王 雨，陳淑榮

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306）

近年來，基于視頻監(jiān)控圖像的火焰檢測(cè)和識(shí)別成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)[1-3]。為了克服傳統(tǒng)火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)不穩(wěn)定和誤判率高的缺點(diǎn)，采用視頻分析的火焰檢測(cè)通常通過分析彩色視頻輸入信號(hào)的顏色、時(shí)間和空間變化進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)和預(yù)警，與傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)相比具有準(zhǔn)確度高、成本低、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)模擬視覺的發(fā)展，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力對(duì)火焰的特征參數(shù)進(jìn)行多特征融合[4]，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。以往研究多采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]和基于梯度下降的非線性優(yōu)化策略識(shí)別火焰，容易陷入局部最小問題，而不能求出全局最小值。

本文提出了一種基于火焰動(dòng)態(tài)特征分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的監(jiān)控視頻火焰檢測(cè)方法，利用火焰圖像序列的離心率、放射性（Solidity）、整體移動(dòng)等特征信息，結(jié)合線性分類功能更強(qiáng)的學(xué)習(xí)向量量化(LVQ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練并準(zhǔn)確識(shí)別和分類可疑火焰,解決了傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)火焰信息識(shí)別的缺陷。

1 可疑火焰動(dòng)態(tài)特征提取

視頻監(jiān)控圖像中的火焰檢測(cè)需要提取火焰區(qū)別于其他物體的基本特征。火焰的動(dòng)態(tài)特征最具特色也很復(fù)雜，表現(xiàn)為火焰閃爍、區(qū)域形變、邊緣的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和抖動(dòng)等。本文特征提取的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的可疑火焰區(qū)域存在真實(shí)火焰和可疑干擾火焰，即蠟燭光和手電光。圖1所示為監(jiān)控視頻錄像中提取的一幀圖像的灰度圖像，從左到右包含蠟燭光、手電光和真實(shí)火焰,閾值分割后的圖像如圖2所示。本文提出的算法針對(duì)閾值分割后的火焰圖像序列的離心率、放射性和整體移動(dòng)特性等多個(gè)動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析和識(shí)別。

1.1 離心率（圓形性）檢測(cè)

火焰的形體變化、空間取向變化和抖動(dòng)等具有不確定特征。離心率反映了分割出的可疑區(qū)域趨于圓形的程度,定義為區(qū)域長軸與短軸尺寸之比，即：

DL和DS分別表示區(qū)域最小邊界矩形的長和寬。離心率越大，區(qū)域?yàn)閳A形的概率就越小[6-7]。手電光和蠟燭光等非火焰物的形狀特征趨于圓形，因此區(qū)域的離心率偏小，趨于零。

根據(jù)式(1)分別計(jì)算連續(xù)100幀圖像序列中蠟燭光、手電光和火焰3個(gè)可疑區(qū)域的離心率變化，如圖3(a)所示。可見,真實(shí)火焰的離心率明顯大于干擾物的離心率，因此選擇離心率作為火焰識(shí)別的參數(shù)之一可行。

1.2 放射性檢測(cè)

由圖2可見，真實(shí)火焰圖像的邊緣特征明顯，存在抖動(dòng)特征、邊緣粗糙且邊緣鋸齒區(qū)域大，而手電燈光和蠟燭光等非火焰圖像的邊緣比較穩(wěn)定、光滑，可根據(jù)這一動(dòng)態(tài)特征檢測(cè)和驗(yàn)證火焰區(qū)域。放射性性質(zhì)反映了分割出的可疑區(qū)域邊緣的粗糙程度，定義為[8-9]：

其中，面積SArea為可疑區(qū)域經(jīng)二值化后的像素和；面積SConvexArea為包圍可疑區(qū)域的最小凸多邊形的像素和。相對(duì)面積是二值圖像可疑區(qū)域Ω所包含像素點(diǎn)數(shù)，如式(3)所示，其中，f(i,j)為大小為 M×N的圖像在(i,j)的灰度值，pk為 f(i,j)為 1的頻率，則：

根據(jù)式(2)分別計(jì)算連續(xù)100幀圖像序列中蠟燭光、手電光和真實(shí)火焰3個(gè)可疑區(qū)域的Ssolidity值，仿真結(jié)果如圖3(b)所示?？梢?，真實(shí)火焰區(qū)域的Ssolidity明顯小于干擾可疑火焰，因而Ssolidity可以作為動(dòng)態(tài)火焰識(shí)別的參數(shù)之一。

1.3 火焰整體移動(dòng)檢測(cè)

火焰在燃燒過程中隨著舊的燃燒物燃盡和新的燃燒物被點(diǎn)燃，其中心具有一定的移動(dòng)速度。為了度量這一特征，需先確定火焰的中心。火焰亮度分布特征通常是中心部分亮度高，外焰亮度相對(duì)較低。因此，以像素點(diǎn)的亮度值（即I值）為權(quán)，采用加權(quán)平均來計(jì)算火焰中心。 I(x，y)表示火焰亮度圖像，則火焰中心(X，Y)為[10]：

用 In(x，y)、In+1(x，y)表示相鄰兩幀圖像,(Xn，Yn)、(Xn+1，Yn+1)分 別 表 示 它 們 的 火 焰中心,則相鄰兩幀圖像質(zhì)心移動(dòng)距離[8]為：

自相關(guān)函數(shù)為：

RVV反映了相鄰兩幀圖像質(zhì)心距離變化的相關(guān)程度。

根據(jù)式(6)分別計(jì)算蠟燭光、手電光和真實(shí)火焰3個(gè)可疑區(qū)域中連續(xù)100幀圖像序列中相鄰幀的質(zhì)心移動(dòng)距離，如圖3(c)所示。可見，真實(shí)火焰和干擾物的質(zhì)心都有移動(dòng)，但真實(shí)火焰的質(zhì)心移動(dòng)比較明顯。根據(jù)式(7)計(jì)算出質(zhì)心移動(dòng)距離的自相關(guān)函數(shù)，如圖3(d)所示?？梢?真實(shí)火焰的質(zhì)心移動(dòng)距離的自相關(guān)性明顯偏大，因此可以選取質(zhì)心移動(dòng)距離的自相關(guān)函數(shù)識(shí)別動(dòng)態(tài)火焰參數(shù)。

2 基于LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火焰圖像識(shí)別算法

針對(duì)以上動(dòng)態(tài)火焰特征分析，結(jié)合線性分類功能更強(qiáng)的學(xué)習(xí)向量量化(LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于離心率、放射性和整體移動(dòng)性等特征信息融合的火焰識(shí)別LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。

圖4 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)火焰特征識(shí)別模型

算法識(shí)別步驟如下：

(1)提取實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可疑區(qū)域的火焰樣本圖像序列的特征參數(shù)（離心率、放射性值和整體移動(dòng)），建立樣本數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

(2)對(duì)LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)競爭層的各神經(jīng)元權(quán)值向量Wj1(0)，j=1,2，…,m賦予小隨機(jī)數(shù)進(jìn)行初始化，輸入初始學(xué)習(xí)速率η(0)和火焰識(shí)別的訓(xùn)練次數(shù)tm。

(3)獲取可疑火焰的動(dòng)態(tài)特征向量P=(p1,p2,…,pn),設(shè)置參考目標(biāo)向量T=(t1,t2,…,tl)。

(4)向LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入樣本圖像的特征向量和參考目標(biāo)向量，進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括：

①在時(shí)間步tm使用Euclid距離準(zhǔn)側(cè)尋找最匹配 (獲勝)的神經(jīng)元 i(P)：

②權(quán)值調(diào)整。如果分類正確，即yk*=tk*=1，按照式(9)修正競爭層的權(quán)值向量：

如果分類不正確，即 yk*=1，tk*=0，則按照式(10)修改競爭層的權(quán)值向量：

其中，η∈(0,1)為比例系數(shù)，反映調(diào)整速度;i*w1(t)表示競爭層中第i*個(gè)神經(jīng)元在t時(shí)刻的權(quán)值。

③返回①進(jìn)行權(quán)值調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的訓(xùn)練次數(shù)和精度要求。

(5)將可疑火焰樣本圖像的測(cè)試樣本集輸入到訓(xùn)練好的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類。

(6)輸出測(cè)試結(jié)果并分析，得到真實(shí)火焰和干擾物體檢測(cè)的識(shí)別率，識(shí)別方法如表1所示。其中，待測(cè)樣本中，真實(shí)火焰的個(gè)數(shù)為A+B,干擾物個(gè)數(shù)為C+D，火焰識(shí)別率為 H=A/（A+B），干擾物識(shí)別率為 G=D/(C+D)。

表1 火焰識(shí)別系統(tǒng)判定情況分布

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出算法的有效性，實(shí)驗(yàn)采用的樣本圖像分為兩類：(1)室內(nèi)監(jiān)控錄像系統(tǒng)拍攝的長 5 min、播放率為25 f/s的視頻序列，其中干擾源是人為設(shè)置的燈光、手電光、蠟燭光以及蠟燭體等；(2)網(wǎng)絡(luò)上包含火焰的視頻片斷。通過提取每類樣本各129幀火焰圖像，對(duì)樣本圖像分割及離心率、放射性和整體移動(dòng)性等動(dòng)態(tài)特征提取，采取人工輸入方式將每類圖像序列可疑區(qū)域的多特征信息輸入到LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，利用訓(xùn)練好的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)待測(cè)可疑火焰樣本進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程中，針對(duì)可疑火焰數(shù)據(jù)庫中的574組數(shù)據(jù)隨機(jī)選取500組作為訓(xùn)練樣本，74組作為待測(cè)試樣本。數(shù)據(jù)庫文件中每組數(shù)據(jù)共4個(gè)字段，1～3字段為可疑火焰特征（離心率、放射性和整體移動(dòng)），第4字段為參考目標(biāo)值，設(shè)置1為火焰，2為干擾物。實(shí)驗(yàn)在MATLAB R2009(a)環(huán)境中進(jìn)行仿真，并將LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表2所示。可見，基于LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火焰識(shí)別準(zhǔn)確率更高,具有較好的穩(wěn)定性；由于采用了火焰的3個(gè)基本動(dòng)態(tài)特征，計(jì)算量小，使得本算法具有更快的運(yùn)行速度。

表2 LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)比仿真識(shí)別結(jié)果

針對(duì)目前視頻火災(zāi)火焰探測(cè)存在的不穩(wěn)定和誤判率高的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于視頻分析的可疑火焰檢測(cè)算法,首先提取火焰的動(dòng)態(tài)特征，通過火焰識(shí)別LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行特征訓(xùn)練和測(cè)試，并識(shí)別真正的火焰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別火焰，有效提高了對(duì)可疑火焰的快速分類，識(shí)別精度高、魯棒性強(qiáng)，為基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)檢測(cè)方法提供了理論依據(jù)。下一步工作是提取更多的火焰識(shí)別特征，優(yōu)化火焰識(shí)別LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高識(shí)別速度和精度。

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