專利名稱：森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺領(lǐng)域，涉及一種通過計算機(jī)自動識別手段對森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
森林防火是有利于國計民生的熱點(diǎn)問題，目前，傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)包括人工護(hù)林監(jiān)測、飛機(jī)航測和衛(wèi)星監(jiān)測等，由于人工護(hù)林監(jiān)測的局限性以及飛機(jī)航測與衛(wèi)星監(jiān)測費(fèi)用十分的昂貴，有需求在瞭望塔上建立高科技的火情自動監(jiān)測系統(tǒng)。通過計算機(jī)自動識別的手段降低森林火險等級可帶來極其顯著的社會及經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)一般包括控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺，圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)；控制系統(tǒng)首先控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動使圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行全背景采樣，轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)一個小角度圖像采集系統(tǒng)采集一幀圖像作為模板圖像，并將其存儲于圖像處理系統(tǒng)。全背景采樣完畢后，控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)一個小角度圖像采集系統(tǒng)采集一幀圖像作為實(shí)時圖像，然后圖像處理系統(tǒng)將實(shí)時圖像與模板圖像進(jìn)行相減，根據(jù)相減運(yùn)算得到的差值判斷是否有著火點(diǎn)。這種監(jiān)測系統(tǒng)要求在做圖像相減的時候，模板圖像與實(shí)時圖像為同一角度， 對轉(zhuǎn)臺以及編碼器的要求很高，而且對運(yùn)動十分敏感。由于存儲背景圖像的角度不可能無限小，而且受轉(zhuǎn)臺運(yùn)動速度和平穩(wěn)度的影響可能會有輕微晃動，編碼器送的當(dāng)前轉(zhuǎn)臺角度值也存在一定誤差，兩幅圖像相減后可能會產(chǎn)生很多非目標(biāo)的噪聲點(diǎn)，容易獲得很高的誤警率，且不適合一直運(yùn)動的轉(zhuǎn)臺。同時，傳統(tǒng)的算法在執(zhí)行過程中都需要轉(zhuǎn)臺停下來，比較靜止的實(shí)時圖片和模板圖片，算法執(zhí)行效率低。即便如此，由于天氣、光照等的變化，誤警率也較高。其原因是，圖像相減本身就對運(yùn)動和噪聲十分敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種誤警率低的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺，圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)，并控制圖像采集系統(tǒng)采集模板圖像和實(shí)時圖像，圖像采集系統(tǒng)采集的模板圖像和實(shí)時圖像送給圖像處理系統(tǒng)；圖像處理系統(tǒng)根據(jù)模板圖像和實(shí)時圖像判別是否有疑似著火點(diǎn)；所述的圖像處理系統(tǒng)包括模板圖像存儲裝置；疑似著火點(diǎn)判別裝置將圖像采集系統(tǒng)采集的實(shí)時圖像分成多個nXm的小區(qū)域， 設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域；在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)
域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度氏，其中i = 1,2,......，k，k等于灰度動態(tài)范圍
大于S的候選區(qū)域數(shù)量；設(shè)匹配度高閾值為&，匹配度低閾值為R1 ；若氏中大于&的個數(shù)大于k/2，則判定小于Ii1的氏對應(yīng)的候選區(qū)域?yàn)橐伤浦瘘c(diǎn)，向控制系統(tǒng)輸出有疑似著火點(diǎn)的信息。本發(fā)明在實(shí)時圖像上選擇灰度動態(tài)范圍較大的一些候選區(qū)域，并在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度氏，利用氏來確定是否有疑似著火點(diǎn)。由于這些候選區(qū)域是在擴(kuò)大的范圍內(nèi)尋找匹配度最高的區(qū)域，在轉(zhuǎn)臺輕微晃動或定位不準(zhǔn)的情況下，依然可以通過局部搜索，可靠地判定是否有疑似著火點(diǎn)。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明具有較低的誤警率，較高的穩(wěn)定度。所述圖像處理系統(tǒng)還包括確認(rèn)著火點(diǎn)位置的裝置；控制系統(tǒng)接收到有疑似著火點(diǎn)的信息，則發(fā)出轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動控制命令；轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制圖像采集系統(tǒng)連續(xù)采集多幀圖像；確認(rèn)著火點(diǎn)位置的裝置將轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動后圖像采集裝置采集的連續(xù)多幀圖像與對應(yīng)的模板圖像進(jìn)行相減，判斷R、G、B三基色相近區(qū)域的位置是否發(fā)生持續(xù)變化，若發(fā)生持續(xù)變化則認(rèn)為R、G、B三基色相近區(qū)域是煙霧位置，向控制系統(tǒng)輸出著火點(diǎn)位置。由于煙霧的顏色近似于白色，R、G、B三基色分量比較相近，并且在燃燒時煙霧具有運(yùn)動性、不固定性，因而可以通過判斷連續(xù)多幀圖像中R、G、B三基色相近區(qū)域的位置是否發(fā)生持續(xù)變化來確認(rèn)是否為著火點(diǎn)位置，進(jìn)一步降低了誤警率。所述模板圖像為預(yù)先存儲的轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)一個角度θ圖像采集系統(tǒng)采集一幀圖像得到的一系列背景圖像；實(shí)時圖像為轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)一個角度θ圖像采集系統(tǒng)3實(shí)時采集的一幀圖像。所述模板圖像和實(shí)時圖像分別為圖像采集裝置實(shí)時采集的整幅圖像中的模板半?yún)^(qū)圖像和實(shí)時半?yún)^(qū)圖像；模板半?yún)^(qū)圖像存儲于模板圖像存儲裝置；當(dāng)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動至模板半?yún)^(qū)圖像的景物成像在實(shí)時半?yún)^(qū)圖像位置時，疑似著火點(diǎn)判別裝置將此時的實(shí)時半?yún)^(qū)圖像分成多個nXm的小區(qū)域，設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于S 的候選區(qū)域；然后在模板圖像存儲裝置中存儲的模板半?yún)^(qū)圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高
匹配度氏，其中i = 1，2，......，k，k等于灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域數(shù)量；設(shè)匹配度
高閾值為Rh，匹配度低閾值為R1 ；若Ri中大于&的個數(shù)大于k/2，則判定小于R1的氏對應(yīng)的候選區(qū)域?yàn)橐伤浦瘘c(diǎn)，向控制系統(tǒng)輸出有疑似著火點(diǎn)的信息；若判定無疑似著火點(diǎn)，則將此時新的模板半?yún)^(qū)圖像存儲于模板圖像存儲裝置。本發(fā)明將實(shí)時采集的整幅圖像分為左右兩個半?yún)^(qū)，根據(jù)轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向，將一個半?yún)^(qū)作為模板圖像，另一個半?yún)^(qū)作為實(shí)時圖像，不需要進(jìn)行全背景采樣，這樣能夠及時發(fā)現(xiàn)火情并進(jìn)行煙霧監(jiān)測，從而避免了采集一圈背景圖像以后再進(jìn)行火情檢測造成的延誤。本發(fā)明還可以包括確定森林區(qū)域的裝置所述確定森林區(qū)域的裝置將圖像進(jìn)行邊緣濾波處理，從上到下搜索森林區(qū)域起始位置，得到森林區(qū)域邊緣一系列y坐標(biāo)值(縱坐標(biāo)值)；疑似著火點(diǎn)判別裝置將實(shí)時圖像中的森林區(qū)域分成多個nXm的小區(qū)域，設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域；在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的
擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度氏，其中i = 1，2，......，k，k等于灰度動態(tài)范圍大于S的候
選區(qū)域數(shù)量；設(shè)匹配度高閾值為&，匹配度低閾值為& ；如果氏中大于&的個數(shù)大于k/2，則判定小于&的氏對應(yīng)的候選區(qū)域?yàn)橐伤浦瘘c(diǎn)，向控制系統(tǒng)輸出有疑似著火點(diǎn)的信息， 使控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動控制命令。本發(fā)明利用煙霧顏色特征和形態(tài)特征進(jìn)行識別，顏色特征包括煙霧位置與周圍森林灰度間具有明顯的亮度差別，形態(tài)特征包括煙霧形態(tài)的運(yùn)動性、不固定性，可以結(jié)合相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)對著火點(diǎn)的檢測。歸納起來，利用著火點(diǎn)的以下兩個特點(diǎn)一是著火點(diǎn)為局部較亮的位置；二是著火點(diǎn)會產(chǎn)生煙霧，煙霧從無到有的過程會使得局部圖像灰度隨時間的變化而發(fā)生改變，可將實(shí)時圖像與模板圖像進(jìn)行比較求取差異較大的位置。本發(fā)明以相關(guān)算法為核心，在轉(zhuǎn)臺輕微晃動或定位不準(zhǔn)的情況下，依然可以通過局部搜索，可靠的判斷著火點(diǎn)以上和以下的相似性變化程度，與傳統(tǒng)方法相比，具有更低漏警率，更高穩(wěn)定度。本發(fā)明可應(yīng)用于分布在林中的瞭望塔上搭建的自動著火點(diǎn)識別系統(tǒng)，并應(yīng)用實(shí)時采集到的運(yùn)動視頻，在360度的范圍內(nèi)對瞭望塔可觀測的林區(qū)進(jìn)行著火點(diǎn)自動識別。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明的森林火災(zāi)監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、3結(jié)構(gòu)框圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2、4結(jié)構(gòu)框圖。圖4a、4b為實(shí)時圖像與模板圖像匹配示意圖。圖fe、5b、5c、5dJe、5f為森林中著火點(diǎn)序列圖片。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)臺1，控制系統(tǒng)2，圖像采集系統(tǒng)3和圖像處理系統(tǒng)4 ；所述控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)，并控制圖像采集系統(tǒng)采集模板圖像和實(shí)時圖像，圖像采集系統(tǒng)3采集的模板圖像和實(shí)時圖像送給圖像處理系統(tǒng)4，由圖像處理系統(tǒng)4判別是否有疑似著火點(diǎn)；若判定有疑似著火點(diǎn)則向控制系統(tǒng)2輸出有疑似著火點(diǎn)的信肩、ο實(shí)施例1如圖2所示，所述的圖像處理系統(tǒng)4包括模板圖像存儲裝置，疑似著火點(diǎn)判別裝置，確認(rèn)著火點(diǎn)位置的裝置。控制系統(tǒng)2首先控制轉(zhuǎn)臺1轉(zhuǎn)動使圖像采集系統(tǒng)3進(jìn)行全背景采樣，轉(zhuǎn)臺1每轉(zhuǎn)一個小角度θ圖像采集系統(tǒng)3采集一幀圖像作為模板圖像，并將其存儲于模板圖像存儲裝置，全背景采樣完畢后，開始進(jìn)行實(shí)時圖像處理過程。一般選擇θ <0. Γ?？刂葡到y(tǒng)2控制轉(zhuǎn)臺1轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臺1每轉(zhuǎn)一個小角度θ圖像采集系統(tǒng)3采集一幀圖像作為實(shí)時圖像，疑似著火點(diǎn)判別裝置將實(shí)時圖像分成多個50X50小區(qū)域，如圖4b所示，設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S = 50，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于50的候選區(qū)
域~、4........Ak;在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域A^A2........Ak位置對應(yīng)的
區(qū)域B1A2........4，并擴(kuò)大搜索范圍，如圖如所示，計算得到候選區(qū)域、、A2........Ak
在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍C^ C2........Ck內(nèi)的最高匹配度禮、&........Rk,匹配度可利用二維歸一化互相關(guān)公式計算，二維歸一化互相關(guān)公式如下式所示
權(quán)利要求
1.一種森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)O)，轉(zhuǎn)臺(1)，圖像采集系統(tǒng)(3)和圖像處理系統(tǒng)(4)；其特征在于所述控制系統(tǒng)(2)控制轉(zhuǎn)臺(1)運(yùn)轉(zhuǎn)，并控制圖像采集系統(tǒng)(3) 采集模板圖像和實(shí)時圖像，圖像采集系統(tǒng)⑶采集的模板圖像和實(shí)時圖像送給圖像處理系統(tǒng)；圖像處理系統(tǒng)(4)根據(jù)模板圖像和實(shí)時圖像判別是否有疑似著火點(diǎn)；所述的圖像處理系統(tǒng)(4)包括模板圖像存儲裝置；疑似著火點(diǎn)判別裝置將圖像采集系統(tǒng)⑶采集的實(shí)時圖像分成多個nXm的小區(qū)域， 設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域；在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度民，其中i = 1,2,......，k，k等于灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域數(shù)量；設(shè)匹配度高閾值為&，匹配度低閾值為R1 ；若氏中大于&的個數(shù)大于k/2，則判定小于Ii1的氏對應(yīng)的候選區(qū)域?yàn)橐伤浦瘘c(diǎn)，向控制系統(tǒng)(2)輸出有疑似著火點(diǎn)的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述圖像處理系統(tǒng)(4) 還包括確認(rèn)著火點(diǎn)位置的裝置；控制系統(tǒng)(2)接收到有疑似著火點(diǎn)的信息，則發(fā)出轉(zhuǎn)臺(1) 停止轉(zhuǎn)動控制命令；轉(zhuǎn)臺⑴停止轉(zhuǎn)動后，控制系統(tǒng)⑵發(fā)出指令控制圖像采集系統(tǒng)⑶連續(xù)采集多幀圖像；確認(rèn)著火點(diǎn)位置的裝置將轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動后圖像采集裝置C3)采集的連續(xù)多幀圖像與對應(yīng)的模板圖像進(jìn)行相減，判斷R、G、B三基色相近區(qū)域的位置是否發(fā)生持續(xù)變化，若發(fā)生持續(xù)變化則認(rèn)為R、G、B三基色相近區(qū)域是煙霧位置，向控制系統(tǒng)( 輸出著火點(diǎn)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述模板圖像為預(yù)先存儲的轉(zhuǎn)臺(1)每轉(zhuǎn)一個角度θ圖像采集系統(tǒng)(3)采集一幀圖像得到的一系列背景圖像；實(shí)時圖像為轉(zhuǎn)臺(1)每轉(zhuǎn)一個角度θ圖像采集系統(tǒng)(3)實(shí)時采集的一幀圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述模板圖像和實(shí)時圖像分別為圖像采集裝置C3)實(shí)時采集的整幅圖像中的模板半?yún)^(qū)圖像和實(shí)時半?yún)^(qū)圖像；模板半?yún)^(qū)圖像存儲于模板圖像存儲裝置；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(1)轉(zhuǎn)動至模板半?yún)^(qū)圖像的景物成像在實(shí)時半?yún)^(qū)圖像位置時，疑似著火點(diǎn)判別裝置將此時的實(shí)時半?yún)^(qū)圖像分成多個nXm的小區(qū)域，設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域；然后在模板圖像存儲裝置中存儲的模板半?yún)^(qū)圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度Ri,其中i = 1，2，......，k，k等于灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域數(shù)量；設(shè)匹配度高閾值為&，匹配度低閾值為& ；若氏中大于&的個數(shù)大于k/2，則判定小于Ii1的氏對應(yīng)的候選區(qū)域?yàn)橐伤浦瘘c(diǎn)，向控制系統(tǒng)⑵輸出有疑似著火點(diǎn)的信息；若判定無疑似著火點(diǎn)，則將此時新的模板半?yún)^(qū)圖像存儲于模板圖像存儲裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于還包括確定森林區(qū)域的裝置所述確定森林區(qū)域的裝置將圖像進(jìn)行邊緣濾波處理，從上到下搜索森林區(qū)域起始位置，得到森林區(qū)域邊緣一系列y坐標(biāo)值；疑似著火點(diǎn)判別裝置將實(shí)時圖像中的森林區(qū)域分成多個nXm的小區(qū)域，設(shè)灰度動態(tài)范圍閾值為S，在全部的小區(qū)域中選擇灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域；在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度氏，其中i = 1，·2，......，k，k等于灰度動態(tài)范圍大于S的候選區(qū)域數(shù)量；設(shè)匹配度高閾值為&，匹配度低閾值為& ；如果氏中大于&的個數(shù)大于k/2，則判定小于Ii1的氏對應(yīng)的候選區(qū)域?yàn)橐伤浦瘘c(diǎn)，向控制系統(tǒng)⑵輸出有疑似著火點(diǎn)的信息，使控制系統(tǒng)⑵發(fā)出轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動控制命令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種森林火情自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)，并控制圖像采集系統(tǒng)采集模板圖像和實(shí)時圖像；圖像處理系統(tǒng)在實(shí)時圖像上選擇灰度動態(tài)范圍較大的一些候選區(qū)域，并在模板圖像中找到分別與這些候選區(qū)域位置對應(yīng)的區(qū)域，并擴(kuò)大搜索范圍，計算得到每個候選區(qū)域在對應(yīng)的擴(kuò)大的范圍內(nèi)的最高匹配度Ri，利用Ri來確定是否有疑似著火點(diǎn)；若判定有疑似著火點(diǎn)則向控制系統(tǒng)輸出有疑似著火點(diǎn)的信息；轉(zhuǎn)臺停止轉(zhuǎn)動后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制圖像采集系統(tǒng)連續(xù)采集多幀圖像，再由圖像處理系統(tǒng)根據(jù)連續(xù)多幀圖像中R、G、B三基色相近區(qū)域的位置是否發(fā)生持續(xù)變化來確認(rèn)是否為著火點(diǎn)位置。本發(fā)明具有更低的誤警率，更高的穩(wěn)定度。
文檔編號G06K9/00GK102420974SQ20111033481
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者張葉, 曲宏松, 武治國, 王延杰, 韓廣良 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所