Способ преобразования изображения дыма и пламени
SMOKE AND FLAME IMAGE CONVERSION METHOD

Настоящее изобретение относится к способам преобразования изображений объектов, наблюдаемых телевизионными системами, в частности, изображений дыма и пламени. Устройства и компьютерные программы, реализующие такие способы, называются видеодетекторами.
По сравнению с сетями аппаратных датчиков, видеодетекторы предупреждают о пожаре при наблюдении за большими необорудованными пространствами, лесными массивами, тоннелями и т.п., используя уже имеющиеся средства телевизионного видеонаблюдения, и срабатывают при обнаружении ранних факторов пожара - дыма и пламени.
Известен способ обнаружения областей задымления на видеопоследовательности кадров изображения с применением локальных бинарных шаблонов (Пятаева А.В. Обнаружение областей задымления на видеопоследовательности с применением локальных бинарных шаблонов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. - 2014. - №5(57). - С. 108-114.). Там же перечислены используемые к настоящему времени способы (алгоритмы) на основе анализа гистограмм изображений, их временного анализа с применением эвристических правил.
Недостатками этих способов являются:
- сложность вычислений;
- невозможность одновременно одним способом обнаруживать дым и пламя;
- влияние динамически меняющегося фона, плохой погоды и сложной световой обстановки на вероятность ложного обнаружения или пропуска дыма и пламени.
Известен «Способ и устройство обнаружение пламени», патент RU 2393544, G08B 17 (опубл. 06.2010 г.), предусматривающий улавливание множества изображений области текущего контроля, определение существования изображения движущейся зоны во множестве изображений, анализ цветовой модели изображения движущейся зоны в сравнении с признаками изображения эталонного пламени.
Недостатками способа являются:
- сложность вычислений;
- невозможность одновременно одним способом обнаружить дым и пламя;
- влияние динамически меняющегося фона, плохой погоды и сложной световой обстановки на вероятность ложного обнаружения или пропуска дыма и пламени.
Известны также «Способ обнаружения дыма», патент РФ RU 2380758, С2, G08B 17/00 (опубл. 27.01.2010 г.) и «Способ обнаружения пламени», патент РФ RU 2393544, G08B 17/00 (опубл. июнь 2010 г.), в которых в качестве анализируемых признаков приняты:
- изменение цветности;
- размытость края (для дыма);
- частота мерцаний;
- параметры движения.
Эти способы имеют те же недостатки, что и ранее упомянутые.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ преобразования изображения, описанный в патенте РФ RU 2187904, H04N 5/14 (опубл. 20.08.2002 г.), включающий проецирование изображения объекта на многоэлементный преобразователь для преобразования изображения в электрический сигнал с последующим получением последовательных кадров изображения, их межкадровой разности, ее накопление из не менее двух выбранных последовательностей кадров изображения, обработку межкадровой разности для получения выходного преобразованного сигнала и его информационного отображения.
Признаки настоящего предлагаемого изобретения, совпадающие с признаками прототипа:
- изображения объекта (дыма и пламени) проецируются на многоэлементный фотопреобразователь;
- фотопреобразователь формирует видеосигнал с последующим получением:
- последовательных кадров;
- межкадровой разности;
- обработку межкадровых разностей путем накопления их сумм из не менее двух выбранных последовательностей кадров для получения сигнала об объекте.
К недостаткам способа прототипа относятся:
- невозможность одновременно одним способом обнаружить дым и пламя;
- влияние динамически меняющегося фона, плохой погоды и сложной световой обстановки на вероятность ложного обнаружения или пропуска дыма и пламени.
Технический результат заявляемого способа направлен на:
- уменьшение влияния динамически меняющегося фона;
- обеспечение одновременности анализа и формирования сигналов о дыме и пламени.
Это достигается тем, что способ преобразования изображения дыма и пламени путем проецирования их изображений на многоэлементный фотопреобразователь, формирующий видеосигнал с последующим получением последовательных кадров, межкадровых разностей, их обработку путем накопления сумм разностей из не менее двух выбранных последовательностей кадров изображения для получения сигналов о дыме и пламени, отличается тем, что многоэлементным фотопреобразователем формируют электрические сигналы кадров изображений в трех спектральных полосах синего, зеленого и красного цветов, каждый из которых одновременно пропускают через фильтр Гаусса, умножают на поправочный коэффициент, затем для получения сигнала о дыме из сигнала синих кадров вычитают профильтрованные сигналы зеленого и красного кадров, для получения сигнала о пламени из сигнала красных кадров вычитают профильтрованные сигналы синего и зеленого кадров, полученные сигналы нормализуют до полного размаха, межкадровые разности из отобранных таким образом последовательных синих и красных кадров накапливают и сравнивают с заданными порогами, при превышении которых формируют два канала звуковых сигналов, тональные частоты и громкость которых пропорциональны количеству пикселей, образующих изображения межкадровых разностей для синего и красного кадров соответственно, и активируют сигнал тревоги.
Заявляемый способ преобразования изображения дыма и пламени проиллюстрирован чертежом на фиг. 1, где представлена блок-схема способа обнаружения дыма и пламени и цифрами обозначены: 1 - фотопреобразователь; 2, 3, 4 - блоки фильтров Гаусса; 5, 6, 7 - блоки умножения на коэффициент; 8, 9 - блоки вычитания; 10, 11 - блоки нормализации размаха; 12, 13 - блоки получения межкадровых разностей; 14, 15 - блоки накопления; 16, 17 - блоки сравнения с порогом; 18, 19 - блоки преобразования в звук; 20 - блок активации сигнала тревоги.
Сущность способа состоит в том, что изображения дыма и пламени проецируются на многоэлементный фотопреобразователь 1, который формирует сигналы кадров изображения в трех спектральных полосах синего В, зеленого G и красного R цветов. Эти сигналы одновременно фильтруют блоками 2, 3, 4 фильтров Гаусса и умножают на поправочный коэффициент в блоках 5, 6, 7. Затем для получения сигнала о дыме из сигнала синих кадров вычитают сигналы красного и зеленого кадров в блоке 8, а для получения сигнала о пламени из сигнала красных кадров вычитают в блоке 9 сигналы синего и зеленого кадров. Полученные сигналы нормализуют до полного размаха в блоках 10, 11, далее в блоках 12 и 13 получают межкадровые разности из не менее двух выбранных последовательных кадров изображений, производят их накопление в блоках 14, 15 и сравнивают с заданными порогами в блоках 16, 17. В случае превышения порога накопленными межкадровыми разностями в блоках 18, 19 сигналы их изображения преобразуются в два звуковых сигнала, тональные частоты которых пропорциональны количеству пикселей, образующих изображения межкадровых разностей синего и красного кадров соответственно. Блок 20 активирует сигнал тревоги. Если межкадровыми разностями порог не превышен, то перечисленные операции повторяются для следующих последовательных кадров.
Отметим физическое обоснование заявляемого способа.
Спектральная чувствительность кремниевого фотопреобразователя, формирующего видеосигналы в трех полосах, лежит, как правило, в диапазоне длин волн от 410 нм до 700 нм.
Четвертая степень отношения этих величин равна 8, следовательно, рассеяние света частицами дыма (по закону Рэлея) на длине волны 410 нм будет в 8 раз больше, чем на длине волны 700 нм. На практике эта величина меньше, т.к. зависит от соотношения длины волны и диаметра частиц дыма, но все равно остается разница в несколько раз. Это дает основание полагать, что в синем кадре сигнал от дыма будет больше, чем в зеленом и красном.
Поскольку дым не излучает, в отличие от пламени, а лишь рассеивает и отражает свет, то такой подход справедлив при естественном освещении днем, а также ночью при наличии либо подсветки с длинами волн от 410 нм до 430 нм (плохо видимых глазом, но лежащих в полосе чувствительности фотопреобразователя), либо при освещении светодиодными или другими осветителями с цветовой температурой не менее 5000 К.
Пламя по спектру излучения близко к спектру излучения абсолютно черного тела, цвет которого определяется только его температурой:
- до 1000 К - красный (625 нм - 700 нм);
- от 1000 К до 2000 К - оранжевый (590 нм - 625 нм);
- от 2000 К до 3000 К - желтый (565 нм - 590 нм).
Температуру пламени до 3000 К имеют большинство горючих веществ, поэтому допустимо анализировать сигнал изображения пламени в красном кадре.
Таким образом, возможно разделение по спектру на два канала анализа и формирования сигналов одновременно о дыме и пламени, что и использовано в заявляемом способе.
Анализируя сигналы кадров изображения дыма и (или) пламени, следует иметь в виду, что кадры могут состоять из окон интереса, то есть тех областей наблюдаемого пространства, где появление дыма и пламени наиболее вероятно, либо из окон (маски) запрета на области, где появление дыма и пламени маловероятно. Возможность установления таких окон является одним из свойств фотопреобразователя и обычно используется в телевизионных системах охраны и наблюдения.
Минимальная размерность окна фильтра Гаусса определяется минимальным размером проекции изображения дыма и пламени, достаточным для их достоверной идентификации (например, 3×3 пикселей). Максимальная размерность ограничена наименьшими размерами объектов фона, которые необходимо подавить при операции вычитания 8, 9. Умножение получаемой разности на поправочный коэффициент компенсирует ошибки цветопередачи фотопреобразователя и особенности освещения на наблюдаемом пространстве.
Операциями фильтрации 2, 3, 4, умножения 5, 6, 7, вычитания 8, 9 и нормализации размаха получившихся сигналов синего и красного кадров обеспечивается эффективное подавление как статичного, так и динамически меняющегося фона, поскольку это операции внутри одного кадра. То есть все динамические объекты фона внутри кадра статичны (все сигналы R, G, В привязаны к одному и тому же моменту времени). Эти же операции в значительной степени подавляют влияние снега, небольшого тумана и дождя.
Таким образом, достигается поставленная цель - уменьшить влияние динамически меняющегося фона.
Выполнение операций получения межкадровых разностей (12, 13) и накопления (14, 15) проявляет динамические свойства дыма и пламени, что позволяет после сравнения с заданным порогом (16, 17) преобразовать часть этих свойств, а именно изменение количества пикселей, образующих изображения межкадровых разностей синего и красного кадров соответственно, в пропорциональные этому количеству по тональной частоте и громкости два звуковых сигнала, которые доводятся до оператора, а также поступают на блок активации сигнала тревоги. Поскольку динамические свойства сигналов дыма и пламени различаются, то будут отличаться и звуковые сигналы.
Способ может быть реализован на распространенных компьютерных средствах, а именно: персональных или промышленных компьютерах, ноутбуках, планшетах, смартфонах и т.п.
Компьютерная программа, реализующая способ, относительно проста и состоит из известных и широко применяемых операций.