基于DSP的圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的研究

引言

火災(zāi)是最常見的嚴(yán)重災(zāi)害之一，它往往給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的危害。目前用于火焰探測(cè)的主要有煙感探測(cè)器、紅外探測(cè)器、紫外探測(cè)器等，但這些探測(cè)器件在探測(cè)范圍和抗干擾等方面還存在不少問題。本文提出了一種根據(jù)火災(zāi)火焰的特征，采用DSP技術(shù)對(duì)火災(zāi)火焰進(jìn)行識(shí)別，并給出了其算法實(shí)現(xiàn)。

1 火焰圖像的特征判據(jù)

1.1 面積變化率

火焰在發(fā)生的初期，火焰的出現(xiàn)是一個(gè)從無到有且不斷擴(kuò)張蔓延的過程，由于風(fēng)力、空氣流動(dòng)、熱量驅(qū)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(xiàn)就是：高亮區(qū)域的面積是不斷變化的，并且連續(xù)幾幀圖像中，高亮區(qū)域的面積是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的。

定義面積變化率為：

式中：AR表示相鄰幀間高亮區(qū)域的面積變化率;A(n)表示當(dāng)前幀中可疑區(qū)域的面積;A(n+1)表示下一幀中可疑區(qū)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(qū)域而使得計(jì)算出的面積變化率成為無窮大。為了實(shí)現(xiàn)歸一化，取兩幀中高亮區(qū)域面積的最大值作為上式的分母，這樣可以使得最終計(jì)算出的結(jié)果介于O～1之間。通過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(dá)、圖像檢索以及圖像分類識(shí)別的一個(gè)重要特征。通過觀察大量的火焰以及干擾物體圖像會(huì)發(fā)現(xiàn)：一般的火焰不具有規(guī)則的形狀，其邊緣呈現(xiàn)為不規(guī)則的曲線，而手電筒、白熾燈以及蠟燭等干擾光源往往具有比較規(guī)則的形狀。據(jù)此，本文引用了圓形度的概念，用其表征物體邊緣的復(fù)雜程度，并將其作為區(qū)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(hào)為k的圖元的圓形度;Pk為第k個(gè)圖元的周長(zhǎng)，即可疑圖元的邊界長(zhǎng)度，可以通過計(jì)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(zhǎng)為單位長(zhǎng)度1，對(duì)角線方向的鏈碼步長(zhǎng)為

，直角方向的鏈碼步長(zhǎng)也為;Ak為第k個(gè)圖元的面積，對(duì)于灰度圖像，可以通過計(jì)算可疑圖元中的亮點(diǎn)數(shù)目獲得，對(duì)于二值圖像，可以通過計(jì)算像素值為1的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)獲得;n為圖像中可疑火焰圖元的個(gè)數(shù)。從式(2)可以看出，當(dāng)面積相同時(shí)，可疑圖元的形狀越復(fù)雜，其周長(zhǎng)值越大，圓形度的值會(huì)越小;當(dāng)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(yàn)，分別取了30幅火焰、燈光、打火機(jī)圖像，計(jì)算各自圓形度，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果為火焰的原型度小于0.5。

1.3 利用DSP實(shí)現(xiàn)圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的必要性

(1)目前許多火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)都是采用傳統(tǒng)感溫、感煙傳感器，這種系統(tǒng)有很多缺點(diǎn)，誤報(bào)率非常高，受環(huán)境限制，而且這種系統(tǒng)不能掌握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況，不能依靠其來進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)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(jiān)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(zāi)監(jiān)控方法，其對(duì)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(jié)構(gòu)，然后再把采集的圖像傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行處理，大大增加了監(jiān)控臺(tái)的負(fù)擔(dān)。

1.4 基于DSP圖像型火災(zāi)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)

為了克服傳統(tǒng)的感煙火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的弊端和許多特殊環(huán)境無法使用的問題，可以利用DSP開發(fā)出適應(yīng)不同環(huán)境圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)來滿足不同環(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(tǒng)的核心，它不僅具有可編程性，而且它實(shí)時(shí)運(yùn)行的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器。其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的信息處理能力以及較高的運(yùn)行速度，是其重要的特點(diǎn)。它能實(shí)時(shí)地對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字技術(shù)處理。這種實(shí)時(shí)能力使DSP在圖像火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的十分理想。隨著DSP芯片的發(fā)展，DSP系統(tǒng)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(duì)圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展都起到了很大的促進(jìn)作用。

2 DSP技術(shù)及其開發(fā)流程

2.1 DSP芯片介紹

數(shù)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(nèi)核，擴(kuò)展的高級(jí)甚長(zhǎng)指令字(VeloeiTI)體系結(jié)構(gòu)，具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨(dú)立計(jì)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(yùn)行，因此多條指令可同時(shí)執(zhí)行。可工作在600 MHz時(shí)鐘速率，在此工作頻率下，所有功能單元能穩(wěn)定可靠的工作，外部總線時(shí)鐘為100 MHz。每個(gè)指令周期可并行運(yùn)行8條32位指令，因此可達(dá)到4 800 MIPS的峰值計(jì)算速度。DM642采用兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，L1P，L1D，L2。DM642具有64個(gè)獨(dú)立通道的EDMA(擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問)控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)L2與其他外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。容量較大的兩級(jí)緩存和EDMA通道是DM642高性能的體現(xiàn)之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運(yùn)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(shè)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(chǔ)器接口(EMIF)、主機(jī)接口(HPI)、多通道緩沖串口(McBSP)以及PCI接口等。

2.2 DSP視頻處理開發(fā)平臺(tái)

本文用于DSP開發(fā)的平臺(tái)SSD-DM642 Ver 2.0(見圖1)是索思達(dá)公司出品的基于TM320DM642一款可用于多路視頻監(jiān)控、視頻服務(wù)器、數(shù)字視頻錄像機(jī)等場(chǎng)合的嵌入式平臺(tái)。

2.3 集成開發(fā)環(huán)境CCS

采用由TI公司推出的用于開發(fā)DSP芯片的集成開發(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(diào)試以及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開發(fā)與設(shè)計(jì)，是目前使用最為廣泛的DSP開發(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(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程可以實(shí)時(shí)運(yùn)行在DSP芯片上，與硬件開發(fā)板相結(jié)合進(jìn)行在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。利用CCS集成開發(fā)軟件，用戶可以在一個(gè)開發(fā)環(huán)境下完成工程項(xiàng)目創(chuàng)建、程序編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作環(huán)節(jié)。使用CCS開發(fā)應(yīng)用程序的步驟為：

(1)打開或創(chuàng)建一個(gè)工程項(xiàng)目文件(project)，包括源程序(C或匯編)、目標(biāo)文件、庫文件、鏈接命令文件和包含文件。

(2)編輯各類文件?？梢允褂肅CS提供的集成編輯環(huán)境，對(duì)頭文件(*.h文件)、鏈接命令文件(*.cmd文件)和源程序(*.c，*.asm)進(jìn)行編輯。

(3)對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行編譯。如出現(xiàn)語法錯(cuò)誤，將在構(gòu)建(Build)窗口中顯示錯(cuò)誤信息。用戶可以根據(jù)顯示的信息定位錯(cuò)誤位置，更改錯(cuò)誤。

(4)對(duì)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和算法評(píng)估。用戶可以利用CCS提供的探測(cè)點(diǎn)、圖形顯示、性能評(píng)價(jià)等工具，對(duì)運(yùn)行結(jié)果、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估算法性能。主程序流程如圖2所示。

3 基于DM642的嵌入式圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)防火規(guī)范和系統(tǒng)的功能要求，相應(yīng)的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警和滅火系統(tǒng)軟件也應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

實(shí)時(shí)性 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求較高，所以對(duì)應(yīng)用軟件的執(zhí)行速度有一定的要求，即能夠在采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，在允許的時(shí)間間隔內(nèi)，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理、并做出正確判斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

靈活性和通用性 為了節(jié)省內(nèi)存和具有較高的適應(yīng)能力，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，在編寫程序的時(shí)候，采用自頂向下的分析方法，將整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為若干個(gè)軟件功能模塊，然后針對(duì)每一個(gè)功能模塊編寫子程序。以后如果需要添加功能或修改現(xiàn)有功能，只需要添加或修改子程序即可。

本文利用SSD-DM642 Ver 2.O評(píng)估板卡為開發(fā)研究平臺(tái)，對(duì)圖像型火災(zāi)系統(tǒng)做進(jìn)一步的軟件開發(fā)的研究。

軟件系統(tǒng)的總體框架如圖3所示。

各個(gè)系統(tǒng)的子模塊是在主系統(tǒng)控制模塊的控制和管理監(jiān)督下協(xié)調(diào)工作的。系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

(1)系統(tǒng)加電開始運(yùn)行，運(yùn)行系統(tǒng)初始化模塊，設(shè)定寄存器初始值，進(jìn)行存儲(chǔ)器的映射，建立系統(tǒng)工作的環(huán)境。

(2)運(yùn)行圖像采集模塊，采集連續(xù)幀圖像，尋找背景圖像，存儲(chǔ)背景圖像，并進(jìn)行圖像動(dòng)態(tài)比。

(3)運(yùn)行圖像處理火災(zāi)識(shí)別模塊，對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行圖像處理、特征提取，并把提取的特征與預(yù)設(shè)的閾值DT比較，若小于門限閾值DT，則可以認(rèn)為是其他干擾信號(hào)，從而跳轉(zhuǎn)到第二步，繼續(xù)監(jiān)視。

(4)若提取的特征值超過預(yù)設(shè)門限，就確認(rèn)為火災(zāi)發(fā)生。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在充分了解系統(tǒng)運(yùn)行方式和對(duì)算法的Matlab仿真無誤的情況下，進(jìn)行圖像型火災(zāi)識(shí)別算法的DSP實(shí)現(xiàn)。由試驗(yàn)的結(jié)果(見圖5)來看，取得了較為理想的運(yùn)行結(jié)果，為算法的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

研究了基于DSP的圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)開發(fā)的基本流程，并結(jié)合自適應(yīng)圖像型火災(zāi)探測(cè)算法，利用開發(fā)板對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，下一步將經(jīng)過編譯的代碼利用代碼優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，提高代碼效率，并且開始研究DSP硬件設(shè)計(jì)問題。