散乱データファイルからのデータは、すべての散乱角について前方利得の近似値が計算できるように、線形で補間される。

半径に対する煙の計算．
光束の与えられた半径についての煙の決定は図４のステップ４０７で行われる。画素ごとに散乱データ・アレイを煙のレベルに変換することは、図１２に示されるように、データＤ、ｄ、θ_ｉの入力を要求する。幾何形状を束縛する長さまたは角度の任意の組み合わせも使用できる。Ｄは、カメラ８２から発光体８４までの距離であり、θ_ｉはカメラ８２と発光体８４からの線と、発光体からの光路に対応する線とのなす角度であり、ｄは、カメラの入射瞳と交差する光への垂線の長さである。この情報から、すべての他の情報が、三角法と幾何学から決定できる。この幾何形状は図１２に示される。

前述の散乱対半径のアレイにおける各要素について、図１２に示されるＬ、θ_ｒおよびｒが計算される。Ｌは、１つのカメラの画素に対して可視である光束の長さである。

オブスキュレーションを得るための光束にそっての積分．
図４のステップ４１０で、光束の映像のセクタにわたっての積分が、検出されたオブスキュレーションを得るために行われる。光束の長さは、光束にそってのアドレス指定能力（addressability)を提供するため多数のセクタに分けられる。特に、光源を取り巻く画素における残留強度を起こる拡がりが生じている平行化されていない光源について、散乱により生じされる強度が解消できないので、レーザ光とレーザ光源の散乱とを区別するために、レーザスポットの位置のまわりの画素が、１つのセクタの一部としては含められない。

同様に、カメラの端で、セットの幾何学的形状により、カメラの視野がカメラの数メートル以内で光束を見ることが可能である。

セクタの境界での滑らかな移り変わりを提供するために、単純な移動平均フィルタが実装される。実際、光束は（ｎ＋１）個のセグメントに分けられ、移動平均が、（２セグメントの長さで）行われて、ｎセクタを生じる。

光束で得られた映像の各画素は、光束に沿っての物理的長さに対応する（図８，図１２参照）。この物理的長さは、光束がカメラに近づくにつれて小さくなっていく。レーザの端から開始し、端の境界の外側にある画素を無視して、あるセクタについてのオブスキュレーションは、上述の修正を適用した後での、すべての画素強度の和であり、そのセクタにより記述される物理的長さと位置となる。

たとえば、全光束（画素半径ｒでのセクタの大きさとしてｎからｍが与えられる）にわたってオブスキュレーションＯを決定すると、

ここで、Ｓは散乱光であり、Ｌは上に説明されている。

上で述べたが、光束の長さは、多数の点検出器を効果的にシミュレートする各セグメントについて個々の煙レベルを決定するために、多数のセグメントに分けられる。この抽象的な点検出器の出力は、アドレス指定可能な火災のパネルに提供できる。これは、次の理論に基づく。すなわち、放出された光の各セグメントから放出される光は、光路からカメラまでの角度とセグメントあたりの画素の数に基づいて、与えられた粒子密度に対して異なる光出力をする。発光された光の光路がカメラに近づくにつれ、すなわち、図１２においてｒが増加するにつれ、角度θ_ｒが増加する。また、散乱光を含む画素の数は、カメラ８２に向かう方向での光束の見かけの拡がりにより増加する。この幅の増加は図８と図１３に示される。図１３は、発光体８４から発生された光を示す。光の拡がりの角度は、明瞭さのために増幅されている。発生された光が発光体からさらに進むにつれ（すなわちrが増加するにつれ、主要な散乱光の位置と一致する画素の数が増加する。半径８６では、発光体に近く、２個の画素のみが検出器により分かる関心領域内にあることが決定され、これらの画素からの光が合算され、アレイ９０に置かれる。これは、１アレイの情報のｎ倍からなる散乱光scattered_light(r)である。ここに、ｎは、画面を横切る画素の数である。半径８８では、より多数の画素が検出器により分かる関心領域内にあり、すべてが合算されて、この関心領域内で得られる散乱の量が得られる。散乱光の角度θ_ｒは、アレイ９２で計算され、これは各画素で異なる。すなわち、ｒが小さいとき、θ_ｒは小さく、ｒが増加するにつれ、θ_ｒも大きくなる。あるイベントを検出する点において、関心のある粒子が、異なる散乱性質を持ちうるので、この情報は重要である。（光の波長に比べて）非常に小さい粒子は、θ_ｒにかかわらず、より一様に散乱する。しかし、より大きい粒子は、前方により多く散乱し、角度θ_ｒが増加するにつれて、強度を減少する。非常にしばしば、関心のある粒子（この例では煙の粒子）は、比較的大きい粒子であり、したがって、与えられた散乱角θ_ｒに対して光の出力の有効規格化因子のテーブルを使用することが有用であることがある。そのようなテーブルは、粒子を検出するためのレーザ室を使用する煙検出器の使用において知られている。

アレイ９４は、画素により取得された光の実際の半径を含む。アレイ９６は、（この場合）カメラのフレームの中の撮影される映像の中の１つの水平の画素により囲まれる、発生された光のセグメントの長さからなる。この情報は、この光の体積(volume)を確認するために使用され、放射強度の計算において補助のために使用される。また、アレイ９６は、各点ｒでの煙強度についてのデータsmoke[r]を含む。

警告状態．
最後に、図４を参照して、警告状態が計算される。各セクタについて警告状態が、標準の吸引煙検出器のように、しきい値、遅延、優先符号化スキームに基づいて、または、使用者により決定される他のパラメータに基づいて決定される。

同じ方法が、最後のゾーンの出力が最高のセクタとゾーンレベルのいずれか高い方であることを除いて、ゾーン警告レベルについて使用される。

誤り検出．
このシステムは、誤り条件の検出のための用意をしていてもよい。誤り条件は、本質的には、映像の中のレーザスポットの不在である。レーザ・オン／オフ信号のデューティサイクルが、１つの背景消去サイクルにおいて使用されるフレームの数にわたって３３％〜６６％の間にあることをチェックできる。

別の実施の形態．
多数の別の実施の形態が、用途や所望の特徴に応じて提供可能である。特に限定されなければ、上述の動作の一般的な原理は、以下の変形例の実装に適用される。たとえば、誤り検出は、多くの方法で実行できる。

他の用途では、上述のシステムは、オブスキュレーションの測定が重要な用途、たとえば、視認性があるレベル以下になると飛行機を迂回させることがある空港、において使用できる。このシステムは、周囲に照明があることを必要とせず、夜でも追加の照明なしに作動できる。赤外線カメラもまた赤外線光源を用いて使用できる。ここで、もし検出する光と同様な周波数の光源であるならば、その光源は、プロセッサがセキュリティのために照明されるフレームを無視するように、循環できる。

典型的なセキュリティ・カメラは毎秒２５映像または２５フレームを撮影する。煙検出は、毎秒１フレーム以下を検出してもよい。したがって、残りの映像はセキュリティ目的のために使用できる。

感度を増加するために、検出サブシステム（６，７）の中で動作するビデオ処理プロセッサは、光束により使用される既知の位置にない、ビデオ信号の有害な変化の寄与を除去するために使用できる。ビデオ映像の明確なエリアを処理する同様の機能を行う、ソフトウェアに基づいたシステムは、たとえば、ビジョンシステムのＡＤＰＲＯ（商標）製品のように、ビデオを基にするセキュリティ・システムにおいて知られている。

発光体は、偏光を生成するレーザであってもよい。このレーザは、可視光、赤外光または遠紫外光を発生する。光の波長の選択は、検出される粒子の性質や、装置の性質や、粒子の検出に称される方法の他、検出される粒子の性質に依存する。他の種類の発光体は、クセノン・フラッシュランプ、他のガス放電管、半導体レーザまたは発光ダイオードを含む。好ましくは、光は、少なくともある角度まで平行にされる。しかし、もし関心領域を用いるオプションのエリアの分離が使用されるならば、より広い光束が発光できる。

別の実施の形態が図１１Ｃに示され、２台のカメラ１０２，１０４と１つのレーザ１０６を用いる。この実施の形態において、１台のカメラが発光体を見ることができ、他のカメラが光が壁に当たった位置すなわち狙い点の位置を見ることができる。そのような構成において、カメラ１０２，１０４が同じプロセッサに接続されること、または、少なくとも相互に通信することが望ましい。このシステムは、光がブロックされたことの確認などの多くの長所を持ち、カメラ１０４に対する光の位置をより正確に決定するために使用でき、カメラ１０４は、光の前方散乱を検出する。そうして、光路の位置の不確定さが減少され、関心領域の大きさが減少できて、検出器システムの感度を増加する。さらに、火災により一般的に生じる大きい粒子がより小さい粒子（しばしばちりと結合する）よりも前方に散乱することが知られているので、粒子の特性が決定できる。もし光路の１つのセグメントについて後方散乱より前方散乱が著しく多いならば、そのセグメントでの粒子密度が、ある比率の大きい粒子を含むと解釈できる。第１の場所に粒子を存在させる事象の特性を確かめるため、このセグメントを他のセグメントまたは他の時間と比較することが有用であることがある。

この発明は、その特定の実施の形態に関連して説明されたが、他の変形も可能であることが分かる。この明細書が意図しているのは、本発明が、一般的に発明の原理に従い、また、当業界で公知のまたは通例である開示内容からのずれからなり、個々の記載された本質的な特徴を応用した本発明の変形、用途、適合をも含むことである。

この発明は、発明の本質的な特徴からずれることなしに、いくつかの形に具体化できるので、上述の実施の形態は、特に説明されていない限り、本発明を限定しないと理解されるべきであり、むしろ、特許請求の範囲に定義されている発明の範囲内で広く解釈されるべきである。種々の変形や均等な装置が、本発明と特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図されている。したがって、実施の形態は、本発明の原理が実施できる多くの方法を説明しているものと理解されるべきである。特許請求の範囲では、手段の記載は、定義された機能を実行する構造を含むことを意図しており、構造的な均等物だけでなく、均等な構造も含む。たとえば、木片を結合するために釘は円筒表面を使用するが、ねじはらせん表面を使用するので、釘とねじは構造的均等物ではないけれども、木片を結合する環境では、釘のねじは均等な構造である。

この明細書において、「・・・からなる」は、記載された特徴、整数値、ステップまたは部品の存在を特定するが、１以上の他の特徴、整数値、ステップまたは部品、またはそのグループの存在または追加を排除するものではない。

１２ 領域、 １４ 撮像装置、 １６ 発光体、 １８ 通信リンク、 ２０ 処理装置（プロセッサ）、 ２２ 通信リンク、２４ 偏光フィルタ、 ２４ａ アイリス、 ２６ バンドパスフィルタ、 ２８ 吸収体、 ３２ ビデオ撮像カード、 ３４ コンピュータ、 ３６ ソフトウェア、 ５０ カメラ、 ５２ 部屋、 ５４，５５ 発光体、 ５６，５７ ターゲット、 ５８，５９ レーザ、 ６０ カメラ、 ６１、６２ 点、 ６３ 第２のカメラ、 ６５，６６ レーザ、 ８２ カメラ、 ８４ 発光体、 １０１と１０３ 背景領域、 １０２ 積分領域、 １０４，１０５ カメラ、 １０６ レーザ。

Claims (16)

1. 粒子を検出する方法であって、
   監視領域に光束を放射するステップ、
   撮像装置を用いて前記監視領域の映像を撮影するステップ、
   前記撮像装置を用いて、光源の位置である第１点の位置を見出すステップ、
   前記撮像装置の視野内で、前記光束の交点である第２点の位置を見出すステップ、
   第１点と第２点により前記光束の光路を決定するステップ、
   前記映像において、前記決定された光路を含む関心領域を決定するステップ、ここで該関心領域は、前記監視領域の対応するゾーンを表すものであり、
   粒子の存在を示す、前記映像における関心領域の変動を検出するステップ、ここで該検出された変動は、前記ゾーン内での散乱光強度の増加であり、
   を備える方法。
2. 前記第２点の位置を見出すステップが、少なくとも１つのプローブを前記光束に挿入することを含み、
   前記プローブは製品であり、これにより該製品からの入射と出射において散乱が生じ、前記映像における１つ以上の参照点を与えるようにした請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つのプローブを前記光路から取外すことを含む請求項２に記載の方法。
4. 前記放射された光束は変調済み光束であって、
   前記変調済み光束が放射される時のオン・フレームと、前記変調済み光束が放射されない時のオフ・フレームとを含む複数の映像を撮像することを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 背景消去を行って、前記映像からの一時的に変化する情報と不変の情報の干渉を少なくすることを含む請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記背景消去が、オフ・フレームをオン・フレームから減算することを含む請求項５に記載の方法。
7. 前記決定された光路を含む積分領域の両側に背景領域を画成することを含み、前記背景消去が、前記映像の輝度レベルの変化を補償する輝度補償因子を決定することを含む請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記積分領域と前記背景領域を前記光束の前記光路に沿って細分することと、各細分に対して輝度補償因子を決定することとを含む請求項７に記載の方法。
9. 前記輝度補償因子ｆが、
   

   

   として、定義され、
   ここで、μ_on1は、オン・フレームにおける背景領域１での画素強度の平均値であり、μ_off1は、オフ・フレームにおける背景領域１での画素強度の平均値であり、μ_on2は、オン・フレームにおける背景領域２での画素強度の平均値であり、μ_off2は、オフ・フレームにおける背景領域２での画素強度の平均値である請求項７又は８に記載の方法。
10. 映像の照明レベルの変化を補償するために、前記輝度補償因子によってオフ・フレームを規格化することを含む請求項７乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 前記映像は、複数の画素を含み、
    前記方法は、
    システムの幾何形状を決定すること、ここで各画素は、散乱体積を基準とする特定の幾何形状に対応し、各画素で次のパラメータ
    θ：散乱角
    ｒ：前記散乱体積から前記光束を放射するレーザ光源までの距離
    Ｄ：前記撮像装置から前記レーザ光源までの距離、
    Ｌ：光路に沿って所定の点で１画素により見られる物理的長さ
    を決定できるものであり、
    システムの幾何形状と散乱角の少なくとも１つによる変化を修正するために、前記積分領域内の各画素の強度を修正することを含む請求項７乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記光束の長さは幾つかのセクタに分割され、
    特定のセクタについてのオブスキュレーションは、該セクタにより記述される物理的長さと位置となる、すべての画素強度の和であり、
    前記方法は、検出されたオブスキュレーションを粒子によって得るように、前記セクタに渡って積分することを含む請求項１１のいずれかに記載の方法。
13. ノイズを低減するように、背景が消去された複数のフレームの合算、平均又は低域フィルタ処理をすることを含む請求項５乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記撮像装置がカメラであり、前記光源がレーザである請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記散乱光の増加はしきい値を参照して評価され、
    前記方法は、前記領域内で異なる空間位置について異なるしきい値を割り当てることを含む請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. 粒子を検出する装置であって、
    光束の光源と、少なくとも１つの撮像装置と、所定の命令セットに従って動作する処理手段とを備えて、前記命令セットと共に、請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法を実行する装置。

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