JP7150934B2 - Fire detection device and fire detection method - Google Patents

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JP7150934B2 JP2021078307A JP2021078307A JP7150934B2 JP 7150934 B2 JP7150934 B2 JP 7150934B2 JP 2021078307 A JP2021078307 A JP 2021078307A JP 2021078307 A JP2021078307 A JP 2021078307A JP 7150934 B2 JP7150934 B2 JP 7150934B2
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本発明は、カメラで撮像した監視領域の画像から火災による煙を検知する火災検知装置及び火災検知方法に関する。 The present invention relates to a fire detection apparatus and fire detection method for detecting smoke caused by a fire from an image of a monitored area captured by a camera.

従来、火災の検知には感知器周辺の煙の濃度を利用して煙を検知する光電式スポット型感知器を用いるが、初期火災や炎を伴わないくん焼火災では火源の熱量が小さく、発生した煙が天井等の高所に設置された感知器に届く前に滞留してしまい、早期検知することが難しい。 Conventionally, a photoelectric spot-type sensor, which detects smoke using the concentration of smoke around the sensor, is used to detect fire. The generated smoke stays before it reaches the detector installed at a high place such as the ceiling, making early detection difficult.

そこで、画像からの煙検知として、様々な場所に設置されている監視カメラを利用できれば、火災を早期検知できると考えられ、監視カメラで撮像した監視領域の画像に対し画像処理を施すことにより、火災を検知するようにした様々な装置やシステムが提案されている。 Therefore, if surveillance cameras installed in various locations can be used to detect smoke from images, it is thought that early detection of fires will be possible. Various devices and systems have been proposed for fire detection.

このため従来装置(特許文献1)にあっては、画像から火災に伴う煙により起きる現象として、透過率又はコントラストの低下、輝度値の特定値への収束、輝度分布範囲が狭まって輝度の分散の低下、煙による輝度の平均値の変化、エッジの総和量の低下、低周波帯域の強度増加を導出し、これらを総合的に判断して煙の検出を可能としている。 For this reason, in the conventional apparatus (Patent Document 1), as phenomena caused by the smoke accompanying the fire from the image, the decrease in transmittance or contrast, the convergence of the luminance value to a specific value, the narrowing of the luminance distribution range and the dispersion of luminance , a change in the average luminance value due to smoke, a decrease in the total amount of edges, and an increase in intensity in the low-frequency band.

特開2008-046916号公報JP 2008-046916 A 特開平7-245757号公報JP-A-7-245757 特開2010-238028号公報JP 2010-238028 A

しかしながら、このような従来の火災に伴う煙の画像から火災を検知する火災検知システムにあっては、監視カメラで撮像した画像全体を処理して煙による特徴的な変化を検知して火災を判断しており、画像全体から火災を判断するための処理負担が増加して処理に時間がかかるという問題がある。 However, in the conventional fire detection system that detects fire from images of smoke accompanying fires, the entire image captured by a surveillance camera is processed to detect characteristic changes due to smoke to determine fires. Therefore, there is a problem that the processing load for judging the fire from the entire image increases and the processing takes time.

また、監視カメラを利用した煙検知では、火災を早期に検知することが重要になるが、初期火災における煙は半透明であり、状況によりその濃度も揺らぎつつ変化することから、一般物体の画像認識処理と同等に扱うことが難しいという問題が残されている。 In smoke detection using surveillance cameras, it is important to detect fires at an early stage. There remains the problem that it is difficult to treat it in the same way as recognition processing.

本発明は、監視カメラで撮像した画像の中のくん焼火災や火災初期に発生する煙を確実に捉えて火災判断を可能とする火災検知装置及び火災検知方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fire detection apparatus and a fire detection method that can reliably detect a smoldering fire or smoke generated in the early stages of a fire in an image captured by a surveillance camera, thereby making it possible to determine a fire.

(火災検知装置)
本発明は、火災検知装置に於いて、
監視領域を撮像した画像を出力する撮像手段と、
撮像手段から出力された画像を必要に応じてグレースケール化して入力する画像入力手段と、
画像入力手段で入力された画像からトップハット処理により画像中の濃度の稜線を強調した稜線濃度強調画像を生成する稜線濃度強調手段と、
撮像手段により撮像された煙が発生していない状態の画像を画像入力手段により必要に応じてグレースケール化して稜線濃度強調手段により生成された稜線濃度強調画像である固定背景画像と、稜線濃度強調手段により生成された稜線濃度強調画像との差分の絶対値をとった差分画像を生成する差分画像生成手段と、
差分画像生成手段で生成された差分画像から背景差分により前景画像を抽出する前景画像抽出手段と、
前景画像に基づいて火災を判定する火災判定手段と、
を設けたことを特徴とする。
(Fire detection device)
The present invention, in a fire detection device,
imaging means for outputting an image obtained by imaging a monitoring area;
an image input means for converting an image output from the imaging means into a grayscale as necessary and inputting the image;
ridge line density enhancement means for generating a ridge line density emphasized image by emphasizing ridge lines of density in the image by top hat processing from the image input by the image input means;
a fixed background image which is a ridgeline density-enhanced image generated by a ridgeline density emphasizing means by grayscaling an image of a state in which smoke is not generated and captured by an imaging means by an image input means as necessary; and ridgeline density enhancement. difference image generation means for generating a difference image obtained by taking the absolute value of the difference from the edge line density emphasized image generated by the means;
a foreground image extraction means for extracting a foreground image from the difference image generated by the difference image generation means by background subtraction;
fire determination means for determining fire based on the foreground image;
is provided.

(トップハット処理)
稜線濃度強調手段は、トップハット処理として、入力された画像の各画素を注目画素とし所定の円形フィルタ内に位置する参照範囲の中で最も小さい画素値を注目画素の画素値と置き換える収縮処理を所定回数行った後に、参照範囲の中で最も大きい画素値を注目画素の画素値と置き換える膨張処理を同じ回数行なって生成した画像と入力された元の画像との差分をとって稜線濃度強調画像を生成させる。
(top hat processing)
The ridge line density enhancement means performs, as top-hat processing, contraction processing in which each pixel of the input image is treated as a pixel of interest, and the smallest pixel value within a reference range located within a predetermined circular filter is replaced with the pixel value of the pixel of interest. is performed a predetermined number of times, and then dilation processing is performed the same number of times to replace the largest pixel value in the reference range with the pixel value of the target pixel. generate an image.

本発明の火災検知方法による特徴は、前述した火災検知装置の場合と基本的に同じになることから、その説明を省略する。 Since the features of the fire detection method of the present invention are basically the same as those of the fire detection device described above, the description thereof will be omitted.

(基本的な効果)
本発明は、火災検知装置に於いて、監視領域を撮像した画像を出力する撮像手段と、撮像手段から出力された画像を必要に応じてグレースケール化して入力する画像入力手段と、画像入力手段で入力された画像からトップハット処理により画像中の濃度の稜線を強調した稜線濃度強調画像を生成する稜線濃度強調手段と、撮像手段により撮像された煙が発生していない状態の画像を画像入力手段により必要に応じてグレースケール化して稜線濃度強調手段により生成された稜線濃度強調画像を固定背景画像と、稜線濃度強調手段により生成された稜線濃度強調画像との差分の絶対値をとった差分画像を生成する差分画像生成手段と、差分画像生成手段で生成された差分画像から背景差分により前景画像を抽出する前景画像抽出手段と、前景画像に基づいて火災を判定する火災判定手段とが設けられたため、くん焼火災や火災初期に発生する煙は、火源を起点として煙の粒子が熱により上昇しているため、半透明な円柱状の物体が揺らぎながら上方へ伸びていくモデルが考えられ、従ってこのモデルを水平方向から見ると、煙の中心線が濃度の稜線となり、そこでトップハット処理を用いて画像中の濃度の稜線を強調した画像から煙を含む前景画像を確実に抽出可能とする。
(basic effect)
In a fire detection apparatus, the present invention provides an imaging means for outputting an image obtained by imaging a monitoring area, an image input means for converting the image output from the imaging means into a gray scale as necessary, and an image input means. Ridge line density enhancement means for generating a ridge line density emphasized image by emphasizing ridge lines of density in the image from the input image by top hat processing; A difference obtained by taking the absolute value of the difference between the fixed background image and the edge line density emphasized image generated by the edge line density emphasizing means. Difference image generation means for generating an image, foreground image extraction means for extracting a foreground image from the difference image generated by the difference image generation means by background subtraction, and fire determination means for determining a fire based on the foreground image are provided. Therefore, the smoke generated in a smoldering fire or in the early stages of a fire starts from the fire source and rises due to the heat of the smoke particles. Therefore, when this model is viewed from the horizontal direction, the center line of the smoke becomes the density ridgeline, so it is possible to reliably extract the foreground image containing smoke from the image in which the density ridgeline is emphasized using top-hat processing. and

また、煙のない状態での固定背景画像とトップハット処理で生成した稜線濃度強調画像との差分の絶対値をとった差分画像を生成することにより、固定背景画像と濃淡の差が大きい箇所は白く、小さい箇所は黒くなるグレースケール画像が生成され、このように差分をとることで濃淡の変化が大きい箇所をより強調し、次に行う背景差分で背景モデルを適切に生成することができ、適切な前景画像を抽出することができる。 In addition, by generating a difference image that takes the absolute value of the difference between the fixed background image in a smoke-free state and the ridgeline density-enhanced image generated by top-hat processing, the locations where there is a large difference in density from the fixed background image are A grayscale image is generated that is white and black in small areas. By taking the difference in this way, the areas with large changes in gradation are emphasized, and the background model can be appropriately generated by the background subtraction performed next. A suitable foreground image can be extracted.

(トップハット処理による効果)
また、稜線濃度強調手段は、トップハット処理として、入力された画像の各画素を注目画素とし所定の円形フィルタ内に位置する参照範囲の中で最も小さい画素値を注目画素の画素値と置き換える収縮処理を所定回数行った後に、参照範囲の中で最も大きい画素値を注目画素の画素値と置き換える膨張処理を同じ回数行なって生成した画像と入力された元の画像との差分をとって稜線濃度強調画像を生成させるようにしたため、トップハット処理はモルフォロジー演算の一つであり、モルフォロジー演算はグレースケール画像の全画素について注目し、注目画素の画素値と注目画素の近くの画素値を参照し、その中で最も大きい画素値を注目画素の画素値と置き換える処理を膨張処理、同様に最も小さい画素値と置き換える処理を収縮処理とし、所定回数収縮した後に同じ回数膨張させた画像と原画像との差分をとる処理により、グレースケール画像における煙による濃度の稜線を強調させることができる。また、円形フィルタ内に位置する参照範囲で収縮処理及び膨張処理を行うことで、ノイズの強調を抑えつつ煙の稜線を十分に強調して稜線濃度強調画像を生成することができる。
(Effect of top hat treatment)
Further, the edge line density emphasizing means, as top-hat processing, treats each pixel of the input image as a pixel of interest, and replaces the smallest pixel value within a reference range positioned within a predetermined circular filter with the pixel value of the pixel of interest. After performing the erosion process a predetermined number of times, the dilation process is performed the same number of times to replace the largest pixel value in the reference range with the pixel value of the target pixel. Since it is designed to generate a density-enhanced image, top-hat processing is one of morphological operations, and morphological operations focus on all pixels of a grayscale image, and refer to the pixel value of the target pixel and the pixel values near the target pixel. Among them, the process of replacing the largest pixel value with the pixel value of the pixel of interest is dilation processing, and similarly the process of replacing it with the smallest pixel value is erosion processing. , it is possible to emphasize the ridgeline of density due to smoke in the grayscale image. Further, by performing contraction processing and expansion processing in the reference range located within the circular filter, it is possible to sufficiently emphasize the ridge lines of the smoke while suppressing noise enhancement, thereby generating a ridge-line density-enhanced image.

(混合正規分布を用いた背景差分法による効果)
また、前景画像抽出手段は、差分画像生成手段により生成された所定時間分の複数の差分画像に基づき、各画素の時間的な変化のヒストグラムを混合正規分布として生成し、混合正規分布を用いた背景差分により前景画像を抽出するしたため、トップハット処理により生成された差分画像の各画素を一定時間観察し、画素値の時間的変化から、各画素における画素値の変化が背景である確率を学習し、学習した確率はそれぞれ正規分布をモデルとしており、各画素の背景である確率分布はそれらの正規分布を合成した混合正規分布となり、その確率分布から現在のフレームの各画素が背景であるか、前景であるかを判断し、煙が含まれる前景画像を確実に抽出することができる。
(Effect of background subtraction method using mixed normal distribution)
Further, the foreground image extracting means generates a histogram of temporal change of each pixel as a mixed normal distribution based on the plurality of difference images for a predetermined time period generated by the difference image generating means, and uses the mixed normal distribution. Since the foreground image is extracted by background subtraction, each pixel of the difference image generated by the top hat process is observed for a certain period of time, and the probability that the pixel value change at each pixel is the background is learned from the temporal change of the pixel value. Each of the learned probabilities is modeled on a normal distribution, and the probability distribution that is the background of each pixel is a mixed normal distribution that combines these normal distributions. , is the foreground, and a foreground image containing smoke can be reliably extracted.

(前景画像の加算合成による効果)
また、前景画像抽出手段は、所定時間の間に抽出された複数の前景画像を加算した前景加算画像を生成し、火災判定手段は、前景加算画像に基づいて火災を判断するようにしたため、現在の入力画像からの直近となる例えば1秒間に生成した前景画像を加算することで、前景画像に含まれる煙の稜線画像が更に強調され、煙の稜線画像に基づく火災の判断をより正確に行うことが可能となる。
(Effect of additive synthesis of foreground images)
Further, the foreground image extracting means generates a foreground addition image by adding a plurality of foreground images extracted during a predetermined period of time, and the fire determination means determines a fire based on the foreground addition image. By adding the foreground image generated in, for example, one second, which is the most recent from the input image, the ridgeline image of the smoke included in the foreground image is further emphasized, and the fire is judged more accurately based on the ridgeline image of the smoke. becomes possible.

(ガウシアンピラミッドによる解像度低下の効果)
また、画像入力手段は、更に、撮像手段で撮像された画像の解像度を所定値に低下して稜線濃度強調手段に入力するようにしたため、監視カメラで撮像されたカラー画像は、例えば1280×720ピクセルの解像度であるが、これをガウシアンピラミッドで複数スケールの画像を作成し、煙の変化が抽出されるスケールに注目してグレースケール化し、例えば1/4にスケール化して640×360ピクセルの解像度のグレースレール画像とし、1フレーム当りの画素数を低減することで、コンピュータ装置の演算処理時間を短縮し、監視カメラで撮像された動画入力に対し実時間処理で煙の稜線画像を生成して火災を判断可能とする。
(Effect of resolution reduction by Gaussian pyramid)
In addition, the image input means further reduces the resolution of the image picked up by the image pick-up means to a predetermined value and inputs it to the ridge line density emphasis means. As for the pixel resolution, create multiple scale images with a Gaussian pyramid, convert to grayscale by paying attention to the scale at which changes in smoke are extracted, and scale to 1/4, for example, to obtain a resolution of 640 x 360 pixels. By reducing the number of pixels per frame, the arithmetic processing time of the computer device is shortened, and the smoke ridgeline image is generated by real-time processing for the video input captured by the surveillance camera. Make it possible to judge fire.

本発明の火災検知装置を設置した監視領域を示した説明図Explanatory drawing showing a monitoring area in which the fire detection device of the present invention is installed 検知対象とする煙モデルの説明図Explanatory diagram of the smoke model to be detected 画像処理装置の機能構成の概略を示したブロック図FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the functional configuration of an image processing device; ガウシアンピラミッドによるスケール化を示した説明図Explanatory diagram showing scaling with a Gaussian pyramid トップハット処理の構造化要素として使用する円形フィルタを示した説明図Illustration showing a circular filter used as a structuring element for top-hat processing 図5の画像処理装置で生成された煙を含む前景画像を示した説明図Explanatory diagram showing a foreground image containing smoke generated by the image processing apparatus of FIG. 図5の画像処理装置による煙監視処理を示したフローチャートFlowchart showing smoke monitoring processing by the image processing device of FIG.

[火災検知装置の概要]
図1は本発明による火災検知装置を設置した監視領域を透視して示した説明図である。
[Outline of fire detection device]
FIG. 1 is an explanatory view showing through a monitoring area in which a fire detection device according to the present invention is installed.

図1に示すように、監視領域18には撮像手段として機能する監視カメラ10と照明器具20が設置され、監視カメラ10により監視領域18が撮像されている。 As shown in FIG. 1, a monitoring camera 10 functioning as an imaging unit and a lighting device 20 are installed in a monitoring area 18, and the monitoring area 18 is captured by the monitoring camera 10. FIG.

監視カメラ10は、上下、左右及び前後に仕切られた監視領域(監視空間)18の例えば上部コーナの中央に設置され、その撮像光軸斜め下向きに配置して監視領域18を全体的に撮像可能としている。 The surveillance camera 10 is installed, for example, in the center of an upper corner of a surveillance area (monitoring space) 18 partitioned vertically, horizontally, and forward and backward, and is arranged with its imaging optical axis obliquely downward so that the surveillance area 18 can be imaged as a whole. and

監視カメラ10は監視領域18を動画撮影しており、撮影サイズは例えば1280×720ピクセルであり、毎秒30フレーム又は毎秒60フレームのフレーム速度でカラーのフレーム画像の連続からなる動画を出力する。 The monitoring camera 10 captures moving images of the monitoring area 18. The image capturing size is, for example, 1280×720 pixels, and outputs a moving image consisting of a series of color frame images at a frame rate of 30 frames per second or 60 frames per second.

監視領域18に置かれたごみ入れ等の火源22の可燃物が何らかの原因でくん焼火災が発生する状況となり、火源22から煙24が立ち上っている。監視カメラ10により撮像された動画は伝送路を介して管理人室などに設置した画像処理装置12に伝送され、画像処理によりごみ入れなどの火源22から立ち上がっている煙24を検知して火災を判断し、火災検知信号を火災報知設備14に出力して火災警報を出力させる。 Combustible material such as a trash can placed in the monitoring area 18 is in a situation where a smoldering fire occurs for some reason, and smoke 24 is rising from the fire source 22 . A moving image captured by the surveillance camera 10 is transmitted to an image processing device 12 installed in a janitor's room or the like via a transmission line, and smoke 24 rising from a fire source 22 such as a garbage can is detected by image processing, and a fire is detected. is determined, and a fire detection signal is output to the fire alarm equipment 14 to output a fire alarm.

[煙の検出原理]
本実施形態により煙を検知する原理を説明すると次のようになる。図2は検知対象とする煙モデルの説明図であり、図2(A)に煙モデルを示し、図2(B)に水平方向から見た画素濃度の分布を示す。
[Smoke detection principle]
The principle of detecting smoke according to this embodiment will be described as follows. FIG. 2 is an explanatory diagram of a smoke model to be detected. FIG. 2(A) shows the smoke model, and FIG. 2(B) shows the pixel density distribution viewed from the horizontal direction.

図1に示すように、くん焼火災や火災初期に発生する煙24は、火源22を起点として煙の粒子が熱により上昇しているため、図2(A)に示すように、半透明な円柱状の物体が揺らぎながら上方へ伸びていく煙モデル38が考えられる。従って、煙モデル38をX-Xでは示す水平方向から見ると、煙モデル38の中心線が濃度の稜線となる。そこで、本実施形態の画像処理装置12は、画像中の濃度の稜線を強調することで、動画像から煙を抽出することとする。 As shown in FIG. 1, smoke 24 generated in a smoldering fire or in the early stages of a fire rises from the fire source 22 due to heat, so as shown in FIG. A smoke model 38 is conceivable in which a columnar object extends upward while fluctuating. Therefore, when the smoke model 38 is viewed from the horizontal direction indicated by XX, the centerline of the smoke model 38 becomes the density ridge. Therefore, the image processing apparatus 12 of the present embodiment extracts smoke from a moving image by emphasizing the density ridgeline in the image.

稜線の強調処理にはSobelフィルタ等のエッジ抽出ではなく、モルフォロジー演算の一つであるトップハット処理を用いることとし、抽出処理には混合正規分布を用いた背景差分を使用する。 For edge enhancement processing, top hat processing, which is one of morphological operations, is used instead of edge extraction such as a Sobel filter, and background subtraction using mixed normal distribution is used for extraction processing.

[火災検知装置]
(火災検知装置の機能構成)
図3は本発明による火災検知装置の機能構成の概略を示したブロック図、図4はガウシアンピラミッドによるスケール化を示した説明図、図5はトップハット処理の構造化要素として使用する円形フィルタを示した説明図、図6は図5の画像処理装置で生成された煙を含む前景画像を示した説明図である。
[Fire detection device]
(Functional configuration of fire detection device)
FIG. 3 is a block diagram showing an outline of the functional configuration of the fire detection device according to the present invention, FIG. 4 is an explanatory diagram showing scaling with a Gaussian pyramid, and FIG. 5 shows a circular filter used as a structuring element for top-hat processing. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a foreground image containing smoke generated by the image processing apparatus of FIG.

図3に示すように、火災検知装置は、監視カメラ10及び画像処理装置12で構成される。画像処理装置12は、そのハードウェアとしてCPU、メモリ、各種の入出力ポート等を備えたコンピュータ回路等で構成され、CPUによるプログラムの実行により実現される機能として、画像入力手段として機能する画像入力部26、稜線濃度強調手段として機能する稜線濃度強調部28、差分画像生成手段として機能する差分画像生成部30、前景画像抽出手段として機能する前景画像抽出部32、火災判定手段として機能する火災判定部34及び制御部36が設けられている。 As shown in FIG. 3, the fire detection device is composed of a monitoring camera 10 and an image processing device 12. As shown in FIG. The image processing apparatus 12 is composed of a CPU, a memory, a computer circuit having various input/output ports, etc. as its hardware, and has an image input function that functions as image input means as a function realized by execution of a program by the CPU. 26, edge line density enhancement section 28 functioning as edge line density enhancement means, difference image generation section 30 functioning as difference image generation means, foreground image extraction section 32 functioning as foreground image extraction means, and fire determination functioning as fire determination means. A unit 34 and a control unit 36 are provided.

撮像手段として機能する監視カメラ10は、制御部36からの指示を受けて動作し、例えば毎秒30フレーム又は毎秒60フレームとなる監視領域のカラーの動画データを伝送し、画像処理装置12に設けられた図示しないメモリに記憶する。 The monitoring camera 10 functioning as imaging means operates in response to an instruction from the control unit 36, transmits color moving image data of the monitoring area at, for example, 30 frames per second or 60 frames per second. stored in a memory (not shown).

(画像入力部)
画像入力部26は監視カメラ10からカラー動画のフレーム画像をグレースケール化して稜線濃度強調部28に出力する。ここで、監視カメラで撮像されたカラーのフレーム画像のサイズは、例えば1280×720ピクセルの解像度であるが、画像入力部26は、入力したフレーム画像に対しガウシアンピラミッドで複数スケールの画像を作成し、煙の変化が抽出されるスケールに注目してグレースケール化し、例えば図4に示すように、入力フレーム画像40を1/4にスケール化して640×360ピクセルの解像度の1/4グレースケール画像42を生成して稜線濃度強調部28に出力する。
(Image input section)
The image input unit 26 grayscales the frame images of the color moving image from the monitor camera 10 and outputs them to the ridge line density enhancement unit 28 . Here, the size of the color frame image captured by the surveillance camera has a resolution of, for example, 1280×720 pixels. , grayscaling with attention to the scale at which the change in smoke is extracted, for example, as shown in FIG. 42 is generated and output to the edge line density emphasizing unit 28 .

このような画像入力部26による1/4グレースケール画像42の生成により1フレーム当りの画素数を低減することで、コンピュータ回路を用いた画像処理装置12の演算処理時間を短縮し、監視カメラ10で撮像された動画入力に対し実時間処理で煙の稜線画像を生成して火災を判断可能とする。 By reducing the number of pixels per frame by generating the 1/4 grayscale image 42 by the image input unit 26 as described above, the arithmetic processing time of the image processing device 12 using a computer circuit is shortened, and the surveillance camera 10 Fire can be determined by generating a ridge line image of smoke by real-time processing for moving image input captured by .

(稜線濃度強調部)
稜線濃度強調部28は、画像入力部26から入力されたグレースケールのフレーム画像毎に、トップハット処理により画像中の濃度の稜線を強調した稜線濃度強調画像を生成する。
(Edge line density emphasis part)
The edge line density emphasizing section 28 generates a edge line density emphasized image by emphasizing a density edge line in the image by top-hat processing for each grayscale frame image input from the image input section 26 .

稜線濃度強調部28で用いるトップハット処理はモルフォロジー演算の一つであり、モルフォロジー演算はグレースケール画像の全画素について注目し、注目画素の画素値と注目画素の近くの画素値を参照し、その中で最も大きい画素値を注目画素の画素値と置き換える処理を膨張処理、同様に最も小さい画素値と置き換える処理を収縮処理とし、収縮処理を所定回数行なった後に膨張処理を同じ回数行なって生成された画像と元のグレースケール画像との差分をとる処理により、グレースケール画像における煙による濃度の稜線を強調させることができる。 The top-hat processing used in the edge line density enhancement unit 28 is one of morphological operations. The morphological operation focuses on all pixels of the grayscale image, refers to the pixel value of the target pixel and the pixel values near the target pixel, and calculates the The process of replacing the largest pixel value with the pixel value of the pixel of interest is dilation processing, and the process of replacing it with the smallest pixel value is erosion processing. By taking the difference between the obtained image and the original grayscale image, it is possible to emphasize the ridgeline of density due to smoke in the grayscale image.

トップハット処理により入力画像を所定回数収縮させた後に同じ回数膨張させる場合に、注目画素に対し参照する画素の参照範囲は構造化要素とよばれる矩形、円形、十字形などの形状で定められるフィルタで決まり、処理対象に合わせた形状とサィズを用いることで様々な処理結果を得られる。 When an input image is shrunk a predetermined number of times by top-hat processing and then expanded the same number of times, the reference range of pixels to be referred to for the pixel of interest is a filter defined by a shape such as a rectangle, circle, or cross called a structuring element. Various processing results can be obtained by using the shape and size that match the processing target.

本実施形態にあっては、最適な構造化要素のフィルタ形状とサイズを決定するため、フィルタ形状を矩形または円形とし、5×5ピクセル、25×25ピクセル、35×35ピクセルといった縦横奇数サイズとの組み合わせをいくつか試行している。 In the present embodiment, in order to determine the optimum filter shape and size of the structuring element, the filter shape is rectangular or circular, and has odd sizes such as 5×5 pixels, 25×25 pixels, and 35×35 pixels. I've tried several combinations of

ここで、円形フィルタ46は、5×5を例にとると、図5に示すように、縦横5×5の正方形に内接する直径5ピクセルの円で決まる段付き円形となり、中心の注目画素48の周囲を囲んで12個の参照画素50が存在する。 Here, taking 5×5 as an example, the circular filter 46 is a stepped circle determined by a circle with a diameter of 5 pixels inscribed in a 5×5 square as shown in FIG. There are 12 reference pixels 50 surrounding the perimeter of .

試行の結果、矩形フィルタでは円形よりも多く煙の稜線を強調できているが、同時にノイズも多く強調しており、一方、円形フィルタでは矩形フィルタよりもノイズの強調が少なく、かつ煙の稜線は十分に強調できていたため、本実施形態にあっては、円形フィルタを採用することとし、最も良い結果となった、31×31ピクセルのサイズの円形フィルタを構造化要素に用いることを決定している。 As a result of the trial, the rectangular filter emphasized the ridge of smoke more than the circular filter, but at the same time, it also emphasized a lot of noise. Since the enhancement was sufficient, it was decided to adopt a circular filter in the present embodiment, and it was decided to use a circular filter with a size of 31×31 pixels as the structuring element, which gave the best results. there is

(差分画像生成部)
差分画像生成部30は、装置の使用に先だち、監視領域18に煙が発生していない状態で監視カメラ10で撮像された画像に対し、画像入力部26による1/4グレースケール画像の生成、及び、稜線濃度強調部28のトップハット処理を用いて生成された稜線濃度強調画像を固定背景画像として予め記憶している。
(difference image generator)
Prior to the use of the device, the difference image generation unit 30 generates a 1/4 gray scale image by the image input unit 26 for the image captured by the monitoring camera 10 in a state where smoke is not generated in the monitoring area 18, A ridge line density emphasized image generated using the top hat process of the ridge line density emphasis unit 28 is stored in advance as a fixed background image.

この状態で、差分画像生成部30は、稜線濃度強調部28で生成された稜線濃度強調画像を入力する毎に、予め記憶している固定背景画像との差分の絶対値をとった差分画像を生成して前景画像抽出部32に出力する。 In this state, the difference image generation unit 30 generates a difference image obtained by taking the absolute value of the difference from the pre-stored fixed background image each time the edge line density emphasized image generated by the edge line density emphasis unit 28 is input. It is generated and output to the foreground image extraction unit 32 .

このように差分画像生成部30で稜線濃度強調画像と固定背景画像との差分画像を生成することにより、固定背景画像と濃淡の差が大きい箇所は白く、小さい箇所は黒くなるグレースケール画像が生成され、次の前景画像抽出部32で行う混合正規分布を用いた背景差分は、画素値の濃淡変化から背景モデルを生成するため、差分をとることで濃淡の変化の大きい箇所をより強調することができ、背景モデルが適切に生成できる。 By generating the difference image between the edge-line density-enhanced image and the fixed background image in the difference image generation unit 30 in this way, a grayscale image is generated in which portions where the difference in density from the fixed background image is large are white and portions where the difference is small are black. Then, the background difference using the mixed normal distribution performed by the foreground image extraction unit 32 generates a background model from the grayscale change of the pixel value. and the background model can be generated properly.

(前景画像抽出部)
前景画像抽出部32は、差分画像生成部30により生成された所定時間分の複数の差分画像に基づき、各画素の時間的な変化のヒストグラムを混合正規分布として生成し、混合正規分布を用いた背景差分により前景画像を抽出する。
(foreground image extractor)
The foreground image extraction unit 32 generates a histogram of temporal change of each pixel as a mixed normal distribution based on the plurality of difference images for a predetermined time period generated by the difference image generation unit 30, and uses the mixed normal distribution. Extract the foreground image by background subtraction.

前景画像抽出部32の混合正規分布を用いた背景差分による前景画像を抽出する背景差分法は、Zivkovicらによる手法であり、入力されたフレーム画像の各画素を一定時間観察し、画素値の時間的変化から、各画素における画素値の変化が背景である確率を学習する。学習した背景である確率はそれぞれ正規分布を背景モデルとしており、各画素の確率分布はそれらの正規分布を含成した混合正規分布となり、その分布確率から現在のフレームの各画素が背景であるか、前景であるかを判断し、前景を抽出する。 The background subtraction method for extracting the foreground image by background subtraction using the mixed normal distribution of the foreground image extraction unit 32 is a method proposed by Zivkovic et al. For each pixel, the probability that the change in pixel value is background is learned from the change in target. Each of the learned background probabilities uses a normal distribution as the background model, and the probability distribution of each pixel is a mixed normal distribution that includes those normal distributions. , is the foreground, and the foreground is extracted.

即ち、混合正規分布を用いた背景差分法は、背景正規分布を基にした前景と背景の領域分割のアルゴリズムであり、背景に属する各画素を混合数Kが3~5の混合正規分布でモデル化する手法として知られている。特に、Zivkovicらによる手法では、画素毎に最適な混合数Kを選択する点に特徴がある。その処理は、差分画像の各画素につき画素値の濃淡変化から背景モデルを生成し、続いて、差分画像が入力する毎に、背景モデルを使用して前景領域のマスクを生成し、前景領域の画像を抽出する。 That is, the background subtraction method using the mixed normal distribution is an algorithm for segmenting the foreground and background areas based on the background normal distribution, and each pixel belonging to the background is modeled by the mixed normal distribution with the mixture number K of 3 to 5. It is known as a method of In particular, the technique by Zivkovic et al. is characterized in that the optimum number of mixtures K is selected for each pixel. The process generates a background model from the grayscale variation of pixel values for each pixel of the difference image, then, for each input of the difference image, generates a mask of the foreground region using the background model, and generates a mask of the foreground region. Extract images.

本実施形態は、背景モデルを学習するフレーム数と正規分布の分散の値σ2についていくつか試行し、最も良い結果が得られたフレーム数は、毎秒60フレームの場合は15フレーム、毎秒30フレームの場合は7フレームで、分散σ2=6を用いた場合であった。 In this embodiment, several trials were conducted on the number of frames for learning the background model and the value σ of the variance of the normal distribution. The case was 7 frames and a variance of σ 2 =6 was used.

ここで、フレーム数については、実際の動画から煙の塊が立ち上るのにかかるフレーム数と照明のちらつきの周期を予測し、50Hz又は60Hzに対応した照明のちらつきの周期を含む長さで且つ煙の塊が立ち上がるのにかかるフレーム数により短くなるようなフレーム数を探し、その結果、毎秒60フレームの場合は15フレーム、毎秒30フレームの場合は7フレームが得られている。 Here, as for the number of frames, the number of frames required for the mass of smoke to rise and the cycle of flickering of the lighting are predicted from the actual moving image, and the length including the flickering cycle of the lighting corresponding to 50 Hz or 60 Hz and the smoke The number of frames that is shorter than the number of frames it takes for the cluster to rise results in 15 frames at 60 frames per second and 7 frames at 30 frames per second.

また、前景画像抽出部32は、所定時間の間、例えば現在の入力画像からの直近となる例えば1秒間に生成した前景画像を加算した前景加算画像を生成し、前景加算画像に基づいて次の火災判断部34で火災を判断させるようにしても良い。このように現在の入力画像からの直近となる例えば1秒間に生成した前景画像を加算することで、前景画像に含まれる煙の稜線画像が更に強調され、煙の稜線画像に基づく火災の判断をより正確に行うことが可能となる。 Further, the foreground image extracting unit 32 generates a foreground addition image by adding foreground images generated during a predetermined period of time, for example, one second from the current input image, and generates the next image based on the foreground addition image. The fire determination unit 34 may be made to determine a fire. By adding the foreground images generated, for example, within one second from the current input image in this way, the ridge line image of the smoke included in the foreground image is further emphasized, and the judgment of the fire based on the ridge line image of the smoke is performed. It can be done more accurately.

このような前景画像抽出部32の処理により、例えば、図6に示すように、煙の稜線が強調された前景抽出画像を得ることができる。 Through such processing by the foreground image extraction unit 32, for example, as shown in FIG. 6, a foreground extraction image in which the ridgeline of the smoke is emphasized can be obtained.

(火災判定部)
火災判定部34は、図6に示すような煙の稜線が強調された前景画像を入力し、火災により発生した煙に固有な特徴から火災を判定し、火災検出信号を火災報知設備14に送信して火災警報を出力させる。
(Fire determination unit)
The fire determination unit 34 receives a foreground image in which the ridgeline of the smoke is emphasized as shown in FIG. to output a fire alarm.

火災判定部34による火災の判断方法として、煙画像の累積値が所定の閾値以上となった場合に火災と判定する方法、煙画像の時系列変化から煙の上昇速度を求めて閾値速度以上となった場合に火災と判定する方法、煙が上方に広がる角度を検出して火災を判定する方法等、火災に固有な煙の様々な特徴を利用して火災を判定する。 As a method for judging a fire by the fire judging unit 34, there is a method for judging a fire when the cumulative value of the smoke image is equal to or higher than a predetermined threshold, and a method for obtaining the rising speed of the smoke from the time-series change of the smoke image and determining the threshold speed or higher. A fire is determined using various characteristics of smoke unique to fire, such as a method of determining a fire when the smoke is falling, a method of determining a fire by detecting the angle at which the smoke spreads upward, and the like.

(煙監視処理)
図7は図3の画像処理装置による煙監視処理を示したフローチャートであり、制御部36による制御動作となる。
(Smoke monitoring process)
FIG. 7 is a flow chart showing smoke monitoring processing by the image processing apparatus of FIG.

図7に示すように、制御部36はステップS1で監視カメラ10で撮像された監視領域のカラー動画、即ちカラーのフレーム画像を画像入力部26に読み込み、ステップS2で図4に示したようにガルシアンピラミッドにより1/4グレースケール化したフレーム画像を生成し、ステップS3で稜線濃度強調部28に指示し、トップハット処理によりフレーム画像中の稜線を強調した稜線濃度強調画像を生成する。 As shown in FIG. 7, in step S1, the control unit 36 reads a color moving image of the surveillance area captured by the surveillance camera 10, that is, a color frame image into the image input unit 26, and in step S2, as shown in FIG. A 1/4 grayscale frame image is generated by the Garcian pyramid, and in step S3, the edge line density enhancement unit 28 is instructed to generate a edge line density emphasized image in which the edge lines in the frame image are emphasized by top hat processing.

続いて、制御部36はステップS4に進み、予め記憶した固定背景画像と入力した稜線濃度強調画像の画素の絶対値の差分による差分画像を生成し、前景画像抽出部32に出力する。 Subsequently, the control unit 36 proceeds to step S 4 to generate a difference image based on the difference in pixel absolute value between the fixed background image stored in advance and the input edge line density emphasized image, and outputs the difference image to the foreground image extraction unit 32 .

続いて、制御部36はステップS5に進み、前景画像抽出部32に指示し、差分画像に対して、混合正規分布を用いた背景差分により前景マスクを生成して前景画像を抽出し、ステップS6で直近の所定時間前からの前景画像を加算合成して前景加算画像を生成し、ステップS7で火災の煙に固有な特徴から火災を判定する。なお、ステップS6の前景加算画像の生成は必ずしも行う必要はなく、ステップS6の処理はスキップしても良い。 Subsequently, the control unit 36 advances to step S5 and instructs the foreground image extraction unit 32 to generate a foreground mask from the difference image by background subtraction using a mixed normal distribution to extract the foreground image, and step S6. In step S7, the foreground images from the last predetermined time before are additively synthesized to generate a foreground added image, and in step S7, the fire is determined from the unique characteristics of the smoke of the fire. Note that it is not always necessary to generate the foreground addition image in step S6, and the processing in step S6 may be skipped.

続いて、制御部36はステップS8に進み、煙ありを判別した場合はステップS9に進んで火災検出信号を火災報知設備14に送信して火災警報又は火災予備警報(プリアラーム)を出力させる。また、制御部36はステップS8で煙なしを判別した場合はステップS1に戻り、次のフレーム画像の処理を行う。 Subsequently, the control unit 36 proceeds to step S8, and when it determines that there is smoke, proceeds to step S9 to transmit a fire detection signal to the fire alarm equipment 14 to output a fire alarm or fire preliminary alarm (pre-alarm). If the control unit 36 determines that there is no smoke in step S8, the process returns to step S1 to process the next frame image.

〔本発明の変形例〕
(監視カメラ)
上記の実施形態は、カラー動画を出力する監視カメラを使用したため、画像入力部26でカラーのフレーム画像をグレースケール画像に変換しているが、モノクロ動画を出力する監視カメラを使用した場合には、画像入力部におけるグレースケール化は不要となる。
[Modification of the present invention]
(Surveillance camera)
In the above-described embodiment, since a monitoring camera that outputs color moving images is used, the image input unit 26 converts color frame images into grayscale images. , grayscaling at the image input section is not required.

(ガウシアンピラミッドによるグレースケール化)
上記の実施形態は、監視カメラから入力したカラーのフレーム画像を、ガウシアンピラミッドで1/4グレースケール画像に変換して解像度を落としているが、画像処理装置12に用いるコンピュータ回路の処理速度が十分に高い場合には、ガウシアンピラミッドでのスケール化は不要であり、グレースケール画像に変換するだけで良い。
(Grayscale by Gaussian pyramid)
In the above embodiment, the color frame image input from the surveillance camera is converted into a 1/4 grayscale image by the Gaussian pyramid to lower the resolution, but the processing speed of the computer circuit used in the image processing device 12 is sufficient. If , no scaling with a Gaussian pyramid is necessary, just convert to a grayscale image.

(その他)
また、本発明は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
(others)
Moreover, the present invention is not limited to the above-described embodiments, includes appropriate modifications that do not impair the objects and advantages thereof, and is not limited by the numerical values shown in the above-described embodiments.

10:監視カメラ
12:画像処理装置
14:火災報知設備
18:監視領域
20:照明器具
22:火源
24:煙
26:画像入力部
28:稜線濃度強調部
30:差分画像生成部
32:前景画像抽出部
34:火災判定部
36:制御部
38:煙モデル
40:入力フレーム画像
42:1/4グレースケール画像
46:円形フィルタ
48:注目画素
50:参照画素
10: Surveillance camera 12: Image processing device 14: Fire alarm equipment 18: Monitoring area 20: Lighting equipment 22: Fire source 24: Smoke 26: Image input unit 28: Edge line density emphasis unit 30: Difference image generation unit 32: Foreground image Extraction unit 34: Fire determination unit 36: Control unit 38: Smoke model 40: Input frame image 42: 1/4 gray scale image 46: Circular filter 48: Pixel of interest 50: Reference pixel

Claims (2)

監視領域を撮像した画像を出力する撮像手段と、
前記撮像手段から出力された前記画像を必要に応じてグレースケール化して入力する画像入力手段と、
前記画像入力手段で入力された画像からトップハット処理により画像中の濃度の稜線を強調した稜線濃度強調画像を生成する稜線濃度強調手段と、
前記撮像手段により撮像された煙が発生していない状態の画像を前記画像入力手段により必要に応じてグレースケール化して前記稜線濃度強調手段により生成された稜線濃度強調画像である固定背景画像と、前記稜線濃度強調手段により生成された前記稜線濃度強調画像との差分の絶対値をとった差分画像を生成する差分画像生成手段と、
前記差分画像生成手段で生成された前記差分画像から背景差分により前景画像を抽出する前景画像抽出手段と、
前記前景画像に基づいて火災を判定する火災判定手段と、
を設け
前記稜線濃度強調手段は、前記トップハット処理として、前記入力された画像の各画素を注目画素とし、所定の円形フィルタ内に位置する参照範囲の中で最も小さい画素値を前記注目画素の画素値と置き換える収縮処理を所定回数行った後に、前記参照範囲の中で最も大きい画素値を前記注目画素の画素値と置き換える膨張処理を同じ回数行なって生成した画像と前記入力された元の画像との差分をとって前記稜線濃度強調画像を生成することを特徴とする火災検知装置。
imaging means for outputting an image obtained by imaging a monitoring area;
an image input means for converting the image output from the imaging means into a grayscale as necessary and inputting the image;
ridge line density enhancement means for generating a ridge line density emphasized image by emphasizing ridge lines of density in the image by top hat processing from the image input by the image input means;
a fixed background image, which is a ridgeline density emphasized image generated by the ridgeline density emphasizing means by grayscaling the image of a state in which smoke is not generated and captured by the imaging means by the image input means as necessary; difference image generating means for generating a difference image obtained by taking the absolute value of the difference from the edge line density emphasized image generated by the edge line density emphasizing means;
a foreground image extracting means for extracting a foreground image from the differential image generated by the differential image generating means by background subtraction;
fire determination means for determining a fire based on the foreground image;
provided ,
As the top-hat processing, the edge line density emphasizing means sets each pixel of the input image as a pixel of interest, and sets the smallest pixel value in a reference range located within a predetermined circular filter as the pixel value of the pixel of interest. After performing the erosion process for replacing with a predetermined number of times, the image generated by performing the same number of expansion processes for replacing the largest pixel value in the reference range with the pixel value of the target pixel and the input original image. A fire detection device , wherein the ridgeline density-enhanced image is generated by taking a difference .
撮像手段により、監視領域を撮像した画像を出力し、
画像入力手段により、前記撮像手段から出力された前記画像を必要に応じてグレースケール化して入力し、
稜線濃度強調手段により、前記画像入力手段で入力された画像からトップハット処理により画像中の濃度の稜線を強調した稜線濃度強調画像を生成し、
差分画像生成手段により、前記撮像手段により撮像された煙が発生していない状態の画像を前記画像入力手段により必要に応じてグレースケール化して前記稜線濃度強調手段により生成された稜線濃度強調画像である固定背景画像と、前記稜線濃度強調手段により生成された前記稜線濃度強調画像との差分の絶対値をとった差分画像を生成し、
前景画像抽出手段により、前記差分画像生成手段で生成された前記差分画像から背景差分により前景画像を抽出し、
火災判定手段により、前記前景画像に基づいて火災を判定
前記稜線濃度強調手段の前記トップハット処理として、前記入力された画像の各画素を注目画素とし、所定の円形フィルタ内に位置する参照範囲の中で最も小さい画素値を前記注目画素の画素値と置き換える収縮処理を所定回数行った後に、前記参照範囲の中で最も大きい画素値を前記注目画素の画素値と置き換える膨張処理を同じ回数行なって生成した画像と前記入力された元の画像との差分をとって前記稜線濃度強調画像を生成することを特徴とする火災検知方法。
Outputting an image obtained by imaging the monitoring area by the imaging means,
inputting the image output from the imaging means by converting it into a gray scale as necessary by an image input means;
edge line density emphasizing means for generating a ridge line density emphasized image by emphasizing density ridge lines in the image by top hat processing from the image input by the image input means;
A ridgeline density-enhanced image generated by the ridgeline density emphasizing means by converting the image of a state in which no smoke is generated by the imaging means into a gray scale as required by the image input means by means of the difference image generating means. generating a differential image obtained by taking an absolute value of a difference between a certain fixed background image and the edge line density emphasized image generated by the edge line density emphasizing means;
a foreground image extracting means for extracting a foreground image from the difference image generated by the difference image generating means by background subtraction;
Fire determination means determines a fire based on the foreground image,
As the top-hat processing of the edge line density emphasizing means, each pixel of the input image is set as a pixel of interest, and the smallest pixel value within a reference range located within a predetermined circular filter is set as the pixel value of the pixel of interest. After performing the replacement erosion process a predetermined number of times, the difference between the image generated by performing the same number of expansion processes of replacing the largest pixel value in the reference range with the pixel value of the target pixel and the input original image. A fire detection method , wherein the edge line density-enhanced image is generated by taking
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