专利名称：基于目标的烟雾检测的系统和方法
技术领域：
本发明涉及烟雾检测器。更特别地，本发明涉及在进行关于烟雾的存在的确定时 处理预定目标的图像的烟雾检测器。
背景技术：
提供了许多用于诸如房间、和房屋中的走廊等小封闭区域中的烟雾检测的商用产 品。其根据公布的指导方针来实现性能。然而，这些烟雾/火灾检测器在诸如礼堂、电影院、工厂、和飞机库等具有高顶棚 的大型区域中是不切实际的，因为这些检测器是点传感器且仅在检测器附近的小局部区域 中检测烟雾。结果，需要大量的这类检测器。在高顶棚上的安装是困难的。此外，烟雾可能分散且未达到要检测的顶棚的高度。 投射和反射射束烟雾检测器是可能的解决方案，其通过光束衰减的测量来预测烟雾的存 在。然而，除具有有限的灵敏度之外，基于射束的检测器需要源发射器与光接收器之间的精 确对准。因此，此类检测器安装和维护起来是昂贵的。因此，需要克服与已知基于射束的检测器相关的成本和安装问题的检测器。
发明内容
本发明一方面提供一种烟雾检测器，包括电路，其确定空间频率相对于目标的元素的基准度量；另一电路，其确定空间频率相对于目标的元素的后续度量；以及评估电路，其可响 应于所述基准和后续度量确定烟雾条件的存在。本发明另一方面提供一种环境条件检测器，包括控制电路，其在一个时间确定相对于所选目标的空间频率度量，并在随后的时间 确定相对于目标的后续空间频率度量且其包括至少比较与不同时间相关的空间频率度量 以确定烟雾的存在的附加电路。
图1是体现本发明的系统的方框图；图2是图解说明图1的系统的处理的流程图；图3图解说明依照本发明的对比度处理的方面；图4图解说明如图1中的系统的操作方案；图5图解说明示例性目标的方面；图6是示例性操作方 法的流程图；图7是基于对比度的烟雾检测的流程图；以及图8图解说明时序(temporal)烟雾检测的方面。
具体实施例方式虽然本发明的实施例可以采取许多不同形式，但在附图中示出其特定实施例并将 在本文中详细地进行描述，应理解的是应将本公开视为本发明的原理的示例说明以及实施 其的最佳方式，且并不意图使本发明限于图解说明的特定实施例。本发明的实施例使用图案化目标和视频照相机来检测烟雾。可以预期此类系统执 行更好的安装和维护且需要简单的安装步骤和非常小的维护量，由此提供对基于射束的烟 雾检测器的具有成本效益的替换。一方面，依照本发明的系统可以包括烟雾检测器处理器、照相机、图案化目标、和 可选照明器，优选地为近红外(NIR)或低功率LED灯。处理器的功能是确定在捕捉的图像 中是否存在烟雾，可以将所述处理器实现为个人计算机、数字信号处理器、可编程门阵列或 专用集成电路之一，所有这些都是非限制性的。照相机具有足够的空间分辨率并捕捉图案化目标的图像，图案化目标位于距照相 机预定距离处。照相机可以根据应用和环境对可见光或NIR进行响应。目标优选地包含不 同空间分辨率的图案，例如，黑白相间条纹或不同宽度的栅格。可选(NIR)照明器向目标照射(NIR)光。照明器适合于需要在完全黑暗中进行烟 雾检测的应用。参照图1，体现本发明的系统10对区域R进行烟雾监视。具有视场18的照相机 12指向测试目标20。测试目标20与照相机12间隔开，安装在相距一定距离处，例如，在被 监视的区域R的相对壁上的某一高度处。照相机12可以对可见光或NIR辐射能进行响应。测试目标20具有表示一个或多 个离散空间频率和/或空间频率的连续光谱的图案，例如，不同尺寸的黑白条纹或正方形。由于空间频率具有两个维度，所以可以沿一个或多个方向、例如水平地和垂直地 测量频率或光谱。硬接线或可编程处理器、以及预存储在计算机可读存储介质诸如半导体 或磁存储电路或器件上的相关控制软件接收并处理由照相机捕捉的(多个)图像以确定烟 雾的存在。(NIR)照明器22可以用于完全黑暗中的烟雾检测。在本发明的另一方面，可以采用全摇动倾斜变焦照相机以考虑到附加的图案化目 标，其位于现场的多个位置处。可以实现附加特征，诸如到远程显示器以通过视频进行验证 的馈送(feed)。视频馈送甚至可以用于超过仅仅烟雾检测的目的，诸如安全监督。来自照相机12的馈送被耦合到处理电路14，其可以用可编程处理器和预存储控 制软件来实现。可以提供诸如近红外(NIR)等可选光源以照亮目标20以便在完全黑暗中 进行监视。处理电路14如下文所解释的那样确定在区域R中是否存在烟雾。电路14可以 包括计算机可读存储设备14a，参见图6，其中，可以存储各种参数并由处理器14进行访问。图2图解说明在确定在区域R中是否存在烟雾时可以由系统10实现的方法100。 在目标提取对准框102中，使用本领域的技术人员所已知且不需要进一步描述的图像分割 技术从捕捉的图像中提取目标并使其与基准对准。因此，即使目标20在安装期间移位或旋 转，此过程也自动地修正错位。因此，系统10不需要昂贵且精确的对准。或者，用户可以在 安装过程中手动地在图像中确定目标20的位置，并且随后将始终从所有操作图像提取这 样选择的此固定感兴趣区域。所提取的测试目标图像被传递到空间频率计算框104上，其中，测量在测试目标
4中存在的一个或多个空间频率下的空间频率衰减的对比度或类似度量并在框106中将其 与来自框108的至少一个预定基准的那些相比较。不同于本发明，基于已知视频的烟雾检测方法使用闪烁、颜色、或强度衰减作为用 于烟雾检测的标准。闪烁取决于烟雾密度和燃烧状态，从而导致对于烟雾检测的非常大的 不确定的动态范围。烟雾的颜色取决于燃烧的材料。烟雾的强度是基于燃料的量、燃烧的 状态、以及周围照明。这些变化导致不精确的烟雾检测并产生不期望的错误检测。请注意， 对比度不取决于强度，也不取决于目标上的照明的颜色。空间分辨率退化通过输入空间分辨率与无烟基准目标的比较来检测烟雾的存在。 此检测是基于观察路径中的烟雾将反射并散射光、由此有效地充当低通滤波器的原理，所 述低通滤波器减小照相机所感知的目标图像的空间带宽。此带宽减小改变感知信号的调制 传递函数(MTF)，并且可以借助于对比度、或一个或多个空间频率下的调制深度、或光学领 域的专家所已知的某些其它方式来准确地测量或近似地量化此变化。从基准到输入目标的 此对比度退化可以用来确定烟雾的存在。通过基于指示不存在烟雾的情况下的图案化目标 的当前工作条件调整预存储目标图像，在定期校准框108中周期性地计算基准目标的空间 频率。图3图解说明作为优选空间频率度量的对比度形成的方面。对于对应于目标图案 的条宽度的给定空间频率w，使用以下公式来计算对比度对比度(w)= (I
白(w) -I s (w)) / (I 白(w) +I a (w))其中，Ix(w)是具有空间频率w的区域χ的强度。在不存在烟雾的情况下，如图像30所示，从诸如20的目标、沿着线Ll跨越图像的 强度图解说明由于目标的较亮和较暗部分引起的变化。在存在烟雾的情况下，如图像34所 示，图像变得模糊，如图表36中的强度振幅的下降所示，由于对于目标的相应空间频率的 减少的光能传输，白条变暗且黑条变亮。因此，如在38处的对比度的衰减产生与强度变化 无关的烟雾指示参数。然后可以将如在图像30处的无烟条件的对比度与如在图像34处的 烟雾指示条件的对比度相比较以进行关于烟雾存在的确定。对于烟雾检测而言，可以使用调制深度作为对比度的替换。使用以下公式来进行 计算调制深度(w)= (I 白(w) -I ■ (w)) / (I 白(0) -I a (0))烟雾检测器可以评估一个或多个频率w下的对比度、调制深度 或类似度量。可以 使用由于烟雾而引起的多个空间频率处的不同程度的衰减来得到用于抑制假警报的优点。图4图解说明多目标系统10-1。可以将示例性照相机12实现为摇动倾斜变焦式 (PTZ)照相机，其可以扫描在区域R中的预置位置处的诸如20、20-1和20-2等目标。一旦 检测到烟雾，则可以通过使用PTZ照相机对烟雾进行反向跟踪来确定产生烟雾的火灾的源 点的位置。或者，可以在较小的区域或区中使用固定照相机和单个目标。在另一实施例中，单 个照相机可以具有在其视场中的不同位置和距离处的多个目标。由于测试图案的选择取决 于目标距离，所以多个目标可以具有不同的测试图案。图5图解说明示例性目标20a和20b。每个目标包括成组的条纹或方块图案，其黑 白相间，或具有不同的灰度值。在每个目标图案内，条纹和方块具有不同的宽度。将每个宽度调谐至对特定照相机分辨率给定的特定距离处的烟雾的特定密度的检测。因此，该系统 不仅检测烟雾的存在，而且检测烟雾的密度。可以将最宽的一组条纹用于校准。图6图解说明依照本发明的方法150的方面。如152处的系统设置可以指定照相 机的视场、摇动倾斜变焦照相机的预置位置、图像中的目标位置和/或可以提供或更新对 比度基准。如154处的目标图像的捕捉可以用于如156处的校准或用以实现如160处的基 于对比度的烟雾检测。随后，如在162处，可以执行时序烟雾检测。可选地，用摇动倾斜变 焦式照相机，如在164处，可以将所检测的烟雾的轨迹跟踪回至火灾起始的地方。图7图解说明基于对比度的烟雾检测160的细节。如其中所示，可以实现目标提 取和对准。对于固定照相机而言，可以从图像内的预定位置提取目标数据。对于摇动倾斜 变焦式照相机而言，可以使用已知图像处理技术将目标设置在图像内。然后，可以提取已知 目标。照相机的对准可以消除由于观看角度而引起的成像目标图案失真。参见图3，如在174处，对每组黑/白条纹(对应于每个空间频率)执行对比度确 定。如在176处，对比度比较处理通过将每个对比度与相应基准对比度相比较来确定 烟雾的存在。此类比较提供对比度退化的量和因此的烟雾量的指示。作为对比度确定和比较的替代，可以计算并比较用于表示特定空间频率下的信号 衰减的光学中的任何已知度量，诸如如上所述的MTF、调制深度等。如图8所示，时序烟雾检测可以包括如182处的基于时序的对比度序列生成。可以 生成烟雾的动态性质/图案，其基于连续图像帧中的对比度的变化。可以确定闪烁率。可 以建立跨越存在于目标中的所有空间频率的对比度退化趋势。如在184处，时序分析可以通过匹配观察到的烟雾的动态性质/图案来确认烟雾 的存在。例如，可以进行关于闪烁率是否在预期范围内的确定。如果在对比度图案中不存 在时序变化，则指示降低的烟雾可能性。本发明的其它方面也不要求测试目标垂直于照相机。当以离开照相机的光轴的角 度观看目标时，其图像将失真。校准过程基于地面实况来估计失真，并在必要时相应地使目 标弯曲或修正所测量的对比度值。还可以根据校准使环境中的任何时序影响最小化，诸如 灰尘、水分、大气湍流的存在。此校准特征提供稳健的烟雾检测、非常小的错误检测、以及多 种安装配置。根据前述说明，可以注意到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以实现许多 变更和修改。应理解的是并不意图有或不应推断相对于本文所示的特定装置的限制。当然， 意图在于在权利要求范围内的所有此类修改被随附权利要求覆盖。
权利要求
1.一种烟雾检测器，包括电路，其确定空间频率相对于目标的元素的基准度量； 另一电路，其确定空间频率相对于目标的元素的后续度量；以及 评估电路，其可响应于所述基准和后续度量确定烟雾条件的存在。
2.如权利要求1所述的烟雾检测器，其中，所述电路和所述另一电路包括公共处理电路。
3.如权利要求2所述的检测器，其包括获取第一和第二目标图像的成像装置，来自该 装置的输出信号被耦合到所述公共处理电路。
4.如权利要求3所述的检测器，其包括目标照明电路。
5.如权利要求3所述的检测器，其中，所述评估电路对所检测的空间频率度量的衰减 进行响应。
6.如权利要求2所述的检测器，其包括至少间歇地对目标进行重新校准以更新基准度 量的电路。
7.如权利要求2所述的检测器，其中，所述处理电路确定在时间上间隔开的多个空间频率度量。
8.如权利要求2所述的检测器，其中，所述处理电路确定与不同目标相关的基于空间 的多个空间频率度量。
9.如权利要求2所述的检测器，其包括与所述电路分开的目标。
10.如权利要求9所述的检测器，其包括与目标分开的、耦合到所述电路的照相机。
11.如权利要求10所述的检测器，其中，所述电路从所述照相机接收目标相关信号。
12.—种环境条件检测器，包括控制电路，其在一个时间确定相对于所选目标的空间频率度量，并在随后的时间确定 相对于目标的后续空间频率度量且其包括至少比较与不同时间相关的空间频率度量以确 定烟雾的存在的附加电路。
13.如权利要求12所述的检测器，其包括耦合到所述控制电路的照相机。
14.如权利要求13所述的检测器，其中，所述照相机包括摇动、倾斜、或变焦功能中的 至少一个。
15.如权利要求13所述的检测器，其中，所述控制电路生成空间频率度量的时序序列。
全文摘要
本发明涉及基于目标的烟雾检测的系统和方法。烟雾检测器包括耦合到照相机的处理电路。照相机的视场包含一个或多个目标，每个在其上面具有空间标记。处理电路收集空间频率度量的序列，诸如对比度指示参数。可以将该序列的成员与至少一个基准空间频率度量相比较以确定目标与照相机之间的烟雾的存在。
文档编号G01N21/25GK102004078SQ20101026498
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月26日 优先权日2009年8月27日
发明者J·杰利内克, K·W·区 申请人:霍尼韦尔国际公司