基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅方法及裝置與流程

本發明涉及一種消防滅火方法及裝置，特別是關于一種適用于自動化室外大空間的基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅方法及裝置，屬于火災監測及自動滅火技術領域。

背景技術：

在當今社會中，火災已經是一種嚴重威脅人類生存與發展的災害，它具有大時空跨度，高發生頻率，嚴重的損失與危害等特點。自動定位消防水炮是撲滅大空間場所火災的有效消防裝備，通常配合各種火災探測設備構成大空間滅火系統。消防水炮的研究在國外起步相比國內較早，早在1956年，美國的愛德華茲發明了遙控消防炮塔，可以實現水炮的垂直和水平方向的自由轉動，并且利用電機代替人力進行驅動，這成為了以后消防水炮設計的思想基礎。

盡管國內的消防水炮起步較晚，上個世紀九十年代上海的消防科研所首先研制出一款不能自動定位的消防水炮。但是經過二十余年的發展，國內消防水炮技術水平已經趕上甚至超越了國外。現有技術對數控自動定點撲救消防水炮進行了研究，研發出了智能傳感及其接口控制模塊，和大空間火災安全監測與自動定位結合，形成火災探測與定點撲救相結合的主動式火災探測滅火技術。南京理工大學研制出一款倒掛式智能水炮，利用火焰傳感器進行定位，通過電機驅動水炮定位火源，適用于大空間場所的滅火。科學技術大學研發的自動消防水炮，利用計算機來控制水炮，通過角度與火焰傳感器采集火源的位置信息，能根據現場情況自動調整水炮方向。徐健等人設計了一種基于嵌入式控制器的智能消防水炮，采用LPC2131ARM處理器作為核心控制器，通過遠距離遙控消防作業，實現消防水炮噴射方向的全方位調整和水流噴射模式的切換，并且具備多角度智能自擺等功能。劉建翔等人提出了自動消防水炮驅動控制方案，利用兩臺直流伺服電機與一臺推桿直流電機作執行元件，對炮口噴射落水點進行了校正研究，實現了恒定供水壓力下的準確噴射滅火。沈陽雙利智能滅火裝置有限公司生產的消防水炮具有自動巡檢、定位滅火的功能。聞名采用專用的電機控制微處理器，設計并實現了一個基于Microchip公司高性能處理器PIC18F452和PIC18F2331的無線遙控消防炮控制系統。陳川等人通過點型傳感器的掃描，設計了一種采用DSP和FPGA基于火焰識別與定位的智能消防炮系統，實現了火災的識別與定位。

當火災發生時，撲救措施采取的越早，將災害降低的程度越大，滅火時機分秒必爭。目前自動定位消防水炮主要基于紅紫外管及雙波段圖像探測來實現火點定位。定位的原理都是通過在檢測范圍內水平和垂直掃描來確定火點，定位效率較低。如何提高自動定位消防水炮的火點定位速度對自動定位消防水炮的應用和保護人民人身和財產安全具有重大意義。360度全景攝像頭是近年來在視頻監控領域得到較快發展的一種監控攝像設備，其配備有魚眼鏡頭，擁有360度全景視圖。一臺360度全景攝像頭可以取代多臺普通的攝像機，做到了無縫監控，實現了監控新應用，應用于各個領域，其中包括監所，政府機關，銀行、社會安全、公共場所、文化場所等。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠實現火點的快速定位及快速撲滅的基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅方法及裝置。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅方法，其特征在于包括以下步驟：

1)360度全景攝像頭將攝取的全景圖像發送到圖像處理系統；

2)圖像處理系統計算全景圖像的二值化閾值T1；

3)根據二值化閾值T1判斷全景圖像是否存在火焰區域，若閾值T1≤T0，則表明全景圖像中沒有高亮的區域即不存在火焰，返回步驟1)，否則進入步驟4)，其中，T0是沒有火焰時計算的全景圖像的最大亮度值；

4)以T1為閾值將攝取的全景圖像進行二值化處理，即將全景圖像中每個像素的灰度值小于等于T1的賦值為0，大于T1的賦值為255，得到全景圖像的二值化圖像；

5)在二值化圖像中搜索最大連通區域的面積A，若面積A≥T2則認為該區域符合火焰條件，則進入步驟6)，否則返回步驟1)，其中，T2為火焰區域面積閾值；

6)提取最大連通區域的中心點坐標x_c，y_c，并將其轉換為360度全景攝像頭所對應的極坐標系的極徑ρ和極角θ為：

θ＝arctan(x_c-x_o/y_c-y_o)

式中，x_o和y_o為全景圖像的中心點坐標；

7)計算極徑ρ對應的垂直旋轉角α：

α＝arccos(ρ/r/k)

式中，r是全景視野半徑，k為魚眼畸變系數；

8)將極角θ和垂直旋轉角α分別作為電控消防水炮的水平和垂直旋轉控制角度控制消電動消防水炮進行旋轉；

9)啟動電動消防水炮噴射水柱對火點進行滅火操作；

10)火焰熄滅，電控消防水炮復位后轉至步驟1)。

進一步地，所述步驟8)和步驟9)之間還增加一個步驟：啟動電控消防水炮上裝載的雙波段圖像探測器對火點進行二次判斷和定位，如果確認是火點，則轉至步驟9)，否則轉至步驟1)。

進一步地，在進行火災探測之前，需要將360度全景攝像頭固定設置在電動消防水炮的中心軸線上，其中，360度全景攝像頭內置有可見光截止紅外濾光片。

進一步地，所述步驟2)圖像處理系統計算全景圖像的二值化閾值T1的具體處理過程為：對于直方圖數組H，分別計算像素灰度閾值取t時并將像素點分成兩大類：灰度值小于等于t的像素和灰度值大于t的像素，全景圖像總像素數個數為S，像素點灰度值的平均值為μ；統計灰度值小于等于t的像素數量為N0(t)，所對應的像素點平均值為μ0(t)；統計灰度值值大于t的像素數量為N1(t)，所對應像素點的平均值為μ1(t)；記ω0(t)＝N0(t)/S，ω1(t)＝N1(t)/S，兩類像素點取值的類間方差可表示為：

g(t)＝ω0(t)*(μ0(t)-μ)²+ω1(t)*(μ1(t)-μ)²；

則全景圖像二值化閾值T1＝max(g(t))|_{t＝1,...,n-1n＝256}。

為實現上述目的，本發明還采取以下技術方案：一種基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅裝置，其特征在于，該裝置包括電控消防水炮、360度全景攝像頭、雙波段圖像探測器和圖像處理系統，其中，所述360度全景攝像頭內置可見光截止紅外濾光片；所述360度全景攝像頭固定設置在所述電動消防水炮的中心軸線上，所述360度全景攝像頭的鏡頭朝下，使其攝取圖像范圍覆蓋整個所述電動消防水炮保護區域；所述雙波段圖像探測器固定設置在所述電動消防水炮的炮管噴嘴上；所述360度全景攝像頭和雙波段圖像探測器均通過數據線連接所述圖像處理系統，所述圖像處理系統通過總線連接所述電動消防水炮。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明將360度全景攝像頭安裝于電動消防水炮的中心軸線上，可直接對火點進行啟動和初步定位，無需進行標定，操作簡單方便。2、本發明360度全景攝像頭配備有魚眼鏡頭，能夠攝取360度全景視圖，且內置可見光截止紅外濾光片，能夠有效截止可見光的干擾，并高透火焰產生的紅外波段光線，可以通過對該全景圖像的處理提取出火點的極坐標，經過公式轉換后可以直接作為電動消防水炮的初始定位角度，實現火點的快速定位及快速撲滅火災。3、本發明全景圖像的極坐標系與電動消防水炮運動坐標系基本重合，初定位坐標即可作為水炮水平和垂直旋轉的偏移量，實現快速定位，極大地提高火點定位速度。綜上所述，本發明可以應用在室外大空間火災探測、報警、定位及撲滅的場合，例如大型石化工廠、大型室外碼頭、大型室外公眾場所的等諸多領域。

附圖說明

圖1是本發明的基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅方法流程示意圖；

圖2是本發明的360度全景攝像頭有無火焰時的輸出圖像示意圖，其中，圖(a)是沒有火焰時的輸出圖像，圖(b)是有火焰時的輸出圖像；

圖3是本發明的360度全景攝像頭有火焰時的輸出圖像的二值化結果及火點位置判斷示意圖；

圖4是本發明中360度全景攝像頭和電動消防水炮坐標系示意圖；

圖5是本發明的基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅裝置的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。

如圖1所示，本發明基于全景攝像頭的火災探測、定位和撲滅方法，包括以下步驟：

1、將360度全景攝像頭安裝于電動消防水炮的底座上(以此為例，不限于此)，且360度全景攝像頭位于電動消防水炮的中心軸線，360度全景攝像頭的鏡頭朝下，使其攝取圖像范圍覆蓋整個電動消防水炮保護區域，其中，360度全景攝像頭內置有可見光截止紅外濾光片。

本發明實施例中，電動消防水炮的懸掛高度為6m，最大保護半徑為50m。360度全景攝像頭鏡頭焦距為1.45mm，視場角為180度，分辨率為1280×1024，畸變系數k＝0.77，360度全景攝像頭內置的可見光截止紅外濾光片為850nm紅外濾光片，但是不限于此，可以根據實際需要對上述參數進行選擇。

2、360度全景攝像頭將攝取的全景圖像發送到圖像處理系統。

3、圖像處理系統采用基于類間方差的方法計算全景圖像的二值化閾值T1，具體過程為：

對于直方圖數組H，分別計算像素灰度閾值取t(t＝1,...,n-1,n＝256)時并將像素點分成兩大類：灰度值小于等于t的像素和灰度值大于t的像素，全景圖像總像素數個數為S，像素點灰度值的平均值為μ；統計灰度值小于等于t的像素數量為N0(t)，所對應的像素點平均值為μ0(t)；統計灰度值值大于t的像素數量為N1(t)，所對應像素點的平均值為μ1(t)；記ω0(t)＝N0(t)/S，ω1(t)＝N1(t)/S，兩類像素點取值的類間方差可表示為：

g(t)＝ω0(t)*(μ0(t)-μ)²+ω1(t)*(μ1(t)-μ)²，(t＝1,...,n-1,n＝256)；

則全景圖像二值化閾值T1＝max(g(t))|_{t＝1,...,n-1}。

4、根據二值化閾值T1判斷全景圖像是否存在火焰區域，若閾值T1≤T0，則表明全景圖像中沒有高亮的區域即不存在火焰，返回步驟2，否則進入步驟5，其中，T0是沒有火焰時計算全景攝像頭攝取的全景圖像的最大亮度值。

5、以T1為閾值將攝取的全景圖像進行二值化處理，即將攝取的全景圖像中每個像素的灰度值小于等于T1的賦值為0，大于T1的賦值為255，得到全景圖像的二值化圖像，如圖2所示。

6、在二值化圖像中搜索最大連通區域的面積A，若面積A≥T2則認為該區域符合火焰條件，則進入步驟7，否則返回步驟2，其中，T2為火焰區域面積閾值，根據實際場景大小進行選取，自動跟蹤定位射流滅火系統的國際標準(GB25204-2010)規定，自動定位消防水炮應該能夠在最大保護半徑內探測到直徑為570mm的國標火盤的火焰，此時360度全景攝像頭的成像半徑為50m，對應像素數為1280×1024，火焰所占像素最小面積為(0.57/50*1024)*(0.57/50*1280)＝170，閾值T2選擇實際面積80％即可，即130～140即可，可以根據實際需要進行確定，如圖3所示。

7、如圖4所示，提取最大連通區域的中心點坐標x_c，y_c，并將其轉換為360度全景攝像頭所對應的極坐標系的極徑ρ和極角θ為：

θ＝arctan(x_c-x_o/y_c-y_o)

其中，x_o和y_o為全景圖像的中心點坐標，本發明實施例中，x_o＝640，y_o＝512。

8、計算極徑ρ對應的垂直旋轉角α：

α＝arccos(ρ/r/k)

其中，r是全景視野半徑，k為魚眼畸變系數，本發明實施例中，r＝50、k＝0.77。

9、將極角θ和垂直旋轉角α分別作為電控消防水炮的水平和垂直旋轉控制角度控制消電動消防水炮進行旋轉。

10、啟動電控消防水炮上裝載的雙波段圖像探測器對火點進行二次判斷和定位，如果確認是火點，則轉至步驟11，否則轉至步驟2。

11、啟動電動消防水炮噴射水柱對火點進行滅火操作。

12、火焰熄滅，電控消防水炮復位后轉至步驟2。

如圖5所示，基于上述的自動火災探測、定位和撲滅方法，本發明還提供一種自動火災探測、定位和撲滅的自動消防裝置，包括電控消防水炮1、360度全景攝像頭2、雙波段圖像探測器3和圖像處理系統4，360度全景攝像頭2固定設置在電動消防水炮1的底座上，且位于電動消防水炮1的中心軸線，360度全景攝像頭2的鏡頭朝下，使其攝取圖像范圍覆蓋整個電動消防水炮1保護區域，360度全景攝像頭2內置可見光截止紅外濾光片，能夠有效截止可見光的干擾，并高透火焰產生的紅外波段光線。雙波段圖像探測器3通過底座固定在電動消防水炮1的炮管噴嘴上，360度全景攝像頭2和雙波段圖像探測器3均通過數據線連接圖像處理系統4，圖像處理系統4通過RS485總線連接電動消防水炮1。

上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。