TWI694382B - 具深度視覺之煙霧偵測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其係利用圖像攝影單元及深度影像單元來擷取周邊影像及周邊深度資訊，利用載具巡邏地區，如加工廠的廠區，以接收周邊環境資訊來偵測是否有起火之燃燒物件及其煙霧的飄散，以處裡單元利用分群演算法估測出燃燒物件的煙霧分布或火源位置，並利用警示單元提供警示資訊，讓救援人員可以提前做出應對方法，或使救援人員能即時應變，以提供正確的資訊給予於現場進行救火的消防員，縮短控制火勢的時間，並增加人員逃生的時間。

Description

具深度視覺之煙霧偵測方法
本發明是關於一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其係一種利用分群演算法來估測燃燒物件之煙霧分布或火源位置，以提供救援人員火災資訊之偵測方法。
臺灣的人口密度較高其導致有限的生活空間，因此現今的住宅多為集合式的高樓為主，但高樓建築如發生火災，常造嚴重的人員傷亡及財物損失。因此擁有完善的防火災的裝置對於現今高樓林立的城市環境中，是生活於城市的居民所需要的，因此產業界紛紛提供不同之火災警報裝置，以適應密集的城市高樓環境。
習知之火災警報裝置，其可透過煙霧的濃度和溫度感測器來做偵測，必須等到火災發生一段時間後煙霧達到一定的濃度才會觸發偵測器，並產生警報，基於溫度高低的煙霧及火災偵測系統可以即時偵測到火焰及煙霧並發出警報，但習知的火災警報裝置因為其係固定之裝置，導致有距離和空間的限制，因此並不適用於開放式空間、轉角繁多或是戶外空地等地區，且該習知的火災警報裝置也無法提供火災發生時起火點的位置以及煙霧分布等相關資訊。而以溫度高低為標準的火災即時偵測裝置，時常會有誤判發出警報的問題。
但結合攝影裝置之火災偵測裝置，可以即時從監控器中取得更多的火災相關資訊，相較煙霧偵測及溫度感測之裝置，能穩定偵測且快速反應。因此，以視覺為基礎的火災及煙霧偵測裝置在防火災偵測裝置的研究及產品設計，已成為產學界重要的發展方向。
因此本發明提供一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其利用圖像攝影裝置及深度攝影裝置，拍攝火災現場的場景取得周邊影像及深度影像，以處理單元及分類演算法區分燃燒物件的煙霧分布及火源位置，呈現火災現場的完整場景，使救援人員即時應變可以即時的提供正確的資訊給予火災現場的消防員，縮短滅火時間，並增加人員逃生的機會。
本發明之一目的在於提供一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其係利用圖像攝影裝置及深度攝影裝置，拍攝火災現場的場景取得周邊影像及周邊深度影像，並以處理單元及分類演算法估測周邊影像包含之至少一燃燒物件之煙霧分布及火源位置。
為達到上述所指稱之各目的與功效，本發明提供一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其步驟包含：依據一載具之至少一圖像攝影裝置進行擷取複數個周邊影像，並依據該載具之至少一深度攝影裝置取得該些個周邊影像之複數個周邊深度資訊；依據一處理單元判斷該些個周邊影像包含之至少一燃燒物件，該至少一燃燒物件位於該載具之一側；依據該些個周邊影像與該些個周邊深度資訊，獲得該至少一燃燒物件之一圖像資訊與一外觀輪廓；依據該至少一燃燒物件之該圖像資訊與該外觀輪廓，並依據一分群演算法估測該至少一燃燒物件之一煙霧分布或一火源位置；以及依據該至少一燃燒物件之該煙霧分布或該火源位置產生一警示資訊。
本發明之一實施例中，其中於依據處理單元判斷該些個周邊影像包含之至少一燃燒物件，該至少一燃燒物件位於該載具之一側之步驟中，該至少一燃燒物件包含一煙霧及一火源。
本發明之一實施例中，其中該至少一深度攝影裝置包含一結構光投影模組及一結構光攝影單元，該結構光投影模組投射複數個光平面至該至少一燃燒物件，該結構光攝影單元接收經該些個光平面之投影而反射之一光圖像訊息，以取得該些個周邊深度資訊。
本發明之一實施例中，其中該結構光投影模組包含一雷射發光元件以及一透鏡組。
本發明之一實施例中，其中於依據該至少一燃燒物件之該煙霧分布及該火源位置產生該警示資訊之步驟中，係使用該警示模組之至少一音效單元發出該警示資訊。
為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：
本發明提供一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其係利用處裡單元以分群演算法估測出燃燒物件的煙霧分布或火源位置，並利用警示單元提供警示資訊，讓救援人員可以提前做出應對方法，或使救援人員能即時應變，以提供正確的資訊給予於現場進行救火的消防員，縮短控制火勢的時間，並增加人員逃生的時間。
請參閱第1圖，其為本發明之實施例之步驟圖，如圖所示。本實施例之一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其步驟包含：
步驟S10：依據載具之圖像攝影裝置進行擷取周邊影像，並依據載具之深度攝影裝置取得周邊影像之周邊深度資訊；
步驟S20：依據處理單元判斷周邊影像包含之燃燒物件，燃燒物件位於載具之一側；
步驟S30：依據周邊影像與周邊深度資訊，獲得燃燒物件之圖像資訊與外觀輪廓；
步驟S40：依據燃燒物件之圖像資訊與外觀輪廓，並依據分群演算法估測燃燒物件之煙霧分布或火源位置；以及
步驟S50：依據燃燒物件之煙霧分布或火源位置產生警示資訊。再次參閱第1圖及參閱第2圖，第2圖為本發明之實施例之結構示意圖，如圖所示，於步驟S10中，並參考第1圖及第3圖，第3圖為，依據一載具1之至少一圖像攝影裝置10針對周邊進行取像，以擷取複數個周邊影像，並依據載具1之至少一深度攝影裝置20取得複數個周邊影像之複數個周邊深度資訊。周邊深度可指深度攝影裝置20與周邊之空間中各地方的距離。根據一實施例，載具1可為移動載具。移動載具包含無人駕駛移動載具，例如：無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle)或無人地面載具(Unmanned Ground Vehicle)。圖像攝影裝置10包含影像感應器，例如：CCD或CMOS，並可包含夜視鏡或主動紅外夜視照明等，使其具有夜視功能。
於步驟S20中，並參考第1圖至第3圖，第3圖為本發明之實施例之二質化閥值示意圖，依據一處理單元30係利用侵蝕和膨脹將影像HSV和二值化，將所得到的複數個周邊影像進行數據分析區分目標物：
Figure 02_image001
式(一) 其中，m係二值化閥值，f係輸入之影像，n係所有像素之項目，f(x,y)係像素坐標的灰度值。 透過上式(一)判斷該些個周邊影像包含之至少一燃燒物件2，而至少一燃燒物件2位於載具1之一側。
接續上述，處理單元30耦接圖像攝影裝置10及至少一深度攝影裝置20，而至少一深度攝影裝置20包含一結構光投影模組22及一結構光攝影單元21，圖像攝影裝置10擷取複數個周邊影像時，結構光投影模組22對應投射複數個光平面23至至少一燃燒物件2之表面，再由結構光攝影單元21接收經複數個光平面23之投影而反射之一光圖像訊息24，以取得複數個周邊影像之複數個周邊深度資訊。本實施例所使用的偵測方式是透過結構光投影模組22，其原理是利用光源向被測物體之表面投射可控制的光點、光條或光平面，再由攝影裝置等感測器獲得反射之圖像，經幾何計算就可獲得物體的立體座標。於較佳實施例中，結構光投影模組22係採用一雷射發光元件221作為光源，利用雷射同調性好、衰減慢、量測距離長、精準度高等特性，加上其不易受其他光源影響，因此較一般的光線投射為佳。雷射發光元件221提供之雷射光透過一透鏡組222後發散，其在空間中即為光平面23，在較佳之實施例中，透鏡組222當中可包含圖案化透鏡(pattern lens)，其具有圖案化之微結構而可使穿透的雷射光所形成的光平面23具有圖案化特徵，例如在二維平面呈現光點陣列。
於步驟S30中，並參考第1圖及第2圖，依據該些個周邊影像與複數個周邊深度資訊，經處理單元30之運算處理，如利用現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)晶片，其可將複數個周邊影像與複數個周邊深度資訊進行計算與分析，利用其變化程度而取得至少一燃燒物件2與載具1之間的距離，以及至少一燃燒物件2之一圖像資訊與一外觀輪廓。
於步驟S40中，並參考第1圖及第2圖，依據該至少一燃燒物件2之圖像資訊與外觀輪廓，並依據一分群演算法進行至少一燃燒物件之一煙霧分布或一火源位置之估測，分群演算法係利用複數個周邊深度資訊獲得該至少一燃燒物件之該圖像資訊為目標物，並假設樣本數m為
Figure 02_image003
，
Figure 02_image005
為統計出來的參考模型，從樣本集合i隨機選取K個群聚中心點為
Figure 02_image007
，每個樣本集合i計算其群聚中心而得到：
Figure 02_image009
式(二)
Figure 02_image011
式(三) 其中，K為群聚數，
Figure 02_image013
係樣本集合i在最接近K群聚的分類，
Figure 02_image015
係預估之第一群聚中心的位置，j係每個群聚中心的質心，依據式(三)得到下式：
Figure 02_image017
式(四) 依據式(四)，若將K群聚減少一個點得到下式：
Figure 02_image019
,
Figure 02_image021
式(五)
Figure 02_image023
式(六)
Figure 02_image025
式(七)
Figure 02_image027
式(八) 其中，
Figure 02_image029
係預估之第二群聚中心的位置。
透過上述該分群演算法以快速得知火源及煙霧的擴散分布，可快速地將現場實況資訊傳遞至相關人員進行研判，判斷後告知現場消防員應對方式，阻斷火焰蔓延方向及提前驅散煙霧，提供更加有效率之救援及撲滅動作。
於步驟S50中，並參閱第1圖及第2圖，處裡單元30耦接一警示模組40，警示模組40包含至少一音效單元41，並依據至少一燃燒物件2之煙霧分布或火源位置產生警示資訊給予至少一音效單元41產生警報，如警報聲；本實施例也可透過該警示模組40利用Wi-Fi、3G、4G、5G、Bluetooth等無線通訊方式無線連接遠端裝置，並顯示資訊於與該處理單元30耦接之一顯示單元70，提供火災現場之資訊。
再次參閱第2圖，如圖所示，處裡單元30耦接一資料庫50，其用以儲存經處裡單元30估測之圖像攝影裝置10及深度攝影裝置20所擷取之複數個周邊影像及複數個周邊深度資訊；於本實施例中，處裡單元30更耦接一感測單元60，其可感測載具1之移動狀態，進一步求得估測至少一燃燒物件1之移動速度，防止載具1與至少一燃燒物件1相撞。
於較佳之實施例中，本實施例設置一電源供應單元80於載具1，電性連接圖像攝影裝置10、深度攝影裝置20之結構光單元21及雷射發光元件221、警報模組40以及顯示單元70，以提供電力源。
請參閱第4圖，其為本發明之火焰偵測示意圖，如圖所示，周邊影像包含之至少一燃燒物件2，其包含一煙霧5及一火源3，本實施例藉由上述之處理單元30估測煙霧5之煙霧分布6以及估測火源3之火源位置4，使本實施例利用載具1在一地方巡邏來偵測火源及煙霧的位置及飄散方向，利用分群演算法來確認出火源集中部位提供警示並可加以施救，讓救援者可以提前做出應對方法。
綜上所述，本發明為一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其主要利用圖像攝影裝置及深度攝影裝置組成二鏡頭，拍攝火災現場，並透過WiFi網路傳輸，將影像傳回至安全監測人員，將火災現場的實際情形，遠端呈現煙霧偵測系統呈現火災現場的完整場景，而達成以下功效: 1.          利用深度視覺之影像模組將火焰及煙霧分類，快速讓人員能及時得知火勢並撲滅火源，且可透過分群演算得知煙霧及火源之位置，亦可及早告知人員進行撲滅，可在第一時間通知人員進行救護，提前通知被圍困之人員避開而有效降低傷亡。 2.          透過載具將工廠現場的情形即時呈現於相關人員的遠端裝置上，並在災害發生時第一時間通知消防員用最快速的時間依照火災現場的情形，作即時的判斷與處理，解決以往需到火災現場了解情形後，才進行評估動作，增加防火災的應變效率，提升現場救援效率。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈  鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明一實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1:載具 2:燃燒物件 10:圖像攝影裝置 11:周邊影像 20:深度攝影裝置 21:結構光攝影單元 22:結構光投影模組 23:光平面 24:光圖像訊息 221:雷射發光元件 222:透鏡組 3:火源 30:處理單元 4:火源位置 40:警報單元 41:音效單元 5:煙霧 50:資料庫 6:煙霧分布 60:感測元件 70:顯示單元 80:電源供應單元 S10:步驟 S20:步驟 S30:步驟 S40:步驟 S50:步驟
第1圖：其為本發明之實施例之步驟圖； 第2圖：其為本發明之實施例之結構示意圖； 第3圖：其為本發明之實施例之二質化閥值示意圖；以及 第4圖：其為本發明之火焰偵測示意圖。
S10:步驟
S20:步驟
S30:步驟
S40:步驟
S50:步驟

Claims (9)

  1. 一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其步驟包含：提供一圖像攝影裝置以及一深度攝影裝置；依據該圖像攝影裝置擷取複數個周邊影像，並依據該深度攝影裝置取得該些個周邊影像之複數個周邊深度資訊；依據一處理單元判斷該些個周邊影像包含之至少一燃燒物件；依據該些個周邊影像與該些個周邊深度資訊，獲得該至少一燃燒物件之一圖像資訊與一外觀輪廓；依據該至少一燃燒物件之該圖像資訊與該外觀輪廓，並依據一分群演算法估測該至少一燃燒物件之一煙霧分布或一火源位置；以及依據該至少一燃燒物件之該煙霧分布或該火源位置產生一警示資訊；其中，該至少一深度攝影裝置包含一結構光投影模組及一結構光攝影單元，該結構光投影模組投射複數個光平面至該至少一燃燒物件，該結構光攝影單元接收經該些個光平面之投影而反射之一光圖像訊息，以取得該些個周邊深度資訊。
  2. 如請求項1所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中於依據處理單元判斷該些個周邊影像包含之至少一燃燒物件之步驟中，該至少一燃燒物件包含一煙霧及一火源。
  3. 如請求項1所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中該結構光投影模組包含一雷射發光元件以及一透鏡組。
  4. 如請求項1所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中於依據該至少一燃燒物件之該煙霧分布及該火源位置產生該警示資訊之步驟中，係使用該警示模組之至少一音效單元發出該警示通知。
  5. 如請求項1所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中該分群演算法中係式：
    Figure 108100444-A0305-02-0013-1
    ，其係由式：Ci=argmin∥xi-μj∥2而得；其中，K為群聚數，Ci係樣本集合i在最接近K群聚的分類，μj係預估之第一群聚中心的位置，j係每個群聚中心的質心。
  6. 如請求項1所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中該圖像攝影裝置或該深度攝影裝置安裝於一載具之上。
  7. 如請求項6所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中該載具包含一移動載具。
  8. 一種具深度視覺之煙霧偵測方法，其步驟包含：提供一圖像攝影裝置以及一深度攝影裝置；依據該圖像攝影裝置擷取複數個周邊影像，並依據該深度攝影裝置取得該些個周邊影像之複數個周邊深度資訊；依據該些個周邊影像與該些個周邊深度資訊，獲得一燃燒物件之一圖像資訊與一外觀輪廓；依據該燃燒物件之該圖像資訊與該外觀輪廓，並依據一分群演算法估測該至少一燃燒物件之一煙霧分布或一火源位置；以及依據該至少一燃燒物件之該煙霧分布或該火源位置產生一警示資訊，其中該分群演算法中係式：
    Figure 108100444-A0305-02-0013-2
    其係由式：Ci=argmin∥xi-μj∥2而得；其中，Ci係樣本集合i在最接近K群聚的分類，K為群聚數，μj係預估之第一群聚中心的位置，j係每個群聚中心的質心，該至少一深度攝影裝置包含一結構光投影模組及一結構光攝影單元，該結構光投影模組投射複數個光平面至該至少一燃燒物件，該結構光攝影單元接收經該些個光平面之投影而反射之一光圖像訊息，以取得 該些個周邊深度資訊。
  9. 如請求項8所述之具深度視覺之煙霧偵測方法，其中還包含依據一處理單元判斷該些個周邊影像包含之該至少一燃燒物件的步驟。
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