专利名称：基于烟火智能识别的森林火灾实时监测方法
技术领域：
本发明通过烟火的智能识别对森林火灾进行监测并报警，适用于林业防火指挥决策。
背景技术：
在林区监控点的瞭望塔上架设红外低照度全天候长焦距摄像机，不间断地旋转拍摄，把
周围的森林图像经过无线网络传至网络视频服务中心；监控指挥中心通过Intranet可以登 录视频服务中心实时监视各监控点森林火灾情况，由智能图像处理、林火识别报警软件进 行烟火自动识别，同时接收云台的状态信息，根据获得的摄像机位置及其它相关信息计算 火警目标位置，当监测到火灾并由操作员进一步确认后，指挥中心向消防中心发出报警信 息，并进行相应地扑救指挥工作。烟火智能识别报警模块在系统中起着重要的作用
发明内容
本发明要解决的问题是在通过与前方监控摄像头进行数据传输，实时获取监控图像，通过 由网络摄像机传过来的视频帧进行实时图像分析，取定视域内是否存在火情以及火情发生 的位置及区域。这些算法由最新的数字图像处理、数字图像模式识别技术组成，基于火焰
烟雾的行为特征，如颜色、颜色分布、形状、轮廓、纹理等，进行并行处理，最后将结 果传输给模糊神经网络，根据各个算法的权重，得出是否有烟火发生的最终评估，步骤如下
(1) 数字视频解码，采集来自监测前端传来的视频信息，通过视频采集驱动将视频信息转换 成指定的图像，以便进行烟火图像的识别；
(2) 云台码流采集，云台码流是通过主控室PC机的串口设备管理器接入端(RS-232)传入 的，云台码流采集模块依据事先约定的码流编码规则，对云台当前的动作信息进行解析， 判断云台当前的水平旋转方向、垂直旋转方向以及预制位的信息；
(3) 烟火智能图像识别，烟火图像识别模块是林火识别报警系统实现火灾探测的关键，根据 火焰烟雾的行为特征，如颜色、颜色分布、形状、轮廓、纹理等，利用森林背景图像与 火灾、烟雾图像在光谱特征、空间几何特征上的差异，运用图像处理方法和复杂的识别算 法，对林区图像进行分析，判断林区图像上是否有疑似火点；
(4) 云台控制，用户可以通过对云台的控制来实现镜头的景深、焦距以及光圈的调节，还可 以通过云台的上下左右调节来获取不同角度的图像。火灾发生时，林火报警模块发出报警信息，同时云台控制模块向林火监测子系统发送锁定云台的动作指令，从而控制云台固定 范围(或定点)扫描；
(5)林火定位，当监测到烟火后，系统锁定云台，由当前瞭望塔的高度、云台的方位、摄像 机的焦距等相关信息，依据公式算出发生森林火灾的位置。
具体实施例方式
A、 基于颜色的预判算法 通常森林大部分时间处于无火源的状态，故可对从视频流截取的并转换为BMP格式的
图像先进行简单的判断。本系统采用基于颜色的算法检测图像的状态不论在什么情况下，
由于火焰的外焰高温部分是绝对高温，并且火焰本身的亮度大多集中在红色，火的颜色总
是表现为红色的，故在火的算法中，我们首先对图像进行了的一次预判即判断该图像是 否有红色的信息，若没有红色的区域，就根本不用执行其它火的算法，这样就大大加快了 识别效率。其算法为
Pi(x ， y)e [Rl ， R2] 其中，Pi(x ，y)为待处理的图像像素的RGB值，[Rl , R2]为实验确定后的表现为火的 红色阀值。当Pi(x ，y)e[Rl ，R2]时，则判定有疑似火源，取用红色通道，舍弃其他两个 通道的颜色，而单独对红色通道进行识别处理，并将该区域从背景中分离出来[]。接着进
入下面对各种林火行为特征的算法判断。当Pi(x ,y)牵[Rl ,R2]时，则判定无火，于是判 断该图像是否出现烟。
B、 基于烟火颜色分布的算法 火焰一般从焰心到外焰其颜色应从白色向红色移动，根据这一特点，提出了如下识别
算法。从火焰颜色物体的左上像素开始，依次取连通像素点，连通方向为右下，如右下无 连通像素则取下连通，直至取完。每三个像素点取红色比重的平均值，组成数列，然后做 一阶差分。最后得到的差分数列输入给判别算法，从起始像素为起点当红色比重的减少趋 势持续一定步数时，说明有从红向白移动趋势，同理从截止像素为起点当红色比重持续增 及一定步数时，说明有从红向白移动趋势。任一种情况出现都说明颜色分布就有火焰特点。 计算红色比重。公式如下<formula>formula see original document page 5</formula>其中，R(Pi(x ，y))为第"P帧U ,y)—点的RGB，的R(Pi(x ,y))， G(Pi(x ，y))， G(Pi(x ，y))o
C、基于烟火形状识别的算法-圆形度表征物体形状的复杂程度，其计算公式为
y = L' / S
其中，y为圆形度，L为周长，S为面积。
周长为物体的边界长度，可遍历边界链码，即可算出边界长度。通过统计图元的亮点 数可获得面积。圆形度对圆形物体取最小值4Ji，物体形状越复杂其值越大。本系统将圆形 度值除以4n，使圆形度的最小值为l，以便观测。
圆形度作为表征火灾火焰特性的判据是十分有效的，可以做早期的判断，排除规则发 亮物体(如太阳等)的干扰，从而减少计算量。
D、 融合算法
本系统以三层反向传播(Back2propagation , BP)神经网络作为火灾烟雾识别神经网络模 型，利用模糊神经网络，将以上对火焰物体行为特性的评估汇总分析。因为以上每一特 征都不能单独给出严格准确的判断，而如果将几种评估有机结合起来将大大提高判断准 确程度；同时，几种评估进行融合时，判决参数是很难确定的，所以考虑利用模糊神 经网络来实现数据融合。整个网络中，用前面每一种算法的结果作为烟雾识别神经网络 的输入，利用神经网络来确定输入、输出数据的隶属度函数，烟雾识别神经网络对输入 数据进行分析判断,识别出"林火特征"或"非林火特征"，得到系统最终输出。当确 认为火灾可能性大于某个阀值(例如60%)时发出报警信号，否则不报瞀，而转入下一阶 段的烟的图像识别过程。
E、 烟火智能识别算法
1、 算法入口为 CFireWarning类的I叩utPicture(CStringArray &picArray)函数， 只需要传入图像文件名(三幅图像)即可进行林火识别；
2、 算法主要流程在CFireWarning类的int I叩utPicture(CStringArray &pic)函数中
a、 首先通过COpenCVDetect类完成图像的基本处理-包括静态检测和动态检
测；
b、 再利用CFireRecDetect类完成图像的特征提取；
c、 利用神经网络进行静态林火图像的识别；
d、 结合动态和静态的识别结果进行分等级报警。
附图为烟火智能识别算法基本流程图
权利要求
1、基于数字图像处理与识别的森林火灾实时监测方法，其特征包括有视频采集模块，采集来自监测前端传来的视频信息，通过视频采集驱动将视频信息转换成指定的图像，以便进行烟火图像的识别；解码模块，采集来自监测前端传来的视频信息，通过视频采集驱动将视频信息转换成指定的图像，以便进行烟火图像的识别；云台码流采集模块，云台码流是通过主控室PC机的串口设备管理器接入端(RS-232)传入的，云台码流采集模块依据事先约定的码流编码规则，对云台当前的动作信息进行解析，判断云台当前的水平旋转方向、垂直旋转方向以及预制位的信息；云台控制模块，用户可以通过对云台的控制来实现镜头的景深、焦距以及光圈的调节，还可以通过云台的上下左右调节来获取不同角度的图像。火灾发生时，林火报警模块发出报警信息，同时云台控制模块向林火监测子系统发送锁定云台的动作指令，从而控制云台固定范围(或定点)扫描；智能烟火图像识别模块，烟火图像识别模块是林火识别报警系统实现火灾探测的关键，根据火焰烟雾的行为特征，如颜色、颜色分布、形状、轮廓、纹理等，利用森林背景图像与火灾、烟雾图像在光谱特征、空间几何特征上的差异，运用图像处理方法和复杂的识别算法，对林区图像进行分析，判断林区图像上是否有疑似火点；林火定位模块，监测到烟火后，系统锁定云台，由当前瞭望塔的高度、云台的方位、摄像机的焦距等相关信息，依据公式算出发生森林火灾的位置。
2、 根据权利要求l所述的云台控制，其特征在于方便快捷的云台操控面板，对云 台进行上、下、左、右、巡航，光圈、亮度调节等控制操作。
3、 根据权利要求l所述的智能烟火图像识别，其特征在于产用静态和动态相结合的识别模式，提取烟火关于颜色、饱和度、圆心度、形状不规则性、运动轨迹不规则性等烟火特征，以三层反向传播(Back2propagation ， BP)神经网络作为火灾烟雾识别神经网络模 型，利用模糊神经网络，将以上对烟火行为特性的评估汇总分析。
4、 根据权利要求1所述的林火定位，其特征在于 一但智能烟火图像识别检测出火情，系统自动锁定云台，并根据云台的当前姿态(云台水平方位角、俯仰角、地理坐标)计 算出火情发生的地理位置并在电子地图上定位。
全文摘要
通过介绍一种新的基于数字图像处理与烟火智能识别的森林火灾实时监测方法，对森林火灾进行准确的检测。该方法通过由网络摄像机传过来的视频帧进行实时图像分析，取定视域内是否存在火情以及火情发生的位置及区域。这些由最新的数字图像处理、数字图像模式识别技术组成，基于火焰烟雾的行为特征，如颜色、颜色分布、形状、轮廓、纹理等，进行并行处理，最后将结果传输给模糊神经网络，根据各个算法的权重，得出最终的评估。这样快速可靠的烟火综合分析大大减少了误报的可能性。北京东方泰坦科技有限公司基于该方法独立开发的森林防火系统针对不同地区的森林现状，通过监控管理指挥中心系统、无线传输系统、摄像机和镜头系统、云台控制系统、电源系统能有效地对即将发生的或者已经发生的火情进行合理的预判和辨别，并能够及时地进行火警预报，以减少森林资源的损失。
文档编号G08B17/00GK101625789SQ20081012787
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月7日 优先权日2008年7月7日
发明者倪金生, 航 姜, 张烈强, 贾春华, 钱晓明, 陈晓东 申请人:北京东方泰坦科技有限公司