TWI457863B - 防災預警裝置及其方法 - Google Patents

Description

防災預警裝置及其方法

本發明是有關於一種預警裝置，特別是指一種依紀錄影像之位移而提出警示的防災預警裝置。

全球氣候的變遷，讓颱風及豪雨的強度較以往更為強烈，易造成土石流、邊坡滑動、洪水氾濫、橋墩倒塌等災害，除此之外，頻繁的地震也常造成生命財產的損失。隨著現代科技的進步，已經可以透過衛星隨時監測氣象變化，而讓人們提早開始進行對颱風的防災準備。但，豪雨造成的土石流等現象，由於影響因素眾多且範圍廣大，往往不容易事前預測。

此外，地震相較於颱風，較難預估，且來臨的當下往往是非常突然的，故無法給予人們充分的時間以進行防震的準備。但，在一規模較大的地震來臨之前，就會先發生一系列規模較小的前震，因此，藉由前震的觀察，可盡早對規模較大的地震進行提醒及預警，爭取分秒必爭的反應時間，以避免重大的人員傷亡。

惟，特地為地震量身打造的預警設備的針對性較強、費用高昂，且普及也較為不易。因此，必須設計一個能適用地震、颱風、土石流..等天然災害，且易於普及的防災預警設備。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有防災及防盜功能的防災預警裝置。

於是，本發明防災預警裝置，包含一光源單元、一影像紀錄單元及一電連接影像紀錄單元的中央處理單元。

該光源單元包括一屏幕及一設置於該屏幕的發光模組，該發光模組產生至少一對應光點。該影像紀錄單元依時序對該光點擷取影像，並紀錄成數個影像資料。該中央處理單元電連接該影像紀錄單元，且針對接續的影像資料分析該光點的位置，並計算該光點的一位移值，接著，根據一預警安全範圍來判斷該位移值是否超出該預警安全範圍，而對應地產生一警示訊號。

較佳地，該屏幕具有數個孔隙，該發光模組透過該等孔隙形成對應光點。

較佳地，該防災預警裝置還包含一電連接該中央處理器的傳輸單元，透過該傳輸單元發送該警示訊號。

較佳地，該影像紀錄單元包括一固定於一第一量測位置的固定件、一設於該固定件的影像偵測器及一連接該固定件與一第一待量測位置的第一連動件，該光源單元還包括一固接件及一第二連動件，該固接件固定於一第二量測位置，該屏幕設於該固接件，該第二連動件連接該固接件與一第二待量測位置。

較佳地，該防災預警裝置還包含一太陽能供電單元，該太陽能供電單元提供電力給該光源單元、該影像紀錄單元、該中央處理單元及該傳輸單元的其中至少一。

較佳地，該中央處理單元包括一濾除模組，該中央處理單元接收一控制指令，該濾除模組即將該等影像資料分別劃分為一待辨識區域及一非辨識區域，再於該待辨識區域辨識該光點。

較佳地，該中央處理單元包括一光點追蹤模組，該光點追蹤模組分別由該等影像資料得到包含每一畫素的一函數，再由該等函數計算互相關函數值，而得到一互相關函數分布，依據互相關函數分布的一峰值與一原點之間的距離計算得到該光點的該位移值。

更佳地，該中央處理單元包括一光點追蹤模組，該光點追蹤模組分別由該等影像資料得到只包含該光點的多數個畫素的一函數，再由該等函數計算數位直接互相關函數，而得到一互相關函數分布，依據互相關函數分布的一峰值與一原點之間的距離計算得到該光點的該位移值。

更佳地，該中央處理單元針對任二接續的影像資料計算該光點的移動量，再加總該等移動量，而得該位移值。

更佳地，令該等影像資料分別為第i=1~K個影像資料，該中央處理單元針對任一第i個影像資料與第1個影像資料分析該光點的位置，並計算該光點的該位移值。

更佳地，該光點追蹤模組計算該等互相關函數值的一高斯分布，再透過一次畫素精確度計算該高斯分佈的一峰值至該等互相關函數值的一峰值的次畫素位移量而得到該光點的該位移值。

本發明之另一目的，即在提供一種防災預警方法。

於是，本發明防災預警方法，係透過一防災預警裝置執行，該數位影像預警方法包含以下步驟：

(A)產生至少一光點；

(B)依時序對該光點擷取影像並紀錄成數個影像資料；及

(C)針對接續的影像資料分析該光點的位置，且計算該光點的一位移值；及

(D)根據一預警安全範圍來判斷該位移值是否超出該預警安全範圍，而對應地產生一警示訊號。

較佳地，該步驟(B)包括以下子步驟：

(B-1)預設監測時間間距；

(B-2)對該光點攝取具有一背景雜訊的複數個影像；及

(B-3)過濾每一影像的該背景雜訊之後，並儲存成一影像資料。

較佳地，該步驟(C)是包括：由每一影像資料得到一包含每一畫素的函數，將該等函數執行互相關函數計算，而得到一互相關函數分布，並依據互相關函數分布的一峰值與一原點之間的距離計算得到一位移值。

較佳地，該步驟(C)是包括：由每一影像資料得到一只包含該光點的多數個畫素的函數，將該等函數執行直接互相關函數計算，而得到一互相關函數分布，並依據互相關函數分布的一峰值與一原點之間的距離計算得到一位移值。

更佳地，該步驟(C)是包括：針對任二接續的該等影像資料的該等函數執行計算。

更佳地，該步驟(C)是包括：令該等影像資料分別為第i=1~K個影像資料，針對任一第i個影像資料與第1個影像資料的該等函數執行計算。

本發明之功效在於提供一種具有防災及防盜功能的預警裝置，不僅量測的設備極為簡單，且能適用於各種的天然災害，並能對近距離及遠距離的使用者發出警報，以爭取防災及防盜的準備時間，有效降低天然災害所帶來的損失。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之五個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明防災預警裝置100之第一較佳實施例包含一光源單元2、一影像紀錄單元3、一電連接影像紀錄單元3的中央處理單元4、一電連接影像中央處理單元4的傳輸單元5及一太陽能供電單元6。

光源單元2包括一屏幕21、一設置於屏幕21的發光模組22及一固接件23。本實施例中，屏幕21為黑色且具有多數個孔隙211，發光模組22具有多數個LED光源221且穿設於屏幕21的孔隙211，藉此形成多數個光點。光點的數目以15~20個且均勻分布於屏幕21中間1/2的範圍為佳，但不以此數目及分布的範圍為限。光源單元2的屏幕21設於固接件23。

影像紀錄單元3包括一固定於一第一量測位置的固定件31及一設於固定件31的影像偵測器32。前述光源單元2的固接件23固定於一第二量測位置，實際位置例如距離第一量測位置50至100公尺，且在影像偵測器32的影像擷取範圍內可以不只一個光源單元2，本實施例是以僅單一個光源單元2舉例說明，不以此為限。

本實施例中，固定件31與固接件23分別為一桿件，影像偵測器32為一CCD。

配合參閱圖3，以下將詳細說明上述的防災預警裝置100所執行之防災預警方法。

首先，執行步驟S10-令防災預警裝置100的光源單元2提供多數個光點。

接著，執行步驟S20-令防災預警裝置100的影像紀錄單元3依時序對前述的光點擷取影像，並紀錄成數個影像資料(如圖4所示)。影像紀錄單元3預設一拍攝的監測時間間距，且此時間間距需較完成影像計算所需的時間為長，例如1秒鐘，每經過該預設監測時間間距，影像紀錄單元3即對光源單元2的屏幕21擷取一張包含前述光點與一背景雜訊的影像資料。補充說明的是，若取像範圍為1280公分*1280公分，且影像資料為1280畫素*1280畫素之解析度，則影像資料的每一畫素所佔的範圍即代表實際面積為1公分，另外，預設監測時間間距可採用浮動時間間距，不以本實施例為限。

然後，進行步驟S30-令防災預警裝置100的中央處理單元4接收來自影像紀錄單元3的影像資料，且針對任二接續的影像資料分析前述光點的位置，並計算光點的一移動量，累加每次所計算的移動量之後，而得到一位移值。

步驟S40-根據一預警安全範圍來判斷位移值是否超出預警安全範圍，若是，則執行步驟S50對應地產生一警示訊號，若無超出預警安全範圍，則返回執行步驟S20。

進一步說明的是，中央處理單元4包括一光點追蹤模組41，以時間上接續的兩張影像資料來說，光點追蹤模組41先由較早的影像資料得到代表其中一畫素的第一影像亮度值函數f(i,j)，其中i代表畫素的x座標，j代表畫素的y座標；再由較晚的影像資料得到代表同一畫素的一第二影像亮度值函數g(i,j)，接著，將第一影像亮度值函數f(i,j)與第二影像亮度值函數g(i,j)代入式一計算互相關函數(Cross Correlation)值C(m,n)，依據所有畫素的互相關函數值可得到如圖5、圖6所示的互相關函數分布。

在互相關函數分布圖中，m代表相較於原點座標(0，0)的x方向位移量，n代表相較於原點座標(0，0)的y方向位移量。若互相關函數分布圖中的峰值位於原點座標(0，0)，即代表此二張影像資料中的光點位移量為0，也就是沒有移動，若峰值位於一座標(m,n)上，則表示光點在此二張影像資料中的x方向上移動m格畫素，且在y方向上移動n格畫素。

配合參閱圖7，光點追蹤模組41還連接互相關函數分布圖中的每一峰值而形成一高斯分布，接著，透過次畫素精確度計算(Sub-pixel analysis)高斯分佈的一峰值至互相關函數分布圖中的最高峰值的次畫素位移量，而得到光點的位移量。詳細說明的是，若互相關函數分布圖中的最高峰值位於座標(m,n)上，透過下列式二的高斯分佈計算式計算高斯分佈峰值至互相關函數分布圖中m峰值的次畫素位移量為Δx，則光點的位移量即為m+Δx，光點Y方向的位移量也是運用同樣的方法即可得n+Δy(未標示於圖式)，藉此，將量測精確度，由未計算次畫素位移量的1/2畫素精確度，提升為數十分之一至數百分之一畫素的量測精確度。

預警安全範圍則可令光點累加的位移值在特定的畫素數目，例如2畫素之內(對應長度為2公分之內)為安全且不需警戒，即回到步驟S20，但是，若累加的位移值超過2畫素時，中央處理單元4即產生警示訊號，並進入步驟S50，當然，本實施例可依不同的監測環境之大小及需要警戒的程度改變預警安全範圍，不以前述的方式為限。

之後，執行步驟S50-傳輸單元5電連接中央處理單元4，且發送警示訊號。本實施例中，傳輸單元5透過無線訊號傳送至手機，以達到遠距及提醒多人之警示效果，傳輸單元5也可透過有線訊號傳送至一區域警鈴系統，以發布區域警示訊號，提醒處於監測環境附近的居民，如此一來，遠距離或近距離的使用者即能夠在第一時間獲得警示，並盡早展開防災的準備。

若本發明應用於大面積地區，例如山區，由於難以設置大量且夠密集的光源單元2，因此可以在光源單元2增設連動件7-連動件7連接固接件23與一第二待量測位置(圖未示)，實際上例如為一纜繩。假設第二待量測位置發生土石崩落或滑動，則因為連動件7帶動固接件23及屏幕21位移，經前述擷取影像及演算後，將可達到偵測預警的目的。

當然，前述連動件7也可以改設置於影像紀錄單元3處，當影像紀錄單元3的固定件31被牽動，也能達到偵測到是否有位移的目的。或者，使光源單元2及影像記錄單元3皆設有連動件7。

此外，本實施例採太陽能供電單元6提供電力給光源單元2、影像紀錄單元3、中央處理單元4及傳輸單元5，但不以此為限。本實施例中，太陽能供電單元6包括一太陽能面板61、一電連接太陽能面板61的電力轉換模組62及一電連接電力轉換模組62的蓄電電池63，電力轉換模組62由太陽能面板61得到一直流電力之後，太陽能供電單元6即透過蓄電電池62蓄集直流電力，之後，再由蓄電電池62分別傳送至光源單元2、影像紀錄單元3、中央處理單元4與傳輸單元5，以達節約省電，並兼顧全天監測的效果。

參閱圖8與圖9，本發明防災預警裝置100之第二較佳實施例與第一較佳實施例的差異在於中央處理單元4還包括一濾除模組42。濾除模組42將前述的影像資料劃分為一待辨識區域及一非辨識區域，接著，本發明防災預警裝置100只需於待辨識區濾除背景雜訊，而不必濾除非辨識區域之背景雜訊，減少運作之時間。

本實施例中，濾除模組42分析作為參考標準的影像資料，記憶並取出每個光點所在的畫素位置，即可將包含每一光點的畫素歸類為待辨識區域，而把不包含光點的畫素歸類為非辨識區域。如此一來，中央處理單元4的光點追蹤模組41由待辨識區域得到只包含光點之畫素的第一影像亮度值函數f(i,j)與第二影像亮度值函數g(i,j)。步驟S30中如圖10所示，以數位直接互相關法(Digital Direct Correlation)先計算較早的影像資料的各個光點與較晚的影像資料的各個光點的位移向量，或說是計算每一畫素的位移量與亮度值f(i,j)、g(i,j)乘積，再如圖11所示組合所有可能位移變化的亮度值乘積疊加分布，得到如圖5或圖6所示的函數分布，此即為互相關函數分佈，其峰值的所在位置，即為量測得的光點位移變化量。藉此降低運算亮點位移的時間。

參閱圖12，本發明防災預警裝置100之第三較佳實施例與第一較佳實施例的差異在於光源單元2的屏幕21只具有一光點且固設於房屋的大門或者是窗戶上，以及防災預警裝置100還包括一電連接中央處理單元4的輸入單元8，透過由輸入單元8輸入的一控制指令，輸入單元8即將影像資料劃分為一包含每一光點的畫素的待辨識區域及一不包含每一光點的畫素的非辨識區域。本實施例中，輸入單元8為一觸控式面板，觸控式面板用以顯示前述的影像資料，且當使用者將本發明的防災預警裝置100運用於房屋的防盜功能時，輸入單元8還供使用者於輸入單元8上圈選包含光點的畫素，並可將包含每一光點的畫素歸類為待辨識區域，而把不包含光點的畫素歸類為非辨識區域。如此一來，當有入侵者移動房屋的門窗時，影像紀錄單元3能擷取並記錄入侵者的影像，中央處理單元4的光點追蹤模組41可由待辨識區域得到只包含光點之畫素的影像亮度值函數，且直接執行數位直接互相關法，而快速得到光點的位移已經超出警戒範圍之外，並透過傳輸單元5發出警報以及傳送入侵者影像以提醒屋主，或者將警示訊號直接傳送至警察局，以尋求協助。

本發明防災預警裝置100之第四較佳實施例與第一較佳實施例的差異在於，防災預警裝置100的影像紀錄單元3依時序對前述的光點擷取影像，並儲存第一張影像資料。當任二接續影像資料的光點累計的位移值超出預警安全範圍之後，影像紀錄單元3仍持續對前述的光點擷取影像，且每張擷取的影像資料皆與第一張影像資料進行比較，以計算光點的位移值，這樣設計的優點在於，不須再累計任二接續影像資料的光點的位移值，如此一來，不僅能避免累計產生的誤差，還能反覆確認光點的位移值是否超出預警安全範圍，提升計算的精確度。

進一步說明的是，本發明防災預警裝置100計算光點的位移值，可以是單獨透過任一影像資料與第一張影像資料進行比較，而得到光點的位移值，當然，也可以透過任二接續的影像資料進行比較，或者是同時運用此二種計算方式以達到反覆確認的效果，不以上述的內容為限。

本發明防災預警裝置100之第五較佳實施例與第一較佳實施例的差異在於光源單元2的屏幕21及發光模組22是設置於一浮體(圖未示)上，浮體用以偵測一地區的洪水水位，或者是地下水水位，當光源單元2隨著浮體上升或下降時，影像紀錄單元3依時序對光點擷取影像，並透過中央處理單元4計算光點的位移值，藉此，避免人為讀取水尺(圖未示)的誤差，並提升監測水位的精準度。

綜上所述，各種天然災害及竊盜行為均伴隨著地表或結構物位移的現象，本發明防災預警裝置100即針對此特性，透過持續偵測連接地表或結構物之光點的位移即可達到全天候監控待測環境之功能，不僅適用的對象及範圍相當廣泛，且使用的器材極為簡單且費用低廉，而有相當高的普及性及量測的精準性，除此之外，本發明還能達到遠距與即時警示之功能，有效減少人命財產的損失，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100．．．防災預警裝置

2．．．光源單元

21．．．屏幕

211．．．孔隙

22．．．發光模組

221．．．LED光源

23．．．固接件

3．．．影像紀錄單元

31．．．固定件

32．．．影像偵測器

4．．．中央處理單元

41．．．光點追蹤模組

42．．．濾除模組

5．．．傳輸單元

6．．．太陽能供電單元

61．．．太陽能面板

62．．．電力轉換模組

63．．．蓄電電池

7．．．連動件

8．．．輸入單元

圖1是一本發明防災預警裝置的第一較佳實施例的組合示意圖，說明防災預警裝置的設計；

圖2是一本實施例的電路示意圖，說明防災預警裝置的設計；

圖3是一本實施例的流程示意圖，說明防災預警方法的流程；

圖4是一本實施例的屏幕示意圖，說明屏幕上光點的位移；

圖5~圖6是一本實施例的分布示意圖，說明屏幕上光點的位移量；

圖7是一本實施例的分布示意圖，說明透過次畫素精確度計算屏幕上光點的位移量；

圖8是一本發明防災預警裝置的第二較佳實施例的電路示意圖，說明防災預警裝置的設計；

圖9是一本實施例的屏幕示意圖，說明屏幕上光點的位移；

圖10~圖11是一本實施例的分布示意圖，說明屏幕上光點的位移；及

圖12是一本發明防災預警裝置的第三較佳實施例的電路示意圖，說明防災預警裝置的設計。

100．．．防災預警裝置

2．．．光源單元

21．．．屏幕

211．．．孔隙

23．．．固接件

3．．．影像紀錄單元

31．．．固定件

32．．．影像偵測器

4．．．中央處理單元

5．．．傳輸單元

6．．．太陽能供電單元

61．．．太陽能面板

62．．．電力轉換模組

63．．．蓄電電池

7．．．連動件

Claims (11)

1. 一種防災預警裝置，包含：一光源單元，包括一屏幕及一設置於該屏幕的發光模組，該發光模組產生至少一對應光點，該屏幕具有數個孔隙，該發光模組透過該等孔隙形成對應光點；一影像紀錄單元，依時序對該光點擷取影像，並紀錄成數個影像資料，該影像紀錄單元包括一固定於一第一量測位置的固定件、一設於該固定件的影像偵測器及一連接該固定件與一第一待量測位置的第一連動件；前述光源單元還包括一固接件及一第二連動件，該固接件固定於一第二量測位置，該屏幕設於該固接件，該第二連動件連接該固接件與一第二待量測位置；及一中央處理單元，電連接該影像紀錄單元，且針對接續的影像資料分析該光點的位置，並計算該光點的一位移值，接著，根據一預警安全範圍來判斷該位移值是否超出該預警安全範圍，而對應地產生一警示訊號，中央處理單元包括一光點追蹤模組，該光點追蹤模組分別由該等影像資料得到包含每一畫素的一函數，或者得到只包含該光點的多數個畫素的一函數，再由該等函數計算互相關函數值，而得到一互相關函數分布，依據互相關函數分布的一峰值與一原點之間的距離計算得到該光點的該位移值。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之防災預警裝置，還包含一電連接該中央處理器的傳輸單元，透過該傳輸單元發 送該警示訊號。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之防災預警裝置，還包含一太陽能供電單元，該太陽能供電單元提供電力給該光源單元、該影像紀錄單元、該中央處理單元及該傳輸單元的其中至少一。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之防災預警裝置，其中，該中央處理單元包括一濾除模組，該中央處理單元接收一控制指令，該濾除模組即將該等影像資料分別劃分為一待辨識區域及一非辨識區域，再於該待辨識區域辨識該光點。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之防災預警裝置，其中，該中央處理單元針對任二接續的影像資料計算該光點的移動量，再加總該等移動量，而得該位移值。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之防災預警裝置，其中，令該等影像資料分別為第i=1~K個影像資料，該中央處理單元針對任一第i個影像資料與第1個影像資料分析該光點的位置，並計算該光點的該位移值。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之防災預警裝置，其中，該光點追蹤模組計算該等互相關函數值的一高斯分布，再透過一次畫素精確度計算該高斯分佈的一峰值至該等互相關函數值的一峰值的次畫素位移量而得到該光點的該位移值。
8. 一種防災預警方法，係透過如請求項1至7中任一項所述之防災預警裝置執行，該防災預警方法包含以下步驟 ：(A)產生至少一光點；(B)依時序對該光點擷取影像並紀錄成數個影像資料；(C)針對接續的影像資料分析該光點的位置，且計算該光點的一位移值，分析方式是由每一影像資料得到一包含每一畫素的函數，或得到一只包含該光點的多數個畫素的函數，將該等函數執行互相關函數計算，而得到一互相關函數分布，並依據互相關函數分布的一峰值與一原點之間的距離計算得到該位移值；及(D)根據一預警安全範圍來判斷該位移值是否超出該預警安全範圍，而對應地產生一警示訊號。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之防災預警方法，其中，該步驟(B)包括以下子步驟：(B-1)預設監測時間間距；(B-2)對該光點攝取具有一背景雜訊的複數個影像；及(B-3)過濾每一影像的該背景雜訊之後，並儲存成一影像資料。
10. 依據申請專利範圍第8項所述之防災預警方法，其中，該步驟(C)是包括：針對任二接續的影像資料的該等函數執行計算。
11. 依據申請專利範圍第8項所述之防災預警方法，其中，該步驟(C)是包括： 令該等影像資料分別為第i=1~K個影像資料，針對任一第i個影像資料與第1個影像資料的該等函數執行計算。