面向消防装备的穿戴检测系统*

2020-12-28李倩

数字技术与应用 2020年11期

李倩

(泰山职业技术学院,山东泰安 271000)

0 概述

随着社会的快速发展和复杂化,各种各样的火灾隐患也在不断增加,火灾已经成为频繁发生的灾害,随时威胁着广大人民群众的生命和财产安全。因此,消防工作与大众生活密切相关,它不仅是国民经济和社会发展的重要组成部分,更是发展社会主义市场经济不可缺少的保障条件。2019年修正的《消防法》第三十七条明确规定:“国家综合性消防救援队、专职消防队按照国家规定承担重大灾害事故和其他以抢救人员生命为主的应急救援工作”。对于消防部门来说,如何有效地提高业务能力并切实保证部队整体战斗力至关重要。从硬件上说,消防装备的更新换代和全面列装有助于部队提升整体实力;从软件上说,提高战士对于消防装备的熟悉程度和使用水平,有利于充分发挥消防装备的预期性能,同样有助于部队提升整体实力。本文主要关注于有效地提高战士对于消防装备的熟悉程度的问题,并为此设计并实现了面向消防装备的穿戴检测系统。本系统主要用于识别消防装备的穿戴顺序,以判断战士是否正确着装了全部消防装备。相对于人工直接参与的训练过程来说,本系统具有实时高效的优点,同时所有训练过程记录为视频文件的形式,便于回溯和复习。

1 相关工作

消防装备作为消防部门正常开展工作的重要组成部分,近些年来得到了越来越多的关注。

陈亚锋[1]等人相对系统地阐述了新时代下消防任务所面临的问题,提出了对于新式消防装备的要求和期望,也明确指出了灭火救援对象的日趋复杂性、多样性和差异化的前提下,现代消防装备技术发展的大致趋势。曲翔宇[2]等人以第十八届中国国际消防展为基点,讨论我国消防装备发展趋势的同时,也对消防队伍在装备训练上做出了一定的讨论,与虚拟现实等计算机相关技术相结合的训练方式可以系统地提升参训人员的实操技能,培训针对性较强。张飞军[3]等人则对国内消防装备存在的问题做出了讨论并给出了一定的解决方法,其中明确提到了注重相关隐形能力的提高和提高装备操作能力。郭瑞旗[4]等人讨论了现代消防装备的优势,也讨论了影响现代消防装备发挥优势的主要原因,其中明确提到了消防战士的训练水平和技术可能难以跟上现代消防装备应用的节奏。刘伟华[5]等人讨论了新时期消防装备现代化的要求,其中提到了与其前沿科学技术相结合的观点,主张与其他领域的技术相结合。商靠定[6]等人在讨论消防部队战斗力建设存在的问题和对策时,提到了加强现代化消防技术装备训练,实现人与装备的最佳结合的观点。张耿[7]等人在讨论消防器材装备的现状分析及发展方向的问题时,提到了消防战士无法准确掌握装备性能的问题,并提出了创新训练方式、强化训练意识的解决方案。朱伟祺[8]等人在讨论消防装备建设的重要性问题时,提到了消防战士合理使用个人防护装备的重要性。张锐[9]等人在讨论消防装备使用效能问题时,给出了学训结合、加强装备操作训练,充分发挥消防装备作战效能的建议。

因此,结合跨领域的前沿科学技术来切实提升消防战士的装备使用水平已经得到了相当程度的认可,本文提出的面向消防装备的穿戴检测系统正是这种思想下的产物。

2 系统设计

本系统中的消防装备共有八个部位,分别是:裤子防护靴、战斗服、腰带、阻燃头套、空气呼吸器、面罩供气、头盔和手套。系统以网络摄像头作为硬件采集设备获取外界数据,从摄像头图像中实时分析装备的穿戴顺序情况,在战士穿戴过程中进行实时提示和计时,在穿戴完成后保存穿戴视频并生成对应的记录文件。系统中摄像头捕获到的图像如图1所示。消防战士在穿戴消防装备的过程中会从地面上拿取装备后返回初始位置进行穿戴,或者拿取装备后直接就地进行穿戴。

系统与用户之间进行交互的用例图如图2所示。本系统的用户是指协助或指导消防战士进行装备穿戴训练的人员。

从用例图2中可以看出,用户可以实时查看硬件捕获到的视频流并随时开始穿戴检测。当检测开始时,用户输入当前检测人员的关键字(姓名)用于记录和存档。系统接收到开始检测的指令后开始计时并根据摄像头实时图像进行区域判断以确定装备穿戴情况,检测完成后系统结束计时并根据开始检测时用户输入的关键字对检测过程的视频和检测结果进行存档。用户在检测完成后可以初始化系统以开始下一次检测。

图1 网络摄像头捕获图像

图2 系统交互用例图

图3 系统整体功能架构图

系统共有三种运行状态,三种状态在一定条件下可以进行转换,但是转换方向收到一定的限制,且系统在正常情况下允许在预览态及完成态时退出系统。

系统启动后的初始状态为预览态,此时可直接预览网络摄像头捕获到的视频图像,并查看视频源相关信息及登陆信息。通过菜单栏的“开始检测”按钮,系统可以从预览态转换至检测态。系统检测态下会继续维持预览态下预览网络摄像头捕获视频的功能和视频源及登陆相关信息查看的功能,同时将弹出新的检测窗体用于实时显示检测结果。顺序检测完成后系统弹出窗口提示检测完成并自动将检测过程和检测结果分别保存为视频和文档的形式进行存档。该状态下,系统不再对“开始检测”按钮进行响应。用户点击检测完成提示窗口的“确定”按钮后,系统将从检测态转换至完成态。如果检测过程中出现任何意外问题需要重新开始,关闭检测窗体后通过菜单栏“系统重置”按钮可使系统重新回到预览态以响应下一次检测过程。系统完成态下依旧会维持预览态下预览网络摄像头捕获视频的功能和视频源及登陆相关信息查看的功能,但系统不再对“开始检测”按钮做出响应。通过菜单栏的“系统重置”按钮,系统可以从完成态重新转换为预览态以响应下一次检测过程。由于需要系统在不同状态下始终保证主窗体的视频预览功能的正常运行,因此本系统中使用了多线程技术来保证不同窗体之间的同时活动。

本系统主要由三个子系统构成,分别是数据基础子系统、交互子系统和实时检测子系统,其中,实时检测子系统为核心子系统。本系统的整体功能架构如图3所示。

数据基础子系统为系统提供底层的数据支持。视频流获取模块负责与摄像头交互并从硬件端获取原始数据。图像差分模块负责将获得的原始图像数据与预存的图像进行差分处理并将结果存储为矩阵形式。数据基础子系统获取到视频流数据后,取出其中一帧图像数据与差分基准图像进行对比,基于图像差分法获取差分矩阵,该矩阵将保留在内存中,作为该帧图像的直接数据供其他子系统使用。

交互子系统负责处理用户的具体输入,并在处理完成后允许实时检测子系统进行实际检测操作。系统重置模块用于初始化系统中所有基础变量,以允许系统开始下一次完整的检测流程。记录存档模块在实时检测子系统开始执行时进行计时并记录视频数据,在实时检测子系统完成操作后停止计时并将所有视频数据和检测结果存档为文件形式。数据基础子系统的流程图如图4所示,交互子系统的流程图如图5所示。

从图5的流程图中可以看出,系统启动后首先进入预览态并在开始检测之前始终处于预览态。开始检测后,记录存档模块读入用户输入的关键字作为存档依据,并委托实时检测子系统完成实质检测工作,此时系统进入检测态。在系统检测态下,交互子系统不间断地检查是否收到实时检测子系统的反馈,在收到反馈后将整体系统状态转换至完成态并将检测流程和检测结果以文件的形式进行存档。系统完成态下启动系统重置功能将调用系统重置模块,该模块将初始化实时检测所需要的变量并注销现有的全部检测线程。

图4 数据基础子系统流程图

图5 交互子系统流程图

实时检测子系统为本系统的核心子系统,负责实际的装备穿戴检测操作。区域检测模块针对图像中每个确定区域判断其内容是否发生足够的变化,并将结果记录在内存中。全局统筹模块整理区域检测模块在内存中维护的各项记录,确定具体区域的检测工作是否完成并执行后续的相关操作。实时检测子系统首先启动全局统筹模块,该模块一方面初始化所有检测所需变量并在后续流程中不间断检查变量以确定是否所有区域均完成了检测,另一方面实例化八个独立的区域检测模块,每个模块用于视频图像中一块区域的检测,也对应于一件消防装备的检测。每个独立的区域检测模块,从内存中获取数据基础子系统存放在内存中的差分结果矩阵,根据自身私有的区域坐标参数,对模块自身负责区域的差分像素点数量进行计数。计数完成后,区域检测模块将计算当前帧负责区域中出现变化的像素总占比,连续多帧变化像素总占比均超出预设阈值即表示该区域检测完成。连续多帧超出阈值是为了在一定程度上防止系统过于敏感,尽减少误报的可能性。检测完成的区域检测模块将修改全局统筹模块中分配给自身的变量来标记自身状态,而后不再从内存中获取差分结果矩阵。全局统筹模块在检查到所有区域检测模块对应的变量均被标记为完成状态后,将给与交互子系统反馈以告知其检测已完成,而后全局统筹模块终止实时检测子系统的此次运行。

由于本系统设计有一定数量的运行参数及预设阈值,如网络摄像头登录信息、区域变化百分比阈值等,出于系统便捷性及可迁移性的考虑,所有参数均存放在独立的配置文件中。需要对系统进行修正时,只需要简单地修改配置文件中的对应参数即可完成,不需要对系统本身的结构或代码做出修改。

3 系统实现

基于上述设计方案,本系统在Windows平台下使用C#语言的Winform框架进行开发,最终形成可直接执行的应用程序。系统选用的摄像头为海康威视ICR星光级半球型网络摄像机,具体型号为DS-2CD2146FDWD-IS。

主程序启动后,系统将根据配置文件中登录数据自动登录网络摄像头,而后给出登录提示,最终完成启动后的系统主界面。系统所有功能均放置在系统菜单中,系统核心功能“开始检测”和“系统重置”均通过标签页启动,同时系统退出也从系统菜单中执行。网络摄像头相关的视频流参数,仅在系统运行内存中进行修改,不会修改配置文件中的内容,以确保一定程度上的数据安全。

选择系统菜单标签页的“开始检测”按钮后,系统在维持主界面的基础上,将开启新窗体用于显示检测结果,左列分别是需要检测的八件消防装备,中列是默认给出的正确穿戴顺序,右列会随着检测的进行逐渐填充实际的装备穿戴顺序。对应消防装备检测完成时,不但会在右列的对应位置显示其此次穿戴次序,还会用语音向用户提示当前消防战士正在穿戴的装备。全部检测完成后,系统将弹出检测完成窗体。系统将自动把当前训练过程的视频文件按照用户的关键字进行命名和保存,同时额外保存一份文本文件,其内容为本次训练检测到的消防装备穿戴顺序,系统菜单标签页的“系统重置”按钮按下后,系统会自动初始化系统变量并注销现有线程,同时“开始检测”按钮将开始响应用户点击。