大空间建筑中火灾探测方法设计doc

西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）任务书摘要火灾是各类灾害中发生频率最高的一种，随着城市化进程的飞速发展以及人口的迅速膨胀，火灾造成的损失也越来越大。当前，高层建筑和大空间场所越来越多，如何在大空间环境下较早的发现火灾威胁并进行报警和扑灭，从而尽量减少生命、财产损失成为研究的热点。图像型火灾探测技术因其监控范围广、环境适应性强、升级容易等特点而备受关注，非常适合大空间环境下的火灾探测。在此基础上，针对早期火灾发生时出现的典型物理现象－烟雾和阴燃，本文提出了一种旨在大空间环境下探测早期火灾的新型双波段图像型火灾探测系统。在烟雾探测方面，本文根据模式识别的三个基本步骤设计提出了一整套烟雾探测的方法。在可疑区域分割环节，系统使用混合高斯模型对背景进行建模，进而提取可疑区域，分割可疑图元。在特征提取环节中，根据烟雾的半透明性和闪烁频率两种特性系统提取了可疑图元的高低频能量，颜色饱和度能量和边界平均闪烁频率四种特征值。最后，在烟雾判断环节，系统使用这四种特征值构成的特征向量对可疑图元进行烟雾判定。在红外波段，使用了可疑图元的面积变化率、火焰尖角数和区域相似度三种特征值对可疑图元是否是阴燃进行判断。最后，提出了根据烟雾和阴燃各自的判断结果进行早期火灾综合判断的判断流程。本文对烟雾可疑区域的提取、可疑图元的特征值提取和分析以及烟雾的判断规则做了深入的讨论。关键词：大空间早期火灾，双波段，数字图像处理，混合高斯模型，小波变换，颜色空间2AbstractIneverykindofdisasters,firehappensmostfrequently.Andwiththehighgrowspeedofthepopulationandthenumberofcities,destructionsandlossesthatfirecausesbecomemoreandmoregreat.Today,therearemoreandmoreskyscrapersandbigbuildings,howtodetectfirethreateninthesekindsofplacesassoonaspossibleandlimitthelosstothelowestlevelbecomemoreimportantthanever.Foritsbroaddetectrangeandeasysettlementfeatures,muchattentionhasbeenfocusedonanewstyledetectionmethod-firedetectionbasedonvideoimages.Awholeprocessofdetectionwasdevelopedbasedonclassicthreestepsmethodinpatternrecognition.Insuspiciousregionsegmentationstep,systemusesthemulti-Gaussianmodeltoestablishmodelofbackground,thustodistrictmotiveregioninthecurrentframe.Infeaturesextractionstep,systemextractsfoureigenvalueslikehigh/lowfrequencyenergy,colorsaturationenergyandaverageboundaryflickerfrequency.Inultraredband,systemusesareachangingrate,numberofsharp-anglesandareasimilaritytojudgeifthereissmolderinsuspiciousregion.Methodsthatusedinregionsegmentationandrecognitionarethoroughlydiscussedinthisdissertation.Videosofsmokeandflamesinbothvisibleandultraredbandsareusedtotestifythosemethods,andtheresultshowthatthesystemandmethodswedevelopedareeffective.KeyWords:Earlyfireinlargespace,Double-band,Digitalimageprocessing,Multi-Gaussianmodel,Wavelettransform,Colorspace3目录1引言.........................................................41.1课题背景.................................................51.2相关概念.................................................51.3设计意义.................................................61.4报告内容安排.............................................62火灾探测系统的系统结构及工作原理.............................72.1探测系统的系统结构.......................................72.2系统的工作原理...........................................83大空间建筑中火灾探测方法设计概述............................103.1提出本设计的背景........................................103.2设计理念概述............................................103.3实现该系统的主要流程....................................104大空间建筑中火灾探测方法详细设计............................114.1烟雾可疑图元的分割及预处理..............................114.1.1基于混合高斯模型的运动分析方法......................114.1.2期望值最大（EM）算法................................124.1.3使用EM算法进行混合高斯模型参数估计................124.1.4使用混合高斯模型对背景建模..........................144.1.5运动区域的提取......................................144.1.6图像的平滑滤波及图元分割............................144.2可疑图元的特征分析及烟雾判断............................174.2.1可疑图元的特征分析..................................174.2.2可疑图元颜色饱和度信息的分析........................1844.2.3可疑图元边界闪烁频率的分析..........................194.2.4烟雾的综合判断......................................194.3阴燃的红外图像探测......................................224.3.1特征提取............................................224.3.2阴燃的判别..........................................235结论........................................................255.1本次设计结论............................................265.2设计不足及改进..........................................26致谢.........................................................28参考文献......................................................2951引言1.1课题背景火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。在社会生活中，火灾是威胁公共安全，危害人们生命财产安全的最主要的灾害之一。随着社会生产力的发展，社会财富的日益增加，火灾损失上升及火灾危害扩大的总趋势是客观规律。火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率最高，也是时空跨度最大的一种灾害。因此，消防工作成为人们普遍关心的问题。而消防工作根据具体的应用场所不同，所要采取的措施和使用的设备有很大的区别。随着城市化进程的飞速发展，高层建筑和大空间场所越来越多。如何在大空间环境下发现处于早期阶段的火灾威胁从而减少生命、财产损失成为各类消防工作中凸显的一个方面。虽然火灾探测技术发展已久，然而传统的火灾探测技术中，感烟、感温、感光等探测器，由于受到各种因素（空间高度、空气流速、粉尘、温度、湿度等）的影响，在大空间环境下进行火灾探测都遇到了不同的困难，从而在一定程度上失去了效用。所以，如何在大空间环境下尽早的发现并控制火灾仍然困扰着科研和消防人员。本文从这个严峻的问题出发，提出了一种双波段图像型火灾探测方法，旨在在大空间环境下，及早的发现火灾危险，从而尽量减少人们的生命、财产损失。1.2相关概念火灾发生发展过程中，通常会产生烟雾，同时会释放出燃烧气体－气溶胶。它们与空气中的氧气发生反应，形成火焰。火焰会释放出大量的红外线和紫外线，导致环境温度逐渐升高。气溶胶、烟雾、火焰和热量等是火灾的特征，通常称为火灾参量，通过这些参量的测定可以确定是否有火灾发生。火灾发生的初期，并不是所有的火灾参量都会出现。这个时候存在的主要的物理现象有：阴燃，火羽流和烟气等。所谓的阴燃，是指一种只在气固相界面处的燃烧反应，而没有气象火焰的燃烧现象。阴燃的温度比较低，燃烧速度慢。作为自我维持的无明火的燃烧，阴燃的典型温度范围是600－1000K。火羽流是发生在火灾初始阶段的一种燃烧现象。在火焰上方由浮力驱动的热气流持续上升并进入有新鲜空气的区域，由于其包含火焰部分，故称为火羽流。火羽流的典型温度在500－1700K。烟气是燃烧产物中微小颗粒的集合。烟气在流通过程中与周围环境进行热交换。其温度介于6火羽流和环境温度之间。一般烟气的温度在300－800K之间。由于这些物理现象在发生时与周围的环境存在着较大的差异，表现为其边缘效应和形体效应，从而形成图像信息。我们知道，光其实是一种电磁波。波长分布在5nm到400nm之间的电磁波称为紫外光；波长分布在400nm到760nm之间的电磁波称为可见光；而波长760nm到1mm之间的电磁波被称为红外光。物体的温度由低到高，辐射出的电磁波的波长由长到短。当物体的温度在800K左右的时候，才会产生暗红色的可见光。同时，由辐射定律可知，当物体为黑体时，只有其温度高于1000K，才可以依靠其自身发出的可见光识别出物体的形体信息。物体燃烧时，其放出的能量95%集中在红外波段。同时，由于阴燃属于低温燃烧，其辐射的可见光是非常少的。所以，使用带有红外滤镜的摄像头可以在红外波段对阴燃进行探测。而由于烟气对可见光的反射作用，所以使用普通的彩色CCD摄像头，可以探测到烟气的图像信息。因此，我们选择了烟雾和阴燃作为表征早期火灾的物理现象进行探测，从而根据烟雾和阴燃的探测