ES2282550T3

ES2282550T3 - Procedimiento y dispositivo para la deteccion de llamas.

Info

Publication number: ES2282550T3
Application number: ES03015846T
Authority: ES
Inventors: Giuseppe Dr. Marbach
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2007-10-16
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: EP1496483A1; ATE357714T1; DE50306852D1; CN1576839A; KR20050009135A; NO20042948L; NO20042948D0; NO330182B1; CN100595583C; PL369016A1; EP1496483B1; AU2004202851B2; AU2004202851A1

Abstract

Procedimiento para la detección de llamas en una zona vigilada, designada en lo sucesivo como espacio de vigilancia, mediante el análisis de al menos un parámetro de una radiación que aparece en el espacio de vigilancia, generándose una imagen de vídeo del espacio de vigilancia y buscándose en esta imagen de vídeo zonas de intensidad de luz elevada y un movimiento local de parpadeo, produciéndose en una primera etapa una localización de estas zonas y a continuación un análisis de los recortes de imagen respectivos en relación a la existencia de una llama, caracterizado porque se buscan zonas de intensidad de luz elevada y un movimiento local de parpadeo con la ayuda de una matriz [Aij(t)] de acumulación, que se obtiene a partir de imágenes de diferencias ponderadas con un factor de ponderación de imágenes [Xij(t)] de intensidad consecutivas, indicando el factor de ponderación en qué medida las imágenes de diferencia entran en la matriz [Aij(t)] de acumulación.

Description

Procedimiento y dispositivo para la detección de llamas.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la detección de llamas en una zona vigilada designada en lo sucesivo como espacio de vigilancia, mediante el análisis de al menos un parámetro de una radiación que aparece en el espacio de vigilancia.

El documento WO 02/093525 A1 da a conocer un dispositivo y un procedimiento para el procesamiento simultáneo de un primer y un segundo procesamiento de imágenes, especialmente para la detección de llamas en imágenes. El dispositivo contiene un sensor de imágenes para la creación de imágenes de vídeo, un circuito de captación de imágenes para la recepción de una primera y una segunda imagen (frame, fotograma), un procesador para procesar las imágenes registradas y una unidad de emisión.

Los dispositivos conocidos hasta el momento, tal como se describen por ejemplo en las patentes estadounidenses nº 4 866 420 y nº 4 280 058, contienen al menos un sensor, que evalúa el espectro de frecuencia de parpadeo de la radiación, valorándose las señales situadas fuera de una banda de frecuencia determinada como señales parásitas. Por tanto se utiliza el parpadeo típico de las llamas en un intervalo de oscilación de una frecuencia muy baja como característica para la diferenciación entre la radicación emitida por una llama y la radiación parásita. El establecimiento de la banda de frecuencia se produce en el caso más sencillo mediante un filtro conectado al sensor aguas arriba o mediante un amplificador selectivo de la frecuencia conectado aguas abajo de éste, obteniéndose en ambos casos una banda de transmisión determinada de, por ejemplo, 5 a 25 Hz.

Estos avisadores de llamas conocidos han probado su eficacia por completo, no obstante en una instalación de aviso de fuego representan un factor de coste considerable. Independientemente de ello, también en caso de un ajuste óptimo de la banda de frecuencia con respecto al parpadeo de llamas, no pueden excluirse fallos e indicaciones erróneas, porque una y otra vez ocurre que modificaciones de intensidad casuales de la radiación ambiental se sitúan en la banda de transmisión. Tales modificaciones de intensidad pueden originarse por ejemplo por oscurecimientos de los ángulos o reflejos de objetos que vibran o que se mueven lentamente, por reflejos de la luz solar en la superficie del agua o por fuentes de luz que parpadean o fluctúan.

Mediante la invención se indicará ahora un procedimiento para la detección de llamas que se caracteriza por una elevada seguridad frente al fallo con costes reducidos.

Este objetivo se resuelve según las reivindicaciones 1 y 10.

Según el procedimiento según la invención, la búsqueda de zonas de intensidad de luz elevada y de un movimiento local de parpadeo se produce con ayuda de una matriz de acumulación, que se obtiene a partir de las imágenes de diferencia ponderadas con un factor de ponderación de imágenes de intensidad consecutivas, indicando el factor de ponderación, en qué medida se acumula la matriz de acumulación en las imágenes de diferencia.

Una primera forma de realización preferida del procedimiento según la invención está caracterizada porque las imágenes de vídeo se generan con una frecuencia determinada y a partir de las mismas se obtienen imágenes de intensidad.

Una segunda forma de realización preferida del procedimiento según la invención está caracterizada porque con la ayuda de la matriz de acumulación se buscan las coordenadas de los píxeles más claros.

Una tercera forma de realización preferida está caracterizada porque se define una región de imagen de interés, reducida con respecto a la región de imagen original y que contiene el o los píxeles más claros, y se analiza la existencia de una llama.

Otras formas de realización preferidas del procedimiento según la invención se deducen a partir de las reivindicaciones dependientes 7 a 9.

Las formas de realización preferidas del dispositivo según la invención se reivindican en las reivindicaciones dependientes 11 a 15.

Con la difusión cada vez más intensa de los sistemas e instalaciones de CCTV puede partirse del hecho de que en muchos casos en un espacio de vigilancia existirá una cámara de vídeo, de modo que para la detección de llamas no debe instalarse un sensor propio, lo que sin duda significa una reducción de costes. Una reducción de costes adicional se obtiene mediante la limitación de la evaluación a los recortes de imagen que eventualmente contienen una llama, lo que hace posible una reducción clara de la capacidad del ordenador. También puede partirse del hecho de que la evaluación de estos recortes de imagen es lo suficientemente robusta con respecto a fallos.

A continuación se explicará más detalladamente la invención mediante un esquema de bloques que muestra un dispositivo según la invención para la detección de llamas a modo de ejemplo. Con el número de referencia 1 se designa la cámara de vídeo, que a través de una salida proporciona secuencias de vídeo a una etapa 2 de evaluación, pudiendo estar la etapa 2 de evaluación integrada en la cámara 1 o unida a la misma. La etapa 2 de evaluación puede estar prevista en el lugar de ubicación de la cámara 1 o en proximidad directa a ésta o también puede estar alejada espacialmente de la cámara 1, existiendo en el último caso entre la cámara 1 y la etapa 2 de evaluación una conexión de comunicación.

La etapa 2 de evaluación contiene un procesador (no representado), que presenta un algoritmo para la localización de llamas que se encuentran en las imágenes de la cámara 1 y el análisis posterior de los recortes de imagen correspondientes. Según la representación, en un primer proceso del algoritmo designado como obtención de imagen se produce la obtención de imágenes de intensidad y/o de crominancia X_{ij}(t) (designadas en lo sucesivo como imágenes de intensidad) a partir de las secuencias de vídeo proporcionadas por la cámara 1; i y j son las coordenadas de los píxeles individuales. La frecuencia de estas imágenes asciende a al menos 15 imágenes por segundo, el tamaño de la imagen, por ejemplo, a 352 por 288 píxeles. Las imágenes de intensidad se obtienen por tanto porque puede partirse del hecho de que una llama representa un lugar de intensidad de luz elevada y además presenta un matiz de color característico.

En un proceso siguiente designado como procesamiento 4 previo se buscan llamas en las imágenes X_{ij}(t) de intensidad y se produce una localización de las llamas encontradas en recortes de imagen correspondientes. Esta localización se produce con la ayuda de una denominada matriz de acumulación, que se forma de la siguiente manera:

en una primera fase se produce la determinación del valor [X_{ij}(t)] máximo y del valor [X_{ij}(t)] promedio de la intensidad y de ello se determina un umbral q(t) de claridad, siendo válido

q(t+1) = \lambda_{1}[X_{ij}(t)]máx, si [X_{ij}(t)]promedio < \lambda_{1}[X_{ij}(t)]máx

y

q(t+1) = \lambda_{2}{[X_{ij}(t)]máx – [X_{ij}(t)]promedio} + [X_{ij}(t)]promedio

en todos los demás casos. \lambda_{1} y \lambda_{2} son constantes, que se encuentran entre 0 y 1, siendo por ejemplo \lambda_{1} igual a 0,68 y \lambda_{2} igual a 0,05.

Con la ayuda de estas dos condiciones se determina un factor w_{ij}(t) de ponderación que tiene en cuenta las propiedades de la llama:

w_{ij}(t) = X_{ij}(t), si X_{ij}(t) > [X_{ij}(t)]máx – q(t),

y

w_{ij}(t) = 0

en todos los demás casos.

Esto significa que se filtran todos los píxeles con una intensidad por debajo del valor [X_{ij}(t)]-q(t) máximo, es decir, objetos oscuros, y ya no se tienen en cuenta. Tal como se mostrará a continuación, son los objetos desplazados, oscuros los que se filtran.

Dado que puede partirse del hecho de que una llama puede reconocerse como movimiento de intensidad de luz elevada, se forma mediante la comparación de imágenes consecutivas una imagen de diferencia, para encontrar un movimiento de este tipo; debido a que los objetos oscuros se eliminan como consecuencia de la definición del factor w_{ij}(t) de ponderación, por tanto durante la formación de la imagen de diferencia se filtran objetos oscuros, desplazados, que no pueden ser llamas. Por tanto se buscan zonas de intensidad de luz elevada y movimiento local de parpadeo y esto significa que, por ejemplo, una fuente de luz estacionaria, que no parpadea, no se interpretaría como llama y tampoco una lámpara que se ha desplazado transversalmente por el espacio de vigilancia.

Para la imagen Q_{ij}(t) de diferencia es válido:

Q_{ij}(t) = |X_{ij}(t) – X_{ij}(t-1)| w_{ij}(t)

Entonces, a partir de la imagen Q_{ij}(t) de diferencia se determina la matriz A_{ij}(t) de acumulación:

A_{ij}(t) = \alphaA_{ij}(t-1) + (1-\alpha) Q_{ij}(t)

\alpha es una constante entre 0 y 1 que indica, en qué media la imagen Q_{ij}(t) de diferencia entra en la matriz A_{ij}(t) de acumulación. Para \alpha = 0, la matriz de acumulación es igual a la imagen de diferencia y, para \alpha = 1, la imagen de diferencia ya no tiene ninguna influencia, porque A_{ij}(t) es igual a A_{ij}(t-1). La matriz de acumulación se forma en primer lugar para obtener una imagen suavizada sin ruido ni modificaciones a corto plazo.

Como fase final del procesamiento 4 previo se busca con ayuda de la matriz de acumulación el píxel o los píxeles [i_{m},j_{m}](t) con el valor más alto y se define una denominada región ROI de imagen de interés, que contiene este o estos píxeles, en la que podría encontrarse una llama:

[i_{m},j_{m}](t) = {(i, j) | [A_{ij}(t)máx]}

Esta determinación proporciona por tanto las coordenadas de los píxeles con un movimiento local de parpadeo y una claridad máxima. Por regla general se tratará de un único píxel, pudiendo determinarse evidentemente también varios píxeles más claros, para lo que puede hacerse uso de una selección de canal múltiple y preferiblemente se establecen distancias mínimas entre los píxeles individuales.

En el proceso siguiente designado como análisis 5 se produce en primer lugar una reducción clara de datos, produciéndose el análisis no en toda la imagen original de 352 por 288 píxeles, sino en la región ROI de imagen de interés de un tamaño reducido de por ejemplo 32 por 32 píxeles. Esto da lugar a una reducción de hasta una centésima parte. Esta reducción puede ser evidentemente más reducida, por ejemplo de hasta una quincuagésima parte, o también esencialmente mayor.

Entonces para cada región de imagen de interés se determina la información de imagen siguiente:

\bullet: claridad L(t) promedio de la región X_{ROI}(t) de imagen de interés:

L(t) = [promedio de X_{ij}(t)|_{ROI}]

\bullet: crominancia C(t) de la región X_{ROI}(t) de de imagen de interés:

: C(t) = [número de la C_{ij}(t)|_{ROI}]\epsilon "sector de intensidad cromática-fuego" /R(t), designando C_{ij}(t) el par (V_{ij}, U_{ij}) de crominancia de la imagen X_{ij}(t) en el momento t. YUV es una representación conocida del espacio de color, con dos componentes de color U y V en el eje x e y, y la intensidad Y en el eje z, indicando la longitud del vector desde el punto de partida hasta un píxel en el plano UV la saturación de color de este píxel. El sector R(t) de intensidad cromática -fuego es un sector del espacio de color en el plano UV, en la región de color típica para una llama, que contiene especialmente el color rojo.

\bullet: Número de píxeles R(t) activos de la matriz A_{ROI(t)} de acumulación:

R(t) = [número de A_{ij}(t)_{ROI} > \eta_{1}]; 1 \leq \eta_{1} < Z

: (Z = número total de píxeles de la región ROI de imagen de interés), por ejemplo es \eta_{1} = 30

\bullet: Grado de saturación S(t) de la región X_{ROI}(t) de imagen de interés:

S(t) = [número de X_{ij}(t) |_{ROI} > \eta_{2}]. 1 \leq \eta_{2} < Z por ejemplo es \eta_{2} = 5

Para que el resultado se mantenga estable, tiene lugar posteriormente en un proceso designado como extracción 6 una integración temporal de la información de imagen determinada en el análisis 5. Cuando la integración se realiza por ejemplo durante 1 segundo, se extiende en el formato PAL en más de 25 imágenes. Por tanto se integra la claridad promedio, la crominancia, los píxeles activos y el grado de saturación durante el tiempo de t_{0} a t_{n} y se obtienen las propiedades siguientes:

\bullet: valor promedio de claridad: F_{L} = L

\bullet: valor promedio de frecuencia: F_{F} = F

\bullet: valor promedio de amplitud: F_{M} = M

\bullet: valor promedio de píxel-intensidad cromática-fuego: F_{C} = C

\bullet: valor promedio de píxeles activos: F_{R} = R

\bullet: valor promedio de saturación: F_{S} = S

El valor promedio de la frecuencia se obtiene por ejemplo contando los píxeles de claridad L(t) promedio. La frecuencia que se genera por el parpadeo característico de una llama es una variable importante para la detección de una llama, porque se sitúa en un intervalo estrecho definido por regla general entre 1 Hz y 10 Hz.

En el proceso posterior designado como reconocimiento 7 de formas se calcula, a partir de las propiedades obtenidas en la extracción 6, la probabilidad de que exista una llama. A este respecto se examina por ejemplo para cada una de las propiedades anteriores, si el valor promedio se sitúa por encima o por debajo de un valor umbral y se establece que la probabilidad sea correspondientemente igual a uno o igual a cero. A continuación, a partir de las probabilidades de todas las n propiedades se forma una probabilidad global.

\Psi_{L} = \Gamma(F_{L}) = 1,

\hskip0.5cm

si F_{L} > \delta_{L}

\Psi_{L} = \Gamma(F_{L}) = 0,

\hskip0.5cm

si F_{L} < \delta_{L}

y así sucesivamente para las demás propiedades.

Probabilidad \Pi(t) global:

2

para w_{i} es válido que 0 \leq w_{i} \leq 1, determinándose los valores w_{i} de manera empírica. N_{F} es la suma de las w_{i} para todas las i.

En el proceso designado como decisión 8 tiene lugar posteriormente la decisión de si se activa la alarma. Este proceso contiene una integración, en la que se integra la probabilidad \Pi(t) global en imágenes consecutivas. La integración empieza en cero y añade para cada \Pi(t) > \kappa (\kappa es un umbral) un incremento y resta para cada \Pi(t) < \kappa un incremento. Si I(t) designa el valor de la integral, es válido:

I(t = 0) = 0

si \Pi(t) > \kappa entonces I(t)=I(t-1)+\sigma_{+} (saturado hasta S_{+}' si I(t)> S_{+} en todos los demás casos, es válido I(t) = I(t-1)- \sigma_{-} (saturado hasta S_{-} (habitualmente 0), si I(t)< S.

\sigma_{+} y \sigma_{-} son por norma general igual a +1.

Con ayuda de la integral I(t) tiene lugar ahora la decisión de si se activa una alarma:

si I(t) > \beta (\beta es un umbral), se activa la alarma, en todos los demás casos, no.

El dispositivo descrito tiene la ventaja de que, en muchos casos de aplicación, puede recurrirse a cámaras de vídeo ya instaladas y no es necesaria una instalación de sensores de llamas especiales, lo que sin duda significa una reducción de cortes. Una reducción de costes adicional se obtiene por la limitación de la evaluación a los recortes de imagen que eventualmente contienen una llama, lo que hace posible una reducción clara de la capacidad del ordenador. También puede partirse del hecho de que la evaluación de estos recortes de imagen es lo suficientemente robusta con respecto a fallos.

Claims

1. Procedimiento para la detección de llamas en una zona vigilada, designada en lo sucesivo como espacio de vigilancia, mediante el análisis de al menos un parámetro de una radiación que aparece en el espacio de vigilancia, generándose una imagen de vídeo del espacio de vigilancia y buscándose en esta imagen de vídeo zonas de intensidad de luz elevada y un movimiento local de parpadeo, produciéndose en una primera etapa una localización de estas zonas y a continuación un análisis de los recortes de imagen respectivos en relación a la existencia de una llama, caracterizado porque se buscan zonas de intensidad de luz elevada y un movimiento local de parpadeo con la ayuda de una matriz [A_{ij}(t)] de acumulación, que se obtiene a partir de imágenes de diferencias ponderadas con un factor de ponderación de imágenes [X_{ij}(t)] de intensidad consecutivas, indicando el factor de ponderación en qué medida las imágenes de diferencia entran en la matriz [A_{ij}(t)] de acumulación.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las imágenes de vídeo se generan con una frecuencia determinada y a partir de las mismas se obtienen imágenes [X_{ij}(t)] de intensidad.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque durante la formación de las imágenes de diferencia y con ello de la matriz [A_{ij}(t)] de acumulación, se filtran todos los píxeles con una claridad situada por debajo de un umbral que puede predeterminarse y, por consiguiente, todos los objetos oscuros, desplazados.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque con la ayuda de la matriz [A_{ij}(t)] de acumulación se buscan las coordenadas de los píxeles más claros.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque se define una región [ROI] de imagen de interés que contiene el píxel o píxeles más claros y que está reducida con respecto a la imagen original y se analiza en relación a la existencia de una llama.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque el tamaño de la región (ROI) de imagen de interés asciende como máximo a la quincuagésima parte del tamaño de la imagen original.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque en la región [ROI] de imagen de interés se determina la información de imagen de claridad [L(t)], crominancia [C(t)], número de los píxeles [R(t)] activos por encima de un umbral de intensidad determinado, y la saturación [S(t)].

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque la información de imagen mencionada se integra durante un tiempo determinado y por tanto a lo largo de varias imágenes y se determina un valor promedio, porque durante la integración se determinan como parámetros adicionales el valor promedio de la frecuencia [F] y el valor promedio de la amplitud [M], y porque para cada uno de estos valores promedio se calcula la probabilidad de la existencia de una llama.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque a partir de las probabilidades de los valores promedio se calcula una probabilidad global de la existencia de una llama en la región [ROI] de imagen reducida, porque esta probabilidad global se integra en varias imágenes, y porque cuando el valor integrado sobrepasa un umbral se activa una alarma.

10. Dispositivo para la detección de llamas en una zona vigilada, designada en lo sucesivo como espacio de vigilancia, mediante el análisis de al menos un parámetro de una radiación que aparece en el espacio de vigilancia, caracterizado por una cámara [1] de vídeo con una etapa [2] de evaluación para las imágenes proporcionadas por la cámara [1], presentando la etapa [2] de evaluación un procesador con un algoritmo para la localización de regiones de intensidad de luz elevada y un movimiento local de parpadeo en las imágenes de la cámara [1] y el análisis posterior de los recortes de imagen correspondientes en relación a la existencia de una llama y conteniendo el algoritmo un proceso designado en lo sucesivo como procesamiento [4] previo, en el que para la búsqueda de zonas de intensidad de luz elevada y un movimiento local de parpadeo se determina una matriz [A_{ij}(t)] de acumulación, que se obtiene a partir de las imágenes de diferencia ponderadas con un factor de ponderación de imágenes [X_{ij}(t)] de intensidad consecutivas, indicando el factor de ponderación, en qué medida las imágenes de diferencia entran en la matriz [A_{ij}(t)] de acumulación.

11. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque el algoritmo contiene un proceso designado en lo sucesivo como obtención [3] de imagen, en el que se obtienen imágenes [X_{ij}(t)] de intensidad a partir de las imágenes de vídeo generadas con una frecuencia determinada.

12. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque en el procesamiento [4] previo con la ayuda de la matriz [A_{ij}(t)] de acumulación se produce una determinación de las coordenadas de los píxeles más claros y el establecimiento de una región (ROI) de imagen de interés, reducida con respecto a la imagen original, que contiene el píxel o los píxeles más claros.

\newpage

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque el algoritmo contiene un proceso designado en lo sucesivo como análisis [5] para el análisis de la región [ROI] de imagen de interés, en el que se produce una determinación de la información de imagen de claridad [L(t)], crominancia [C(t)], número de píxeles [R(t)] activos por encima de un umbral de intensidad determinado, y saturación [S(t)].

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque el algoritmo contiene un proceso designado en lo sucesivo como extracción [6], en el que se produce una integración de la información de imagen mencionada durante un tiempo determinado y por tanto a lo largo de varias imágenes y una determinación de los valores promedio de la información de imagen, porque en la integración se determinan como parámetros adicionales el valor promedio de la frecuencia [F] y el valor promedio de la amplitud [M], y porque para cada uno de estos valores promedio se produce un cálculo de la probabilidad de la existencia de una llama.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque el algoritmo contiene un proceso de reconocimiento [7] de formas y un proceso de decisión [8], en los que a partir de las probabilidades de los valores promedio se produce el cálculo de una probabilidad global para la existencia de una llama en la región [ROI] de imagen reducida y una integración de esta probabilidad global en varias imágenes y una activación de alarma al sobrepasar el valor integrado un umbral.