大空间建筑中火灾探测方法设计doc

1、 西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）任务书Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET. 摘要火灾是各类类灾害中中发生频频率最高高的一种种，随着着城市化化进程的的飞速发发展以及及人口的的迅速膨膨胀，火火灾造成成的损失失也越来来越大。当当前，高高层建筑筑和大空空间场所所越来越越多，如如何在大大空间环环境下较较早的发发现火灾灾威胁并并进行报报警和扑扑灭，从从而尽量量减少生生命、财财产损失失成为研研究的热热点。图图像型火火灾探测测技术因因其监控控范围广广、环境境适应性性强、升升级容易易等特点点而备受受关

2、注，非非常适合合大空间间环境下下的火灾灾探测。在在此基础础上，针针对早期期火灾发发生时出出现的典典型物理理现象烟雾和和阴燃，本本文提出出了一种种旨在大大空间环环境下探探测早期期火灾的的新型双双波段图图像型火火灾探测测系统。在在烟雾探探测方面面，本文文根据模模式识别别的三个个基本步步骤设计计提出了了一整套套烟雾探探测的方方法。在在可疑区区域分割割环节，系系统使用用混合高高斯模型型对背景景进行建建模，进进而提取取可疑区区域，分分割可疑疑图元。在在特征提提取环节节中，根根据烟雾雾的半透透明性和和闪烁频频率两种种特性系系统提取取了可疑疑图元的的高低频频能量，颜颜色饱和和度能量量和边界界平均闪闪烁频率率

3、四种特特征值。最最后，在在烟雾判判断环节节，系统统使用这这四种特特征值构构成的特特征向量量对可疑疑图元进进行烟雾雾判定。在在红外波波段，使使用了可可疑图元元的面积积变化率率、火焰焰尖角数数和区域域相似度度三种特特征值对对可疑图图元是否否是阴燃燃进行判判断。最最后，提提出了根根据烟雾雾和阴燃燃各自的的判断结结果进行行早期火火灾综合合判断的的判断流流程。本本文对烟烟雾可疑疑区域的的提取、可可疑图元元的特征征值提取取和分析析以及烟烟雾的判判断规则则做了深深入的讨讨论。关键词：大大空间早早期火灾灾，双波波段，数数字图像像处理，混混合高斯斯模型，小小波变换换，颜色色空间AbstrracttIn evve

4、ryy kiind of dissastterss, ffiree haappeens mosst ffreqquenntlyy. AAnd witth tthe higgh ggrowwspeeed of thee poopullatiion andd thhe nnumbber of cittiess,deestrructtionns aand losssess thhat firrecaausees bbecoome morre aand morre ggreaat. Todday, thheree arre mmoree annd mmoree skkysccrapperss annd

5、biig bbuilldinngs, hoow tto ddeteect firre tthreeateen iin tthesse kkindds oof pplacces as sooon aas pposssiblleannd llimiit tthe losss tto tthe lowwestt leevell beecomme mmoree immporrtannt tthann evver.Forr itts bbroaad ddeteect rannge andd eaasy setttleemennt ffeatturees, mucch aatteentiion hass

6、beeen foccuseed oon aa neew sstylle ddeteectiion metthodd - firre ddeteectiion bassed on viddeo imaagess. AA whholee prroceessoof ddeteectiion wass deevellopeed bbaseed oon cclasssicc thhreee sttepss meethood iin ppattternn reecoggnittionn.Inn suuspiicioous reggionn seegmeentaatioon sstepp, ssysttem

7、 usees tthe mullti-Gauussiian moddel to esttabllishh moodell off baackggrouund, thhus to disstriict mottivee reegioon iin tthe currrennt fframme. In feaaturres exttracctioon sstepp, ssysttem exttraccts fouur eeigeenvaaluees llikee hiigh/loww frrequuenccy eenerrgy, coolorr saaturratiion eneergyy annd

8、 aaverragee boounddaryy fllickker freequeencyy. IIn uultrra rred bannd, sysstemm usses areea cchannginng rratee, nnumbber of shaarp-anggless annd aareaa siimillariity to juddge if theere is smooldeer iin ssusppiciiouss reegioon.MMethhodss thhat useed iin rregiion seggmenntattionn annd rrecoogniitioo

9、n aare thoorouughlly ddisccusssed in thiis ddissserttatiion. Viideoos oof ssmokke aand flaamess inn booth vissiblle aand ulttra redd baandss arre uusedd too teestiify thoose metthodds, andd thhe rresuult shoow tthatt thhe ssysttem andd meethoods we devveloopedd arre eeffeectiive.KeyWoordss: EEarlly

10、ffiree inn laargee sppacee, DDoubble-bannd, Diggitaal iimagge pproccesssingg, Multii-Gaausssiann moodell, WWaveelett trranssforrm, Collor spaace 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc281070002 HYPERLINK l _Toc281070003 1 引言 PAGEREF _Toc281070003 h 5 HYPERLINK l _Toc281070004 1.1 课课题背景景 PAGEREF _Toc2810

11、70004 h 6 HYPERLINK l _Toc281070005 1.2 相相关概念念 PAGEREF _Toc281070005 h 6 HYPERLINK l _Toc281070006 1.3 设设计意义义 PAGEREF _Toc281070006 h 7 HYPERLINK l _Toc281070007 1.4 报报告内容容安排 PAGEREF _Toc281070007 h 7 HYPERLINK l _Toc281070008 2 火灾探探测系统统的系统统结构及及工作原原理 PAGEREF _Toc281070008 h 8 HYPERLINK l _Toc2810700

12、09 2.1 探探测系统统的系统统结构 PAGEREF _Toc281070009 h 8 HYPERLINK l _Toc281070010 2.2 系系统的工工作原理理 PAGEREF _Toc281070010 h 9 HYPERLINK l _Toc281070011 3 大空间间建筑中中火灾探探测方法法设计概概述 PAGEREF _Toc281070011 h 11 HYPERLINK l _Toc281070012 3.1 提提出本设设计的背背景 PAGEREF _Toc281070012 h 11 HYPERLINK l _Toc281070013 3.2 设设计理念念概述 PA

13、GEREF _Toc281070013 h 11 HYPERLINK l _Toc281070014 3.3实现现该系统统的主要要流程 PAGEREF _Toc281070014 h 11 HYPERLINK l _Toc281070015 4 大空间间建筑中中火灾探探测方法法详细设设计 PAGEREF _Toc281070015 h 12 HYPERLINK l _Toc281070016 4.1 烟烟雾可疑疑图元的的分割及及预处理理 PAGEREF _Toc281070016 h 12 HYPERLINK l _Toc281070017 4.1.11 基于于混合高高斯模型型的运动动分析方方

14、法 PAGEREF _Toc281070017 h 12 HYPERLINK l _Toc281070018 4.1.22 期望望值最大大（EMM）算法法 PAGEREF _Toc281070018 h 13 HYPERLINK l _Toc281070019 4.1.33 使用用EM 算法进进行混合合高斯模模型参数数估计 PAGEREF _Toc281070019 h 13 HYPERLINK l _Toc281070020 4.1.44 使用用混合高高斯模型型对背景景建模 PAGEREF _Toc281070020 h 15 HYPERLINK l _Toc281070021 4.1.55

15、 运动动区域的的提取 PAGEREF _Toc281070021 h 15 HYPERLINK l _Toc281070022 4.1.66 图像像的平滑滑滤波及及图元分分割 PAGEREF _Toc281070022 h 15 HYPERLINK l _Toc281070023 4.2 可可疑图元元的特征征分析及及烟雾判判断 PAGEREF _Toc281070023 h 18 HYPERLINK l _Toc281070024 4.2.11 可疑疑图元的的特征分分析 PAGEREF _Toc281070024 h 18 HYPERLINK l _Toc281070025 4.2.22 可疑

16、图图元颜色色饱和度度信息的的分析 PAGEREF _Toc281070025 h 19 HYPERLINK l _Toc281070026 4.2.33 可疑疑图元边边界闪烁烁频率的的分析 PAGEREF _Toc281070026 h 20 HYPERLINK l _Toc281070027 4.2.44 烟雾雾的综合合判断 PAGEREF _Toc281070027 h 20 HYPERLINK l _Toc281070028 4.3 阴阴燃的红红外图像像探测 PAGEREF _Toc281070028 h 23 HYPERLINK l _Toc281070029 4.3.11特征提提取

17、PAGEREF _Toc281070029 h 23 HYPERLINK l _Toc281070030 4.3.22阴燃的的判别 PAGEREF _Toc281070030 h 24 HYPERLINK l _Toc281070031 5 结论 PAGEREF _Toc281070031 h 26 HYPERLINK l _Toc281070032 5.1 本本次设计计结论 PAGEREF _Toc281070032 h 27 HYPERLINK l _Toc281070033 5.2 设设计不足足及改进进 PAGEREF _Toc281070033 h 27 HYPERLINK l _To

18、c281070034 致 谢228 HYPERLINK l _Toc281070035 参考文献291 引言1.1 课课题背景景火灾是世界界各国人人民所面面临的一一个共同同的灾难难性问题题。在社社会生活活中，火火灾是威威胁公共共安全，危危害人们们生命财财产安全全的最主主要的灾灾害之一一。随着着社会生生产力的的发展，社社会财富富的日益益增加，火火灾损失失上升及及火灾危危害扩大大的总趋趋势是客客观规律律。火灾灾是当今今世界上上多发性性灾害中中发生频频率最高高，也是是时空跨跨度最大大的一种种灾害。因因此，消消防工作作成为人人们普遍遍关心的的问题。而而消防工工作根据据具体的的应用场场所不同同，所要要采

19、取的的措施和和使用的的设备有有很大的的区别。随随着城市市化进程程的飞速速发展，高高层建筑筑和大空空间场所所越来越越多。如如何在大大空间环环境下发发现处于于早期阶阶段的火火灾威胁胁从而减减少生命命、财产产损失成成为各类类消防工工作中凸凸显的一一个方面面。虽然然火灾探探测技术术发展已已久，然然而传统统的火灾灾探测技技术中，感感烟、感感温、感感光等探探测器，由由于受到到各种因因素（空空间高度度、空气气流速、粉粉尘、温温度、湿湿度等）的的影响，在在大空间间环境下下进行火火灾探测测都遇到到了不同同的困难难，从而而在一定定程度上上失去了了效用。所所以，如如何在大大空间环环境下尽尽早的发发现并控控制火灾灾仍

20、然困困扰着科科研和消消防人员员。本文文从这个个严峻的的问题出出发，提提出了一一种双波波段图像像型火灾灾探测方方法，旨旨在在大大空间环环境下，及及早的发发现火灾灾危险，从从而尽量量减少人人们的生生命、财财产损失失。1.2 相相关概念念火灾发生发发展过程程中，通通常会产产生烟雾雾，同时时会释放放出燃烧烧气体气溶胶胶。它们们与空气气中的氧氧气发生生反应，形形成火焰焰。火焰焰会释放放出大量量的红外外线和紫紫外线，导导致环境境温度逐逐渐升高高。气溶胶、烟烟雾、火火焰和热热量等是是火灾的的特征，通通常称为为火灾参参量，通通过这些些参量的的测定可可以确定定是否有有火灾发发生。火火灾发生生的初期期，并不不是所

21、有有的火灾灾参量都都会出现现。这个个时候存存在的主主要的物物理现象象有：阴阴燃，火火羽流和和烟气等等。所谓谓的阴燃燃，是指指一种只只在气固固相界面面处的燃燃烧反应应，而没没有气象象火焰的的燃烧现现象。阴阴燃的温温度比较较低，燃燃烧速度度慢。作作为自我我维持的的无明火火的燃烧烧，阴燃燃的典型型温度范范围是660010000K。火火羽流是是发生在在火灾初初始阶段段的一种种燃烧现现象。在在火焰上上方由浮浮力驱动动的热气气流持续续上升并并进入有有新鲜空空气的区区域，由由于其包包含火焰焰部分，故故称为火火羽流。火火羽流的的典型温温度在550017000K。烟烟气是燃燃烧产物物中微小小颗粒的的集合。烟烟气

22、在流流通过程程中与周周围环境境进行热热交换。其其温度介介于火羽羽流和环环境温度度之间。一一般烟气气的温度度在30008000K 之之间。由由于这些些物理现现象在发发生时与与周围的的环境存存在着较较大的差差异，表表现为其其边缘效效应和形形体效应应，从而而形成图图像信息息。我们们知道，光光其实是是一种电电磁波。波波长分布布在 5nmm 到4000nm 之间的的电磁波波称为紫紫外光；波长分分布在4400nnm 到到7600nm 之间的的电磁波波称为可可见光；而波长长7600nm 到1mmm 之间的的电磁波波被称为为红外光光。物体体的温度度由低到到高，辐辐射出的的电磁波波的波长长由长到到短。当当物体的

23、的温度在在 8000K 左左右的时时候，才才会产生生暗红色色的可见见光。同同时，由由辐射定定律可知知，当物物体为黑黑体时，只只有其温温度高于于10000K，才才可以依依靠其自自身发出出的可见见光识别别出物体体的形体体信息。物物体燃烧烧时，其其放出的的能量995%集集中在红红外波段段。同时时，由于于阴燃属属于低温温燃烧，其其辐射的的可见光光是非常常少的。所所以，使使用带有有红外滤滤镜的摄摄像头可可以在红红外波段段对阴燃燃进行探探测。而而由于烟烟气对可可见光的的反射作作用，所所以使用用普通的的彩色 CCDD 摄像像头，可可以探测测到烟气气的图像像信息。因因此，我我们选择择了烟雾雾和阴燃燃作为表表征

24、早期期火灾的的物理现现象进行行探测，从从而根据据烟雾和和阴燃的的探测结结果判断断是否有有火灾发发生。1.3 设设计意义义目前许多火火灾探测测系统都都是采用用传统感感温、感感烟传感感器，这这种系统统有很多多缺点，误误报率非非常高，受受环境限限制，而而且这种种系统不不能掌握握火灾现现场的情情况，不不能依靠靠其来进进行实时时调度等等工作，以至于火灾发生时不能够及时提供准确信息，给扑救工作带来很大的不便。而本文 采用的方法与传统的火灾探测系统相比有明显优势，能够准确的探测到早期火灾的发生并及时作出反应，从而给扑救工作带来很大便利。1.4 报报告内容容安排论文的结构构安排如如下：第一章：介介绍课题题的研

25、究究背景，对对大空间间建筑中中火灾探探测方法法设计的的意义以以及早期期火灾发发生的特特点。最最后介绍绍了报告告的内容容及安排排。第二二章：对对火灾探探测系统统的结构构及工作作原理进进行了说说明。第第三章：大概介介绍了本本次课程程设计的的研究内内容以及及我所做做的一些些工作。第第四章：本章对对本次研研究的内内容及我我做的工工作进行行了详细细的介绍绍，包括括阴燃的的红外图图像探测测，对可可疑图元元进行特特征提取取和分析析的方法法，如何何提取了了可疑图图元的高高低频能能量，颜颜色饱和和度能量量和边界界平均闪闪烁频率率四种特特征值，以以及如何何使用这这四种特特征值构构成的特特征向量量对可疑疑图元进进行

26、烟雾雾判断等等内容。第第五章：对本次次课程设设计的不不足进行行了总结结并对以以后的工工作进行行了展望望。2 火灾探探测系统统的系统统结构及及工作原原理本章将详细细介绍双双波段图图像型火火灾探测测系统的的系统结结构及工工作原理理。2.1 探探测系统统的系统统结构探测系统根根据所选选择的物物理现象象在红外外波段和和可见光光波段完完成探测测任务，因因此称为为双波段段图像型型火灾探探测系统统。通常常图像处处理系统统基本的的三个部部件是：图像数数字化仪仪，处理理图像的的计算机机和图像像显示设设备。双双波段图图像型火火灾探测测系统的的基本组组成也包包括这三三个部分分。系统统采用一一个带红红外滤镜镜的CCC

27、D 摄摄像机和和一个普普通的CCCD 摄像机机作为探探头，并并采用海海康威视视公司的的DS-40 xxxHCC 视频频采集卡卡作为图图像数字字化的工工具。系系统选用用的红外外滤镜只只允许波波长大于于8500nm 的光波波通过，由由于阴燃燃产生的的红外辐辐射主要要集中在在9500nm-20000nmm 的近红红外波段段，因此此可以捕捕获红外外辐射而而滤去可可见光的的扰。同同时，系系统使用用高性能能的计算算机完成成图像处处理工作作，从视视频图像像的图像像序列中中识别有有无火灾灾发生。并并使用普普通的CCRT 显示器器显示视视频信息息。同时时从系统统扩展的的角度讲讲，设计计还应包包括由计计算机统统一

28、控制制的联动动模块，如如报警和和灭火等等装置。系统如图2-1所示。图2-1 双波段段图像型型火灾探探测系统统由于光的传传播速率率是最快快的，因因此，通通过图像像进行探探测在反反映速度度上大大大优于其其它类型型的探测测手段。将将监控设设备安装装在房屋屋或广场场等大空空间的角角落，可可以实现现整个空空间范围围内的监监控，这这体现出出了系统统监控范范围广的的优点。另另外，在在系统的的升级过过程中，改改进的部部分主要要集中在在探测算算法和软软件方面面，硬件件部分基基本不需需要很大大的改动动，因此此，系统统的升级级相对容容易。可可以看出出，系统统具有反反映迅速速、监控控范围广广、环境境适应能能力强、系系

29、统升级级容易等等很多优优点。图像采集的的主要器器件包括括摄像器器件和视视频采集集卡。通常讲的摄摄像器件件主要有有：热像像仪、微微光摄像像机、黑黑白CCCD 摄摄像机以以及彩色色 CCDD 摄像像机。在摄像器件件的选取取上是根根据早期期火灾的的物理现现象的典典型光谱谱特征进进行的。对对阴燃主主要是对对其自身身产生红红外波段段的辐射射进行探探测，比比较合适适的摄像像器件是是微光摄摄像机（或或者彩色色CCDD 摄像像机配合合红外滤滤光镜片片），而而烟雾采采用彩色色CCDD 摄像像机。这这种红外外波段加加可见光光波段的的组合便便是所谓谓的双波波段技术术。本系统采用用了海康康威视公公司的 DS-40 x

30、xxHCC 视频频卡。该该视频卡卡是一款款性价比比较高的的应用于于专业数数字监控控、视音音频处理理的视音音频压缩缩卡。它它采用了了高性能能的视频频压缩技技术标准准H.2264 及OgggVorrbiss（相当当于G.7222）的音音频编码码标准，完完全依靠靠硬件实实现了视视频及音音频的实实时编码码（CIIF 格格式PAAL/330 帧帧NTSSC）并并精确同同步，实实现了动动态码率率、可控控帧率、帧帧模式选选择、动动态图像像质量控控制、音音频预览览、视频频丢失报报警等功功能。并并能独立立调整各各通道参参数。2.2 系系统的工工作原理理系统利用高高性能的的计算机机对获得得的视频频信息，进进行连续

31、续帧的数数字图像像处理，从从大量的的信息中中提取系系统感兴兴趣的部部分进行行分析和和识别。由由于系统统不可能能始终在在有火灾灾的环境境下进行行调试，因因此需要要大量的的视频文文件。可可以对以以往的信信息进行行回顾和和分析是是图像型型火灾探探测系统统的另一一大优点点。显然然，其它它探测手手段是无无法显现现这种功功能的。系系统所处处理的视视频信息息保存在在两种形形式的视视频文件件格式里里，分别别是：HH.2664格式式和AVVI 格格式。从从视频采采集卡中中获取的的视频格格式是经经过硬件件编码HH.2664 视视频文件件格式。H.264 最大特点是非常低的码率和对带宽非常低的要求。海康威视的视频采

32、集卡输出的就是 H.264 格式的视频文件。因为码率很低，在有限的计算机存储设备中可以保存较多的监控视频信息，非常有利于信息筛选。AVI 格式的应用很广泛，是目前视频文件的主流。大多数编程软件都提供了AVI格式文件的函数接口，因此有利于对视频图像的编程分析。在研究过程中，我们先通过编程将H.264 格式的视频文件转换为AVI 文件，然后再进行具体的算法实现和分析判断。本系统的视视频图像像处理分分为两个个部分，红红外图像像的处理理和彩色色图像的的处理。两两个部分分有相似似的处理理过程，也也是模式式识别比比较典型型的阶段段。第一一个阶段段为图像像分割或或物体分分离阶段段；第二二个阶段段为特征征提取

33、阶阶段；第第三个阶阶段为分分类阶段段。第一一个阶段段主要是是通过相相关的算算法从当当前图片片中检测测出可疑疑物体区区域，并并把它们们的图像像与背景景或其余余景物分分离。这这个过程程通常需需要背景景信息的的支持，背背景信息息可能为为一副背背景图片片，也可可能为一一组背景景图片序序列或一一个背景景模型。第第二阶段段是对可可疑区域域中的物物体进行行度量。一一个度量量是指一一个物体体的某个个度量值值或者在在另一个个变换域域（如傅傅立叶变变换或小小波变换换）中的的度量值值。特征征是一个个或几个个度量的的函数。通通过计算算可以对对物体的的一些重重要特性性进行定定量化表表示。特特征提取取过程产产生了一一组特

34、征征，把它它们结合合在一起起，就形形成了特特征向量量。特征征向量所所包含的的信息量量大大小小于原始始图像，然然而这些些信息代代表了后后续分类类决策必必须依靠靠的全部部知识。第第三个阶阶段的输输出仅仅仅是一种种分类决决策，利利用第二二阶段的的特征向向量和制制定的判判断规则则来分析析可疑区区域属于于哪种分分类，从从而判断断图像中中是否有有烟雾或或者阴燃燃。3 大空间间建筑中中火灾探探测方法法设计概概述3.1 提提出本设设计的背背景目前许多火火灾探测测系统都都是采用用传统感感温、感感烟传感感器，这这种系统统有很多多缺点，误误报率非非常高，受受环境限限制，而而且这种种系统不不能掌握握火灾现现场的情情况

35、，不不能依靠靠其来进进行实时时调度等等工作，以至于火灾发生时不能够及时提供准确信息，给扑救工作带来很大的不便。而本文采用的方法与传统的火灾探测系统相比有明显优势，能够准确的探测到早期火灾的发生并及时作出反应，从而给扑救工作带来很大便利。3.2 设设计理念念概述本文主要研研究的是是火灾探探测问题题，通过过查阅相相关资料料，我提提出了大大空间中中火灾探探测的一一个方法法。本文文主要是是利用利利用高性性能的计计算机对对获得的的视频信信息，进进行连续续帧的数数字图像像处理，从从大量的的信息中中提取系系统感兴兴趣的部部分进行行分析和和识别。可以对以往的信息进行回顾和分析是图像型火灾探测系统的一大优点。本

36、系统的视频图像处理分为两个部分，红外图像的处理和彩色图像的处理。第一个阶段为图像分割或物体分离阶段；第二个阶段为特征提取阶段；第三个阶段为分类阶段。第一个阶段主要是通过相关的算法从当前图片中检测出可疑物体区域，并把它们的图像与背景或其余景物分离。第三个阶段的输出仅仅是一种分类决策，利用第二阶段的特征向量和制定的判断规则来分析可疑区域属于哪种分类，从而判断图像中是否有烟雾或者阴燃。3.3实现现该系统统的主要要流程实现该系统统主要有有以下几几个流程程：烟雾可疑图图元的分分割及预预处理。可疑图元的的特征分分析及烟烟雾判断断。阴燃的红外外图像探探测。 4 大空间间建筑中中火灾探探测方法法详细设设计4.

37、1 烟烟雾可疑疑图元的的分割及及预处理理4.1.11 基于于混合高高斯模型型的运动动分析方方法使用背景差差分的方方法，对对烟雾可可疑区域域的提取取效果并并不理想想。本系系统采用用了使用用混合高高斯模型型对背景景进行逐逐像素建建模，然然后根据据当前图图像和背背景模型型的比较较提取前前景的方方法。首先，我们们看一下下高斯分分布模型型。高斯斯分布模模型是概概率分布布中最重重要的一一种，也也称为正正态分布布模型。该该分布的的密布函函数如式式4-1 所示。 （4-1） 这里 和 分别是是均值和和标准差差，对应应的分布布函数如如式4-2 所示。 （4-2） 均值和方差差分别为为 0 和1 的正正态分布布称

38、为标标准正态态分布。其其概率密密度分布布如图33-5(a)所所示。混混合高斯斯模型是是从高斯斯模型中中发展出出来的一一种混合合分布模模型。对对于观测测数据集集X=x1, x2 , , xN中的单单个采样样xi, 其离散散混合高高斯分布布的密度度函数为为 （4-3） 其中，KK 是分分布数, k 是权重重系数，表表示各混混合成分分的权重重；k 是各高高斯模型型的均值值,k 是协方方差。但但是在计计算中,为了减减少计算算量我们们通常取取=，这种种方法并并不明显显影响计计算的精精度。分分布数KK通常取取3到5。图 4-1(b)是一个个参数为为 = 2,33, = 1,0.55, = 0.4,00.6

39、的混合合高斯分分布的概概率密度度分布。 (a) 单单高斯分分布的概概率密度度 (b) 混合高高斯分布布的概率率密度 图图 4-11 单高斯斯和混合合高斯分分布的概概率密度度4.1.22 期望值值最大（EM）算法如何从一个个给出的的样本空空间，估估计其混混合高斯斯模型的的各个参参数，是是背景建建模过程程中的一一个关键键步骤。期望值最大大化（EExpeectaatioon MMaxiimizzatiion, EMM）算法法是参数数估计的的一种很很重要的的算法，它它是一种种当观测测数据为为不完全全数据时时求解极极大似然然估计的的迭代算算法，大大大降低低了极大大似然估估计的计计算复杂杂度，但但性能却却

40、与极大大似然估估计相近近，具有有很好的的实际应应用价值值。EMM 算法法主要应应用于以以下两种种情况：第一，由由于观测测过程出出现的问问题，使使得样本本有遗失失，或者者说样本本不完整整；第二二，当似似然函数数非常复复杂，使使得求解解困难，或或者存在在隐参数数的情况况。EM 算法法的基本本思路是是：似然然函数是是一个随随即变量量，随机机变量直直接求最最大化不不好计算算，然而而它的期期望却是是一个确确定性的的函数，优优化起来来比较容容易。4.1.33 使用EMM 算法法进行混混合高斯斯模型参参数估计计下面我们阐阐述如何何使用EEM算法法进行混混合高斯斯模型的的参数估估计。给给定一系系列观测测值X

41、= x1, x2 , xxN，要估估计一个个混合高高斯模型型（式44-3）的的参数=，=1, 2, , K ，=1, 2, , K ，= 1, 2, , k。混合模型下下的非完完备loog似然然函数为为： （4-4）由于在对数数运算中中包括了了求和项项，因此此很难获获得最大大值。利利用EMM 算法法，假定存在一一个隐含含变量YY=y1,y2 ,yN，确定由由哪一个个分量生生成相应应的数据据，式（44-3）可可转化为为: （4-55）然而由于隐隐含随机机变量YY= y1,y2, ,yN 是未未知的，因因此必须须获得该该变量的的分布。利利用Baayess 公式式在假定定初始参参数g =(1g, ,

42、Mg,1g, ,MMg)以及及观测值值条件下下有： （4-6）式中 （4-7）因此可得到到： （4-8）上式中只有有第一项项与k 有关关，第二二项只与与变量k 有关关。因此此Q函数数极大化化可以分分别极大大化。 （4-9） （44-100） （44-111）式4-9,4-110,44-111就是混混合高斯斯模型EEM 算算法的迭迭代公式式。通常来讲，迭迭代收敛敛的条件件有以下下几种：1.设定阈阈值L，当loog LL(t +1) logg L(t) T maax时，迭代代收敛。第二种方法法相对较较为死板板，计算算效率低低。所以以，本系系统采用用的是第第一种方方法。4.1.44 使用混混合高斯斯

43、模型对对背景建建模如果是在特特定的光光线下，那那么即使使考虑有有噪声的的情况，使使用单高高斯模型型也足够够建立像像素的模模型。但但是当光光线随时时间变化化时，使使用混合合高斯模模型对背背景进行行建模是是一个很很好的选选择。使用混合高高斯模型型对背景景建模的的方法是是对背景景中的每每一个像像素根据据一个图图像序列列建立一一个混合合高斯模模型，而而不是将将所有的的像素建建立为某某个分布布模型。然然后对当当前图像像中的像像素进行行匹配，如如果当前前像素符符合背景景模型中中的某个个高斯分分布，则则认为是是背景，否否则认为为是运动动物体。4.1.55 运动区区域的提提取对当前图像像逐像素素的与背背景模型

44、型进行比比较，从从而提取取可疑区区域。可可疑区域域提取的的具体过过程为：1. 初始始化一个个蒙板mmaskk，蒙板板各像素素均为白白色。2首先将将当前帧帧图像与与背景模模型相对对应像素素的均值值参数相减，然然后取绝绝对值作作为偏差差errr。3更新mmaskk，先将将errr对角化化得到eerr。当eerr512时，massk 对对应像素素设为白白色；当当errr512时，maask对对应像素素设为黑黑色。4.1.66 图像的的平滑滤滤波及图图元分割割通过以上方方法提取取的烟雾雾可疑区区域比较较清晰、完完整。但但是，仍仍存在一一些少量量的噪声声和较强强烈的光光线变化化所造成成的干扰扰，需要要进

45、行滤滤波处理理。滤波是图像像处理时时最常使使用的一一种处理理手段。滤滤波的方方法也有有很多，可可以在空空间域中中进行，也也可以在在其它变变换域中中进行。 在空间间域中滤滤波一般般可分为为线性滤滤波和非非线性滤滤波两类类。线性性滤波器器的设计计通常基基于对傅傅立叶变变换的分分析。非非线性滤滤波器则则一般直直接对邻邻域进行行操作。另另外各种种空间域域滤波器器根据功功能的不不同主要要分为平平滑滤波波器和锐锐化滤波波器。平平滑可以以通过低低通滤波波来实现现。空间滤波器器都是利利用图像像与模板板进行卷卷积来实实现的，主主要步骤骤是：1. 将模模板在图图中漫游游，并将将模板中中心与图图中某个个像素位位置重

46、合合。2. 将模模板上的的系数与与图像中中对应的的像素相相乘。3. 将所所有乘积积相加。4. 将和和（模板板的输出出响应）赋赋给图中中对应模模板中心心位置的的像素。平滑滤波通通常在空空间域中中进行，通通常使用用的方法法有线性性滤波、中中值滤波波和自适适应滤波波等。我我们采用用了不同同的方法法对图像像进行滤滤波并比比较滤波波结果。图 4-22(a)中给出出了一幅幅图像的的一部分分，其中中所标的的是一些些像素的的灰度值值。现设设有一个个33的模板板如图44-2(b)所示，模模板中所所标的是是模板系系数。如如将k00所在位位置与图图中灰度度值为ss0的像素素重合（也也就是将将模板中中心放在在图中(x

47、,yy)位置置），模模板的输输出相应应R 为： R= k0s0+k1s1+ksss (aa) (b) (c) 图4-22 用用33模板进进行空间间域滤波波的示意意图 将 R 赋给增增强图，作作为在(x,yy)位置置的像素素值，如如图4-2(c)所示。如如果对原原图中每每个像素素都进行行这样的的操作，就就可以得得到增强强图中所所有像素素的新灰灰度值。如如果我们们在设计计滤波器器的时候候给每个个k 赋予予不同的的值，就就可得到到不同的的高通或或低通滤滤波效果果。出于于图元分分割的考考虑，我我们希望望尽量消消除一切切小像素素图元的的干扰。可可以看出出在这种种情况下下中值滤滤波器是是最好的的选择。为为

48、了尽量量消除小小像素图图元的干干扰，我我们选择择55的中值值滤波器器。这样样绝大部部分的小小像素图图元干扰扰已经被被滤去了了。这样样可以大大幅度减减少下一一步图元元分割的的计算量量，有利利于提高高系统的的执行效效率。在在图像分分割之前前，我们们先要定定义图像像中什么么样的像像素算是是相邻像像素。定定义相邻邻像素通通常有两两种边沿沿连接的的约定方方式：44-连接接方式和和8-连接接方式。在在 4-3(a)的的连接方方式中，所所有与当当前像素素点接触触的8 个像素素点中，只只有垂直直和水平平方向的的4 个像像素认为为是连接接的像素素，如图图4-3(b)所示。而而在8-连接方方式中，所所有与当当前像

49、素素点接触触的8 个像素素点均认认为是连连接像素素，如图图4-3(b)所示。 图4-3(a) 4-连接接方式示示意图 图4-3(bb) 88-连接接方式示示意图图元的面积积相差非非常悬殊殊。小面面积图元元的产生生原因有有很多：可能是是干扰造造成，也也可能是是小型物物体或烟烟雾的非非常早的的初期阶阶段的图图像。不不管是那那种原因因，我们们并不需需要对所所有的图图元都进进行分析析，而只只选择面面积最大大的若干干图元进进行分析析。原因因是如果果是干扰扰，那么么理所当当然应该该被过滤滤掉而不不予考虑虑。如果果是烟雾雾，那么么烟雾的的面积是是在不断断扩散的的。通常常来讲烟烟雾扩散散的速度度是比较较快的，

50、在在很短的的时间内内烟雾区区域就可可以成为为移动区区域中面面积比较较大的部部分。所所以，只只选择面面积较大大的若干干图元进进行分析析，一方方面并不不影响系系统判断断的准确确性；另另一方面面也可以以减少计计算量，提提高代码码执行效效率。我我们称被被选定的的图元为为可疑图图元。下下面，我我们要对对图元的的面积进进行统计计，从而而找出面面积最大大的若干干个图元元作为可可疑图元元。在选选择可疑疑图元的的时候，我我们制定定了如下下的规则则：假设设面积最最大的图图元的面面积（像像素数）为为amaax，第第i 个图图元成为为可疑图图元的条条件是：ai 11/500 amaxx将可疑图元元提取出出来后可可以发

51、现现面积较较大的可可疑图元元是烟雾雾区域，而而面积较较小的可可疑图元元是由于于光线变变化非常常强烈而而被质疑疑的区域域。当然然，整个个图像中中光线都都有变化化，我们们已经较较为成功功的滤去去了大部部分光线线变化和和其它噪噪声所造造成的干干扰。4.2 可可疑图元元的特征征分析及及烟雾判判断本节将介绍绍如何对对可疑图图元进行行特征提提取及烟烟雾判断断。目前前，对烟烟雾进行行识别方方法的比比较少。纹纹理分析析是一种种比较常常用的方方法，但但是这种种方法对对图像的的质量以以及可疑疑区域分分割的效效果要求求比较高高。我们们所采用用的是小小波分析析，颜色色饱和度度分析以以及闪烁烁频率分分析的方方法，取取得

52、了比比较好的的效果。4.2.11 可疑疑图元的的特征分分析根据烟雾的的半透明明性和边边界闪烁烁的特征征，我们们制定了了三种特特征提取取和分析析方法。分分别是通通过小波波变换对对可疑图图元和背背景进行行高低频频能量分分析，在在HSVV 颜色色空间对对可疑图图元和背背景进行行颜色饱饱和度能能量分析析以及利利用图像像帧序列列对可疑疑图元进进行边界界闪烁频频率分析析。由于烟雾处处于一种种半透明明状态，所所以被烟烟雾笼罩罩的地方方，图像像的尖锐锐程度较较之背景景会有很很大的下下降。这这直接导导致了该该区域高高频能量量被削减减，而低低频能量量增加。这这里我们们所说高高频是指指图像中中锐度比比较大的的部分，

53、通通常是由由物体的的边角、纹纹理等构构成；而而低频是是指图像像中颜色色或灰度度相近的的平滑区区域。更更确切的的说高频频能量主主要集中中在图像像中颜色色或灰度度变化梯梯度较大大的部分分；而低低频能量量主要集集中在图图像中颜颜色或灰灰度变换换梯度较较小的部部分。小小波分析析的方法法可以监监视当前前图像和和背景图图像之间间高频和和低频能能量变化化的情况况。因此此，我们们提出了了一种基基于小波波分析的的烟雾特特征提取取和分析析方法。 在在实现的的方法上上，二维维小波变变换是从从原始信信号s 开始在在每个层层次只分分解上一一层次的的近似系系数。但但与一维维小波变变换不同同的是，在在每个层层次进行行分解的

54、的时候，需需要在两两个维度度分别作作用两次次滤波器器。这样样就得到到了四组组系数cAj, cHj, cVj, cDj,，其中中其中ccAj是第j 层的近近似系数数，它是是在两个个维度都都作用低低通滤波波器得到到的。ccHj, cVj, cDj分别是是在横向向作用低低通滤波波器、纵纵向作用用高通滤滤波器得得到的水水平细节节系数，横横向作用用高通滤滤波器、纵纵向作用用低通滤滤波器得得到的垂垂直细节节系数和和两个维维度都作作用高通通滤波器器得到的的对角细细节系数数。所以以在处理理二维信信号的过过程中，需需要分别别去除横横向的，纵纵向的和和两个方方向的关关联信息息，那么么就形成成了一组组近似系系数和三

55、三组细节节系数。分分解的数数据传递递方式如如图4-3(a)所示。从从图中可可以看出出, cAj现在行行上分别别与低通通滤波器器滤波器器Lo _ D和高通通滤波器器Hi _ D做卷积积。然后后在列上上进行下下采样，保保留偶数数列。将将得到的的结果再再分别在在列上与与滤波器器Lo _ D和Hi _ D做卷积积。然后后在行上上进行下下采样，保保留偶数数行，得得到系数数cAj+1, cHj+1, cVj+1, cDj+1。 小小波重构构是小波波分解的的逆过程程，其数数据传递递方式如如图4-4(b)所示。 图图4-44（a）小小波分解解数据传传递示意意图图4-4（bb）小波波重构数数据传递递示意图图 图

56、图4-4 基于小小波的图图像分解解与重构构4.2.22 可疑图图元颜色色饱和度度信息的的分析可疑图元的的颜色饱饱和度特特征，是是本文中中烟雾判判断的另另一个判判据。火火灾发生生时，由由于燃烧烧物，烟烟雾浓度度，光线线环境等等诸多原原因，烟烟雾的形形态也会会有所不不同。在在燃烧物物阴燃和和热解的的过程中中经常会会产生微微小的液液相颗粒粒，因此此这时候候烟雾为为浅色；而在明明火燃烧烧的过程程中，经经常产生生固相的的含炭颗颗粒，这这时其烟烟雾为黑黑色。所所以火灾灾发生的的初期，烟烟雾颜色色较浅，有有半透明明性，背背景中物物体的颜颜色饱和和度在经经过烟雾雾后会得得到一定定程度的的削弱。所所以，在在系统

57、中中，我们们利用烟烟雾的这这一个特特征来进进行识别别分析。对对颜色信信息的分分析，我我们是在在HSVV 颜色色空间下下进行的的。在进行颜色色饱和度度信息分分析之前前，我们们也先规规定一个个区域的的颜色饱饱和度能能量ESS 。如如式4-10所所示： （4-112）式中，S ( xx, y )表示在在HSVV 颜色色空间下下(x, y)点的颜颜色饱和和度S。区域域R的颜色色饱和度度能量就就是区域域中各像像素颜色色饱和度度S 的平平方和。 进进行颜色色分析前前，先要要将当前前图像与与背景都都从RGGB 颜颜色空间间转换到到HSVV 颜色色空间，然然后再分分别计算算它们的的饱和度度能量烟烟雾的半半透明

58、性性使得场场景变“灰蒙蒙蒙”的，从从而使场场景中物物体颜色色的饱和和度有所所下降。所所以，可可疑图元元颜色饱饱和度的的变化可可以作为为烟雾判判定的另另一个判判据。4.2.33 可疑疑图元边边界闪烁烁频率的的分析在可见光波波段对火火焰的图图像型探探测技术术中，火火焰的闪闪烁特性性经常被被用来作作为探测测对象。火火焰的闪闪动表面面上看来来似乎是是杂乱无无章的，事事实上火火焰信号号的频谱谱特征有有着特有有的规律律。许多多研究人人员对不不同尺寸寸、形状状的房间间进行了了多种材材料的火火灾试验验，发现现在火灾灾初期出出现明火火以后，火火焰的主主要频率率为8-12HHz，同同时火焰焰的频率率受燃烧烧物、房

59、房间形状状、房间间尺寸的的大小，环环境的变变化等因因素影响响不大。因因此，利利用火焰焰的闪烁烁频率作作为火灾灾识别的的一个判判据是非非常有用用的。烟烟雾边界界的闪烁烁频率比比火焰的的要小，通通常在11-3HHz。我我们先在在可疑图图元的边边界取若若干像素素点，然然后对其其进行分分析。如如果这些些像素点点，在属属于可疑疑图元和和不属于于可疑图图元之间间变化，那那么就可可以认为为可疑图图元具有有的闪烁烁特性。但但是，这这种探测测是具有有很强时时效性的的。因为为烟雾是是呈蔓延延的状态态不断扩扩散的，所所以在较较短的时时间内烟烟雾的边边界就会会扩大到到一个更更大的区区域，从从而包括括了初始始设定的的观

60、测点点。我们们在边界界闪烁频频率的探探测上设设定一个个时间有有效值为为2 秒。也也就是说说我们在在设了观观测点后后，仅仅仅考虑的的其后22 秒钟钟内采集集的图像像信息。根根据这22 秒钟钟内采集集的图像像信息来来判断可可疑图元元边界的的闪烁特特性。根据采样定定理，我我们知道道，要观观测到 3Hzz 的信信息，我我们至少少要使采采样速率率大于等等于6HHz。我我们采用用的122fpss 的帧帧速率完完全可以以满足这这一要求求。我们们从视频频中截取取有可疑疑图元的的连续图图像244 帧，也也就是两两秒钟内内的连续续帧。下下面，我我们对连连续帧中中的可疑疑区域进进行处理理和分析析。首先，利用用背景模