Способ помехоустойчивого обнаружения дыма и пламени в сложной фоно-световой обстановке
ANTI-JAMMING METHOD FOR DETECTING SMOKE AND FLAMES IN A COMPLEX BACKGROUND-LIGHT ENVIRONMENT

Настоящее изобретение относится к способам видеонаблюдения за такими факторами пожара, как дым и пламя с целью их обнаружения путем анализа сигнала изображения в видимом диапазоне длин волн. Такие способы могут быть реализованы либо как прикладные программы в системах охранного или технологического телевидения, либо аппаратурно в устройствах пожарных видеоизвещателей или видеодетекторов.
По сравнению с сетями аппаратных датчиков, видеодетекторы обнаруживают возгорание на больших необорудованных пространствах, лесных массивах, тоннелях и т.п., используя уже имеющиеся средства телевизионного видеонаблюдения, либо работая совместно с существующими извещателями в двухпроводных сетях без передачи видеосигнала на посты концентрации и принятия решений.
Автономная работа видеодетекторов может происходить в разных условиях: например, видеоконтроль с борта беспилотных летательных аппаратов характеризуется перемещением видеодетектора относительно фона и объектов, а при стационарном наблюдении видеодетектор неподвижен, а перемещаются объекты на неподвижном фоне. Если же автономная работа предполагает длительное функционирование в сложных погодных и климатических условиях, сопряженных с частым изменением фоно-световой обстановки, то ключевым требованием к видеодетектору является необходимость обеспечения высокой достоверности обработки изображений с незначительным риском ложных срабатываний.
Известен способ обнаружения областей задымления на видеопоследовательности кадров изображения с применением локальных бинарных шаблонов (см. Пятаева А. В. Обнаружение областей задымления на видеопоследовательности с применением локальных бинарных шаблонов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева (Вестник СибГАУ). Вып.5(57). - Красноярск, 2014. С. 108-114).
Там же перечислены используемые к настоящему времени способы обнаружения задымления (алгоритмы) на основе анализа гистограмм изображений и их временного анализа с применением эвристических правил.
Недостатками этих способов являются:
- отсутствие свойства адаптации к изменению фоно-световой обстановки;
- недостаточная компенсация движения объектов в зоне наблюдения, увеличивающая риск ложных срабатываний.
Известен «Способ и устройство для обнаружения пламени», патент RU 2393544, G08B17, опубл. 27.06.2010 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 этого способа являются:
- возможные пропуски обнаружения пламени и ложные срабатывания при наличии динамичных объектов в охраняемой зоне;
- сложность адаптации параметров операций способа обнаружения к конкретной фоно-световой обстановке.
Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ преобразования изображения дыма и пламени», описанный в патенте РФ RU 2707416, G08B 17/00 (2006.01), G06T 11/00 (2006.01), H04N 11/00 (2006.01), опубл. 26.11.2019 г., заключающийся в последовательном применении к сигналу входного цветного изображения в трех спектральных полосах, каждый из которых одновременно пропускают через фильтр Гаусса, умножают на поправочный коэффициент, затем для получения сигнала о дыме из сигнала синих кадров вычитают отфильтрованные сигналы красного и зеленого кадров, для получения сигналов о пламени из сигнала красных кадров вычитают сигналы синего и зеленого кадров, полученные сигналы нормализуют до полного размаха, межкадровые разности обработанных таким образом последовательных синих и красных кадров накапливают и сравнивают с заданными порогами, формируют звуковой сигнал и активируют тревогу.
Признаками, совпадающими с предполагаемым изобретением, являются:
- формирование фотопреобразователем сигналов в трех спектральных полосах;
- фильтрация по Гауссу;
- умножение на коэффициент;
- вычитание;
- нормализация размаха;
- получение межкадровых разностей;
- накопление;
- сравнение с порогом;
- активация тревоги.
К недостаткам способа прототипа относится:
- повышенный риск ложных срабатываний из-за отсутствия адаптации к изменению фоно-световой обстановки;
Технический результат заявляемого способа направлен на:
- уменьшение риска ложных срабатываний обнаружения дыма и пламени в сложной фоно-световой обстановке.
Это достигается тем, что способ обнаружения дыма и пламени в видимом диапазоне длин волн, в котором фотопреобразователь формирует видеосигналы в спектральных полосах синего, зеленого и красного кадров, которые фильтруют по Гауссу, умножают на коэффициент, вычитают, получают и накапливают межкадровые разности, сравнивают с порогом и активируют сигнал тревоги, отличается тем, что в совокупностях межкадровых разностей каналов пламени и дыма вычисляют наибольшие значения по яркости, добавляют к ним величину защитного интервала, чем формируют пороги бинаризации каналов дыма и пламени, накопленные межкадровые разности обоих каналов сравнивают друг с другом, обнуляют в каждой совпадающие по положению в кадре фрагменты и выполняют бинаризацию указанных разностей, задают площадь и форму окна сканирования, в бинарных кадрах выделяют связные области, ранжируют их по количеству входящих пикселей, отбраковывают неудовлетворяющие требованиям окна сканирования по количеству пикселей, а оставшиеся сканируют окном, и если оно может быть вписано в связную область с учетом полного заполнения, активируют сигнал тревоги.
Заявляемый способ преобразования изображения дыма и пламени поясняется графическим материалом, где изображена блок-схема алгоритма заявляемого способа и цифрами обозначены: 1 фотопреобразователь; 2, 3, 4 - фильтры Гаусса; 5, 6, 7 - умножение на коэффициент; 8, 9 - вычитание; 10, 11 - нормализация; 12, 13 - получение разностей; 14, 15 - вычисление максимумов яркости; 16, 17 - накопление разностей; 18 - обнуление совпадающих по положению в кадре фрагментов; 19, 20 - добавление защитного интервала; 21, 22 - бинаризация; 23, 24 - выделение связных областей; 25 - задание площади и формы окна сканирования; 26, 27 - ранжирование и отбраковка связных областей; 28, 29 - сканирование связных областей окном; 30 - активизация сигнала тревоги.
Предлагаемый способ 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 зеленых кадров в блоке 8, а для получения сигнала о пламени из сигнала красных кадров вычитают в блоке 9 сигналы зеленого кадров. Полученные сигналы нормализуют до полного размаха в блоках 10, 11, далее в блоках 12 и 13 получают межкадровые разности из не менее чем двух выбранных последовательных кадров изображений и производят их накопление в блоках 16, 17. Вычисление порога для бинаризации сумм межкадровых разностей выполняется в блоках 14, 15, в которых находится наибольшее значение яркости межкадровых разностей дыма и пламени, а в блоках 19, 20 к этим значениям арифметически добавляются защитные интервалы в виде чисел соответственно для канала дыма и пламени. Перед проведением бинаризации суммы межкадровых разностей дыма и пламени сравниваются между собой в блоке 18 и обнуляют совпадающие по положению фрагменты. Бинаризацию выполняют в блоках 21, 22, в которых сравниваются сформированные пороги для дыма и пламени с соответствующими яркостями пикселей сумм межкадровых разностей. В полученных бинарных фрагментах в блоках 23, 24 выделяют связные области, задают площадь и форму окна сканирования в блоке 25 с количеством заполняющих его пикселей, в блоках 26, 27 ранжируют указанные области по убыванию числа пикселей и отбраковывают неудовлетворяющие требованиям окна сканирования, в блоках 28, 29 производят сканирование окном оставшихся областей таким образом, что если оно может быть вписано в связную область с учетом полного заполнения, активируют сигнал тревоги в блоке 30.
Сущность способа заключается в том, что изображения дыма и пламени проецируют на матричный фотопреобразователь 1, который формирует сигналы R, G, B в трех спектральных полосах, поступающие на фильтры Гаусса 2, 3, 4, которые их сглаживают, повышая отношение сигнал/шум и устраняя точечные помехи и умножают на коэффициенты в блоках 5, 6, 7, которые учитывают спектральную чувствительность фотопреобразователя.
С целью сужения спектра по каналам R и В, повышения отношения сигнал/шум, при одновременном частичном подавлении неравномерности фоно-световой обстановки в наблюдаемом пространстве, повышения чувствительности к разности температур областей пламени, выполняется вычитание сигнала G из сигналов R и B в блоках 8, 9 с последующей нормализацией размаха в блоках 10, 11. Таким образом, происходит окончательное разделение изображений дыма и пламени по спектру. Операция разделения каналов дыма и пламени по спектру при одновременном сужении спектра каждого позволяет также снизить риск ложных срабатываний за счет исключения помех в зеленой части спектра.
Для исключения влияния стационарного фона в зоне наблюдения в блоках 12, 13 формируют межкадровые разности из кадров выборки, взятых из входной видеопоследовательности. Определение порога бинаризации с целью снижения риска ложных срабатываний выполняют вычислением в блоках 14, 15 максимальных значений яркости пикселей межкадровых разностей и добавлением к этим значениям величины защитного интервала в блоках 19, 20. Таким образом, при суммировании межкадровых разностей в боках 16, 17, только сумма двух из них и более, совпавших в пространстве (а соответственно и в проекциях на фотопреобразователь) может превысить порог бинаризации. Однако в реальности динамичная фоно-световая обстановка, не остающаяся постоянной за время выборки (например, вибрация объектов в зоне наблюдения, вибрация ТВ камеры, изменение окраски и отражающей способности проезжающих автомобилей, блики от стекол транспортных средств и тому подобное) могут превышать установленный порог, вызывая ложные срабатывания, несмотря на установленный защитный интервал. Увеличение же этого интервала существенно снижает чувствительность обнаружения. С целью исключить риск ложных срабатываний от упомянутых причин в блоке 18 обнуляют совпадающие по положению фрагменты и только после этого выполняют бинаризацию в блоках 21, 22. В бинарных изображениях каналов дыма и пламени остаются фрагменты проекций перемешивающихся в пространстве областей пламени с разной температурой, фрагменты дыма с разной рассеивающей способностью, температурой и плотностью, а также контурные линии, которые не могут быть удалены, потому что они образованы пространственным сдвигом друг относительно друга синего и красного элементов цветового фильтра на фотопреобразователе, например, Байера, или другого. Эти контурные линии могут приводить к ложным срабатываниям, так как они являются неотделимой частью динамичных объектов в зоне наблюдения. Для исключения риска ложных срабатываний от контурных линий, вибраций телевизионной камеры, а также для установления минимального допустимого размера обнаруживаемых фрагментов дыма и пламени, выполняют подготовительные операции и непосредственное сканирование бинарных изображений окном заданного размера, форма и площадь которого заданы блоком 25. В блоках 23, 24 выделяют связные области на бинарных изображениях каналов дыма и пламени, ранжируют по размеру и отбраковывают те из них, которые не удовлетворяют требованиям окна сканирования по площади (количеству пикселей) и форме. Оставшиеся области поочередно сканируют, начиная с наибольшей, и если окно может быть вписано в связную область с учетом полного заполнения, активируют сигнал тревоги.
Таким образом, предлагаемый алгоритм содержит совокупность операций, уменьшающих риск ложного срабатывания обнаружения дыма и пламени в сложной фоно-световой обстановке и, следовательно, поставленная цель достигается.
Реализация алгоритма в виде программы для ЭВМ и ее тестирование показало практическое отсутствие риска ложных срабатывания в условиях сложной, динамично меняющейся фоно-световой обстановки. Промышленное применение алгоритма может быть реализовано не только в виде отдельной программы для систем видеонаблюдения, но и в составе устройств пожарных видеоизвещателей возгорания на основе обнаружения как дыма, так и пламени.