KR20170100319A

KR20170100319A - 실시간 화재감지 방법

Info

Publication number: KR20170100319A
Application number: KR1020160022736A
Authority: KR
Inventors: 안수용; 김재영
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-09-04
Also published as: KR101806503B1

Abstract

실시간 화재감지 방법이 개시된다. 실시간 화재감지 방법은 카메라로부터 원본 영상을 입력받는 단계와, 상기 원본 영상을 다운 샘플링하는 단계와, 상기 다운 샘플링된 원본 영상에서 배경을 제거하는 단계와, 상기 배경이 제거된 영상에서 화재 픽셀을 검출하는 단계와, 상기 검출된 화재 픽셀을 그룹핑하여 화재후보영역을 검출하는 단계 및 상기 검출된 화재후보영역에서 추출된 화재후보영상의 주성분을 추출하여 상기 화재후보영상이 화재영상인지 판단하는 단계를 포함한다. 따라서, 화재감지 성능을 높일 수 있다.

Description

실시간 화재감지 방법{REALTIME FIRE SENSING METHOD}

본 발명은 실시간 화재감지 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실내외에 설치된 360도 전방위 카메라로부터 입력된 고해상도 영상을 컴퓨터 비전 알고리즘을 이용하여 실시간으로 처리 후 화재의 발생여부를 판단하는 실시간 화재감지 방법에 관한 것이다.

기존의 영상처리 기반 화재감지 시스템은 30~60도 Field-of-view(FOV)를 가지는 저해상도 영상(320*240 이하)을 이용함으로써 특히 단거리 및 화재가 일어날 가능성이 있는 특정영역에 국한되어 설치 및 운영되었다. 또한 영상처리 알고리즘의 수행은 카메라 보드가 아닌 Network Video Recorder(NVR)에서 수행함으로써 NVR에 여러 대의 카메라가 연결되어 있을 경우 처리속도 저하를 유발할 수 있다.

본 발명의 목적은 360도 전방위 고해상도(2048*1536) 영상을 입력받아 영상처리 알고리즘을 이용하여 실시간으로 화재감지가 가능하도록 한 실시간 화재감지방법을 제공하는 것이다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 실시간 화재감지 방법은, 카메라로부터 원본 영상을 입력받는 단계와, 상기 원본 영상을 다운 샘플링하는 단계와, 상기 다운 샘플링된 원본 영상에서 배경을 제거하는 단계와, 상기 배경이 제거된 영상에서 화재 픽셀을 검출하는 단계와, 상기 검출된 화재 픽셀을 그룹핑하여 화재후보영역을 검출하는 단계 및 상기 검출된 화재후보영역에서 추출된 화재후보영상의 주성분을 추출하여 상기 화재후보영상이 화재영상인지 판단하는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같은 실시간 화재감지 방법에 따르면, 종래에는 320*240 해상도의 영상을 처리하여 단거리 화재를 탐지하는 반면, 본 발명에서는 고해상도(2048*1536) 영상을 실시간으로 처리하는 알고리즘이며 하나의 카메라로 360도 전방위를 탐지하므로 여러 대의 카메라가 필요 없다.

또한, 주성분 분석을 통해 불꽃의 시간적-공간적 변화에 대한 특징을 추출하므로 화재감지 성능을 높일 수 있다.

또한, 일반 사각형 영상뿐만 아니라 원형 영상에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 감지 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 감지 방법의 흐름도이다.
도 3은 원본 입력영상의 예시도이다.
도 4는 배경분리 결과 예시도이다.
도 5는 불꽃 픽셀 검출 예시도이다.
도 6은 화재후보영역 그룹핑 결과 예시도이다.
도 7은 화재후보영역 영상 변환 예시도이다.
도 8은 화재후보영상 및 주성분영상 예시도이다.
도 9는 주성분에 해당하는 픽셀 값의 변화 예시도이다.
도 10은 1D-LBP 적용 및 히스토그램 변환 예시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고, 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화재 감지 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시간 화재 감지 장치는 영상 입력부(110)와, 영상크기 변환부(120)와, 배경 분리부(130)와, 화재 픽셀 검출부(140)와, 화재후보영역 검출부(150)와, 이미지 변환부(160)와, 주성분 분석부(170)와, 특징벡터 추출부(180)와, 화재영상 판단부(190)를 포함한다.

영상 입력부(110)는 카메라로부터 원본(raw) 영상을 입력받아 YCbCr color 모델로 변환한다.

영상크기 변환부(120)는 영상 입력부(110)에서 전달되는 2048*1536 이상의 고해상도 영상을 처리하기 위하여 원본 영상을 다운 샘플링(down sampling)하여 영상의 크기를 1/2 ~ 1/8로 줄인다.

배경 분리부(130)는 화재가 발생한 영역은 불꽃의 움직임으로 인해 움직이는 물체와 동일하게 볼 수 있는 원리에 따라서 영상 내 변화가 없는 배경(background)을 제거한 후 전경(foreground)만 추출하여 화재탐지 영역을 줄일 수 있다.

화재 픽셀 검출부(140)는 배경 분리부(130)에서 배경이 제거된 영상에서 컬러(color) 기반 불꽃 영역의 픽셀(pixel) 값을 이용하여 픽셀 단위로 불꽃 픽셀인지 아닌지 판단하여 화재 픽셀을 검출한다.

화재후보영역 검출부(150)는 화재 픽셀 검출부(140)에서 검출된 화재 픽셀에 따라 연결요소 레이블링(connected component labeling) 방법을 통하여 화이트 픽셀(white pixel)을 그룹핑(grouping)하여 화재후보영역을 검출한다.

이미지 변환부(160)는 화재후보영역 검출부(150)에서 검출된 화재후보영역을 사각형 이미지로 변환하고 관심영역(region of interest, roi)을 원본영상에서 추출한다.

주성분 분석부(170)는 동일 화재후보영역에서 추출된 N개의 화재후보영상에 주성분 분석방법(PCA)을 적용하여 화재후보영상의 주성분(principal component)을 추출하여 분석한다. 여기서, 바람직하게는 네번째 성분까지 추출하고, 주성분에 해당하는 픽셀 값의 변화를 저장한다.

특징벡터 추출부(180)는 주성분 분석부(170)에 의해 저장된 주성분 픽셀 값의 변화에 1D-LBP(Local Binary Pattern)를 적용한 후 그 결과를 히스토그램으로 변환하여 특징벡터를 추출한다.

화재영상 판단부(190)는 특징벡터 추출부(180)에서 추출된 히스토그램 특징벡터를 미리 학습된 SVM 분류기(Support Vector Machine classifier)에 입력으로 하여 화재후보영상이 화재영상인지 아닌지 판단한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 화재 감지 방법의 흐름도이고, 도 3은 원본 입력영상의 예시도이며, 도 4는 배경분리 결과 예시도이고, 도 5는 불꽃 픽셀 검출 예시도이며, 도 6은 화재후보영역 그룹핑(grouping) 결과 예시도이고, 도 7은 화재후보영역 영상 변환 예시도이며, 도 8은 화재후보영상 및 주성분영상 예시도이고, 도 9는 주성분에 해당하는 픽셀 값의 변화 예시도이며, 도 10은 1D-LBP 적용 및 히스토그램 변환 예시도이다.

도 2 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 화재감지용 영상처리 방법은 크게 9단계로 구성된다. 각 단계에서 수행하는 동작은 아래와 같다.

먼저, 도 2에서와 같이 카메라로부터 원본(raw) 영상을 입력 받은 후 YCbCr color 모델로 변환한다(S110).

이어서, 2048*1536 이상의 고해상도 영상을 처리하기 위하여 원본 영상을 다운 샘플링(down sampling)하여 영상의 크기를 1/2 ~ 1/8로 줄인다(S120).

이어서, 도 4에서와 같이 화재가 발생한 영역은 불꽃의 움직임으로 인해 움직이는 물체와 동일하게 볼 수 있다. 따라서 영상 내 변화가 없는 배경(background)을 제거한 후 전경(foreground)만 추출하여 화재탐지 영역을 줄일 수 있다(S130).

이어서, 도 5에서와 같이 컬러(color) 기반 불꽃 영역의 픽셀(pixel) 값을 이용하여 픽셀 단위로 불꽃 픽셀인지 아닌지 판단하여 화재 픽셀을 검출한다(S140).

이어서, 도 6에서와 같이 연결요소 레이블링(connected component labeling) 방법을 통하여 도 5에서의 화이트 픽셀(white pixel)을 그룹핑(grouping)하여 화재후보영역을 검출한다(S150).

이어서, 도 7에서와 같이 화재후보영역을 사각형 이미지로 변환하고 관심영역(region of interest, roi)을 원본영상에서 추출한다(S160).

이어서, 도 8에서와 같이 동일 화재후보영역에서 추출된 N개의 화재후보영상에 주성분 분석방법(PCA)을 적용하여 화재후보영상의 주성분(principal component)을 추출하여 분석한다(S170). 바람직하게는 네번째 성분까지 추출한다. 여기서, 주성분에 해당하는 픽셀 값의 변화를 저장한다. 도 9에 주성분에 해당하는 픽셀 값의 변화가 예시되어 있다.

이어서, 도 10에서와 같이 주성분 픽셀 값의 변화에 1D-LBP(Local Binary Pattern)를 적용한 후 그 결과를 히스토그램으로 변환하여 특징벡터를 추출한다(S180).

이어서, 히스토그램 특징벡터를 미리 학습된 SVM 분류기(Support Vector Machine classifier)에 입력으로 하여 화재후보영상이 화재영상인지 아닌지 판단한다(S190).

전술한 바와 같이 본 발명에서는 360도 전방위 카메라 기반의 원거리 화재감지 방법을 제공한다. 360도 전방위 영상은 일반 영상과는 달리 왜곡되어 있으므로 파노라마 영상으로 변환하여 처리한다. 입력 영상이 다른 화재감지 시스템과는 달리 고해상도(2048*1536 이상)이므로 원본 크기의 영상을 실시간으로 처리하는 것은 저성능 프로세서로는 불가능하다. 따라서 원본 영상을 다운 샘플링(down sampling)하여 빠르게 처리 후 화재후보영역을 추출한다.

화재후보 영역이 추출되면 그 영역에 해당하는 영상을 원본 영상에서 추출하여 정밀 분석하는 방법을 통하여 속도를 개선시킬 수 있다. 또한 화재감지 알고리즘이 NVR(Network Video Recoder)이 아닌 개별 카메라보드에 내장되어 수행되므로 NVR에 여러 대의 카메라가 연결되어 있어도 화재감지 처리속도에 영향을 미치지 않는다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 영상 입력부 120 : 영상크기 변환부
130 : 배경 분리부 140 : 화재 픽셀 검출부
150 : 화재후보영역 검출부 160 : 이미지 변환부
170 : 주성분 분석부 180 : 특징벡터 추출부
190 : 화재영상 판단부

Claims

화재 감지 장치에서의 실시간 화재감지방법으로서,
카메라로부터 원본 영상을 입력받는 단계;
상기 원본 영상을 다운 샘플링하는 단계;
상기 다운 샘플링된 원본 영상에서 배경을 제거하는 단계;
상기 배경이 제거된 영상에서 화재 픽셀을 검출하는 단계;
상기 검출된 화재 픽셀을 그룹핑하여 화재후보영역을 검출하는 단계; 및
상기 검출된 화재후보영역에서 추출된 화재후보영상의 주성분을 추출하여 상기 화재후보영상이 화재영상인지 판단하는 단계
를 포함하는 실시간 화재감지방법.