一種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】該發(fā)明提供了一種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法。利用紅外攝像機(jī)對(duì)林區(qū)進(jìn)行全天候監(jiān)控，采集廣域視角下的森林紅外圖像，并通過多特征融合方法對(duì)紅外圖像火焰進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由雙攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，控制可見光攝像機(jī)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫，獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的火情信息。本方法采用紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，通過視頻復(fù)合在監(jiān)測(cè)到森林火災(zāi)的同時(shí)，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫，獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的火情信息，為組織撲救工作提供決策支持。
【專利說明】
一種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于視頻監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火 災(zāi)監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 森林火災(zāi)是世界性的林業(yè)重大災(zāi)害之一，一旦發(fā)生將會(huì)造成嚴(yán)重的損失。我國(guó)是 一個(gè)森林火災(zāi)多發(fā)國(guó)家，森林防火的形勢(shì)非常嚴(yán)峻。據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù) 顯示，2015年全國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)2936起(其中一般火災(zāi)1676起、較大火災(zāi)1254起、重大火 災(zāi)6起），受害森林面積12940公頃，因?yàn)?zāi)造成人員傷亡26人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)13多億元。森林 火災(zāi)具有隨機(jī)性和突發(fā)性的特點(diǎn)，大部分森林火災(zāi)由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、撲救，造成了巨大損 失。撲救是否得當(dāng)主要取決于對(duì)林火行為的發(fā)現(xiàn)是否及時(shí)，火情分析是否準(zhǔn)確合理。因此， 依靠現(xiàn)代信息技術(shù)及時(shí)準(zhǔn)確地獲知林火發(fā)生地點(diǎn)以及災(zāi)情的變化、發(fā)展?fàn)顩r，為組織撲救 工作提供決策支持，具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 目前森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)措施普遍采用地面巡防、瞭望塔監(jiān)測(cè)、航空巡護(hù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè) 以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等。地面巡防以及瞭望塔監(jiān)測(cè)需要通過用人肉眼觀察煙霧來發(fā)現(xiàn)林火， 信息量少，且需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的判讀人員，難以滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)快速自動(dòng)識(shí)別的要求;航空 巡護(hù)一次觀測(cè)需要相對(duì)昂貴的費(fèi)用，且巡航飛機(jī)數(shù)量有限，協(xié)調(diào)難度大，不利于航空護(hù)林事 業(yè)的發(fā)展;衛(wèi)星監(jiān)測(cè)雖具有監(jiān)測(cè)范圍廣且適于對(duì)全國(guó)宏觀區(qū)域的林火發(fā)生面積和位置進(jìn)行 定期監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但由于其易受分辨率、電磁干擾、云霧遮擋等影響不能及時(shí)準(zhǔn)確掌握森林 資源變化和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控采用瞭望塔上的視頻攝像頭監(jiān)測(cè)森林現(xiàn)場(chǎng)， 能提供豐富和直觀的圖像信息，彌補(bǔ)林火監(jiān)測(cè)易受環(huán)境條件限制影響的缺陷，并具有成本 低、速度快、靈敏度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。對(duì)森林進(jìn)行監(jiān)控的攝像頭一般為安裝在林區(qū)制高 點(diǎn)的紅外攝像頭，實(shí)現(xiàn)森林全天候廣域視角下的監(jiān)控，一旦發(fā)生火災(zāi)可精確標(biāo)明火場(chǎng)位置， 確定火場(chǎng)面積、火勢(shì)強(qiáng)度和發(fā)展方向，從宏觀上反映林火的動(dòng)態(tài)變化。由于紅外攝像頭安裝 位置較高，因而無法近距離觀查火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況，無法獲取更加精確的火情信息?，F(xiàn)已有工作 通過手動(dòng)調(diào)節(jié)改變攝像頭的焦距對(duì)林火區(qū)域進(jìn)行特寫，實(shí)現(xiàn)火情近距離監(jiān)測(cè)。這種方法雖 然能對(duì)實(shí)時(shí)火情進(jìn)行特寫，但其不能同時(shí)兼顧整體監(jiān)控和火情局部觀察。因此，需要一種可 以有效提高監(jiān)控效率的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法，在監(jiān)測(cè)到森林火災(zāi)的同時(shí)，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特 寫，提供火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)火情信息，為組織撲救工作提供決策支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi) 監(jiān)測(cè)方法，通過視頻復(fù)合，在監(jiān)測(cè)到森林火災(zāi)的同時(shí)，可對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫，獲取火災(zāi)現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的火情信息，為組織撲救工作提供決策支持。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
[0006] -種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，它包括如 下步驟:S1:通過一個(gè)紅外攝像機(jī)對(duì)森林進(jìn)行全天候監(jiān)控，采集廣域視角下的森林紅外圖 像;S2:對(duì)釆集到的紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，綜合火焰疑似區(qū)域火焰面積變化率、火焰尖角變 化數(shù)、火焰圓形度等動(dòng)態(tài)特征識(shí)別火焰，自動(dòng)判斷火災(zāi)是否發(fā)生;S3:紅外攝像機(jī)與特寫攝 像機(jī)標(biāo)定;S4:由雙攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，控制特寫可見光攝像頭對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫。
[0007]進(jìn)一步，所述步驟S2中對(duì)對(duì)紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，綜合火焰疑似區(qū)域火焰面積、火 焰尖角、火焰圓形度等動(dòng)態(tài)特征識(shí)別火焰，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)林火的具體步驟是指:21:采用直方圖 均衡化法對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理，增強(qiáng)圖像對(duì)比度;22:采用最大熵圖像分割算法，對(duì)火焰疑 似區(qū)域進(jìn)行分割;23:提取火焰疑似區(qū)域火焰面積變化率、火焰尖角變化數(shù)、火焰圓形度等 動(dòng)態(tài)特征;24:采用多特征融合識(shí)別火焰，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。
[0008]進(jìn)一步，所述步驟S3中一種基于查找表的紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)標(biāo)定法具體 步驟是指:31:劃分火災(zāi)區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格狀;32:控制可見光攝像機(jī)圖像中心與重合，記錄紅外攝 像機(jī)中網(wǎng)格交點(diǎn)的可見光攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)角度;33:用雙線性插值求取非網(wǎng)格交點(diǎn)的可見光攝 像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。
[0009] 進(jìn)一步，所述步驟S4的具體步驟是指:41:可見光攝像機(jī)位置調(diào)整;42:可見光攝像 機(jī)縮放調(diào)整；
[0010] 本發(fā)明的有益效果在于:利用紅外監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)林區(qū)進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，采集廣域 視角下的森林紅外圖像，通過多特征融合對(duì)紅外光火焰進(jìn)行識(shí)別與預(yù)警。當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)發(fā) 生時(shí)，由雙攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，控制可見光攝像機(jī)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫，獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)精 準(zhǔn)的火情信息。本方法采用紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，通過視頻復(fù)合在監(jiān)測(cè)到 森林火災(zāi)的同時(shí)，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫，獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的火情信息，為組織撲救工 作提供決策支持。
【附圖說明】
[0011] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述，其中：
[0012] 圖1為基于紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法框架圖；
[0013] 圖2為紅外圖像中火災(zāi)識(shí)別流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0015] 圖1為基于紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法框架圖，本方法 包括以下步驟：
[0016] S1:通過一個(gè)紅外攝像機(jī)對(duì)森林進(jìn)行全天候監(jiān)控，采集廣域視角下的森林紅外圖 像；
[0017] S2:對(duì)釆集到的紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，綜合火焰面積變化率、火焰尖角變化數(shù)、火 焰圓形度等特征加權(quán)識(shí)別火焰，自動(dòng)判斷火災(zāi)是否發(fā)生。具體包括以下步驟：
[0018] S21:采用直方圖均衡化法對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。具體方法是采 用累積分布函數(shù)對(duì)原始圖像的直方圖做灰度值的線性變換。直方圖均衡化公式為：
[0020] rk表示待處理圖像的第K級(jí)灰度值，tk表示增強(qiáng)變化后圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度 值。
[0021] S22:采用最大熵圖像分割算法，對(duì)火焰疑似區(qū)域進(jìn)行分割。用灰度級(jí)t分割圖像， 大于和小于的分別歸為一個(gè)區(qū)域，兩個(gè)目標(biāo)區(qū)域?yàn)锳和B。概率在基本區(qū)域的分布為： t
[0022] A區(qū)：爲(wèi)=乏=
[0023] B區(qū)：pi/(l_pi)i = 1，2,…，t
[0024] 疑似火焰區(qū)域和背景區(qū)域的的熵表示如下：
[0025] = PMP"P) i = 1 丄…'f
[0026] HB{t)= A1 ~ Pi~Pt))| > = 1-2,-? / ：i
[0027] 熵定義為巾（t)=HA+HB，當(dāng)巾（t)的值取到最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的t值即為圖像分割時(shí)的閾 值。
[0028] S23:提取火焰疑似區(qū)域火焰面積變化率、火焰尖角變化數(shù)、火焰圓形度等動(dòng)態(tài)特 征。具體訓(xùn)練方法包括以下步驟：
[0029] S231:火焰面積變化率:對(duì)應(yīng)獲取到的連續(xù)兩張具有火災(zāi)疑似火災(zāi)區(qū)域的紅外圖 像Ii(x，y)和I2(x，y)，火災(zāi)面積變化率V area定義為：
[0031] 其中，An和Ai2分別為紅外圖像Ii(x，y)和l2(x，y)的面積。
[0032] S232:火焰尖角變化數(shù):火災(zāi)災(zāi)區(qū)域的不穩(wěn)定性導(dǎo)致火災(zāi)區(qū)域存在很多尖角，并且 呈現(xiàn)無規(guī)則的跳動(dòng)，尖角變化數(shù)和尖角平均變化數(shù)^；分別如下所示：
[0035]其中，C表示尖角數(shù)目，尖角變化數(shù)的絕對(duì)值^：，反映了這n張紅外圖像的火災(zāi)區(qū) 域尖角個(gè)數(shù)發(fā)生變化快慢的程度。
[0036] S233:火焰圓形度：圓形度可表示如下：
[0038] 其中，k表示第k個(gè)圖元，Ak表示面積，Pk代表周長(zhǎng)，&為圓弧度。
[0039] S24:采用多特征融合識(shí)別火焰，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生?；鹧娴娜紵^程中，會(huì)受到 周圍環(huán)境、大氣條件和干擾物的影響，很難用一種特征將火焰準(zhǔn)確的識(shí)別出來，因此采用多 特征加權(quán)融合的方法識(shí)別火焰，表示如下： N' N
[0040] -'I = 7 =1 i-\, /-I
[0041]其中N為火焰特征識(shí)別中特征的總數(shù)，c〇 :為第i個(gè)特征的權(quán)重，權(quán)重是特征的重要 性根據(jù)實(shí)際情況而定，Tfuse5為多特征識(shí)別中綜合起來的閾值，如果判定結(jié)果大于這個(gè)閾值， 則認(rèn)為火焰特征識(shí)別成立，火災(zāi)發(fā)生。
[0042] S3:基于查找表標(biāo)定紅外攝像機(jī)與特寫攝像機(jī)。即已知火災(zāi)在紅外攝像機(jī)中的位 置為M(x，y)，求得特寫可見光攝像機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)角和垂直旋轉(zhuǎn)角，使特寫可見光攝像機(jī)旋 轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)火災(zāi)區(qū)域，對(duì)火情進(jìn)行特寫。具體包括以下步驟：
[0043] S31:選擇紅外攝像機(jī)視頻監(jiān)控區(qū)域中需要用特寫可見光攝像機(jī)重點(diǎn)監(jiān)控的感興 趣的區(qū)域。根據(jù)合適的間隔劃分紅外圖像感興趣區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格狀，得到網(wǎng)格交點(diǎn)處的像素坐 |^Mii(xi，yi)，Mi2(xi，y2)，M2i(X2，yi)，M22(X2，y2)，"。
[0044] S32:控制可見光攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到可見光攝像機(jī)圖像中心與Mn重合，讀取可見光 攝像機(jī)當(dāng)前水平方向和垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度當(dāng)前水平方和垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度(a，0) 11，記 錄一組數(shù)據(jù)1[1111(11，71)] = ((1，0)11。對(duì)剩下紅外圖像感興趣區(qū)域的交點(diǎn)處重復(fù)上述操作， 記錄所有的L[M(x，y)] = (a，0);
[0045] S33:在感興趣區(qū)域的非網(wǎng)格交點(diǎn)S(x，y)，查找包含其的最小矩形MnM12M21M 22，用雙 線性插值求取可見光攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度：
[0047] 組合上述數(shù)據(jù)得到可見光攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)紅外攝像機(jī)感興趣區(qū)域任意位置的查 找表。
[0048] S4:由雙攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，控制特寫可見光攝像頭對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫。具體包括 以下步驟：
[0049] S41:可見光攝像機(jī)對(duì)火災(zāi)區(qū)域縮放觀察:設(shè)紅外攝像機(jī)和可見光攝像機(jī)的圖像分 辨率為WXH，物體在可見光攝像機(jī)成像大小是紅外攝像機(jī)的M咅，火災(zāi)區(qū)域在全景攝像機(jī)中 的大小為心X Hm，使火災(zāi)區(qū)域充滿可見光攝像機(jī)所需要放大的倍數(shù)為：
[0051] 根據(jù)y發(fā)送指令調(diào)整可見光攝像機(jī)焦距，可得到火災(zāi)區(qū)域放大后的圖像。
[0052] S42:可見光攝像機(jī)位置調(diào)整，具體包括以下步驟：
[0053] S421:獲取第k幀圖像火災(zāi)區(qū)域的中心位置(xf，yf)。
[0054] 3422:計(jì)算偏差6(1〇\ = 1￡-11，6(1〇7 = 7￡1其中]1，為可見光攝像機(jī)乂方向與￥方向 坐標(biāo)
[0055] S422:如果e(k)x>20| |e(k)y>20,則
[0056] A Ux=Kp[e(k)x-e(k-l)x]+Kie(k)x
[0057] A Uy = KP[e(k)y-e(k_l )y]+Kie(k)y
[0058]其中A Ux，A Uy分別為可見光攝像機(jī)水平方向與垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度。
[0059] S43 :可見光攝像機(jī)縮放調(diào)整：獲取第k幀圖像火場(chǎng)區(qū)域的寬度wf和高度hf，如果 (wf，hf)/(W* H)<0.1，可見光攝像機(jī)以1.2倍每次的速度放大圖像;如果(Wf，hf)/(W* H)> 0.25，可見光攝像機(jī)以0.8倍每次的速度放大圖像;如果0.1 < (Wf，hf )/(W ? H) <0.25，可見 光攝像機(jī)不進(jìn)行焦距調(diào)整。
[0060]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在 形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于紅外與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于包括下述步 驟： Sl:通過一個(gè)紅外攝像機(jī)對(duì)森林進(jìn)行全天候監(jiān)控，采集廣域視角下的森林紅外圖像； S2:基于查找表方法標(biāo)定攝像機(jī)與特與攝像機(jī)； S3:對(duì)釆集到的紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，綜合火焰疑似區(qū)域火焰面積、火焰尖角、火焰圓 形度等動(dòng)態(tài)特征識(shí)別火焰，自動(dòng)判斷火災(zāi)是否發(fā)生； S4:由雙攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)策略，控制特寫可見光攝像頭對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特寫。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方 法，其特征在于:在步驟S2中，具體包括以下步驟:21:采用直方圖均衡化法對(duì)紅外圖像進(jìn)行 處理，增強(qiáng)圖像對(duì)比度;22:采用最大熵圖像分割算法，對(duì)火焰疑似區(qū)域進(jìn)行分割;23:提取 火焰疑似區(qū)域火焰面積變化率、火焰尖角變化數(shù)、火焰圓形度等動(dòng)態(tài)特征；24:采用多特征 融合識(shí)別火焰，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方 法，其特征在于:在步驟S3中，具體包括以下步驟:31:劃分火災(zāi)區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格狀;32:控制可見 光攝像機(jī)圖像中心與重合，記錄紅外攝像機(jī)中網(wǎng)格交點(diǎn)的可見光攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)角度;33:用雙 線性插值求取非網(wǎng)格交點(diǎn)的可見光攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外攝像機(jī)與可見光攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方 法，其特征在于:在步驟S4中具體包括以下步驟:41:可見光攝像機(jī)位置調(diào)整;42:可見光攝 像機(jī)縮放調(diào)整。
【文檔編號(hào)】G08B17/12GK105931409SQ201610367166
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】尹宏鵬, 柴毅, 李艷霞
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)