DE102014219829B4 - Smoke detection device, method for detecting smoke, and computer program - Google Patents

Smoke detection device, method for detecting smoke, and computer program

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DE102014219829B4 DE102014219829.1A DE102014219829A DE102014219829B4 DE 102014219829 B4 DE102014219829 B4 DE 102014219829B4 DE 102014219829 A DE102014219829 A DE 102014219829A DE 102014219829 B4 DE102014219829 B4 DE 102014219829B4
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Abstract

Rauchdetektionsvorrichtung (1) zur Detektion von Rauch (10) eines Brands (9) in einem Überwachungsbereich (U),
mit einer Kameraschnittstelle (5) zur Übernahme von einer Bildfolge (3) mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern (4), wobei die Einzelbilder (4) den Überwachungsbereich (U) zeigen,
mit einem Differenzmodul (6) zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds (8) des Überwachungsbereichs (U) in den Einzelbildern (4) und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern (13),
mit einem Auswertemodul (14), wobei das Auswertemodul (14) zur Durchführung einer Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung von Rauchabschnitten des Rauchs (10) in dem Überwachungsbereich (U) auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder (13) ausgebildet ist,
gekennzeichnet durch
ein Hintergrundmodul (11), wobei das Hintergrundmodul (11) zur Erstellung eines Hintergrundmodells (12) des Überwachungsbereichs (U) ausgebildet ist, wobei das Differenzmodul (6) ausgebildet ist, das Hintergrundmodell (12) auf die Einzelbilder (4) zur Erzeugung der hintergrundbereinigten Zwischenbilder (13) anzuwenden, wobei die Anwendung des Hintergrundmodells (12) auf die Einzelbilder (4) als eine Division des Einzelbilds (4) durch das Hintergrundmodell (12) ausgebildet ist.
Smoke detection device (1) for detecting smoke (10) from a fire (9) in a monitored area (U),
with a camera interface (5) for receiving a sequence of images (3) with at least two temporally successive individual images (4), wherein the individual images (4) show the monitored area (U),
with a difference module (6) for eliminating a scene background (8) of the monitoring area (U) in the individual frames (4) and for generating background-cleaned intermediate frames (13),
with an evaluation module (14), wherein the evaluation module (14) is designed to perform a motion estimation to determine a movement of smoke sections of the smoke (10) in the monitoring area (U) based on the background-cleaned intermediate images (13),
characterized by
a background module (11), wherein the background module (11) is configured to create a background model (12) of the monitoring area (U), wherein the difference module (6) is configured to apply the background model (12) to the individual images (4) to generate the background-cleaned intermediate images (13), wherein the application of the background model (12) to the individual images (4) is configured as a division of the individual image (4) by the background model (12).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Rauchdetektionsvorrichtung zur Detektion von Rauch eines Brands in einem Überwachungsbereich, mit einer Kameraschnittstelle zur Übernahme von einer Bildfolge mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern, wobei die Einzelbilder den Überwachungsbereich zeigen, mit einem Differenzmodul zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds des Überwachungsbereichs in den Einzelbildern und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Rauch sowie ein Computerprogramm.The invention relates to a smoke detection device for detecting smoke from a fire in a monitored area, comprising a camera interface for acquiring a sequence of images with at least two temporally successive individual images, wherein the individual images show the monitored area, and a differential module for eliminating a background scene of the monitored area in the individual images and for generating background-cleaned intermediate images. The invention further relates to a method for detecting smoke and a computer program.

Neben automatisierten Brandmeldern, welche über Temperaturmessung, Streulichtmessung und andere Messmethoden Merkmale eines Brandes detektieren und darauf basierend einen Alarm ausgeben, sind mittlerweile eine Vielzahl von videobasierten Brandmeldern bekannt geworden, welche mittels Bildverarbeitung einen Brand über aussagekräftige Brandmerkmale wie zum Beispiel optische Emissionen oder Rauchemissionen erkennen und melden können.In addition to automated fire detectors, which use temperature measurement, scattered light measurement and other measurement methods to detect characteristics of a fire and issue an alarm based on this, a large number of video-based fire detectors have become known, which can detect and report a fire using image processing based on meaningful fire characteristics such as optical emissions or smoke emissions.

Bei den videobasierten Brandmeldern beschäftigt sich eine Auswertungsart mit der Detektion von Rauchemissionen des Brandes. Hierbei wurde zum Beispiel in der Druckschrift US 7 804 522 B2 festgestellt, dass gerade die Erfassung von dünnem oder transparentem Rauch schwierig ist, da in dem zugehörigen Videobild der Rauch nicht undurchsichtig ist und dadurch einen Hintergrund nicht vollständig abdeckt. So ist es für einen videobasierten Brandmelder schwierig zu unterscheiden, ob in einem Videobild eine Trübung, eine Messungenauigkeit oder eine transparente Rauchemission vorliegt. Zur Verbesserung der Detektionsfähigkeit des videobasierten Brandmelders wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, von einem aktuellen Videobild einen Hintergrund abzuziehen, wobei der Hintergrund beispielsweise über mehrere Bilder hinweg ermittelt wurde. In dem resultierenden Bild ist die Rauchemission besser zu erkennen.In video-based fire detectors, one type of evaluation deals with the detection of smoke emissions from the fire. This was described, for example, in the printed publication. US 7 804 522 B2 It has been observed that detecting thin or transparent smoke is particularly difficult because the smoke in the corresponding video image is not opaque and therefore does not completely obscure the background. Thus, it is difficult for a video-based fire detector to distinguish whether a video image shows haze, a measurement inaccuracy, or transparent smoke emission. To improve the detection capability of the video-based fire detector, the aforementioned publication proposes subtracting a background from the current video image, with the background being determined, for example, over several frames. The smoke emission is more easily discernible in the resulting image.

Aus der WO 2008 / 037 293 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Rauch durch Analyse mindestens eines von einer ein Gebiet überwachenden Videokamera aufgenommenen Videobildes bekannt. Die US 2014 / 0 099 020 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung von Rauch eines Waldbrandes mittels spatiotemporaler Merkmale des Rauchs.WO 2008/037 293 A1 discloses a method and a device for detecting smoke by analyzing at least one video image recorded by a video camera monitoring an area. US 2014/0 099 020 A1 discloses a method for detecting smoke from a forest fire using spatiotemporal features of the smoke.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wird eine Rauchdetektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Detektion von Rauch mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The invention proposes a smoke detection device with the features of claim 1, a method for detecting smoke with the features of claim 6, and a computer program with the features of claim 7. Preferred or advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims, the following description, and the accompanying figures.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Rauchdetektionsvorrichtung zur Detektion von Rauch eines Brandes in einem Überwachungsbereich. Der Rauch wird durch Rauchemissionen, insbesondere Verbrennungsprodukte des Brandes, gebildet. Bei dem Überwachungsbereich kann es sich um einen geschlossenen Überwachungsbereich, wie zum Beispiel eine Halle handeln, alternativ kann der Überwachungsbereich auch als ein Freibereich ausgebildet sein. Die Rauchdetektionsvorrichtung ist ausgebildet, Rauch, insbesondere Rauchabschnitte, zu detektieren und dadurch mittelbar den Brand erkennen zu können. Die Rauchdetektionsvorrichtung kann zum Beispiel als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, ein Mikrocontroller, etc. ausgebildet sein. Optional ergänzend ist die Rauchdetektionsvorrichtung ausgebildet einen Brandalarm auf Basis der Rauchdetektion auszugeben. Insbesondere ist die Rauchdetektionsvorrichtung als ein automatischer Brandmelder ausgebildet.The invention relates to a smoke detection device for detecting smoke from a fire in a monitored area. The smoke is formed by smoke emissions, in particular combustion products of the fire. The monitored area can be an enclosed area, such as a hall, or alternatively, it can be an open area. The smoke detection device is designed to detect smoke, in particular smoke compartments, and thereby indirectly detect the fire. The smoke detection device can, for example, be a digital data processing device, such as a computer, a microcontroller, etc. Optionally, the smoke detection device is designed to issue a fire alarm based on the smoke detection. In particular, the smoke detection device is designed as an automatic fire alarm.

Die Rauchdetektionsvorrichtung weist eine Kameraschnittstelle auf, welche zur Übernahme von einer Bilderfolge mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern ausgebildet ist. Die Kameraschnittstelle kann kabellos oder kabelgebunden sein. Es ist auch möglich, dass die Kameraschnittstelle als eine Netzwerkschnittstelle ausgebildet ist. Die Bildfolge wird von einer Überwachungskamera bereitgestellt, welche auf den Überwachungsbereich gerichtet ist. Optional bildet die Überwachungskamera einen Teil der Rauchdetektionsvorrichtung. Die zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder zeigen besonders bevorzugt den gleichen Abschnitt des Überwachungsbereichs. Somit ist das Sichtfeld der Überwachungskamera in dem Überwachungsbereich bevorzugt konstant ausgebildet. Der zeitliche Abstand zwischen den mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern liegt beispielsweise zwischen 20 Millisekunden und 300 Millisekunden. Beispielsweise kann eine Standardkamera mit einer Bildfrequenz von 30 Hertz oder 60 Hertz als Überwachungskamera verwendet werden.The smoke detection device has a camera interface designed to receive a sequence of at least two consecutive images. The camera interface can be wireless or wired. It is also possible for the camera interface to be configured as a network interface. The image sequence is provided by a surveillance camera pointed at the monitored area. Optionally, the surveillance camera forms part of the smoke detection device. The consecutive images preferably show the same section of the monitored area. Thus, the field of view of the surveillance camera within the monitored area is preferably constant. The time interval between the at least two consecutive images is, for example, between 20 milliseconds and 300 milliseconds. For example, a standard camera with a frame rate of 30 Hz or 60 Hz can be used as the surveillance camera.

Die Rauchdetektionsvorrichtung weist ein Differenzmodul auf, welches zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds, insbesondere eines statischen Szenenhintergrunds, des Überwachungsbereichs in den Einzelbildern und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern ausgebildet ist. In dem Überwachungsbereich sind stationäre und optional ergänzend quasi-stationäre Objekte angeordnet. Die stationären Objekte haben eine Verweildauer von mehr als 1 Tag in dem Überwachungsbereich. Die quasi-stationären Objekte haben z.B. eine Verweildauer von mehr als 10 Minuten, jedoch vorzugsweise weniger als 1 Tag in dem Überwachungsbereich. Bei den stationären Objekten kann es sich beispielsweise um Bäume, Häuser, Wege, einen Untergrund, einen Berg, etc. handeln. Bei den quasi-stationären Objekten kann es sich um Autos, Möbel, abgestellte Gegenstände etc. handeln. Die Gesamtheit dieser stationären und optional ergänzend quasi-stationären Objekte bildet den Szenenhintergrund des Überwachungsbereichs. Insbesondere ist der Szenenhintergrund konstant über die zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder.The smoke detection device has a differential module which is used to eliminate a The scene background, in particular a static scene background, is designed for the monitoring area in the individual frames and for generating background-cleaned intermediate frames. Stationary and, optionally, quasi-stationary objects are arranged within the monitoring area. The stationary objects remain in the monitoring area for more than one day. The quasi-stationary objects have a residence time of, for example, more than 10 minutes, but preferably less than one day. The stationary objects can be, for example, trees, houses, paths, the ground, a mountain, etc. The quasi-stationary objects can be cars, furniture, parked objects, etc. The entirety of these stationary and optionally quasi-stationary objects forms the scene background of the monitoring area. In particular, the scene background is constant across successive frames.

Das Differenzmodul ist ausgebildet, den Szenenhintergrund in den Einzelbildern zu eliminieren, wobei insbesondere Verfahren der digitalen Bildverarbeitung umgesetzt werden. Zum Beispiel werden durch das Differenzmodul Bildpunkte der Einzelbilder, die dem Szenenhintergrund entsprechen, auf einen konstanten Wert, wie zum Beispiel 0, gesetzt. Statt einem konstanten Wert kann auch ein vorbestimmter Wertebereich oder ein sehr kleiner Wert benutzt werden. Durch das Differenzmodul wird erreicht, dass bewegte Objekte, wie zum Beispiel Rauch in dem Überwachungsbereich, deutlich herausgearbeitet werden. Insbesondere kann durch das Differenzmodul transparenter Rauch, also Rauch, durch den in der Abbildung in den Einzelbildern Szenenhintergrund erkennbar oder noch erkennbar ist, signifikant herausgearbeitet werden.The difference module is designed to eliminate the scene background in the individual frames, primarily through the implementation of digital image processing techniques. For example, the difference module sets pixels in the individual frames that correspond to the scene background to a constant value, such as 0. Instead of a constant value, a predetermined range of values or a very small value can also be used. The difference module ensures that moving objects, such as smoke in the monitored area, are clearly defined. In particular, the difference module can significantly highlight transparent smoke—that is, smoke through which the scene background is still visible in the individual frames.

Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rauchdetektionsvorrichtung ein Auswertemodul aufweist, wobei das Auswertemodul eine Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung von mindestens einem Rauchabschnitt des Rauchs in dem Überwachungsbereich auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder durchführt und/oder entsprechend programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist. Das Auswertemodul ist insbesondere als ein Softwaremodul realisiert. Insbesondere wird durch das Auswertemodul eine Bewegung des Rauchabschnitts des Rauchs in dem Überwachungsbereich zwischen den zwei hintergrundbereinigten Zwischenbildern bestimmt. Optional werden durch die Bewegungsschätzung die Bewegung von weiteren oder anderen bewegten Objekten abgeschätzt, wobei diese weiteren Ergebnisse nachfolgend als nicht-Rauch verworfen werdenWithin the scope of the invention, it is proposed that the smoke detection device comprises an evaluation module, wherein the evaluation module performs a motion estimation to determine the movement of at least one smoke segment within the monitored area based on background-cleaned intermediate images and/or is designed accordingly in terms of programming and/or circuitry. The evaluation module is preferably implemented as a software module. Specifically, the evaluation module determines the movement of the smoke segment within the monitored area between the two background-cleaned intermediate images. Optionally, the motion estimation also estimates the movement of other moving objects, with these additional results subsequently being discarded as non-smoke.

Bei dem Rauchabschnitt kann es sich um einen einzigen Pixelabschnitt des Rauchs in den Einzelbildern oder Zwischenbildern oder um einen räumlich ausgedehnten Teilbereich des Rauchs handeln. In einem optionalen kontinuierlichen Betrieb der Rauchdetektionsvorrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Bestimmung der Bewegung des Rauchabschnitts in dem Überwachungsbereich über weitere Einzelbilder oder Zwischenbilder fortgeführt wird.The smoke section can be a single pixel segment of the smoke in the individual or intermediate images, or a spatially extended sub-area of the smoke. In an optional continuous operation of the smoke detection device, it is preferably provided that the determination of the movement of the smoke section within the monitoring area is continued via further individual or intermediate images.

Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass durch die Kombination der Verwendung des Differenzmoduls mit der Verwendung des Auswertemoduls eine besonders aussagekräftige Auswertung für transparenten Rauch geschaffen wird. Während durch das Differenzmodul der transparente Rauch herausgearbeitet wird, wird durch das Auswertemodul geprüft, welche Bewegung der Rauch oder Rauchabschnitte des Rauchs zwischen den hintergrundbereinigten Zwischenbildern und gegebenenfalls weiteren Zwischenbildern durchführt. Nachdem Rauch im Vergleich zur Umgebung üblicherweise eine höhere Temperatur aufweist, steigt der Rauch in vertikale und/oder lotrechte Richtung auf. Es wurde festgestellt, dass sich Rauch mit einer typischen Geschwindigkeit von ca. 0,5 Meter pro Sekunde als Steiggeschwindigkeit bewegt. Diese Bewegung des Rauchs, insbesondere die Bewegungsgeschwindigkeit oder Steiggeschwindigkeit und die Richtung, ist charakteristisch für den Rauch und bildet ein signifikantes Merkmal zur Detektion des Rauchs. Damit ermöglicht es das Auswertemodul, gerade diese signifikanten Merkmale aus den Zwischenbildern herauszuarbeiten und dadurch eine belastbare Grundlage für die Detektion von Rauch zu bilden.One aspect of the invention is that combining the use of the differential module with the evaluation module creates a particularly informative analysis for transparent smoke. While the differential module isolates the transparent smoke, the evaluation module examines the movement of the smoke or smoke segments between the background-cleaned intermediate images and, if applicable, further intermediate images. Since smoke typically has a higher temperature than its surroundings, it rises vertically and/or perpendicularly. It has been observed that smoke moves at a typical rate of ascent of approximately 0.5 meters per second. This movement of the smoke, especially its rate of movement or ascent and its direction, is characteristic of smoke and constitutes a significant feature for its detection. The evaluation module thus enables the extraction of precisely these significant features from the intermediate images, thereby providing a reliable basis for smoke detection.

Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Bewegungsschätzung als ein Block-Matching-Verfahren ausgebildet. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Bewegungsschätzung als die Bestimmung eines optischen Flussfeldes ausgebildet. Unter dem optischen Flussfeld wird ein Vektorfeld der in die Bildebene der Einzelbilder oder Zwischenbilder projizierten Geschwindigkeitsvektoren von sichtbaren Punkten, insbesondere von Rauchabschnitten, des Überwachungsbereichs im Bezugssystem der Abbildungsoptik der Überwachungskamera verstanden. Auf einen Pixelabschnitt des Rauchs als Rauchabschnitt in den Einzelbildern oder Zwischenbildern oder auf einen räumlich ausgedehnten Teilbereich des Rauchs als Rauchabschnitt bezogen, umfasst das optische Flussfeld einen Vektor, der die Geschwindigkeit und die Richtung des Pixelabschnitts oder räumlich ausgedehnten Teilbereichs des Rauchs angibt, die dieser Bereich zwischen den zwei Einzelbildern oder Zwischenbildern zurückgelegt hat. Die Berechnung des optischen Flusses in Einzelbildern oder Zwischenbildern ist dem Fachmann bekannt und wird vielfach in der digitalen Bildverarbeitung eingesetzt, sodass mittels der Berechnung des optischen Flusses die Rauchdetektionsvorrichtung sehr zuverlässig umgesetzt werden kann.In one possible embodiment of the invention, the motion estimation is implemented as a block-matching method. In a particularly preferred embodiment of the invention, the motion estimation is implemented as the determination of an optical flow field. The optical flow field is understood to be a vector field of the velocity vectors of visible points, in particular smoke segments, of the monitored area projected into the image plane of the individual or intermediate frames in the reference frame of the imaging optics of the surveillance camera. With reference to a pixel segment of the smoke as a smoke segment in the individual or intermediate frames, or to a spatially extended sub-region of the smoke as a smoke segment, the optical flow field comprises a vector that indicates the velocity and direction of the pixel segment or spatially extended sub-region of the smoke that this area has traveled between the two individual or intermediate frames. The calculation of the optical flow in Single images or intermediate images are known to experts and are widely used in digital image processing, so that the smoke detection device can be implemented very reliably by calculating the optical flow.

Erfindungsgemäß umfasst die Rauchdetektionsvorrichtung ein Hintergrundmodul zur Erstellung eines Hintergrundmodells des Überwachungsbereichs. Das Hintergrundmodell entspricht dem Szenenhintergrund und ist beispielsweise in dem gleichen Format wie die Einzelbilder ausgebildet. Das Differenzmodul nutzt das Hintergrundmodell und wendet dieses auf die Einzelbilder an, um die hintergrundbereinigten Zwischenbilder zu erzeugen.According to the invention, the smoke detection device comprises a background module for creating a background model of the monitored area. The background model corresponds to the scene background and is, for example, designed in the same format as the individual images. The difference module uses the background model and applies it to the individual images to generate the background-cleaned intermediate images.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Hintergrundmodul zur gleitenden und/oder akkumulierenden Erstellung des Hintergrundmodells aus einer Vielzahl von Einzelbildern ausgebildet ist.It may be provided that the background module is designed to create the background model from a large number of individual images in a gradual and/or accumulating manner.

So ist es beispielsweise möglich, dass das Hintergrundmodell aus früheren Einzelbildern gemittelt wird, wobei vorgesehen sein kann, dass Einzelbilder mit einem älteren Zeitstempel eine geringere Gewichtung bei der Mittelung als Einzelbilder mit einem neueren Zeitstempel aufweisen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Hintergrundmodell manuell aus Einzelbildern zusammengestellt wird.For example, the background model can be averaged from earlier images, with images with older timestamps having a lower weighting in the averaging than images with newer timestamps. Alternatively, the background model can be manually assembled from individual images.

Bei möglichen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Anwendung des Hintergrundmodells auf die Einzelbilder als eine Subtraktion des Hintergrundmodells von dem jeweiligen Einzelbild ausgebildet. Somit wird der Szenenhintergrund von dem abgebildeten Überwachungsbereich abgezogen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die aktuellen Einzelbilder durch das Hintergrundmodell insbesondere pixelweise dividiert werden, um die hintergrundbereinigten Einzelbilder zu erstellen.In possible embodiments of the invention, the application of the background model to the individual images is implemented as a subtraction of the background model from the respective individual image. Thus, the scene background is subtracted from the depicted monitoring area. According to the invention, the current individual images are divided by the background model, particularly pixel by pixel, to create the background-cleaned individual images.

Bei einer möglichen alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Differenzmodul ausgebildet, die hintergrundbereinigten Zwischenbilder zu erzeugen, indem jeweils Differenzbilder zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern erstellt werden. Insbesondere wird eines der Einzelbilder von dem anderen der Einzelbilder abgezogen, um damit das hintergrundbereinigte Zwischenbild zu erzeugen. Zeitlich betrachtet können die Zwischenbilder somit in der Bilderfolge zwischen den Einzelbildern einsortiert werden, wobei das jeweilige Zwischenbild die Differenz zwischen dem vorlaufenden, insbesondere unmittelbar vorlaufenden Einzelbild und dem nachlaufenden, insbesondere unmittelbar nachlaufenden Einzelbild als Bildinhalt hat. Nachdem die zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder jeweils den gleichen Szenenhintergrund zeigen, wird dieser bei der Erzeugung des Differenzbilds eliminiert und es verbleiben als Bildinhalte die Unterschiede in den Bildbereichen die den Rauch zeigen.In a possible alternative embodiment of the invention, the difference module is configured to generate background-cleaned intermediate images by creating difference images between two temporally successive individual images. Specifically, one of the individual images is subtracted from the other to generate the background-cleaned intermediate image. From a temporal perspective, the intermediate images can thus be inserted into the image sequence between the individual images, with each intermediate image containing the difference between the preceding, particularly immediately preceding, individual image and the following, particularly immediately following, individual image. Since the temporally successive individual images each show the same scene background, this background is eliminated during the generation of the difference image, leaving as image content the differences in the image areas that depict the smoke.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Rauchdetektionsvorrichtung ein Detektionsmodul zur Detektion von Rauch des Brandes auf Basis der Bewegungsschätzung. Umfasst die Bewegungsschätzung beispielsweise die Bestimmung des optischen Flussfeldes, so ist der Rauch durch eine charakteristische Ansammlung von Flussvektoren, welche vertikal oder im Wesentlichen vertikal beziehungsweise lotrecht oder im Wesentlichen lotrecht ausgerichtet sind, und eine vorbestimmte Länge oder einen vorbestimmten Längenbereich haben, als Merkmal detektierbar, da der Rauch meist in einem zusammenhängenden Bereich angeordnet ist, vertikal nach oben steigt und eine einheitliche Steiggeschwindigkeit oder einen einheitlichen Steiggeschwindigkeitsbereich als natürliche Bewegung aufweist. Andere bewegte Objekte, die diese natürliche Bewegung von Rauch nicht aufweisen werden als nicht-Rauch verworfen.In a preferred embodiment of the invention, the smoke detection device comprises a detection module for detecting fire smoke based on motion estimation. If the motion estimation includes, for example, the determination of the optical flow field, the smoke can be detected as a feature by a characteristic cluster of flow vectors that are vertically or substantially vertically oriented and have a predetermined length or range of lengths, since the smoke is usually arranged in a continuous area, rises vertically, and exhibits a uniform rate of ascent or a uniform rate of ascent as its natural motion. Other moving objects that do not exhibit this natural motion of smoke are rejected as non-smoke.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Detektionsmodul eine Rauchwahrscheinlichkeit auf Basis der Bewegungsschätzung bestimmt und beispielsweise bei dem Überschreiten einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit Rauch detektiert. Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass weitere Parameter wie zum Beispiel die Größe der Fläche in den Zwischenbildern mit ausreichender Rauchwahrscheinlichkeit und/oder die zeitliche Länge der detektierten Rauchwahrscheinlichkeit in die Berechnung einfließen.In particular, the detection module is designed to determine a smoke probability based on motion estimation and, for example, detect smoke when a predefined probability is exceeded. Optionally, it can also be provided that further parameters, such as the size of the area in the intermediate images with a sufficient smoke probability and/or the duration of the detected smoke probability, are included in the calculation.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Rauch in einem Überwachungsbereich, vorzugsweise mit der zuvor beschriebenen Rauchdetektionsvorrichtung. Bei dem Verfahren werden Einzelbilder von dem Überwachungsbereich aufgenommen. Nachfolgend wird in den Einzelbildern ein Szenenhintergrund insbesondere aus statischen und optional ergänzend quasi statischen Objekten entfernt, um hintergrundbereinigte Zwischenbilder zu erzeugen. In einem nachfolgenden Schritt wird eine Bewegung von Rauchabschnitten des Rauchs in den Zwischenbildern abgeschätzt, um den Rauch zu detektieren.Another aspect of the invention relates to a method for detecting smoke in a monitored area, preferably using the smoke detection device described above. In this method, individual images of the monitored area are captured. Subsequently, a background scene, particularly consisting of static and optionally quasi-static objects, is removed from the individual images to generate background-cleaned intermediate images. In a subsequent step, the movement of smoke segments in the intermediate images is estimated in order to detect the smoke.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, vorzugsweise auf einer Rauchdetektionsvorrichtung oder auf einer Datenverarbeitungsanlage.Another object of the invention is a computer program with program code means for carrying out the previously described method, preferably on a smoke detection device or on a data processing system.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Rauchdetektionsvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2a,b zwei unterschiedliche Darstellungen von optischen Flussfeldern der Rauchdetektionsvorrichtung zur weiteren Beschreibung der Funktionsweise beziehungsweise des Verfahrens.
Further features, advantages and effects of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment. The invention and the accompanying figures are shown. These show:
  • 1 a schematic block diagram of a smoke detection device as an embodiment of the invention;
  • 2a ,b two different representations of optical flow fields of the smoke detection device for further description of the function or the method.

Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine Rauchdetektionsvorrichtung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Rauchdetektionsvorrichtung 1 ist als ein automatischer Brandmelder ausgebildet und kann beispielsweise als ein Computer oder eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung mit einem Computerprogramm zur Umsetzung der einzelnen Module realisiert sein.The 1 Figure 1 shows a highly schematic representation of a smoke detection device 1 as an embodiment of the invention. The smoke detection device 1 is designed as an automatic fire alarm and can, for example, be implemented as a computer or a digital data processing device with a computer program for implementing the individual modules.

Zudem ist in der 1 eine Überwachungskamera 2 gezeigt, welche mit dem Sichtfeld auf einen Überwachungsbereich U gerichtet ist, so dass der Überwachungsbereich U von der Überwachungskamera 2 abgebildet wird. Die Überwachungskamera 2 kann beispielsweise als eine Schwarz-Weiß-Kamera oder als eine Farbkamera ausgebildet sein. Die Überwachungskamera 2 kann optional einen integralen Teil der Rauchdetektionsvorrichtung 1 bilden.Furthermore, in the 1 A surveillance camera 2 is shown, which is directed with its field of view towards a surveillance area U, such that the surveillance area U is imaged by the surveillance camera 2. The surveillance camera 2 can, for example, be designed as a black and white camera or as a color camera. The surveillance camera 2 can optionally form an integral part of the smoke detection device 1.

Die Überwachungskamera 2 stellt über einen Kameraausgang eine Bildfolge 3 von einer Vielzahl von Einzelbildern 4, welche zeitlich aufeinanderfolgen, zur Verfügung. Beispielsweise werden die Einzelbilder 4 mit einer festen Frequenz von z.B. 30 Hertz zur Verfügung gestellt. Die Bildfolge 3 beziehungsweise die Einzelbilder 4 werden über eine Kameraschnittstelle 5 der Rauchdetektionsvorrichtung 1 übertragen.The surveillance camera 2 provides a sequence of images 3 via a camera output, consisting of a multitude of individual images 4 that follow each other sequentially. For example, the individual images 4 are provided at a fixed frequency of, say, 30 Hertz. The sequence of images 3, or the individual images 4, are transmitted via a camera interface 5 of the smoke detection device 1.

Die Rauchdetektionsvorrichtung 1 weist ein Differenzmodul 6 auf, welches zur Bildverarbeitung der Einzelbilder 4 ausgebildet ist. Beispielhaft sind in der Rauchdetektionsvorrichtung 1 zwei Einzelbilder 4 dargestellt, welche den Überwachungsbereich U zeigen. In dem Überwachungsbereich U ist zum einen ein stationäres Objekt 7, in diesem Beispiel ein Haus, dargestellt, welches gemeinsam mit anderen stationären Objekten sowie der gesamten Umgebung des Überwachungsbereichs U einen Szenenhintergrund 8 bildet. Ferner ist stark schematisiert ein Brand 9 mit einer Rauchfackel als Rauch 10 dargestellt.The smoke detection device 1 has a differential module 6, which is designed for image processing of the individual images 4. Two individual images 4 are shown as examples in the smoke detection device 1, depicting the monitoring area U. Within the monitoring area U, a stationary object 7, in this example a house, is shown, which together with other stationary objects and the entire surroundings of the monitoring area U forms a scene background 8. Furthermore, a fire 9 with a smoke flare is shown in a highly schematic way as smoke 10.

Das Differenzmodul 6 ist ausgebildet, in den Einzelbildern 4 den Szenenhintergrund 8 zu eliminieren. Zur Umsetzung weist die Rauchdetektionsvorrichtung 1 zum Beispiel ein Modellmodul 11 auf, welches den Hintergrund 8 als Hintergrundmodell 12 modelliert. Die Erstellung des Hintergrundmodells 12 kann beispielsweise durch eine Mittelung von einer Mehrzahl der Einzelbilder 4 erfolgen. Um ein aktuelles Hintergrundmodell 12 zu erhalten, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei der Mittelung aktuelle Einzelbilder 4 stärker gewichtet werden als ältere Einzelbilder. Auf diese Weise ist es zum Beispiel auch möglich, schleichende Veränderungen, wie zum Beispiel Helligkeitsänderungen, durch Tag-Nacht-Wechsel oder Änderungen durch Wetterwechsel zu berücksichtigen.The difference module 6 is configured to eliminate the scene background 8 in the individual images 4. For this purpose, the smoke detection device 1, for example, has a model module 11 which models the background 8 as a background model 12. The background model 12 can be created, for example, by averaging a majority of the individual images 4. To obtain a current background model 12, it can be provided, for example, that current individual images 4 are weighted more heavily than older individual images during the averaging process. In this way, it is also possible, for example, to take into account gradual changes, such as changes in brightness due to day-night cycles or changes due to weather changes.

Das Differenzmodul 6 wendet das Hintergrundmodell 12 auf die Einzelbilder 4 an, welche zur aktuellen Bearbeitung vorliegen. Das Anwenden kann beispielsweise durch eine Subtraktion erfolgen, sodass der Szenenhintergrund 8 zum Beispiel pixelweise von den Einzelbildern 4 abgezogen wird. Alternativ hierzu können auch übereinstimmende Pixel oder Pixelwerte auf einen vorgebbaren Wert gesetzt werden.The difference module 6 applies the background model 12 to the individual images 4 available for processing. This application can be performed, for example, by subtraction, so that the scene background 8 is subtracted pixel by pixel from the individual images 4. Alternatively, matching pixels or pixel values can be set to a predefined value.

Bei einer alternativen Ausgestaltung erzeugt das Differenzmodul 6 Differenzbilder von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern 4 als die hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13. Hierbei subtrahiert das Differenzmodul 6 die zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbilder voneinander, um für dieses Paar an Einzelbildern 4 ein Differenzbild als hintergrundbereinigtes Zwischenbild 13 zu erhalten. Bei dieser Ausgestaltung kann somit auf das Modellmodul 11 verzichtet werden.In an alternative configuration, the difference module 6 generates difference images of two temporally consecutive individual images 4 as the background-cleaned intermediate images 13. Here, the difference module 6 subtracts the two temporally consecutive individual images from each other to obtain a difference image as the background-cleaned intermediate image 13 for this pair of individual images 4. In this configuration, the model module 11 can therefore be omitted.

Als Ergebnis gibt das Differenzmodul 6 hintergrundbereinigte Zwischenbilder 13 aus, welche als Hauptbildinhalt nur noch den Rauch 10 zeigen. Dieser ist jedoch nur schlecht erkennbar, da zum Beispiel für den Fall eines transparenten Rauchs 10 nur schwache Schlieren in den hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13verbleiben.As a result, the difference module outputs 6 background-cleaned intermediate images 13, which show only the smoke 10 as their main image content. However, this is barely recognizable, since, for example, in the case of transparent smoke 10, only faint streaks remain in the background-cleaned intermediate images 13.

Die hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 werden an ein Auswertemodul 14 übergeben, welches eine Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung des Rauchs 10, insbesondere von Rauchabschnitten, also Teilabschnitten des Rauchs 10, in dem Überwachungsbereich U auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13 durchführt. Beispielsweise wird die Bewegungsschätzung durch Berechnung eines optischen Flussfeldes 18 zwischen den hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 umgesetzt. Bei der Berechnung des optischen Flusses oder des optischen Flussfeldes werden Vektoren erzeugt, welche die Positionsänderung und die Geschwindigkeit und/oder Länge der Positionsänderung zwischen den zwei zeitlich aufeinanderfolgenden hintergrundbereinigten Zwischenbildern 13 umfasst. In der 1 ist das optische Flussfeld 18 kodiert dargestellt, wobei Vektoren des optischen Flussfelds 18, welche eine Richtung und Länge haben, die der natürlichen Bewegung von Rauch 10 entspricht, dunkel eingefärbt sind.The background-cleaned intermediate images 13 are passed to an evaluation module 14, which performs a motion estimation to determine the movement of the smoke 10, in particular smoke sections, i.e., subsections of the smoke 10, in the monitoring area U based on the background-cleaned intermediate images 13. For example, the motion estimation is implemented by calculating an optical flow field 18 between the background-cleaned intermediate images 13. When calculating the optical flow or the optical flow field, vectors are generated that include the change in position and the speed and/or length of the change in position between the two temporally successive background-cleaned intermediate images 13. In the 1 The optical flow field 18 is represented in coded form, where vectors of the optical flow field 18, which have a direction and They have a length that corresponds to the natural movement of smoke 10 and are colored dark.

In einem Detektionsmodul 15 wird das optische Flussfeld 18 oder der optische Fluss zur Detektion von Rauch 10 des Brandes 9 bewertet. Dabei wird als Grundlage herangezogen, dass sich der Rauch 10 in der natürlichen Bewegung in lotrechte und/oder vertikale Richtung mit einer Steiggeschwindigkeit von ca. 0,5 Meter pro Sekunde bewegt. Somit ist ein dunkler Bereich wie dieser in der kodierten Darstellung des optischen Flussfelds 18 gezeigt ist, ein Merkmal für den Rauch 10.In a detection module 15, the optical flow field 18, or the optical flow, is evaluated for the detection of smoke 10 from the fire 9. This evaluation is based on the assumption that the smoke 10 moves naturally in a perpendicular and/or vertical direction at a rate of approximately 0.5 meters per second. Therefore, a dark area, such as the one shown in the coded representation of the optical flow field 18, is a characteristic of the smoke 10.

Die Rauchdetektionsvorrichtung 1 weist eine Ausgangsschnittstelle 17 auf, welche einen Alarm aus dem Detektionsmodul 15 zum Beispiel an eine Alarmeinrichtung 19, eine Einsatzzentrale oder dergleichen überträgt.The smoke detection device 1 has an output interface 17 which transmits an alarm from the detection module 15, for example, to an alarm device 19, an operations center, or the like.

In den 2 a, b ist beispielhaft eine Auswertung des optischen Flussfeldes 18 gezeigt, wobei Bildpunkte mit Vektoren, die der natürlichen Bewegung des Rauchs 10 entsprechen in diesem Beispiel hell eingefärbt sind. In der 2 a ist ein optisches Flussfeld 18, welches auf Basis von nicht-hintergrundbereinigten Einzelbilder 4 erstellt wurde. In der 2b ist für die gleichen Einzelbilder 4 ein optisches Flussfeld 18 auf Basis von hintergrundbereinigten Zwischenbilder 13 berechnet worden. Die Hintergrundbereinigung erfolgte beispielhaft mit dem Tool OpenCV Background Subtraction. Bei einem Vergleich der beiden Darstellungen erkennt man, dass das optische Flussfeld 18, das auf Basis der hintergrundbereinigten Bilder 13 berechnet wurde, deutlich stärker zu erkennen ist als das optische Flussfeld 18, das nur auf Basis der nicht-hintergrundbereinigten Einzelbilder 4 umgesetzt wurde.In the 2 a Figure b shows an exemplary evaluation of the optical flow field 18, where image points with vectors corresponding to the natural movement of the smoke 10 are highlighted in light colors in this example. In the 2 a is an optical flow field 18, which was created based on non-background-cleaned single images 4. In the 2b For the same individual images 4, an optical flow field 18 was calculated based on background-cleaned intermediate images 13. Background cleaning was performed using the OpenCV Background Subtraction tool. A comparison of the two representations shows that the optical flow field 18 calculated based on the background-cleaned images 13 is significantly more pronounced than the optical flow field 18 calculated solely from the uncleaned individual images 4.

Somit ist das Zusammenspiel der Hintergrundbereinigung mit der Berechnung des optischen Flussfeldes eine vorteilhafte Auswertung von Einzelbildern 4 einer Bildfolge 3, welche deren Vorzüge besonders gut ausspielen kann, wenn der Rauch 10 als ein transparenter und/oder durchsichtiger Rauch ausgebildet ist.Thus, the interplay of background correction with the calculation of the optical flow field is an advantageous evaluation of individual images 4 of an image sequence 3, which can particularly exploit their advantages when the smoke 10 is designed as a transparent and/or see-through smoke.

Claims (7)

Rauchdetektionsvorrichtung (1) zur Detektion von Rauch (10) eines Brands (9) in einem Überwachungsbereich (U), mit einer Kameraschnittstelle (5) zur Übernahme von einer Bildfolge (3) mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelbildern (4), wobei die Einzelbilder (4) den Überwachungsbereich (U) zeigen, mit einem Differenzmodul (6) zur Eliminierung eines Szenenhintergrunds (8) des Überwachungsbereichs (U) in den Einzelbildern (4) und zur Erzeugung von hintergrundbereinigten Zwischenbildern (13), mit einem Auswertemodul (14), wobei das Auswertemodul (14) zur Durchführung einer Bewegungsschätzung zur Bestimmung einer Bewegung von Rauchabschnitten des Rauchs (10) in dem Überwachungsbereich (U) auf Basis der hintergrundbereinigten Zwischenbilder (13) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch ein Hintergrundmodul (11), wobei das Hintergrundmodul (11) zur Erstellung eines Hintergrundmodells (12) des Überwachungsbereichs (U) ausgebildet ist, wobei das Differenzmodul (6) ausgebildet ist, das Hintergrundmodell (12) auf die Einzelbilder (4) zur Erzeugung der hintergrundbereinigten Zwischenbilder (13) anzuwenden, wobei die Anwendung des Hintergrundmodells (12) auf die Einzelbilder (4) als eine Division des Einzelbilds (4) durch das Hintergrundmodell (12) ausgebildet ist.Smoke detection device (1) for detecting smoke (10) from a fire (9) in a monitoring area (U), comprising a camera interface (5) for receiving a sequence of images (3) with at least two temporally successive individual images (4), wherein the individual images (4) show the monitoring area (U), comprising a difference module (6) for eliminating a scene background (8) of the monitoring area (U) in the individual images (4) and for generating background-cleaned intermediate images (13), comprising an evaluation module (14), wherein the evaluation module (14) is configured to perform a motion estimation to determine a movement of smoke sections of the smoke (10) in the monitoring area (U) based on the background-cleaned intermediate images (13), characterized by a background module (11), wherein the background module (11) is configured to create a background model (12) of the monitoring area (U), wherein the difference module (6) is configured to apply the background model (12) to the individual images (4). to be applied to generate the background-cleaned intermediate images (13), wherein the application of the background model (12) to the individual images (4) is designed as a division of the individual image (4) by the background model (12). Rauchdetektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertemodul (14) zur Bestimmung eines optischen Flussfeldes (18) als Bewegungsschätzung zur Bestimmung der Bewegung ausgebildet ist.smoke detection device (1) according Claim 1 , characterized in that the evaluation module (14) for determining an optical flow field (18) is designed as a motion estimator for determining the motion. Rauchdetektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hintergrundmodul (11) zur gleitenden und/oder akkumulierenden Erstellung des Hintergrundmodells (12) aus einer Vielzahl von Einzelbildern (4) ausgebildet ist.smoke detection device (1) according Claim 1 , characterized in that the background module (11) is designed for the gliding and/or accumulating creation of the background model (12) from a plurality of individual images (4). Rauchdetektionsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Detektionsmodul (15) zur Detektion von Rauch (10) des Brandes (9) auf Basis der Bewegungsschätzung.Smoke detection device (1) according to one of the preceding claims, characterized by a detection module (15) for detecting smoke (10) of the fire (9) based on motion estimation. Rauchdetektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsmodul (15) ausgebildet ist, eine Rauchwahrscheinlichkeit auf Basis der Bewegungsschätzung zu bestimmen.smoke detection device (1) according Claim 4 , characterized in that the detection module (15) is configured to determine a probability of smoking based on the motion estimation. Verfahren zur Detektion von Rauch (10), vorzugsweise mit einer Rauchdetektionsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Einzelbilder (4) von einem Überwachungsbereich (U) aufgenommen werden, wobei nachfolgend ein Szenenhintergrund (8) in den Einzelbildern (4) entfernt wird, um hintergrundbereinigte Zwischenbilder (13) zu erzeugen und wobei eine Bewegung von Rauchabschnitten des Rauchs (10) in den hintergrundbereinigten Zwischenbildern (13) abgeschätzt wird, wobei ein Hintergrundmodell (12) des Überwachungsbereichs (U) erstellt wird, wobei das Hintergrundmodell (12) auf die Einzelbilder (4) zur Erzeugung der hintergrundbereinigten Zwischenbilder (13) angewendet wird, wobei die Anwendung des Hintergrundmodells (12) auf die Einzelbilder (4) als eine Division des Einzelbilds (4) durch das Hintergrundmodell (12) ausgebildet ist.Method for detecting smoke (10), preferably with a smoke detection device (1) according to one of the preceding claims, wherein individual images (4) of a monitoring area (U) are recorded, wherein a scene background (8) is subsequently removed from the individual images (4) to generate background-cleaned intermediate images (13), and wherein a movement of smoke sections of the smoke (10) is estimated in the background-cleaned intermediate images (13), wherein a background model (12) of the monitoring area (U) is created, wherein the background model (12) is applied to the individual images (4) to generate the background-cleaned intermediate images (13), wherein the application of the background model (12) to the individual images (4) is described as a division of the single image (4) by the background model (12) is formed. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 6 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer und/oder auf einer Rauchdetektionsvorrichtung (1) von jedem Beliebigen der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt wird.Computer program with programming code tools to execute all steps of a procedure according to Claim 6 to be carried out when the program is installed on a computer and/or on a smoke detection device (1) by any person of the Claims 1 until 5 is executed.
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