基于嵌入式视觉的实时火灾探测系统的研究与开发

论文摘要

图像型火灾探测器是火灾探测器家族中的新秀，它融合了智能监控、图像处理、模式识别、嵌入式等先进技术为一体，拥有报警时间短、不受室内空间大小约束、支持室外环境、支持准确定位等传统探测器无法比拟的优势。目前图像型火灾探测器还未得到广泛应用，其主要原因在于，由于实际工况的复杂性，火灾事件的图像探测技术目前仍处于实验阶段，还不够成熟，此外传统探测器已经形成成熟市场，对新型探测器形成较大的市场竞争，导致新型探测器较少提供给工程应用。本文提供了有关图像型火灾探测器的全套解决方案，主要做了以下几个方面的工作：（1）选择了效果较好且价格合适的相机加滤镜方式的红外图像采集方法，并给出了定制相机的CMOS图像传感器的选型方案；（2）结合现有的全局发光度算法，分析其缺点，在其基础上结合局部几何特征，研究了综合两类特征的火灾事件探测算法；（3）在可二次开发的智能工业相机上编写火灾事件探测程序，成功完成了计算机到嵌入式设备的移植，最终探测器可接入报警网络脱离计算机独立工作。（4）为加快处理速度，对算法做并行计算优化，以不变矩算法为例，在计算机平台上采用OpenMP/CUDA技术，将该算法的速度提升1.3-19倍。（5）通过实验得到大量数据，证实了算法的正确性、稳定性，测量了并行计算优化的实际效果。本文有以下几处创新点：（1）给出了一套基于局部几何特征的火灾探测算法，算法包括热源区域提取和匹配方法、5种红外热源区域几何特征计算方法、基于最小风险贝叶斯的多特征融合的热源区域分类方法、多重采样平滑判定噪声方法。（2）尝试将原创的基于局部几何特征的方法和文献[1]中的基于全局亮度特征方法结合起来，获得了速度快、效果好的优点，通过实验证明了整体效果优于文献[1]中的算法。（3）在计算机平台上对算法做并行计算优化，使用OpenMP/CUDA两种技术，给出完整的实现细节和优化效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 传统火灾探测器
• 1.3 图像型火灾探测器的研究现状
• 1.4 嵌入式视觉系统
• 1.5 并行计算
• 1.6 课题的研究内容
• 第2章 火灾图像的采集
• 2.1 红外图像介绍
• 2.2 红外相机/传感器选型
• 2.3 基于滤镜的近红外图像采集
• 2.4 本章小结
• 第3章 火灾事件探测算法研究
• 3.1 基于全局亮度特征的探测算法
• 3.1.1 主要流程
• 3.1.2 Lb、Lth 的取值方法
• 3.2 基于局部几何特征的探测算法
• 3.2.1 热源区域提取
• 3.2.2 帧间热源匹配算法
• 3.2.3 匹配算法参数的测定
• 3.2.4 几何特征提取
• 3.2.5 多特征融合的热源区域分类算法
• 3.2.6 多重采样降低错误率
• 3.3 探测算法总流程
• 3.4 本章小结
• 第4章 嵌入式火灾探测系统实现
• 4.1 DSP 工业一体化相机介绍
• 4.2 任务并发与同步
• 4.3 探测器与上位机通信
• 4.4 探测器与火灾报警控制器通信
• 4.5 辅助对焦功能
• 4.6 二次开发出现的问题
• 4.6.1 DSP 移植通用问题
• 4.6.2 视野偏小的问题
• 4.6.3 触发方式的选择与任务间通信的改进
• 4.7 程序烧入 FLASH
• 4.8 本章小结
• 第5章 火灾探测算法的并行快速实现
• 5.1 并行计算介绍
• 5.2 快速不变矩算法描述
• 5.3 算法的并行性分析
• 5.4 基于 CPU 的并行计算
• 5.4.1 OpenMP 开发框架
• 5.4.2 基于 OpenMP 框架的并行实现
• 5.5 基于 GPU 的并行计算
• 5.5.1 CUDA 开发框架
• 5.5.2 基于 CUDA 框架的并行实现
• 5.5.3 基于 CUDA 框架的性能优化
• 5.6 CPU 与 GPU 并行技术对比与总结
• 5.7 以计算机为中央控制节点的探测系统
• 5.8 本章小结
• 第6章 实验结果与分析
• 6.1 火灾事件探测算法实验
• 6.1.1 方案设计
• 6.1.2 数据与分析
• 6.2 嵌入式图像型火灾探测器实验
• 6.2.1 方案设计
• 6.2.2 数据与分析
• 6.3 快速不变矩并行计算实验
• 6.3.1 方案设计
• 6.3.2 数据与分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 本研究课题获得知识产权情况
• 致谢