数字图像处理技术下的火焰检测器设计研究

　　摘要：当代社会处处存在着安全隐患, 其中, 火灾的存在更是严重威胁着人民的财产安全和生命安全。火灾的发生随着社会的发展, 高层建筑和大空间场所的增多而越来越多, 由此, 火灾的防范和发现也随之变得愈发重要。该系统以单片机为核心, 在火焰探测器下额外增加微型喷水器、发光二极管、蜂鸣的提醒, 以利于附近人员的撤离。本文使用数字图像处理技术, 设计出一种多功能型火焰检测器, 旨在提出一种灵敏, 迅速, 安全, 前期预操作于一体的系统。

　　关键词：火灾探测器; 图像处理; 单片机; 自动喷水器; 发光二极管;

　　一、绪论

　　(一) 背景

　　火焰探测器的发明, 是因为火灾的频繁发生, 以及人们不能提前发现火灾。据统计, 我国70年代火灾年平均损失接近2.5亿元, 80年代火灾年平均损失接近3.2亿元。进入90年代, 特别是1993年以来, 火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元, 年均死亡2000多人。从这些数据可看出, 火灾造成的损失正逐年增多。

　　本产品的存在意义深远, 它可以大大提高火灾的探测能力, 保障人民的财产生命安全。在当前或在形式日益严峻的今天, 其经济效益和社会效益不论从何种层次看都是不可估量的。

　　(二) 传统火焰探测器的缺陷

　　传统火焰探测器主要运用的技术包括对烟雾、温度、光线探测的技术。

　　对烟雾的探测即通过探测火灾产生的烟气而发出火灾警报。但是, 现代社会的房屋多是大空间, 由于环境因素制约, 导致烟雾、温度、光线探测的技术已不能满足社会的需求鉴于当代火灾探测器的落后技术, 我们可以从火灾的发生过程来思考改进探测器技术, 利用基于实时影像的火灾探测模式, 将图像处理、计算机多媒体等新型技术运用于火灾监测。其中, 图像型火焰探测器可以有针对性的消除各种环境对火焰探测器的影响。这种新型的基于图像的提出和研究极大地提高了传统火焰探测器的实用性和准确性。

　　(三) 创新点

　　(1) 本产品基于图像处理技术, 对传统火焰探测器做出了改进, 原有技术仅仅基于烟雾温度以及光线探测, 而本产品的图像处理技术大大加强了对烟雾以及火焰的探测精度, 是从其本身出发的一个重大创新点。

　　(2) 微型喷水器还有一个创新点就是喷水器的利用。火灾通常都是由小火变为大火而造成的, 消防员在接受到火警信号后前往灭火, 期间时间不可忽视, 这些时间如果能充分利用来灭火, 也会减少一定的损失, 鉴于如此, 本系统在CCD摄像机下安装一个微型喷水器, 并使用单片机对其进行控制, 当系统通过序列变化判断出火灾的产生后, 通过单片机立刻控制喷水器的开关, 对于靠近的火焰进行喷水处理。此举动的意义是能在短时间内消除可控制的火势, 在第一时间消除隐患。

　　(3) 本产品还有的创新点就是运用了发光二极管及蜂鸣器。运用于提醒周围的人们及时疏散和逃离, 减少损失。

　　二、图像处理技术

　　(一) 图像的预处理

　　本火焰检测系统, 使用到了图像的预处理技术。处理的图像来源于拍摄到的图像。当探测系统拍摄到图像后, 第一步要通过的就是图像预处理技术中的滤波增强技术。

　　滤波增强技术是一种图像增强技术, 所谓的图像增强技术, 是一种对图像的处理技术, 图像中的信息很多, 而一张图像, 我们需要的是其中的有用信息, 在这过程中, 我们运用的就是图像的增强技术, 目的是要改善图像的视觉效果, 以应对图像的既定场合。滤波增强技术是其中的一种增强手段, 根据特点, 他可以分为线性和非线性变换, 根据功能, 他又可以分为平滑和锐化变换, 这四种变换把空间滤波增强分为了四类。滤波增强技术要用到的空间滤波器主要有两类:平滑 (低通) 滤波器和锐化 (高通) 滤波器。

　　我们用拍摄到的图像画面中存在一定的噪声, 为了减少图像中的噪声, 我们运用的技术就是滤波处理技术。平滑 (低通) 滤波器的作用是让图像更加平滑, 目的分为两类:1.模糊, 提取较大的目标已去除, 将太小的细节或将目标内的小间断连接起来;平滑, 主要通过低通滤波实现。2.消除噪声。

　　锐化滤波器的作用是减弱或消除傅里叶空间的低频分量, 但不影响高频分量。因为低频分量对应图像中的灰度值的缓慢变化的区域与图像的整体特性, 这些分量的滤去行为, 有助于图像的滤化。图像的增强可以分为两种方法, 一种是基于空间域法, 另一种是基于频率域法。

　　(二) 分割技术

　　在图像的研究和应用中, 并不是所有的图像我们都会用到, 适时的取舍, 也就是对图像的某一部分进行具体的操作, 所用到的技术就是图像的分割技术。

　　图像的分割是按照一定的规则把图像按照一定的要求分割成若干个互不相交且具有一定特性的区域, 图像分割的结果是图像特征提取和识别图像理解的基础, 图像分割使其后的图像分析和处理工作量大大减少, 在此基础上还能保留有关图像结构特征的信息。

　　图像的分割技术也可以从集合的角度来看, 从图像的一些特征或者特征集合的相似性为准则, 对图像像素进行分组聚类, 把图像平面划分成若干个具有某些一致性的不重叠区域。分割出来的各个区域必须同时满足均匀性和连通性的条件。

　　(三) 特征提取

　　在火灾检测系统中, 对火焰图像的特征提取工作的过程, 对随后的火灾判断起着决定性作用, 作为过程中最重要的一部, 火焰特征提取技术根据一般火灾发生的状况, 大部分的火灾火焰是从无到有, 并且持续不断变化发展的这以特性对火灾的存在与否做出判断。通过对火灾初期火焰图像的研究, 火焰特征提取技术对火焰的存在主要表现分为以下几个特征:火焰面积增大、边缘抖动、形状不规则、位置基本稳定等等。本火焰探测器主要提取的火焰特征值是火焰的面积变化、形状特性、频闪特性。

　　三、硬件设施

　　当我们用图像与处理技术判断出火焰的存在后, 就需要进行一些警报和一些前期喷洒灭火处理。在硬件设施部分, 我们可以设计出一种既可以喷水又可以报警的装置, 这其中包含了几个模块, 一个是单片机模块, 用于控制整个装置的运行, 第二个是发光二极管模块和蜂鸣器模块, 用于报警, 第三个是洒水器模块。

　　(一) 单片机

　　单片机, 是一种集成电路的芯片, 将CPU, RAM, ROM, 等集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。单片机在生活中广泛运用于仪器仪表, 家用电器, 医用设备, 航天航空等智能化管理及过程控制等领域。在本产品中, 单片机的存在, 保证了火焰探测器的智能化管理操作的实现, 也保证了火焰探测器所运用的微型计算机系统的稳定。

　　(二) 发光二极管

　　发光二极管, 即日常生活中的LED, 由含有Ga、As、P、N等的化合物制成。发光二极管是一种半导体材料, 多用于指示灯、显示屏等, 也有用于照明作用。在本产品中, 发光二极管运用于直流电源指示灯。

　　(三) 蜂鸣器

　　蜂鸣器, 是一种一体化结构的电子讯响器, 主要采用直流电压供电。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种。压电式蜂鸣器由多谐振荡器, 雅典蜂鸣器等组成, 输出一般1.5~2.5k HZ的音频信号, 阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器在接通电源后, 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈, 是电磁线圈产生磁场, 振动磨片在电磁线圈和磁铁的相互作用下, 周期性地振动发声。

　　生活中常用于计算机、复印机、报警器等产品中作为发声器件。本产品运用蜂鸣器的目的是当探测到火灾时, 第一时间发出警报减少损失。

　　(四) 摄像头CCD

　　CCD摄像头即电荷耦合元件, CCD是一种半导体器件, 能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素。一块CCD上包含的像素数越多, 其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样, 但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管, 能感应光线, 并将光信号转变成电信号, 经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。其工作原理是将被摄物体的图像经过镜头焦距至CCD芯片上, 然后CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷, 再根据各个像素积累的电荷在视频时序的控制下, 逐步外移, 而后形成视频信号输出, 从而形成视频图像。

　　四、系统实现功能

　　本系统实现的功能包括, 具有实时、简便、便捷等特点, 还有包括喷水系统功能, 通过图像处理识别到火焰之后, 通过喷水器实现火焰的前期灭火, 还包括蜂鸣器和发光二极管的报警功能, 旨在当火焰探测到火焰时, 后台系统可以自动向119和110报警, 此功能类似于银行的自动报警功能。

　　(1) 运用图像处理技术进行火焰检测

　　(2) 单片机控制

　　(3) 喷水系统功能

　　(4) 蜂鸣器和发光二极管

　　(5) 后台系统可以自动向119和110报警

　　五、结语

　　本产品通过加入多种功能设施, 设想在火焰警报器中加入图像处理技术, 现在可以在短时间内更快更准确的判断火灾的存在和及时做出处理反应, 存在巨大的使用价值, 也希望我们在未来的火焰探测与警报技术上更进一步, 为保护人们的生命和财产安全继续努力。

　　参考文献
　　[1]贾子若高等学校学生宿舍火灾风险综合评价研究[j].北京交通大学, 2009 40 (2) :3_5-
　　[2]程晓舫, 邓志华, 沙川等.自由火焰影像发展的测量和分析[j].应用基础与工程科学学2008 6 (12) :426-432.
　　[3]范华中, 张伯虎, 冯艳.图像处理技术在火焰目标提取中的应用[f]。电光与控制, 2006 13 (1) :9103