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摘要：由于已有方法未提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像特征點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法存在預(yù)警延誤和預(yù)警結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。為此，提出新的實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警方法。通過攝像頭采集實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像，采用Sobel邊緣檢測(cè)算法和Hough算法分別提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像的邊緣和邊緣的直線特征，提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征點(diǎn)。根據(jù)火災(zāi)特征，采用單目視覺的針孔模型計(jì)算火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警。仿真分析結(jié)果表明，所提方法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；機(jī)器人；火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；智能視覺預(yù)警

1引言

實(shí)驗(yàn)室是存放實(shí)驗(yàn)器材的重要場(chǎng)所，同時(shí)還是密封空間，內(nèi)部存放了大量的可燃性物品。如果發(fā)生火災(zāi)，會(huì)產(chǎn)生不可估量的損失[1-2]。目前實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警存在探測(cè)范圍較小和自動(dòng)化水平較低等方面的問題。實(shí)驗(yàn)室自帶的供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)一旦被破壞就無法進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，為了確保實(shí)驗(yàn)室中物品和工作人員的安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，將火災(zāi)消滅在初始階段，研究火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果，例如陳尚等人[3]分別從不同角度出發(fā)，分析影響電力電纜風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)評(píng)價(jià)模型，通過評(píng)價(jià)結(jié)果完成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。高建豐等人[4]優(yōu)先計(jì)算不同類型火災(zāi)發(fā)生的概率，同時(shí)將其設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)輸出，使用量子粒子群算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中形成的權(quán)值和閾值分別進(jìn)行優(yōu)化處理，全面提升全局搜索能力，更好完成火災(zāi)預(yù)警。在以上方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)機(jī)器人對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警分析，提出一種實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警方法。經(jīng)仿真分析測(cè)試證明，所提方法能夠有效提升預(yù)警能力，同時(shí)還能夠加快報(bào)警速度，更好預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

2方法

2.1實(shí)驗(yàn)室圖像火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征提取

通過機(jī)器人自帶攝像頭采集實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像，在進(jìn)行邊緣檢測(cè)前期，需要優(yōu)先對(duì)采集到的圖像進(jìn)行Gabor變換。以下詳細(xì)給出Gabor變換[5-6]的具體操作步驟：Gabor濾波器屬于窄帶帶通濾波器，不僅要滿足人眼特征需求，同時(shí)還需要將取值偏高的敏感度刪除，確保機(jī)器人對(duì)圖像的處理量得到有效降低。同時(shí)，通過機(jī)器人能夠獲取實(shí)驗(yàn)室各個(gè)方位的圖像，借助Gabor濾波器可以得到對(duì)應(yīng)的邊緣信息。以下將采用Gabor濾波器對(duì)實(shí)驗(yàn)室圖像進(jìn)行多方位采樣。當(dāng)對(duì)機(jī)器人采集到的實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像進(jìn)行Gabor小波調(diào)制后，能夠獲取實(shí)驗(yàn)室在不同方位和角度的采樣，有效提升特征提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行Gabor變換，獲取對(duì)應(yīng)的Gabor小波系數(shù)；最終，采用Sobel算法對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，有效確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于Gabor濾波器在正常應(yīng)用中，檢測(cè)圖像的邊緣時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)方向一致的特征點(diǎn)[7-8]。為了有效解決上述問題，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過改進(jìn)后的邊緣檢測(cè)流程能夠表示為圖1的形式：（1）使用Gabor變換小波函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波處理，有效濾除噪聲。（2）計(jì)算Gabor小波系數(shù)對(duì)應(yīng)的幅值和相位，進(jìn)而確定兩者的取值范圍。（3）設(shè)定Gabor變換小波系數(shù)對(duì)應(yīng)幅值的最大值取值范圍，對(duì)其進(jìn)行分塊和插值取值，獲取經(jīng)過處理后的圖像S?i,j?。（4）設(shè)定實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像表示為S?i,j?，利用Sobel算子增強(qiáng)火災(zāi)圖像邊緣檢測(cè)結(jié)果，得到圖像N?i,j?。將S?i,j?和N?i,j?兩者融合，即可獲取最終的邊緣檢測(cè)圖像。當(dāng)使用Sobel邊緣檢測(cè)算法提取完實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的邊緣特征后，再使用Hough算法提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像的直線特征，具體的操作步驟如下：（1）將參數(shù)空間進(jìn)行量化處理，形成m?n個(gè)單元，同時(shí)設(shè)定累加器矩陣mnQ?。（2）將參數(shù)空間對(duì)應(yīng)的單元分別放置一個(gè)累積器，同時(shí)將其取值設(shè)定為0。（3）選取二維空間指標(biāo)坐標(biāo)系中的點(diǎn)?,?iixy代入對(duì)應(yīng)的公式中，經(jīng)過量化處理計(jì)算?。（4）對(duì)坐標(biāo)系中的全部坐標(biāo)進(jìn)行遍歷，同時(shí)將得到累加器取值一一進(jìn)行檢驗(yàn)，最終得到映射參數(shù)。在上述分析的基礎(chǔ)上，獲取Hough算法的實(shí)驗(yàn)室圖像的邊緣直線特征：（1）優(yōu)先對(duì)實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像進(jìn)行二值化處理，有效降低圖像參與運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，進(jìn)而獲取圖像K。（2）結(jié)合直線的主方向特征，獲取圖像K的主機(jī)元，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分類。（3）在相同的類內(nèi)，優(yōu)先提取圖像的主基元，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，獲取對(duì)應(yīng)的屬性信息。（4）結(jié)合直線主基元的位置特征，在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，有效提取主基元的鄰近主基元。（5）結(jié)合以上步驟，設(shè)定世界坐標(biāo)系中的中心坐標(biāo)，同時(shí)結(jié)合分類角度設(shè)定對(duì)應(yīng)的約束條件和角度變換范圍。（6）在以上操作步驟的基礎(chǔ)上，對(duì)全部像素點(diǎn)進(jìn)行Hough變換運(yùn)算，獲取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像的邊緣直線特征。將實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像邊緣特征和直線特征兩者進(jìn)行融合，進(jìn)而得到實(shí)驗(yàn)室圖像火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征。

2.2實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警

實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警的目的就是利用機(jī)器人中自帶的單目相機(jī)獲取目標(biāo)物圖像，進(jìn)而確定對(duì)應(yīng)的位姿信息[9-10]。由于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境是比較復(fù)雜的，同時(shí)對(duì)多個(gè)圖像同時(shí)進(jìn)行定位的過程中，信息量會(huì)比較大，處理速度較慢等問題，選取兩幅圖像進(jìn)行定位研究，機(jī)器人單目視覺定位的具體操作流程圖。通過機(jī)器人對(duì)目標(biāo)中的三維信息和二維信息關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，同時(shí)利用機(jī)器人自帶相機(jī)構(gòu)建搜索模型，即小孔成像模型。通過機(jī)器人能夠獲取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像，得到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系??00u,v和?x,y?，分析兩個(gè)坐標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性，得到世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而獲取相機(jī)矩陣。當(dāng)?shù)玫较鄼C(jī)矩陣后，可以利用機(jī)器人單目視覺對(duì)實(shí)驗(yàn)室空間內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定[11]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，當(dāng)建立好機(jī)器人相機(jī)坐標(biāo)系后，需要通過相機(jī)矩陣K獲取世界坐標(biāo)系。在計(jì)算機(jī)器人內(nèi)置相機(jī)中的參數(shù)時(shí)，需要優(yōu)先對(duì)相機(jī)基礎(chǔ)矩陣進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算獲取圖像在空間內(nèi)的投影信息，得到圖像的主要特征信息；同時(shí)還能夠識(shí)別圖像中的異常點(diǎn)，利用匹配點(diǎn)能夠更好完成兩個(gè)特征點(diǎn)的投影，進(jìn)而確保定位結(jié)果的準(zhǔn)確性得到有效提升。將獲取的特征值檢測(cè)結(jié)果應(yīng)用于圖像特征匹配中，這樣能夠獲取完整的圖像細(xì)節(jié)信息，同時(shí)還能夠加快圖像匹配速度。當(dāng)獲取滿意的特征點(diǎn)后即可進(jìn)行匹配，進(jìn)而能夠獲取圖像的基礎(chǔ)矩陣，同時(shí)給出基礎(chǔ)矩陣的相關(guān)約束條件。實(shí)驗(yàn)室圖像對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)矩陣?；A(chǔ)矩陣的計(jì)算需要滿足如下條件：最少含有7對(duì)以上的匹配特征點(diǎn)。在實(shí)際進(jìn)行計(jì)算的過程中，為了獲取更加精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，需要獲取更多的特征點(diǎn)，將錯(cuò)誤匹配的概率降至最低。同時(shí)，選取隨機(jī)采樣一致性算法對(duì)基礎(chǔ)矩陣進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)借助單目視覺的針孔模型計(jì)算火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的位置，最終完成室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警。

3仿真分析

為了驗(yàn)證所提實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警方法的有效性，選取K城市隨機(jī)一個(gè)高校實(shí)驗(yàn)室作為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行測(cè)試分析。以下仿真分析測(cè)試將實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警提前時(shí)間設(shè)定為測(cè)試指標(biāo)，給出詳細(xì)的仿真分析對(duì)比結(jié)果。分析表1中的仿真分析數(shù)據(jù)可知，使用所提方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)，所提方法能夠以更快的速度發(fā)出警報(bào)，而另外兩種方法的時(shí)間比較長(zhǎng)。由此可見，所提方法能夠有效提升火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警效率。在實(shí)驗(yàn)室存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，優(yōu)先對(duì)所提方法的預(yù)警能力進(jìn)行分析，分析使用所提方法前后的實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)預(yù)警能力，具體仿真分析結(jié)果。分析圖3中的仿真分析數(shù)據(jù)可知，在使用所提方法后，當(dāng)火災(zāi)概率接近40%，實(shí)驗(yàn)室就會(huì)發(fā)出警報(bào)，實(shí)驗(yàn)室工作人員在收到警報(bào)后會(huì)及時(shí)制定防護(hù)措施。而未使用所提方法前，實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)概率接近70%才會(huì)發(fā)出警報(bào)。由此可見，所提方法具有較高的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力。為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性，仿真分析選取預(yù)警誤差率、召回率和F1值作為測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。其中，預(yù)警誤差率是通過預(yù)警得到的量值降低參考量值；召回率和F1值主要用來評(píng)估預(yù)警結(jié)果的質(zhì)量，取值越高，說明預(yù)警結(jié)果越準(zhǔn)確。分析圖4中的仿真分析數(shù)據(jù)可知，相比文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法，所提方法的預(yù)警能力明顯更好一些。主要是因?yàn)樗岱椒▽?duì)實(shí)驗(yàn)室圖像火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行了提取，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也說明所提方法能夠獲取比較滿意的預(yù)警結(jié)果。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)已有方法存在報(bào)警延緩以及預(yù)警結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，提出一種實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警方法。研究表明：（1）所提方法能夠有效縮短火災(zāi)報(bào)警時(shí)間，全面加強(qiáng)報(bào)警速度，促使工作人員能夠及時(shí)給出對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施。（2）所提方法還能夠有效提升預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，避免重大事故的發(fā)生。

作者:徐建明 徐達(dá)明 單位:仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室 廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院