浅议数字图像处理在火灾报警系统中的应用

李征

邢台市消防救援支队 河北 邢台 054000

1 数字图像处理概述

数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受3个因素的影响[1]：一是计算机技术的飞速发展；二是现代数学理论的发展（特别是离散数学理论的创立和完善）；三是广泛的应用，在农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。

1.1 数字图像处理的主要方法

数字图像处理方法大致可分为两大类：变换域法和空域法。

1.1.1 变换域法。数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。

这类处理包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理[2]。

1.1.2 空域法。这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有下面两大类：

1.1.2.1 邻域处理法。其中包括:梯度运算，拉普拉斯算子运算，平滑算子运算和卷积运算。

1.1.2.2 点处理法。灰度处理，面积、周长、体积、重心运算等等。

1.2 数字图像处理的主要内容

数字图像处理工程可分为：图像信息的获取、图像信息的存储、图像信息的传送、图像信息处理、图像信息的输出和显示。

1.2.1 图像信息的获取。主要是指把图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数化等几个步骤。

1.2.2 图像信息的存储。图像信息数据量非常巨大，因此其存储方式也至关重要，一般档案存储主要采用磁带、磁盘或光盘。我们一般通过数据压缩、变换图像格式及图像数据库技术来解决存储问题等[3]。

1.2.3 图像信息的传送。图像信息的传送一般分为系统内部传送与远程传送。内部传送我们大多采用DMA技术来解决速度问题，外部远距离传送目前主要是解决占用带宽的问题。

1.2.4 数字图像处理。目前，数字图像处理技术多采用计算机处理为主，因此，有时也称之为计算机图像处理。数字图像处理概括地主要包括如下几项内容：几何处理，算术处理，图像增强，图像复原，图像重建，图像编码，图像识别、图像理解。

1.2.5 图像的输出与显示。图像处理的目的是为了便于图像的解释和识别，因此图像输出显得尤为重要。图像的输出分为两种，一种是硬拷贝，另一种是软拷贝。

2 数字图像处理在火灾报警系统中应用

在高大空间或具有高速流动的场合，尤其是在户外。早期火灾探测一直是火灾安全专业人士需要面对的一个非常头痛的难题。因为在这些特殊的场所中，我们或者是因为空间过高，或其他原因，不能将报警系统的探测器放置在火灾可能发生的区域内或者靠近火灾发生的区域，又或者这些场所即使能放置，也可能因为高速气流的影响而大大降低其作用[4]。更有甚者，像诸如广场露天的电站，铁路，站台，森林这样的户外场所，根本就没办法安装传统的探测装置。在这样的背景下，可视化烟雾探测火灾报警系统较其他火灾报警系统，能较好地完成上述功能。此类报警系统采用图像处理技术，复合探测及已知误报现象的计算自动识别各种烟雾模型的不同特性，系统内构建了丰富的工业火灾烟雾信号模型，使得该系统能够快速，准确地锁定烟雾信号，系统烟雾判断的准确性甚至可以区分水蒸气和烟雾。通过有效探测烟源，不必等待火灾发生蔓延扩大，探测器即能进行探测，还具有不受距离的限制的优点，不论摄像头是安装在距危险区域10m或是100m，系统都能够在相同的时间内探测到烟雾，因此能够在以上所说的特殊场所里，迅速发现火情，降低损失。

使用基于数字图像处理的火灾自动报警系统有如下主要特点是[5]：①火灾早期的探测，直接探测火源，可以检测到肉眼看不到的细微变化；②可以检测多种环境下的报警信号，而不受高速气流运动的影响；③目前国际上广泛使用的户外烟雾探测解决方案；④通过建立模型和模式分析算法，减少了误报的发生，硬件设备能够同时对来自多台、多角度的摄像机的信号进行实时处理，不会有任何信息丢失或延误。⑤能够从现场以外的危险场所、爆炸性场所、有毒场所进行探测，减少不必要的人员产生的系统危险。⑥就能够利用既有的监控或其他可视化的系统，方便可视化火灾报警控制系统的建立和接入，降低了该系统安装维护的复杂性，同时也可将监视屏幕区域任意定制为防火分区，每个分区报警显示可独立编程，增加了系统的实用性。

它是一个基于视频素材动态发展的过程中自动进行实时处理的系统，通过计算机处理、识别和判断后，来判断厂房环境是否发生变化，适时提醒值班人员注意厂房安全。并给出数据显示和声光报警信息，使值班人员及时发现警情。

2.1 图像处理系统的基本结构

一般的图像处理系统其结构如图1所示

图1 图像处理系统的一般结构图

2.2 火灾报警系统中数字图像处理系统设计

本系统工作效率高，实时可变动性强。这在火灾自动报警系统等实时性要求高的情景非常实用，该设计通过图像型火灾探测器等视频采集设备对监测区域进行实时采集，并将采集后的图像及视频数据通过模数转换后实时的发送给高级火灾预警处理计算机，计算机对其接收到的视频图像进行低通滤波处理后，生成去除噪音后的视频图像数据，然后采用直方图均衡化算法再对上述生成的视频进行图像增强处理后生成的视频，再进行二值化处理，就获得火焰目标的图像，通过计算机采用区域生成分割算法对视频图像进行图像分割处理，将烟雾火灾火焰的目标图像从背景中分离出来，对烟雾或火焰的目标图像中进行特征提取，最后通过优化后的算法对上述信息进行识别和预警，其设计流程如下图所示2：

图2 基于图像识别的火灾自动报警系统设计流程图

图3 火灾报警系统中数字图像处理系统部分的硬件结构图

本系统主要由图像采集和图像处理两大部分组成。由FPGA进行逻辑控制，负责图像的采集，DSP进行图像处理，识别系统具备图像的实时采集功能并对图像进行必要的预处理，然后对采集处理好的图像进行识别，判断其是否为火灾。本系统采用DSP芯片作为数据核心处理单元[6]。

3 方案设计

在本设计中，采用CCD摄像头对固定环境的视频图像进行采集，采集后的图像经视频解码芯片进行解码，其中由DSP芯片通过I2C总线对SAA7111进行初始化赋值，由FPGA芯片EPM7128对视频解码芯片进行采集控制，可以先把采集到的每行每列图像送到SDRAM进行缓存，每存满一帧后通过给DSP发一个中断控制DSP从SDRAM中读取数字图像数据。DSP芯片读取到图像的数字信息后，对图像进行一系列的预处理，并对预处理后的图像进行一系列的识别算法，并对视频图像中的起火部位特征进行验证，可以判断出此帧图像中是否有火灾发生。若视频图像中有火灾发生，则给出控制信号启动后续的报警模块。该预警装置具有技术先进，性能可靠，性价比高等特点。具有实用价值。