摘 要： 針對(duì)目前火災(zāi)探測(cè)方面的不足，提出了基于支持向量機(jī)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù),?；贖SI顏色模型提取出火災(zāi)火焰疑似區(qū)域，在圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)上獲得早期火災(zāi)火焰的五個(gè)主要特征,，采用支持向量機(jī)技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)識(shí)別,。Matlab仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于支持向量機(jī)的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)識(shí)別率高,，克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過學(xué)習(xí),、容易陷入局部極小點(diǎn)等不足。該技術(shù)的研究在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： 圖像分割,；支持向量機(jī)；特征提取,；火災(zāi)識(shí)別
火災(zāi)帶給人類的損失是巨大的,，若能在火災(zāi)發(fā)生初期就進(jìn)行識(shí)別報(bào)警,，則可以極大地降低損失,。傳統(tǒng)的感溫感煙式火災(zāi)探測(cè)技術(shù)容易受環(huán)境因素（如空間高度和廣度、空氣流速,、粉塵,、濕度等）的影響，誤報(bào)率高,。而圖像型火災(zāi)探測(cè)具有非接觸式探測(cè)的特點(diǎn),，成為近年來火災(zāi)探測(cè)技術(shù)新的研究領(lǐng)域。現(xiàn)有的圖像型火災(zāi)探測(cè)技術(shù)[1]大多基于模糊神經(jīng)網(wǎng)路,、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法,。由于神經(jīng)網(wǎng)路算法存在過學(xué)習(xí),、收斂速度慢且易陷入局部極小點(diǎn)等缺陷，降低了火災(zāi)探測(cè)的靈敏度與穩(wěn)定性,。而支持向量機(jī)SVM[2]（Support Vector Machine）采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理兼顧訓(xùn)練誤差和泛化能力,，能較好地解決小樣本、非線性,、高維數(shù)和局部極小點(diǎn)等實(shí)際問題,，成為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并在字符識(shí)別,、圖像分類,、遙感圖像分析等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。
本文在數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)上,，將SVM應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)中,，通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，該技術(shù)克服了以往火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的缺陷, 具有較高的識(shí)別率,。
1 基于HSI顏色模型的彩色圖像分割
彩色圖像的色彩信息非常豐富,，可以作為圖像分析處理的重要依據(jù)和條件。本文研究的是具有鮮明顏色特征的火災(zāi)火焰圖像,，基于彩色圖像的分析處理更是正確識(shí)別火災(zāi)的關(guān)鍵所在,。因此，在圖像灰度化之前,，應(yīng)該對(duì)彩色圖像進(jìn)行分割,，以便更好地劃分火焰區(qū)域與背景區(qū)域。本文采用基于HSI顏色模型提取火災(zāi)火焰疑似區(qū)域,。
HSI顏色模型[3,，4]是圖像處理中比較常用的顏色模型，其中H,、S,、I分別表示色調(diào)、飽和度,、亮度或強(qiáng)度,。HSI顏色模型在接近人眼對(duì)景物的認(rèn)知方面優(yōu)于RGB模型，因而它更符合人描述和解釋顏色的方式,。其中色調(diào)H反應(yīng)了該顏色最接近的光譜波長,。定義0°為紅色、120°為綠色,、240°為藍(lán)色,，240°～300°范圍內(nèi)是人類可見的非光譜色（紫色）。大量實(shí)驗(yàn)研究表明,，火災(zāi)火焰顏色大都分布在紅色和黃色范圍內(nèi),，且飽和度S較高,。在HSI顏色模型里，紅色和黃色色調(diào)在0°～60°之間,。通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn),，本文選取0°<H<60°，S>0.6為參考值提取火災(zāi)火焰疑似區(qū)域,，得到了較好的效果,。
本文通過視頻采集卡得到的是RGB圖像，故先要進(jìn)行RGB 到HSI空間轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換公式如下：
H分量：
本文采用的基于HSI火災(zāi)火焰彩色圖像分割的算法步驟為：
(1)利用公式,，計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的H、S,、I值,；
(2)根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值確定H的最終值；
(3)將H,、S值在設(shè)定閾值范圍內(nèi)的像素點(diǎn)保留,，其他像素點(diǎn)置為0。
疑似火焰區(qū)域提取出來后,，對(duì)疑似區(qū)域進(jìn)行灰度化,、二值化、膨脹操作以及作邊緣檢測(cè),、中值濾波等處理,，為后續(xù)提取火災(zāi)火焰特征打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2 火災(zāi)火焰特征提取
通過分析對(duì)比大量火災(zāi)火焰與常見干擾的視頻圖像資料,，本文選取火災(zāi)火焰以下幾個(gè)特征[5,，6]：
(1)火焰尖角數(shù)目：邊緣抖動(dòng)是火災(zāi)火焰的一個(gè)重要特征。相比于常見的干擾物體（如蠟燭,、照明燈,、電筒），不穩(wěn)定火焰邊緣抖動(dòng)的一個(gè)明顯表現(xiàn)就是火焰尖角數(shù)多而且呈現(xiàn)出不規(guī)則變化,。本文采用邊界鏈碼計(jì)算火焰尖角個(gè)數(shù),。
(2)火焰圖像形狀的相似度：火災(zāi)火焰相對(duì)于干擾物體具有形狀變化的無規(guī)律性，但這種無規(guī)律性從空間分布來說具有一定程度的相似性,。通過前后兩幅圖像區(qū)域的面積變化情況可計(jì)算出相鄰幀圖像的相似度,。連續(xù)幀變化圖像的相似度用下式表示：
(3)火焰閃爍頻率：可燃物燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰通常是閃爍的,，這種閃爍具有一定的規(guī)律性,。許多學(xué)者對(duì)不同尺寸、不同形狀的房間進(jìn)行了多種材料的火災(zāi)試驗(yàn),，得出火焰閃爍頻率分布在3～25 Hz之間,，主要頻率在8～13 Hz范圍內(nèi),。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于干擾物體,，火焰閃爍頻率與距接收器件的距離無關(guān),，環(huán)境變化對(duì)其影響也不大，因此可以把火焰閃爍頻率作為判斷火災(zāi)發(fā)生的判據(jù),?；鹧娴拈W爍特性在圖像中表現(xiàn)為圖像的灰度級(jí)直方圖隨時(shí)間的變化規(guī)律，本文通過計(jì)算灰度直方圖的變化率來表征火焰的閃爍頻率,。表1所示為火災(zāi)火焰圖像序列與照明燈圖像序列的閃爍頻率的統(tǒng)計(jì),。
(4)圓形度：圓形度表征了物體形狀的復(fù)雜程度。根據(jù)火災(zāi)火焰形狀不規(guī)整,，而大部分干擾源(如手電筒,、白熾燈等)的形狀規(guī)整程度較高的特點(diǎn)，本文使用圓形度概念作為火災(zāi)判據(jù)之一,，而且火焰圓形度的測(cè)量受探測(cè)器安裝位置的影響不大,。圓形度計(jì)算公式為：
其中ci為第i個(gè)圖元的圓形度，Ai為第i個(gè)圖元的面積,，Li為第i個(gè)圖元的周長,，n為圖元編號(hào)。本文將圓形度除以4π,，使圓形度最小值為1,，以便于觀測(cè)。
(5)火焰顏色特征：火災(zāi)火焰的顏色與溫度相關(guān),。隨著火焰焰心到外焰溫度的不斷升高,，其顏色從白色到黃色再到紅色移動(dòng)，而燈光,、太陽光這類干擾源的顏色變化不明顯,，在圖像中則表現(xiàn)為像素值的變化不明顯，故可作為火災(zāi)判據(jù),。實(shí)驗(yàn)中用圖像像素方差值來反應(yīng)這種變化,。算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：
①讀取圖像中疑似火焰的部分的像素值；
②求出這組像素值的數(shù)學(xué)期望,；
③求出像素方差值,。
3 基于支持向量機(jī)的火災(zāi)識(shí)別
支持向量機(jī)[2，7]（SVM）是由Vapnik首先提出的,，其主要思想是：通過某種事先定義的非線性映射,，將輸入向量映射到一個(gè)高維特征空間，在這個(gè)空間中構(gòu)成一個(gè)超平面作為決策曲面,，使得被識(shí)別的樣本中正例和反例之間的隔離邊緣最大化,。它克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中易過學(xué)習(xí),、欠學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)，對(duì)于小樣本,、高維數(shù),、非線性的分類問題效果顯著。
SVM是基于核函數(shù)的學(xué)習(xí)算法,，其學(xué)習(xí)性能由核函數(shù)決定,。核函數(shù)的類型主要包括：
采用不同的函數(shù)作為支持向量機(jī)的核函數(shù)，可以構(gòu)造實(shí)現(xiàn)輸入空間不同類型的非線性決策面的支持向量機(jī),。針對(duì)特定的實(shí)際問題,，需要通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)來確定選擇核函數(shù)使SVM的學(xué)習(xí)性能最優(yōu)。
基于SVM的火災(zāi)識(shí)別,，包括以下幾個(gè)步驟：
(1)對(duì)火災(zāi)圖像進(jìn)行疑似火焰區(qū)域檢測(cè),，提取疑似區(qū)域中的火災(zāi)信息特征分量；
(2)通過提取的特征分量選定訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本,；
(3)選取合適的核函數(shù)和懲罰因子,，利用訓(xùn)練樣本建立SVM分類模型；
(4)將測(cè)試樣本輸入分類模型,，得到的分類準(zhǔn)確率即為火災(zāi)識(shí)別率,。
本文在Matlab平臺(tái)上安裝了libsvm-2.89工具箱，利用工具箱和Matlab仿真函數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),。選用不同場(chǎng)景下采集到的火災(zāi)火焰圖像150幅,，干擾圖像（包括照明燈、蠟燭和電筒）150幅,，構(gòu)成300個(gè)樣本數(shù)據(jù)庫,。將火災(zāi)圖像編號(hào)為1.1～1.150，干擾圖像編號(hào)為2.1～2.150,。首先利用圖像在HSI彩色空間的彩色信息分割得到火災(zāi)火焰疑似區(qū)域,。圖1為實(shí)驗(yàn)中火災(zāi)火焰圖像的分割結(jié)果圖。
然后對(duì)疑似區(qū)域進(jìn)行特征提取,，得到300組特征分量,。部分樣本數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)中,，選取火災(zāi)火焰圖像和干擾圖像各自前120幅作為訓(xùn)練樣本,，剩余60幅作為測(cè)試樣本，自定義火災(zāi)圖像類別標(biāo)簽為1,，干擾圖像類別標(biāo)簽為0,。
為了比較不同核函數(shù)的性能，分別采用線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù),、徑向基核函數(shù)和Sigmoid核函數(shù)訓(xùn)練SVM，建立SVM模型,。最后將測(cè)試樣本輸入模型,，得出識(shí)別率。識(shí)別結(jié)果如表3所示,。
由表3可得出,，利用徑向基核函數(shù)訓(xùn)練的SVM分類器識(shí)別率最高，達(dá)到了94.1%,。圖2所示為利用徑向基核函數(shù)訓(xùn)練的SVM實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖,，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用交叉驗(yàn)證方法選擇最佳參數(shù)c與g(c為懲罰因子，g為核函數(shù)參數(shù)),。
本文還比較了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SVM識(shí)別火災(zāi)的算法，如表4所示,。
由表4比較得出,，SVM識(shí)別火災(zāi)效果最好，這也證明了SVM對(duì)于小樣本,、非線性的問題效果顯著,，克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過學(xué)習(xí)、陷入局部最小點(diǎn)等缺點(diǎn),。
基于SVM的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)克服了傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)算法的缺陷,，提高了火災(zāi)識(shí)別率，可靠性高,，該技術(shù)的研究在火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域中具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,。
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