基于DSP的圖像型火災探測技術(shù)研究

引言

　　火災是最常見(jiàn)的嚴重災害之一，它往往給人們的生命財產(chǎn)造成巨大的危害。目前用于火焰探測的主要有煙感探測器、紅外探測器、紫外探測器等，但這些探測器件在探測范圍和抗干擾等方面還存在不少問(wèn)題。本文提出了一種根據火災火焰的特征，采用DSP技術(shù)對火災火焰進(jìn)行識別，并給出了其算法實(shí)現。

1 火焰圖像的特征判據

　　1．1 面積變化率

　　火焰在發(fā)生的初期，火焰的出現是一個(gè)從無(wú)到有且不斷擴張蔓延的過(guò)程，由于風(fēng)力、空氣流動(dòng)、熱量驅動(dòng)等原因，火焰火苗會(huì )不斷跳動(dòng)?；鹧娴倪@一物理特性在圖像上的表現就是：高亮區域的面積是不斷變化的，并且連續幾幀圖像中，高亮區域的面積是呈增長(cháng)趨勢的。

　　定義面積變化率為：

　　式中：AR表示相鄰幀間高亮區域的面積變化率；A(n)表示當前幀中可疑區域的面積；A(n+1)表示下一幀中可疑區域的面積，eps為一個(gè)極小值，在分母上加上eps是為了防止相鄰兩幀圖像中都不存在可疑火焰區域而使得計算出的面積變化率成為無(wú)窮大。為了實(shí)現歸一化，取兩幀中高亮區域面積的最大值作為上式的分母，這樣可以使得最終計算出的結果介于O～1之間。通過(guò)Matlab仿真分析，得出火焰的面積變化率范圍為0．1～O．4，固定光源的面積變化率接近于O，快速閃動(dòng)的物體面積變化率接近于1。

　　1．2 圓形度

　　形狀特征是圖像表達、圖像檢索以及圖像分類(lèi)識別的一個(gè)重要特征。通過(guò)觀(guān)察大量的火焰以及干擾物體圖像會(huì )發(fā)現：一般的火焰不具有規則的形狀，其邊緣呈現為不規則的曲線(xiàn)，而手電筒、白熾燈以及蠟燭等干擾光源往往具有比較規則的形狀。據此，本文引用了圓形度的概念，用其表征物體邊緣的復雜程度，并將其作為區分火焰以及干擾光源的一個(gè)特征。

　　圓形度定義為：

　　式中：Ck表示編號為k的圖元的圓形度；Pk為第k個(gè)圖元的周長(cháng)，即可疑圖元的邊界長(cháng)度，可以通過(guò)計算邊界鏈碼得到，在邊界鏈碼中，水平和垂直方向的鏈碼步長(cháng)為單位長(cháng)度1，對角線(xiàn)方向的鏈碼步長(cháng)為，直角方向的鏈碼步長(cháng)也為；Ak為第k個(gè)圖元的面積，對于灰度圖像，可以通過(guò)計算可疑圖元中的亮點(diǎn)數目獲得，對于二值圖像，可以通過(guò)計算像素值為1的像素點(diǎn)個(gè)數獲得；n為圖像中可疑火焰圖元的個(gè)數。從式(2)可以看出，當面積相同時(shí)，可疑圖元的形狀越復雜，其周長(cháng)值越大，圓形度的值會(huì )越??；當可疑圖元為圓形物體時(shí)，其圓形度最大，值為1。在Matlab環(huán)境下做仿真實(shí)驗，分別取了30幅火焰、燈光、打火機圖像，計算各自圓形度，得到實(shí)驗結果為火焰的原型度小于0．5。

　　1．3 利用DSP實(shí)現圖像型火災探測系統的必要性

　　(1)目前許多火災探測系統都是采用傳統感溫、感煙傳感器，這種系統有很多缺點(diǎn)，誤報率非常高，受環(huán)境限制，而且這種系統不能掌握火災現場(chǎng)的情況，不能依靠其來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調度等工作，雖然其單個(gè)傳感器價(jià)格較低，但是由于每個(gè)監控范圍小，必須安裝多個(gè)各種傳感器才能有稍微較好的性能。

　　(2)基于PC的圖像處理的火災監控方法，其對于圖像采集一般采用攝像頭與圖像采集卡或者攝像頭加圖像譯碼器的結構，然后再把采集的圖像傳輸到后臺進(jìn)行處理，大大增加了監控臺的負擔。

　　1．4 基于DSP圖像型火災探測的優(yōu)點(diǎn)

　　為了克服傳統的感煙火災探測系統的弊端和許多特殊環(huán)境無(wú)法使用的問(wèn)題，可以利用DSP開(kāi)發(fā)出適應不同環(huán)境圖像型火災探測系統來(lái)滿(mǎn)足不同環(huán)境的需要，其具有很高的靈活性。而且DSP芯片是一種特殊的微處理器，是高性能系統的核心，它不僅具有可編程性，而且它實(shí)時(shí)運行的速度遠遠超過(guò)通用微處理器。其特殊的內部結構，強大的信息處理能力以及較高的運行速度，是其重要的特點(diǎn)。它能實(shí)時(shí)地對大量數據進(jìn)行數字技術(shù)處理。這種實(shí)時(shí)能力使DSP在圖像火災探測領(lǐng)域應用的十分理想。隨著(zhù)DSP芯片的發(fā)展，DSP系統的成本、體積、重量和功耗等逐漸下降，時(shí)鐘頻率、處理速度、處理精度等逐漸提高，對圖像型火災探測系統的發(fā)展都起到了很大的促進(jìn)作用。

2 DSP技術(shù)及其開(kāi)發(fā)流程

　　2．1 DSP芯片介紹

　　數字多媒體處理器DM642是TI公司C6000系列的一款新型高性能DSP，基于C64x內核，擴展的高級甚長(cháng)指令字(VeloeiTI)體系結構，具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨立計算功能單元(2個(gè)乘法器，6個(gè)算術(shù)邏輯單元)可以并行運行，因此多條指令可同時(shí)執行?？晒ぷ髟?00 MHz時(shí)鐘速率，在此工作頻率下，所有功能單元能穩定可靠的工作，外部總線(xiàn)時(shí)鐘為100 MHz。每個(gè)指令周期可并行運行8條32位指令，因此可達到4 800 MIPS的峰值計算速度。DM642采用兩級緩存結構，L1P，L1D，L2。DM642具有64個(gè)獨立通道的EDMA(擴展的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn))控制器，負責片內L2與其他外設之間的數據傳輸。容量較大的兩級緩存和EDMA通道是DM642高性能的體現之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能。它帶有3個(gè)可配置的視頻端口，提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無(wú)縫接口。這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入／輸出，包括BT．656，HDTVY／C，RGB以及MPEG-2碼流的輸入。DM642的其他外設包括：10／100 Mb／s的以太網(wǎng)口(EMAC)、多通道音頻串口(McASP)、外部存儲器接口(EMIF)、主機接口(HPI)、多通道緩沖串口(McBSP)以及PCI接口等。

　　2．2 DSP視頻處理開(kāi)發(fā)平臺

　　本文用于DSP開(kāi)發(fā)的平臺SSD-DM642 Ver 2．0(見(jiàn)圖1)是索思達公司出品的基于TM320DM642一款可用于多路視頻監控、視頻服務(wù)器、數字視頻錄像機等場(chǎng)合的嵌入式平臺。

　　2．3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS

　　采用由TI公司推出的用于開(kāi)發(fā)DSP芯片的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)。它采用Windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調試以及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開(kāi)發(fā)與設計，是目前使用最為廣泛的DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境之一。CCS有兩種工作模式，即軟件仿真器和硬件在線(xiàn)編程。軟件仿真器工作模式可以脫離DSP芯片，在PC上模擬DSP的指令集和工作機制，主要用于前期算法實(shí)現和調試。硬件在線(xiàn)編程可以實(shí)時(shí)運行在DSP芯片上，與硬件開(kāi)發(fā)板相結合進(jìn)行在線(xiàn)編程和調試應用程序。利用CCS集成開(kāi)發(fā)軟件，用戶(hù)可以在一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成工程項目創(chuàng )建、程序編輯、編譯、鏈接、調試和數據分析等工作環(huán)節。使用CCS開(kāi)發(fā)應用程序的步驟為：