郝建峰 任國(guó)鳳 黃婷 梁小瑞

摘要：傳統(tǒng)的火災(zāi)信號(hào)預(yù)警系統(tǒng)容易遭到自然環(huán)境的影響，從而發(fā)生信號(hào)誤讀錯(cuò)報(bào)、遲報(bào)、漏報(bào)或者功能失效等問(wèn)題。而常規(guī)的圖像火焰檢測(cè)方法有時(shí)無(wú)法全面描述火焰特性， 因此火焰識(shí)別的準(zhǔn)確率比較低。本文提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AlexNet模型的圖像火焰檢測(cè)算法，它可以更加有效地識(shí)別出火焰，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法可取，同時(shí)本研究繼續(xù)對(duì)該算法進(jìn)行了模型優(yōu)化，使得火焰識(shí)別的準(zhǔn)確率高達(dá)91%及以上。本研究具有應(yīng)用于實(shí)際火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)預(yù)警;圖像檢測(cè);卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);AlexNet模型

一、引言

近年來(lái)，火災(zāi)事故頻繁發(fā)生直接危害到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因而實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的火災(zāi)預(yù)警，已經(jīng)成為火災(zāi)預(yù)警追求的重要方向[1]。

現(xiàn)有的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用基于傳感器、基于圖像處理和基于深度學(xué)習(xí)的火災(zāi)檢測(cè)方法[2-5]。伴隨著深度學(xué)習(xí)算法的廣泛使用和良好性能，很多研究學(xué)者將其應(yīng)用于火災(zāi)預(yù)警研究中，嚴(yán)云洋等人于2018年提出一種基于Faster R-CNN模型的火焰檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)火焰特征的自動(dòng)提取及在火災(zāi)檢測(cè)的過(guò)程中， 通過(guò)相互聯(lián)合的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)識(shí)別和定位的有機(jī)統(tǒng)一，有效提高了在圖像復(fù)雜背景下的火焰識(shí)別精度[6]。因此，將深度學(xué)習(xí)中的CNN算法引入圖像處理的火災(zāi)預(yù)警設(shè)計(jì)，可以有效提高整個(gè)系統(tǒng)的智能性和火災(zāi)監(jiān)測(cè)的及時(shí)性，同時(shí)可以避免圖像特征的人工算法提取，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的火災(zāi)早期預(yù)警[7]。

二、火災(zāi)預(yù)警理論及圖像處理方法概述

（一）火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)原理

本文所研究的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)如圖1所示，首先對(duì)火災(zāi)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行標(biāo)注及分塊，然后通過(guò)AlexNet模型訓(xùn)練圖片，智能提取到疑似火焰區(qū)域并分析各種火焰特性。最后對(duì)測(cè)試火災(zāi)圖片中的檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行特征提取，從而判斷是否存在發(fā)生火災(zāi)的可能性，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警。

（二）火災(zāi)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)介紹

本文所用的火災(zāi)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)共有147張圖片。其中133張圖片來(lái)源于美國(guó)火災(zāi)圖片且都存在火焰，還有14張圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)且都不存在火焰。

（三）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，簡(jiǎn)稱(chēng)CNN），是一種帶有卷積結(jié)構(gòu)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，作為一種常見(jiàn)的深度學(xué)習(xí)方法，廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別和圖像分類(lèi)中。CNN的卷積結(jié)構(gòu)能夠降低深層網(wǎng)絡(luò)占用的內(nèi)存量，其重要的構(gòu)成原因是：一是基于局部層的感知，二是局部權(quán)值的共享，三是池化層緩解模型的過(guò)擬合問(wèn)題。因而，CNN通過(guò)構(gòu)建多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多層特征表示，實(shí)現(xiàn)通過(guò)多層的高級(jí)特征準(zhǔn)確表示各種抽象性和語(yǔ)義上的信息，從而獲得更好的特征魯棒性[8]。

（四） CNN之AlexNet模型

CNN中有許多經(jīng)典算法模型，代表性的有多倫多大學(xué)的 Geoffrey Hinton、Ilya Sutskever 和 Alex Krizhevsky在2012年的ImageNet大會(huì)提交的基于AlexNet模型的CNN算法，該新型算法可以使圖像的誤識(shí)率降低至16%。因此，AlexNet模型成為圖像分類(lèi)的中心算法模型。其具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三、火災(zāi)預(yù)警算法分析設(shè)計(jì)

（一）火災(zāi)圖片數(shù)據(jù)的預(yù)處理

對(duì)火災(zāi)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的所有圖片提取圖片特征，并標(biāo)識(shí)其有火無(wú)火。進(jìn)而，創(chuàng)建兩個(gè)文件夾并分別命名為訓(xùn)練圖片和測(cè)試圖片（（“train-images”和“test-images”），然后把它們放到一個(gè)文件夾里面。最后，分別在訓(xùn)練圖片和測(cè)試圖片里面在創(chuàng)建兩個(gè)文件夾并分別命名為有火和無(wú)火（‘1’和‘0’）。

然后把訓(xùn)練圖片填滿(mǎn)，按照分類(lèi)把133張有火圖片塞入訓(xùn)練圖片中的有火文件夾，然后把14張無(wú)火圖片塞入訓(xùn)練圖片中無(wú)火文件夾。最后把需要識(shí)別的圖片放入測(cè)試圖片的文件夾，同樣把圖片分為2類(lèi)分別放入有火文件夾和無(wú)火文件夾。這樣做的目的是為了計(jì)算該火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)火焰識(shí)別的準(zhǔn)確率。

（二）AlexNet模型的參數(shù)設(shè)置

AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以套用已有的AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，然后修改訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)中的最后三層。最后三層程序代碼主要包含以下幾個(gè)參數(shù)：MaxEpoch是迭代次數(shù)（也稱(chēng)為計(jì)算輪數(shù)），其值越大就越容易收斂;Initial LearRate是學(xué)習(xí)效率（也稱(chēng)為學(xué)習(xí)率），其值太大模型不易收斂，值太小模型收斂得太慢;Execution Environment是訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，在此可以選擇在中央處理器（Central Processing Unit簡(jiǎn)稱(chēng)CPU），或者在圖形處理器（Graphics Processing Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)GPU）。

為了提高系統(tǒng)識(shí)別測(cè)試圖片的準(zhǔn)確性，在圖片讀入的程序下方添加命令“Validation Data”。它是每次測(cè)試圖片交叉驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，本文設(shè)置每次選擇訓(xùn)練圖片中訓(xùn)練數(shù)據(jù)的80%（即訓(xùn)練圖片總數(shù)的50%）與每一張測(cè)試圖片進(jìn)行交叉驗(yàn)證，從而對(duì)圖像中各種對(duì)象進(jìn)行判別。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

（一）AlexNet模型迭代結(jié)果分析

AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的最后三層：第一個(gè)參數(shù)為類(lèi)別的數(shù)量，本文取2。學(xué)習(xí)率主要取決于所選擇的優(yōu)化算法的類(lèi)型。因?yàn)楸敬问褂玫氖荢GD優(yōu)化算法，所以學(xué)習(xí)率為0.0001。交叉驗(yàn)證時(shí)每次提取測(cè)試圖片特征時(shí)與訓(xùn)練圖片總數(shù)的50%進(jìn)行交叉驗(yàn)證（此處僅僅是調(diào)用這個(gè)函數(shù)）。本文受計(jì)算機(jī)顯卡配置影響，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境為CPU。所以不斷修改系統(tǒng)的迭代次數(shù)，以達(dá)到最佳的識(shí)別效果。

當(dāng)?shù)螖?shù)分別為2、5、8、10，發(fā)現(xiàn)迭代次數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)所花費(fèi)時(shí)間與火焰識(shí)別的準(zhǔn)確率也不同。而迭代次數(shù)為8或者10時(shí)最合適，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的仿真準(zhǔn)確率相同且最高為91.5493%。同時(shí)，迭代次數(shù)為8次時(shí)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)所需時(shí)間少于迭代次數(shù)為10次的，所以迭代次數(shù)為8時(shí)最佳。

（二）火災(zāi)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試圖片的識(shí)別準(zhǔn)確率為91%左右，經(jīng)過(guò)逐一查看對(duì)比總共有12張圖片存在識(shí)別錯(cuò)誤。其中有5張圖片存在火焰但是判斷不存在火災(zāi)，而有7張圖片不存在火焰但是判斷存在火災(zāi)。

由于本次測(cè)試圖片總數(shù)太多無(wú)法一一展示，所以選取一些具有代表意義圖片進(jìn)行仿真結(jié)果說(shuō)明。從圖3中可以清晰地了解，圖片上無(wú)論是森林火災(zāi)，室內(nèi)室外火災(zāi)或者其他火災(zāi)（火焰），均可得到識(shí)別，并準(zhǔn)確及時(shí)在圖片上方標(biāo)注有火（‘1’）。而圖4中的圖片均不存在火焰且程序判斷正確。因此圖3與圖4證明程序可以準(zhǔn)確識(shí)別火焰。

圖3、圖4為正確識(shí)別的圖例，而圖5是預(yù)測(cè)失誤的圖例。在圖5中共列出了4張典型的識(shí)別失敗圖片。從這4張圖片中可以明顯觀(guān)察到程序識(shí)別失敗的原因。若圖片中存在火焰，但是圖片的背景色過(guò)于明亮或者圖片中火焰太小而且不存在煙霧，程序就會(huì)錯(cuò)誤判斷該圖片不存在火災(zāi)。若圖片中不存在火焰，但是圖片的背景色大面積為紅色或者圖片中存在大量明亮的裝飾燈，這時(shí)程序就會(huì)錯(cuò)誤判斷該圖片存在火焰。

五、結(jié)束語(yǔ)

本研究主要是通過(guò)CNN算法中的AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了及時(shí)準(zhǔn)確的火災(zāi)預(yù)警，使火災(zāi)識(shí)別的準(zhǔn)確率高達(dá)91%及以上。因此本研究成果可以應(yīng)用于實(shí)際的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。當(dāng)然本研究仍存在著些許不足、當(dāng)圖片中不存在火災(zāi)隱患，可是圖片的背景色大面積為紅色或者圖片中裝飾燈過(guò)多且明亮?xí)r，程序會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為圖片中存在火焰。當(dāng)圖片中存在火災(zāi)隱患，可是圖片背景過(guò)于明亮且火焰較小時(shí)，程序也會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為圖片中不存在火焰。因此，提高算法的抗干擾能力還需繼續(xù)深入研究。

作者單位：郝建峰? ? 忻州市公安局道路交通安全教育中心

任國(guó)鳳? ? 黃婷? ? 忻州師范學(xué)院電子系

梁小瑞? ? 忻州市消防救援支隊(duì)

基金項(xiàng)目：山西省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（X2020048），山西省教學(xué)改革研究項(xiàng)目（J2021572，J2021588），忻州師范學(xué)院學(xué)術(shù)帶頭人資助項(xiàng)目。

郝建峰（1974.09-），男，忻州市公安局道路交通安全教育中心工程師，研究方向：交通安全設(shè)施設(shè)備及交警應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)機(jī)械電子工程技術(shù)研究;

任國(guó)鳳（1979.9-），女，忻州師范學(xué)院電子系教授，博士研究生，研究方向：通信信號(hào)處理。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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