Способ обнаружения дыма и пламени в видимом диапазоне длин волн
METHOD FOR DETECTING SMOKE AND FLAME IN THE VISIBLE WAVELENGTH RANGE

Настоящее изобретение относится к способам видеонаблюдения за факторами пожара, такими как дым и пламя, с целью их обнаружения путем анализа сигнала изображения в видимом диапазоне длин волн. Такие способы называются видеодетекторами и могут быть реализованы либо как прикладные программы в системах охранного или технологического телевидения, либо аппаратурно в устройствах пожарных видеоизвещателей.
По сравнению с сетями аппаратных датчиков видеодетекторы предупреждают о пожаре 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.
Продолжительность автономной работы видеодетекторов может быть различной. Например, видеоконтроль с борта беспилотных летательных аппаратов, или наблюдение под контролем оператора имеет небольшую продолжительность. Если же автономная работа предполагает длительное функционирование в необслуживаемом режиме или при отсутствии дистанционного доступа, то видеодетектор должен иметь встроенные средства самоконтроля, обеспечивающие высокую достоверность обработки изображений непосредственно в видеодетекторе с низкой вероятностью пропусков наступления отслеживаемых событий и 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:
- возможные пропуски обнаружения задымления и ложные срабатывания при продолжительной непрерывной работе.
Известен «Способ и устройство для обнаружения пламени», патент RU 2393544, G08B 17, 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 продолжительной непрерывной работе;
- сложность адаптации параметров операций алгоритма обнаружения пламени 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:
- фильтрация по Гауссу;
- умножение на коэффициент;
- вычитание;
- нормализация размаха;
- получение межкадровых разностей;
- накопление;
- сравнение с порогом;
- активация тревоги.
К недостаткам способа прототипа относится:
- возможность ложных срабатываний и пропусков обнаружения дыма и пламени из-за сбоев в реализующем алгоритм обнаружения программном обеспечении при продолжительной работе;
- сложность адаптации параметров операций алгоритма к конкретной фоно - световой обстановке;
- отсутствие операции самоконтроля при продолжительной работе. Технический результат заявляемого способа направлен на:
- уменьшение риска ложных срабатываний и пропусков обнаружения дыма и пламени при продолжительной непрерывной работе;
- обеспечение самоконтроля в условиях конкретной фоно-световой обстановки;
- обеспечения функционирования в двухпроводных сетях.
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 во временном интервале самоконтроля, задаваемом сигналом синхронизации, отключают активацию тревоги, видеосигналы синего и красного кадров перед фильтрацией перемножают с синфазными тестовыми видеосигналами дыма и пламени, видеосигнал зеленого кадра задерживают на время, равное времени перемножения, при появлении в результате обработки полученных перемножением тестовых изображений сигналов дыма и пламени, активируют индикацию исправности, видеосигналы с фотопреобразователя переключают на операцию фильтрации Гаусса и операцию записи, включают активацию тревоги, и начинают дежурный цикл обработки сигналов от фотопреобразователя.
Сущность заявляемого способа преобразования изображения дыма и пламени поясняется графическими материалами, где:
- на фиг. 1 изображена блок-схема алгоритма заявляемого способа;
- на фиг. 2 - временная диаграмма соотношения интервалов самоконтроля и дежурного режима в состоянии «исправен» и «неисправен».
На фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - фотопреобразователь; 2, 6 -формирование тестовых изображений; 3, 5 - перемножение сигналов В (R) с соответствующими тестовыми кадрами изображений; 4 - схема задержки; 7 - переключение; 8 - синхронизация; 9 - запись; 10, 11, 12 - фильтрация Гаусса; 13, 14, 15 - умножение на поправочный коэффициент; 16, 17 - вычитание из В и R отфильтрованных и умноженных на поправочный коэффициент соответствующих сигналов R, G, В с фотопреобразователя или с внедренными тестовыми сигналами; 18, 19 - нормализация размаха; 20, 21 - получение межкадровых разностей; 22, 23 - накопление межкадровых разностей; 24, 25 - сравнение с заданным порогом; 26 - индикация исправности; 27 - активация тревоги.
Сущность способа состоит в том, что изображения дыма и пламени проецируются на матричный фотопреобразователь 1, который формирует сигналы R, G, B в трех спектральных полосах. Эти сигналы поступают непосредственно на переключатель 7, на него же поступают сигналы R и В, перемноженные в блоках 3,5 с тестовыми кадрами от источников 2,6 и сигнал G, задержанный на время, равное времени перемножения сигналов R и В. Тестовые кадры представляют собой мультипликацию изображений дыма и пламени на нейтральном фоне. Перемножение этих кадров с сигналами наблюдаемого пространства в конкретной, меняющейся фоносветовой обстановке, обеспечивает высокую достоверность контроля, включая состояние оптической системы проецирования изображения. Синхронность формирования тестовых кадров обеспечивается их привязкой к сигналам R и В, поступающим к источникам тестовых кадров непосредственно с фотопреобразователя. Блок синхронизации 8 задает временную диаграмму работы алгоритма, которая показана на фиг. 2.
С выхода переключателя сигналы поступают на фильтры Гаусса 10, 11, 12, которые их сглаживают, повышая отношение сигнал/шум и устраняя точечные помехи, далее умножаются на коэффициенты в блоках 13, 14, 15, которые учитывают как спектральную чувствительность фотопреобразователя, так и параметры конкретной фоно-световой обстановки.
С целью сужения спектра по каналам R и В, а также повышения отношения сигнал/шум при одновременном подавлении неравномерности фоно-световой обстановки в наблюдаемом пространстве выполняется вычитание сигнала по каналу G из сигналов R и B в блоках 16, 17 с дальнейшей нормализацией размаха в блоках 18, 19. Таким образом, происходит окончательное разделение изображений дыма и пламени по спектру.
Получение межкадровых разностей в блоках 20, 21 и их накопление в блоках 22, 23 проявляет динамические параметры изображений дыма и пламени.
В зависимости от результата сравнения с задаваемым порогом в блоках 24, 25, включается активация тревоги в блоке 27, причем если на выходе переключателя - тестовые изображения, то активация тревоги отключена до момента срабатывания индикации исправности блока 26. Появление сигнала исправности переключает на фильтры Гаусса сигналы непосредственно с фотопреобразователя, и алгоритм начинает анализировать реальные, а не тестовые сигналы.
В случае неисправности, активируется сигнал «неисправен», видеосигналы с фотопреобразователя не переключаются на операции фильтрации Гаусса и операцию записи, источник синхронизации формирует очередной импульс синхронизации. Таким образом, алгоритм будет находиться в режиме самоконтроля до активации сигнала «исправен», при формировании которого перейдет в дежурный режим.
4
5
n
8
n+1
n+4
На фиг. 2 (диаграмма a) показана длительность сигнала синхронизации, который формируется таймером 8, продолжительностью 4 периода кадровой частоты входного сигнала. В течение этих интервалов происходит обработка трех тестовых изображений (диаграмма б), накопление суммы разностей в режиме контроля и сравнение с порогом тестовых кадров (диаграмма ж). Количество кадров, равное трем, выбрано для определенности, оно может быть другим. Если в сумме разностей произошло обнаружение дыма или пламени (диаграмма д) в момент t, то в момент t активируется сигнал «исправен» (диаграмма з), который переключает сигналы с выхода фотопреобразователя на входы фильтров Гаусса, что означает переход с контрольного в дежурный режим (диаграмма в), который будет продолжаться до момента t включительно, и одновременно разблокирует сигналы управления «активизация тревоги» и «запись». По окончании четвертого кадрового периода в дежурном режиме в момент t (диаграмма г), в случае обнаружения дыма или пламени (диаграмма д), активируется сигнал «тревога» и включается запись сигнала с фотоприемника (диаграмма е). Дежурный режим продолжается до момента t прихода очередного сигнала синхронизации (диаграмма а), в который начинается очередной цикл самоконтроля. Если этот цикл закончится необнаружением тестовых сигналов дыма или пламени в сумме разностей (диаграмма ж) в режиме контроля в момент t (диаграмма д), то будет инициирован сигнал «неисправен» (диаграмма з), который блокирует сигналы «тревога» и «запись» (они могли закончиться раньше), оставляя алгоритм в состоянии ожидания очередного сигнала синхронизации, начинающего очередной цикл самоконтроля. В двухпроводную линию связи передается сигнал «неисправен» вместо сигнала «тревога».
Таким образом, применение предлагаемого алгоритма уменьшает риск ложных срабатываний и пропусков обнаружения дыма и пламени за счет наличия самоконтроля, который обеспечивает анализ изображения только после цикла контроля.
Режим самоконтроля в условиях конкретной фоно-световой обстановки обеспечен методом формирования тестовых изображений как результата перемножения тестовых мультипликационных кадров и сигналов непосредственно с фотопреобразователя.
Обеспечение функционирования в двухпроводных сетях реализовано введением операции записи изображения по сигналу «тревога», что позволяет анализировать в дальнейшем начальную стадию возникновения таких факторов пожара, как дым и пламя, без передачи изображения по скоростной линии связи на пост пожарной охраны. Промышленная реализация алгоритма возможна, так как он содержит только известные операции, которые применяются последовательно и непротиворечиво.