一種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法
【專利摘要】該發明提供了一種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法。利用紅外攝像機對林區進行全天候監控，采集廣域視角下的森林紅外圖像，并通過多特征融合方法對紅外圖像火焰進行識別。當檢測到火災發生時，由雙攝像機聯動策略，控制可見光攝像機對火災現場進行特寫，獲取火災現場實時精準的火情信息。本方法采用紅外攝像機與可見光攝像機聯動策略，通過視頻復合在監測到森林火災的同時，對火災現場進行特寫，獲取火災現場實時精準的火情信息，為組織撲救工作提供決策支持。
【專利說明】
一種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于視頻監控技術領域，涉及一種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火 災監測方法。
【背景技術】
[0002] 森林火災是世界性的林業重大災害之一，一旦發生將會造成嚴重的損失。我國是 一個森林火災多發國家，森林防火的形勢非常嚴峻。據國民經濟和社會發展統計公報數據 顯示，2015年全國共發生森林火災2936起(其中一般火災1676起、較大火災1254起、重大火 災6起），受害森林面積12940公頃，因災造成人員傷亡26人，直接經濟損失達13多億元。森林 火災具有隨機性和突發性的特點，大部分森林火災由于未能及時發現、撲救，造成了巨大損 失。撲救是否得當主要取決于對林火行為的發現是否及時，火情分析是否準確合理。因此， 依靠現代信息技術及時準確地獲知林火發生地點以及災情的變化、發展狀況，為組織撲救 工作提供決策支持，具有重要的研究價值和現實意義。
[0003] 目前森林火災監測措施普遍采用地面巡防、瞭望塔監測、航空巡護、衛星遙感監測 以及遠程視頻監控等。地面巡防以及瞭望塔監測需要通過用人肉眼觀察煙霧來發現林火， 信息量少，且需要有豐富經驗的判讀人員，難以滿足當前計算機快速自動識別的要求;航空 巡護一次觀測需要相對昂貴的費用，且巡航飛機數量有限，協調難度大，不利于航空護林事 業的發展;衛星監測雖具有監測范圍廣且適于對全國宏觀區域的林火發生面積和位置進行 定期監測的優點，但由于其易受分辨率、電磁干擾、云霧遮擋等影響不能及時準確掌握森林 資源變化和實時監測森林火災。遠程視頻監控采用瞭望塔上的視頻攝像頭監測森林現場， 能提供豐富和直觀的圖像信息，彌補林火監測易受環境條件限制影響的缺陷，并具有成本 低、速度快、靈敏度高、可靠性強的特點。對森林進行監控的攝像頭一般為安裝在林區制高 點的紅外攝像頭，實現森林全天候廣域視角下的監控，一旦發生火災可精確標明火場位置， 確定火場面積、火勢強度和發展方向，從宏觀上反映林火的動態變化。由于紅外攝像頭安裝 位置較高，因而無法近距離觀查火災現場情況，無法獲取更加精確的火情信息。現已有工作 通過手動調節改變攝像頭的焦距對林火區域進行特寫，實現火情近距離監測。這種方法雖 然能對實時火情進行特寫，但其不能同時兼顧整體監控和火情局部觀察。因此，需要一種可 以有效提高監控效率的森林火災監測方法，在監測到森林火災的同時，對火災現場進行特 寫，提供火災現場實時火情信息，為組織撲救工作提供決策支持。

【發明內容】

[0004] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火災 監測方法，通過視頻復合，在監測到森林火災的同時，可對火災現場進行特寫，獲取火災現 場實時精準的火情信息，為組織撲救工作提供決策支持。
[0005] 為達到上述目的，本發明提供以下技術方案：
[0006] -種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法，其特征在于，它包括如 下步驟:S1:通過一個紅外攝像機對森林進行全天候監控，采集廣域視角下的森林紅外圖 像;S2:對釆集到的紅外圖像進行預處理，綜合火焰疑似區域火焰面積變化率、火焰尖角變 化數、火焰圓形度等動態特征識別火焰，自動判斷火災是否發生;S3:紅外攝像機與特寫攝 像機標定;S4:由雙攝像機聯動策略，控制特寫可見光攝像頭對火災現場進行特寫。
[0007]進一步，所述步驟S2中對對紅外圖像進行預處理，綜合火焰疑似區域火焰面積、火 焰尖角、火焰圓形度等動態特征識別火焰，自動發現林火的具體步驟是指:21:采用直方圖 均衡化法對紅外圖像進行處理，增強圖像對比度;22:采用最大熵圖像分割算法，對火焰疑 似區域進行分割;23:提取火焰疑似區域火焰面積變化率、火焰尖角變化數、火焰圓形度等 動態特征;24:采用多特征融合識別火焰，判斷是否有火災發生。
[0008]進一步，所述步驟S3中一種基于查找表的紅外攝像機與可見光攝像機標定法具體 步驟是指:31:劃分火災區域為網格狀;32:控制可見光攝像機圖像中心與重合，記錄紅外攝 像機中網格交點的可見光攝像機旋轉角度;33:用雙線性插值求取非網格交點的可見光攝 像機的旋轉角度。
[0009] 進一步，所述步驟S4的具體步驟是指:41:可見光攝像機位置調整;42:可見光攝像 機縮放調整；
[0010] 本發明的有益效果在于:利用紅外監控攝像機對林區進行全天候監測，采集廣域 視角下的森林紅外圖像，通過多特征融合對紅外光火焰進行識別與預警。當檢測到火災發 生時，由雙攝像機聯動策略，控制可見光攝像機對火災現場進行特寫，獲取火災現場實時精 準的火情信息。本方法采用紅外攝像機與可見光攝像機聯動策略，通過視頻復合在監測到 森林火災的同時，對火災現場進行特寫，獲取火災現場實時精準的火情信息，為組織撲救工 作提供決策支持。
【附圖說明】
[0011] 為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述，其中：
[0012] 圖1為基于紅外攝像機與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法框架圖；
[0013] 圖2為紅外圖像中火災識別流程圖；
【具體實施方式】
[0014] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0015] 圖1為基于紅外攝像機與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法框架圖，本方法 包括以下步驟：
[0016] S1:通過一個紅外攝像機對森林進行全天候監控，采集廣域視角下的森林紅外圖 像；
[0017] S2:對釆集到的紅外圖像進行預處理，綜合火焰面積變化率、火焰尖角變化數、火 焰圓形度等特征加權識別火焰，自動判斷火災是否發生。具體包括以下步驟：
[0018] S21:采用直方圖均衡化法對紅外圖像進行處理，增強圖像對比度。具體方法是采 用累積分布函數對原始圖像的直方圖做灰度值的線性變換。直方圖均衡化公式為：
[0020] rk表示待處理圖像的第K級灰度值，tk表示增強變化后圖像中對應像素點的灰度 值。
[0021] S22:采用最大熵圖像分割算法，對火焰疑似區域進行分割。用灰度級t分割圖像， 大于和小于的分別歸為一個區域，兩個目標區域為A和B。概率在基本區域的分布為： t
[0022] A區：爲=乏=
[0023] B區：pi/(l_pi)i = 1，2,…，t
[0024] 疑似火焰區域和背景區域的的熵表示如下：
[0025] = PMP"P) i = 1 丄…'f
[0026] HB{t)= A1 ~ Pi~Pt))| > = 1-2,-? / ：i
[0027] 熵定義為巾（t)=HA+HB，當巾（t)的值取到最大時，對應的t值即為圖像分割時的閾 值。
[0028] S23:提取火焰疑似區域火焰面積變化率、火焰尖角變化數、火焰圓形度等動態特 征。具體訓練方法包括以下步驟：
[0029] S231:火焰面積變化率:對應獲取到的連續兩張具有火災疑似火災區域的紅外圖 像Ii(x，y)和I2(x，y)，火災面積變化率V area定義為：
[0031] 其中，An和Ai2分別為紅外圖像Ii(x，y)和l2(x，y)的面積。
[0032] S232:火焰尖角變化數:火災災區域的不穩定性導致火災區域存在很多尖角，并且 呈現無規則的跳動，尖角變化數和尖角平均變化數^；分別如下所示：
[0035]其中，C表示尖角數目，尖角變化數的絕對值^：，反映了這n張紅外圖像的火災區 域尖角個數發生變化快慢的程度。
[0036] S233:火焰圓形度：圓形度可表示如下：
[0038] 其中，k表示第k個圖元，Ak表示面積，Pk代表周長，&為圓弧度。
[0039] S24:采用多特征融合識別火焰，判斷是否有火災發生。火焰的燃燒過程中，會受到 周圍環境、大氣條件和干擾物的影響，很難用一種特征將火焰準確的識別出來，因此采用多 特征加權融合的方法識別火焰，表示如下： N' N
[0040] -'I = 7 =1 i-\, /-I
[0041]其中N為火焰特征識別中特征的總數，c〇 :為第i個特征的權重，權重是特征的重要 性根據實際情況而定，Tfuse5為多特征識別中綜合起來的閾值，如果判定結果大于這個閾值， 則認為火焰特征識別成立，火災發生。
[0042] S3:基于查找表標定紅外攝像機與特寫攝像機。即已知火災在紅外攝像機中的位 置為M(x，y)，求得特寫可見光攝像機的水平旋轉角和垂直旋轉角，使特寫可見光攝像機旋 轉對準火災區域，對火情進行特寫。具體包括以下步驟：
[0043] S31:選擇紅外攝像機視頻監控區域中需要用特寫可見光攝像機重點監控的感興 趣的區域。根據合適的間隔劃分紅外圖像感興趣區域為網格狀，得到網格交點處的像素坐 |^Mii(xi，yi)，Mi2(xi，y2)，M2i(X2，yi)，M22(X2，y2)，"。
[0044] S32:控制可見光攝像機旋轉，直到可見光攝像機圖像中心與Mn重合，讀取可見光 攝像機當前水平方向和垂直方向的旋轉角度當前水平方和垂直方向的旋轉角度(a，0) 11，記 錄一組數據1[1111(11，71)] = ((1，0)11。對剩下紅外圖像感興趣區域的交點處重復上述操作， 記錄所有的L[M(x，y)] = (a，0);
[0045] S33:在感興趣區域的非網格交點S(x，y)，查找包含其的最小矩形MnM12M21M 22，用雙 線性插值求取可見光攝像機的旋轉角度：
[0047] 組合上述數據得到可見光攝像機旋轉對準紅外攝像機感興趣區域任意位置的查 找表。
[0048] S4:由雙攝像機聯動策略，控制特寫可見光攝像頭對火災現場進行特寫。具體包括 以下步驟：
[0049] S41:可見光攝像機對火災區域縮放觀察:設紅外攝像機和可見光攝像機的圖像分 辨率為WXH，物體在可見光攝像機成像大小是紅外攝像機的M咅，火災區域在全景攝像機中 的大小為心X Hm，使火災區域充滿可見光攝像機所需要放大的倍數為：
[0051] 根據y發送指令調整可見光攝像機焦距，可得到火災區域放大后的圖像。
[0052] S42:可見光攝像機位置調整，具體包括以下步驟：
[0053] S421:獲取第k幀圖像火災區域的中心位置(xf，yf)。
[0054] 3422:計算偏差6(1〇\ = 1￡-11，6(1〇7 = 7￡1其中]1，為可見光攝像機乂方向與￥方向 坐標
[0055] S422:如果e(k)x>20| |e(k)y>20,則
[0056] A Ux=Kp[e(k)x-e(k-l)x]+Kie(k)x
[0057] A Uy = KP[e(k)y-e(k_l )y]+Kie(k)y
[0058]其中A Ux，A Uy分別為可見光攝像機水平方向與垂直方向的旋轉角度。
[0059] S43 :可見光攝像機縮放調整：獲取第k幀圖像火場區域的寬度wf和高度hf，如果 (wf，hf)/(W* H)<0.1，可見光攝像機以1.2倍每次的速度放大圖像;如果(Wf，hf)/(W* H)> 0.25，可見光攝像機以0.8倍每次的速度放大圖像;如果0.1 < (Wf，hf )/(W ? H) <0.25，可見 光攝像機不進行焦距調整。
[0060]最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種基于紅外與可見光攝像機聯動的森林火災監測方法，其特征在于包括下述步 驟： Sl:通過一個紅外攝像機對森林進行全天候監控，采集廣域視角下的森林紅外圖像； S2:基于查找表方法標定攝像機與特與攝像機； S3:對釆集到的紅外圖像進行預處理，綜合火焰疑似區域火焰面積、火焰尖角、火焰圓 形度等動態特征識別火焰，自動判斷火災是否發生； S4:由雙攝像機聯動策略，控制特寫可見光攝像頭對火災現場進行特寫。2. 根據權利要求1所述的一種基于紅外攝像機與可見光攝像機聯動的森林火災監測方 法，其特征在于:在步驟S2中，具體包括以下步驟:21:采用直方圖均衡化法對紅外圖像進行 處理，增強圖像對比度;22:采用最大熵圖像分割算法，對火焰疑似區域進行分割;23:提取 火焰疑似區域火焰面積變化率、火焰尖角變化數、火焰圓形度等動態特征；24:采用多特征 融合識別火焰，判斷是否有火災發生。3. 根據權利要求1所述的一種基于紅外攝像機與可見光攝像機聯動的森林火災監測方 法，其特征在于:在步驟S3中，具體包括以下步驟:31:劃分火災區域為網格狀;32:控制可見 光攝像機圖像中心與重合，記錄紅外攝像機中網格交點的可見光攝像機旋轉角度;33:用雙 線性插值求取非網格交點的可見光攝像機的旋轉角度。4. 根據權利要求1所述的一種基于紅外攝像機與可見光攝像機聯動的森林火災監測方 法，其特征在于:在步驟S4中具體包括以下步驟:41:可見光攝像機位置調整;42:可見光攝 像機縮放調整。
【文檔編號】G08B17/12GK105931409SQ201610367166
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】尹宏鵬, 柴毅, 李艷霞
【申請人】重慶大學