ЭКСПРЕСС-СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСПОЗНАНИЯ ПЛАМЕНИ С БОРТА БЕСПИЛОТНОГО ВОЗДУШНОГО СУДНА
EXPRESS-METHOD OF AUTOMATIC RECOGNITION OF FLAME FROM THE BOARD OF AN UNMANNED AIRCRAFT

Изобретение относится к способам проведения автоматического мониторинга с помощью беспилотных воздушных судов. Экспресс-способ автоматического распознания пламени с борта беспилотного воздушного судна, основывается на разработанной математической модели реализованной в программном коде анализирующей информацию с цифровой видеокамеры и обнаруживающей пламя в автоматическом режиме без участия человека. Технический результат заключается в автоматизации мониторинга и возможности проводить контроль без участия оператора на расстоянии и в зонах с огранной возможностью передачи видео изображения.
Известен способ дистанционного наблюдения за состоянием линейной части магистральных трубопроводов и устройство для его осуществления [1], содержащий устройство с возможностью перемещения вдоль токопроводящих направляющих, установленных на опорах выше уровня линейной части магистральных трубопроводов которое производят прием, запись и передачу данных блоку сбора и обработки информации, размещенному на удаленном диспетчерском пункте.
Недостатками известного устройства являются необходимость прокладывания токопроводящих направляющих и использование для диагностики магистралей тепловизионной камеры.
Известен способ проведения поисково-спасательных работ [2], он включает введение перед запуском беспилотного летательного аппарата (БПЛА) координат границ поиска, высоту полета, направление и шаг сканирования. БПЛА, обладающий ГЛОНАС, производит поиск, сканируя территорию при помощи сверхширокополосного радара (СШПР), при этом рассчитывают расстояние между беспилотным летательным аппаратом и обнаруженным пострадавшим, определяют его физическое состояние, устанавливают уровень углекислого газа в атмосфере с помощью газоанализатора. По изображению с инфракрасной видеокамеры определяют источники огня и повышенной температурной опасности.
Недостатками способа является необходимость использования инфракрасной видеокамеры для обнаружения огня и передача видеоизображения оператору для принятия решения об обнаружении горения.
Наиболее близким по устройству и назначению является комплексная система технической защиты трубопроводов от несанкционированного доступа и локализации мест утечки транспортируемого продукта [3], включающая сигнальные датчики, содержит три компонента: мобильный комплекс радиолокационной разведки, включающий георадар с набором вспомогательного оборудования, стационарную систему выявления повреждений трубопроводов и мобильный комплекс беспилотного воздушного мониторинга. Все три компонента соединены с центром сбора и обработки информации, который соединен со службой безопасности компании-эксплуатанта трубопровода.
Недостатками способа является принцип принятия решения по видеоизображению переданному в реальном масштабе времени с телекамеры на борту летательного аппарата оператором машины управления. Технические возможности передачи качественного видеосигнала накладывают ограничения на дальность применения системы, также предусматривают безотрывную работу оператора по анализу видеоинформацию с беспилотного аппарата.
Цель изобретения - автоматическое распознания пламени с борта беспилотного воздушного судна по видеоизображению без участия оператора.
Для устранения перечисленных недостатков и решения поставленной задачи предлагается способ, использующий изображение с цифровой видеокамеры для обнаружения пожара без участия оператора. Математическая модель распознавания реализована в программном продукте, который установлен в микрокомпьютер, расположенный на борту летательного аппарата. Схема алгоритма разработанной математической модели показывает последовательность операций (рисунок 1). Рассмотрим основные фильтры предложенной методики.
Фильтр 1. Анализ цвета пикселей кадра. В связи с необходимостью рационального подхода к ресурсам микрокомпьютера предусмотрен алгоритм ранжирования фильтров, но только после положительного результата по первому из них. Программа захватывает черно-белое изображение статичного кадра и определяет зоны, в которых цвет стремится к абсолютно белому, в пространстве RGB значения для таких пикселей будут приближаться к 255. Фильтр построен на предположении, что огонь в снимке имеет максимальную яркость и при переводе в черно белое изображение стремится к значению белого цвета. В предположение были введены граничные условия по освещенности, расстоянию экспозиции, вариативности силы света источника горения. Данные три фактора в наибольшей степени влияют на исследуемый показатель. Для выражения числового значения вводим пороговый коэффициент β, определяющий нижнюю границу цвета пикселя огня. Для определения освещенности используется датчик, встроенный в корпус летательного аппарата. Расстояние экспозиции предопределенный параметр в зависимости от высоты полета которая зависит от местности и типа воздушного судна. Вариативность силы света определяется исходя из возможных параметров очага пожара. Каждый фактор имеет весовой коэффициент, определяющий, насколько он подтверждает наличие огня, что учитывается в итоговой формуле. Для фильтра 1 весовой коэффициент - 1. Положительный результат первого включает в работу фильтры 2, 3.
Фильтр 2. Проверка цвета выявленной области на совпадение с гаммой огня. В первую фильтрацию могут попасть лучи прожектора, отблески солнца, но в цветном спектре данные явления визуально отличаются от цвета огня. Область пикселей, определенных в первом фильтре сравнивается с заранее заданным цветовым распределением, которое представляет собой возможную цветовую гамму в пространстве RGB. В алгоритме предусмотрена база данных цветов гаммы огня в зависимости от различных переменных. База сформирована при помощи обработки изображений, содержащих области огня. Цветовая гамма образует набор точек в трехмерном пространстве, которая описана смесью гауссовых распределений. Если цвет пикселя попадает внутрь сферы, считается, что он принадлежит огню. Для фильтра 2 весовой коэффициент - 0,5.
Фильтр 3. Определение областей движения. Движущиеся пиксели и области в видеопотоке определяются с помощью метода выделения фона. Отсеивание вибраций аппарата осуществляется подбором коэффициента ζ, учитывающим расстояние до аппарата и вариативности силы света определяемой исходя из параметров очага пожара. Положительный результат третьего включает в работу фильтр 4. Для фильтра 3 весовой коэффициент - 0,5.
Фильтр 4. Проверка цвета движущихся пикселей на совпадение с гаммой огня. Алгоритм аналогичен фильтру 2, анализируются только те области изображения, где было обнаружено движение, цветовое распределение выгружается из базы данных. Положительный результат четвертого включает в работу фильтры 5, 6, 7. Для фильтра 4 весовой коэффициент - 0,5.
Фильтр 5. Вейвлет-анализ во временной области. Утверждение, на котором строится данный фильтр - не стабильность края огня, то есть граница пламени будет менять цвет с фонового на цвет пламени. В случае, если значение высокочастотных осцилляций стремится к нулю, пиксели границы не изменяют цвет во времени. Для фильтра 5 весовой коэффициент - 1.
Фильтр 6. Пространственный вейвлет-анализ. В обычном объекте, имеющем цвет огня, изменения цвета в движущихся областях будут незначительными. В движущихся областях, соответствующих пламени на изображении, такие изменения будут весьма существенными. Для разграничения показателей вводим пороговый коэффициент δ. Превышение данной частоты указывает на наличие горения. Для фильтра 6 весовой коэффициент - 1.
Фильтр 7. Проверка объемности области огня. Горение имеет объемные характеристики в зависимости от типа пожарной нагрузки и способа ее расположения. При пролете беспилотного воздушного судна над очагом в результате видео фиксации получается набор кадров горения, снятых под различным углом. Фильтр анализирует контур формы и делает вывод об объемности рассматриваемого объекта. Вариативными факторами при анализе являются высота полета, угол наблюдения, вариативность формы очага. Для фильтра 7 весовой коэффициент - 1.
Положительные результаты каждого фильтра поступают в блок анализа весовых коэффициентов, где суммируются для принятия решения. Весовые коэффициенты подобраны исходя из особенностей каждого способа наиболее точно определять наличие горения. Пороговым значением обнаружения является пять и более. Оператору по радиоканалу передается сигнал «ТРЕВОГА. Обнаружено горение» с координатами и временем события. Дальнейшие действия зависят от конкретных условий мониторинга и выбираются оператором. Типовыми действиями могут быть: проверка видеозаписи с аппарата для визуального подтверждения, прокладка курса возвращения аппарата к месту обнаружения для дополнительного мониторинга, выезд группы к месту пожара.
Достоинствами технического решения является возможность автономной работы в зонах с затрудненной передачей радиосигнала, возможность освободить оператора от выполнения рутинной многочасовой работы, добиться целей распознавания огня более простыми и дешевыми техническими решениями. Математическая модель интегрирована в программный комплекс «Видеодетектор пламени 1.0 (FD)» и зарегистрирована под номером 2016615714. Особенностью способа является также минимальные технические требования к летательному аппарату, наличие видеокамеры и микропроцессора, что представлено летательных аппаратах массового производства.
Используемая литература
1. Патент 2616736, Российская Федерация, МПК F17D 5/02. Способ дистанционного наблюдения за состоянием линейной части магистральных трубопроводов и устройство для его осуществления / Татауров С.Б. Патентообладатели Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть") (RU), Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт транспорта нефти и нефтепродуктов Транснефть" (ООО "НИИ Транснефть") (RU). Заявка: 2015152100, 04.12.2015, опубликовано: 18.04.2017 Бюл. №11 (RU 2616736 С1, опубл. 18.04.2017).
2. Патент 2622505, Российская Федерация, МПК А62В 99/00 (2009.01) В64С 39/02 (2006.01). Способ проведения поисково-спасательных работ / Богданов П.В., Захаров Д.Ю., Шутов Д.А., Иванов А.Н. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) (RU). Заявка: 2016120811, 26.05.2016, опубликовано: 16.06.2017 Бюл. №17 (RU 2622505 С1 опубл. 16.06.2017).
3. Полезная модель 29200, Российская Федерация, МПК F17D 5/02 (2006.01). Комплексная система технической защиты трубопроводов от несанкционированного доступа и локализации мест утечки транспортируемого продукта / Панчук В.Ф., Панчук Д.В. Патентообладатель Панчук В.Ф. Панчук Д.В. Заявка: 2006119110/22, 31.05.2006, Опубликовано: 10.12.2006 Бюл. №34 (RU 59200 U1, опубл. 10.12.2006).