⽕焰特性识别的Matlab实现⽅法
光端机箱
摘 要：图像型⽕灾探测技术较传统的粒⼦、烟雾、光电等传感器探测技术，具有信息量丰富、实时性 好等优点，是⽕灾防治技术领域的研究重点。通过硬件滤光的⽅式来滤除监控现场的可见光，有效地减少 了⼲扰，降低信息处理的复杂性。根据⽕焰燃烧时的多项特征，在检测准确度的范围内，选定⽕焰的圆形 度、跳动频率、尖⾓，以及⾯积增长和质⼼移动特性作为特征提取对象。利⽤Matlab强⼤的图像处理和计 算能⼒，对⽕焰的特征进⾏研究分析，并成功提取了所需参数，为⽕灾的准确判断奠定了基础。实验结果 表明，该识别⽅法判定可靠、计算量⼩、运算速度快，满⾜⽕灾判断的实时性需要。1引⾔
⽕灾是最常见的严重灾害之⼀，往往给⼈们的 ⽣命财产造成巨⼤的危害基于视频的图像处 理技术较好地弥补了传统的粒⼦传感器检测⽕焰的不⾜，并且提⾼了检测的精度和速度。基于视频 检测⽕焰技术在近⼏年得到了深⼊的研究，国外的 Yamagishi学者曾经提出⼀种彩⾊图像的⽕焰检 测算法⑵⽜国内，中国科技⼤学的⽕灾科学国家 重点实验室研制出的LA-100型双波段⼤空间早 期⽕灾智能探测系统，利⽤红外摄像机和特制的感烟红外阵列器材，来实现图像型的⽕灾⽕焰和烟雾 的探测C4'5\其核⼼内容都是根据⽕焰的特征来 识别⽕焰,⽕焰的主要特征有颜⾊特性、平均灰度 ⽅差、跳动的频率、尖⾓、⾯积变化率 、⾯积增长特 性、质⼼的移动特性、圆形度、图像的形状相似性、 矩特性、相对稳定性等等。采取不同的⽅法，涉及 的软件算法各有差异，检测的特征⼀般较多较杂。 本⽂不利⽤任何的传感器，只基于视频的实时图像 ⾤集，来重点研究⽕焰在⽕灾现场的跳动频率、尖 ⾓、⾯积增长特性、质⼼的移动特性和圆形度特征， 利⽤Matlab强⼤的图像处理功能作为分析⼯具， 并且在算法上有所变化，在确保检测精度的基础 上，缩短了检测的时间，提⾼了检测精度。本⽂所 有的图像均是基于摄像头上安装了滤光⽚的基础 上获取的，免去了颜⾊分析，减少了外界的⼲扰。
2⽕焰特征识别算法
2.1圆形度
琴谱架圆形度是与圆形相似程度的量。根据圆周长 与圆⾯积，定义圆形度的计算公式如下：
将获取的图像转换成⼆值图像，1为亮点区 域,0为⿊⾊区域。⾯积为内部填充后像素的个数 总和。周长可由边界算法求得，相邻的两亮点之间 的垂直或⽔平距离为单位长度1，其余两点之间的 距离利⽤勾股定理求得。圆形物体的圆形度取最 ⼤值1，物体越复杂其值越⼩⑹。
医用压片机算法步骤如下：
1. 将周长初始值赋值为。，从起始点开始检 测，根据边界的⽅向，对上下左右分别求取；
2. 提取⽕焰区域内部所有像素作为⾯积值；
按照公式(1)求出圆形度。柴油脱剂
2.2⽕焰频率特性
可燃物燃烧时产⽣的⽕焰通常是闪烁的，⽕焰 闪烁表⾯上是杂乱⽆章、毫⽆规律的，其实每种可 燃物都具有各⾃固定的闪烁频率⑺。了解⽕焰的 频谱特性对⽕灾检测⾮常有⽤，得到⽕焰闪烁频谱 特性，就可以使⽤⽕焰频率作为判断有⽆⽕灾发⽣ 的依据。
⽕焰闪烁会使边缘像素在1S内的视频中出 现⼏次从不是⽕焰到⽕焰的变化。我们可以利⽤ 边缘像素变化的频率代替⽕焰闪烁的频率这 种⽕焰所具有的特定闪烁频率，⼀般在5〜15 Hz 之间。
频率特性能够较好地区分⽕焰与其他⼲扰源。 在实际实验过程中，获取图像时存在很多⼲扰，得 出的实验数据较理论值有⼀定的差距，但是基本符 合理论的范围值。基本算法如下：如果边界某⼀位 置的前景点在序列中灰度值由0变化为1或由1 变化为0，视为变化⼀次，并将每次边界变化点的 位置存放在矩阵中；在设定的时间内，统计分析所 有点的变化频率，并与理论值进⾏⽐较，符合条件 的视为疑似⽕焰。
2.3尖⾓特性
⽕灾⽕焰在发⽣的过程中存在边缘抖动现象， 利⽤这个特征，可以将尖⾓数作为⽕灾判据。⽕灾 ⽕焰在燃烧过程中具有不稳定性，具有很多尖⾓， 并且尖⾓数⽬呈现⽆规则的跳动。⽽稳定光源的 尖⾓数⽬虽然可能会有跳动，但跳动不⼤，基本固 定在⼀定的范围内。如点亮的灯泡、打⽕机、蜡烛 的⽕焰尖⾓数⽬基本不变，⽽当灯泡晃动和蜡烛⽕ 焰被风吹动时，其尖⾓数会有所跳动，但变化很⼩。 实验证明，即使这些稳定光源移动时，尖⾓数也不 会发⽣很⼤变化。尖⾓识别过程如图1所⽰⑴。
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2.4质⼼运动特性
质量中⼼简称质⼼，指物质系统上被认为质量 集中于此的⼀个假想点。借⽤质⼼的概念，假设⼆ 值图像的每个像素的“质量”是完全相同的。在此 前提下，质⼼的计算公式如下：
其中，S表⽰连通域，Ns表⽰连通域中像素的个 数，（⼯；，y：）为质⼼的坐标。
顺序扫描⼆值化后的⽕焰区域，对每个亮点像 素，将其坐标值按式（4）进⾏计算即可求出质⼼位 置。通过对⼀序列动态相邻帧图像的计算，可以得 到每帧图像的亮点区域质⼼位置，由于⽕焰的摆动 随机、⽆⽅向性，所以将每帧图像的质⼼位置坐标连 接起来，得到的曲线应该是左右、上下来回对折的折 线。动态稳定光源的质⼼移动通常有⼀定⽅向性, ⽽静态稳定光源的质⼼移动范围变化很⼩⑴。
二期恒载2.5⾯积增长特性
⽕灾发⽣时，⽕焰会呈现⽆规则的运动，其⾯ 积也呈现相应的变化。⼀般情况下，⾯积会逐渐增 ⼤，图像上表现为⾼亮度区域持续增长，同时也反 映了⽕焰在空间分布的变化。和其它稳定⽕焰相 ⽐，其⽕焰区域不断扩⼤，这⼀特征可以作为⽕灾 判别的重要判据在图像处理中，⾯积是通过 阈值分割后分割出⽬标物体，再统计岀⽬标物体的 像素点来计算。通过设定⾯积增长率阈值来确定 是否为失控⽕焰⼝订。本⽂采⽤的算法是计算连续 1。帧图像的⽕焰⾯积，并计算其⽐值，⽤⽕灾⾯积 增长率I，表⽰：
1. 结论
本⽂重点对⽕焰的圆形度、频率特性、尖⾓特 性、质⼼移动特性和⾯积增长特性分别进⾏了实 验，根据实验得岀的数据，可以根据单个特征参数 将⽕灾⽕焰与其它⼲扰源区分开来，检测的准确率 较⾼。基于Matlab分析⼯具，在算法简洁程度和 时间上均有较⼤的提⾼。在下⼀步⽕灾检测系统 的建
⽴过程中，可以将⽕灾⽕焰的其中⼏项特征参 数作为输⼊，加权各项参数，能够更加准确地检测 ⽕灾⽕焰。
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