基于图像识别的嵌入式智能防火报警系统的科研申报书.docx
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基于图像识别的嵌入式智能防火报警系统的科研申报书
520.50
学科分类号（二级）
项目编号
云南师范大学大学生科研训练基金项目
书申请
防火报警系统基于图像识别的嵌入式智能项目名称
项型重点目项目类
1500申请金额
自然科学项目类别
申请者
院所在学
联系电话
箱子电信
指导教师
云南师范大学教务处．
填表说明
一、填写《申请书》前，请先查阅《云南师范大学大学生科研训练基金管理办法》和相关通知。
二、申请书各项内容，必须实事求是，表达要明确严谨，并要求用打印。
对于填写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者，不予受理。
三、项目类型：
选填重点项目或一般项目。
四、项目类别：
选填自然科学或社会科学。
五、“项目性质”和“项目来源”栏需在选项前方的括号内填入相应代码。
六、封面的项目编号由教务处统一编写。
七、打印格式：
（一）纸张为A4大小，双面打印；
（二）文中小标题：
五号、黑体；
（三）栏内正文：
五号、宋体。
八、上报《申请书》一式二份（至少含一份原件）。
申请项目获准后，《申请书》由学校签署意见并保存一份，另一份返回学院存档。
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基本信息
．项目情
项目名基于图像识别的嵌入式智能防火报警系
项目性、基础研、应用研项目来、自主立、教师指导选起止时12011201．申请者情性年民姓XXX
专学学
项目研究联协调分配项目管理，控制进度，关键承担的主电代码撰写，火焰识别算法的研任
xx学习认真，态度端正，有较强的自主学习能力。
通过了初级个人简序员考试参加过去年的工程实训实验室管理信息系统科研项目的代（学习编写
研究自学javJ2EOpenC框架C+等技术，对数据库有一定历了解
在上学年中专业成绩位居全班第一，综合测评成绩也居全班第一学习成荣获过国家励志奖学金，被评为过党委宣传部网络宣传教育办公“秀成员、冬季运动会“优秀通讯员、云南师范大学“优秀学生干部奖罚情等称号。
通过了计算机技术与软件专业技术资格考试的程序员考试
发表论尚情
．项目组成员情
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序在项目中学号所学专业姓名名签号的分工
管分协调配项目
关理，控制进度，
1
火键性代码撰写，
研法的焰识别算
究
视频网络传输，
系
2
统客户端与服务
开发环境的搭建，
器的实现
内核的裁Linux3
视频网剪和移植，络传输
一、研究目的）（研究主攻方向、拟解决的主要问题，用一、两句话简洁明确说明。
平台，综合计算机图像识别技术、嵌入式系统技术、计算机网络UP_Magic6410在技术等多项技术设计一个基于图像识别的智能防火报警系统，实现了智能火灾监控，自动报警，网络视频监控，系统用户交互等功能。
二、立项依据（包括科学意义和应用前景，国内外研究概况、水平和发展趋势，学术思想，立论依据，特色或创新之处，主要参考文献目录和出处。
）研究背景和意义1.
随着经而近几年来，人类社会发展到今天，火灾依然是威胁人类生命安全的重大灾害。
矿井工人夜以继日的各种高层的综合性建筑群体不断涌现；由于资源紧缺，济的高速发展，劳作；为保证社会主义现代化建设，各地都在积极地修建高速公路。
而在高层建筑、矿井、隧道、厂房中，由于人口密集，财产集中，其消防问题尤为突出，大空问建筑火灾、矿井火灾、隧道火灾等频繁发生，对国家和人民群众的财产、生命安全，以及生态环境等造成了极大的危害。
随着计算机技术的发展，图像识别、图像处理技术应用到各行各业，对建筑物内火灾
的识别，传统的方法是使用感烟、感温、感光探测器以及红外对射探测器。
如果用摄像机采14
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集到的图像信息通过一定的处理之后进行火灾火焰的识别，无疑能为工程建设节省部分投资并具有广阔的应用前景。
图像探测的优点在于图像信息的丰富和直观，大大增加了判别的可靠性。
同时，通过对控制区域的实时监测，可在火灾发生的最初阶段做出迅速的反应，并进行实时分析和后处理，可以大大缩短预警时间，有利于实现火灾的早期预报和控制。
2.国内外研究综述
近年来，火灾科学界正逐渐将注意力转移到火灾现象本身和深层次的机理研究方面，并已经取得一定的成果。
20世纪80年代后，火灾探测算法与人工智能、自动化和信号处理技术等其他技术的广泛融合推动其自身发展。
2.1国外研究现状
国外对图像型火灾探测技术的研究开展的比较早，且有的已经成功应用到实际工程中。
CappelliniV等在1989年最早提出构建火焰的RGB颜色模型。
依据R颜色分量的饱和度和火焰动态特征来获取火焰像素点。
当火焰像素点数目高于某一阈值时报警。
HealeyG等在1993年提出采用火焰的光谱/空间/时序属性来获取火焰区域。
与紫外/红外图像比较，此文献提出方法能减小误报率，或与更多的信息。
如：
火焰位置，大小、增长率。
Thou-HoChen等在2004年使用火焰的颜色和运动信息来定位火灾。
采用高斯光滑颜色表侦测具有火焰色彩的像素点。
用腐蚀消除干扰噪音，用区域增长提高精度，发现遗漏的火焰像素点。
特点是可以用于相机，场景或火焰移动的情况。
CelikT等提出一种把统计颜色信息与前景信息整合方法来检测火焰。
Tai-FangLu等在2006年对线形判定技术（lineardiscriminatetechnique）和逻辑回归方法（logistic
regression）进行比较，选取逻辑回归方法用于分割火焰区域，构建火焰特征模型。
2.2国内研究现状
火灾检测是国内最近几年的一个研究热点，有大量相关论文发表。
国内研究方向偏向于整合多种传统火灾检测参数（感光、感烟、感温），再在此基础上通过神经网络对参数进行判定。
但图像型感焰探测方面的研究比较少。
其中又以中国科技大学的火灾科学国家重点实验室、西安交通大学、上海交通大学、东北林业大学等学校的研究比较领先，并在工程实践中提出了一些新算法。
许维胜提出基于图像视觉特征的火灾自动识别，提取了火灾图像的色彩特征和小波特征，利用小波变换将信号分解到不同的频带上进行分析处理，然后利用神经网络通过有监督的学习图像特征向量达到识别目的：
宋卫国等提出基于BP神经网络的火灾图像探测方法，利用早期火灾火焰形体变化特性，用图像处理的方法提取特征信息，最后利用人工神经网络来14
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进行火焰识别；以上算法都需要用大量各类型火灾火焰图片进行训练，识别的效果与学习所使用的图像库有很大关系：
张进华等提出一种基于视频多特征融合的火焰识别算法，结合火焰的静态和动态特征，设计了一种多特征融合的火焰识别算法，对火灾进行快速判别，基于信任度模型简历了火焰识别的传统模型，以疑似概率反映视频图像中出现火焰的几率，准确性高，抗干扰能力较强；
沈诗林提出基于图像处理的火灾火焰闪烁频率识别方法研究。
提取运动区域的面积、质心距、周长、面积周长比等视觉特征，并利用快速傅罩叶变换对这些特征进行频率分析，得到火焰的闪烁频谱；
安至伟引研究了基于统计模式识别技术的静念火焰图像的分类技术，在火焰信号测量中，利用短时傅里叶变换，通过对信号的分析，深入探讨了火焰的频谱特性。
3.发展趋势
对于传统火灾探测技术都把火灾过程中的某个特征物理量作为检测对象。
近年来，火灾科学界逐渐将注意力转移到火灾现象本身和深层次的机理研究方面，随着对火灾过程和机理研究的不断深入，我们可以从一个新的角度考察火灾现象和火灾过程。
将基于感温、感烟、感光的火灾探测模式发展成基于实时影像的火灾探测模式，将影像测量、图像处理、计算机多媒体等新兴技术应用于火灾探测中来。
图像型火焰探测技术关心的是火灾中各种物理现象在图像上的表现，以及这些图像表现在多大程度上代表火灾的典型特征而明显区别于火灾以外的其他物理现象。
图像型火灾探测技术针对性地克服常规火灾探测技术的一些主要弱点，基本消除复杂、恶劣环境因素对火灾探测系统的影响，作为控制面积大、适用于大空间（包括开放空间）的一种可靠的火灾监控技术，在当前火灾形势日益严峻的今天，其经济效益社会效益都是十分巨大的。
参考文献：
[1]王殊，窦征。
火灾探测及其信号处理．武汉：
华中理工大学出版社，1998．
[2]许维胜，田长征，方盛明．基于图像视觉特征的火灾自动识别[J]．计算机工程，29（18）：
112—113．
[3]沈诗林．基于图像处理的火灾火焰闪烁频率识别方法研究．中国科学技术大学硕士学位论文．2008．
[4]安至伟．图像型火灾监控技术若干问题的研究．中国科学技术大学硕士学位论文．2008．
[5]博创科技.UP-Magic6410魔法师实训平台实验指导书[M].2011
[6]杨亚雄.嵌入式Linux网络视频监控系统研究与实现[D].武汉：
武汉理工大学，2008
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[7]CappelliniV,MattiiL,MecocciA.Anintelligentsystemforautomaticfire
detectioninforests.ImageProcessinganditsApplications,1989.,Third
InternationalConferenceon18-20Jul1989:
563~570
[8]HealeyG,SlaterD,LinTA.D.Asystemforreal-timefiredetectionComputer
VisionandPatternRecognition,1993.ProceedingsCVPR'93.,1993IEEEComputer
SocietyConferenceon15-17June1993:
605~606
[9]Thou-HoChen,Ping-HsuehWu,Yung-ChuenChiou.Anearlyfire-detectionmethod
basedonimageprocessing.ImageProcessing,2004.ICIP'04.2004International
ConferenceonVolume3,24-27Oct.2004,3:
1707~1710
[10]CelikT,DemirelH,OzkaramanliH,etc.FireDetectioninVideoSequencesUsing
StatisticalColorModel.Acoustics,SpeechandSignalProcessing,2006.ICASSP2006
Proceedings.2006
研究内容（说明研究项目的具体内容）三、1.嵌入式Linux系统的构建
要使Linux操作系统在嵌入式系统中运行起来，就必须把Linux移植到各种嵌入式处理器平台上，这样才能应用于实际的产品。
嵌入式Linux的构建主要涉及BootLoader的移植，Linux内核的裁剪与移植，文件系统的构建等。
2.火焰图像识别算法研究
图像的火焰识别程序是本系统的重点，它完成了本系统的智能火灾监控的功能，其算法也较为复杂，关键在于解决如下问题：
（1）如何从自然环境中消除背景的各种干扰，提取出火灾火焰？
（2）在火灾的典型特征中，哪些适合用作火灾判据？
如何形成实用的判据？
（3）如何合理地组合多重判据，以形成最终的综合判据？
3.嵌入式Web服务器的构建
本系统设计采用B/S结构，监控者通过浏览器查看监控信息，对监控系统进行设置等，为此，需要一个web服务器。
在系统设计中需要对嵌入式web服务器进行深入分析，以便搭建出一个适合系统的需要的服务器。
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四、研究方法和技术路线（包括理论分析、计算、实验方法和步骤及可行性论证，可能遇到的问题和解决办法）
1.研究方法：
（1）小组内进行需求分析，要对计划的功能如何实现有个大致的构思，确定系统结构框架。
（2）根据系统的需求和结构进行人员分工，各成员根据自己负责的模块进行资料查询，详细设计，完成自己的模块。
（3）最后将各模块进行封装整合，形成完整的系统。
2.可行性分析：
（1）开发环境：
该系统以ARM11开发板为开发平台，基于linux系统进行开发，ARM与linux的组合是当前嵌入式系统开发的主流，资料丰富，适合系统设计需求。
（2）视频采集:
视频采集是本系统的重点，linux下的视频采集主要是通过video4linux（简称V4L）视频设备内核驱动完成的。
它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行的TV卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。
本系统的视频采集部分就是用USB摄像头通过v4l驱动的相关编程实现。
（3）图像识别技术：
基于图像识别的火焰识别是本系统最特别、最新颖也是最难实现的部分。
计算机图像识别技术到目前已经在许多领域受到了广泛重视并取得了开拓性成就。
这些领域有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、军事制导等，有些图像识别技术如：
指纹识别、人脸识别、虹膜识别等已经很成熟。
而基于图像识别的视频烟火检测系统在国外得到了非常广泛的应用。
本系统的的火焰图像识别将基于Intel开源计算机视觉库Opencv进行开发。
OpenCV全称是OpenComputerVision，是指开放的计算机视觉资源代码，它由一系列C函数和少量
C++类构成，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。
拥有包括300多个C函数的跨平台的中、高层API。
它不依赖于其它的外部库——尽管也可以使用某些外部库。
并且对非商业应用和商业应用都是免费（FREE）的。
它具有统一的结构和功能定义、强大的图像和矩阵运算能力、方便灵活的接口等特点，是计算机视觉、图像处理和模式识别等方面进行二次开发的理想工具。
（4）网络传输：
几乎所有的视频监控系统，都具有网络传输部分，这部分主要是把采集到的监控视频进行编码压缩后，通过网络传给用户。
本系统采用B/S结构，结合嵌入式web服务器boa和网络视频服务器mjpg-streamer实现监控视频的网络传输。
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经过以上的分析，由于我们的知识、技术基础很低，对我们来说系统开发过程虽然很复杂，但涉及的技术并不是不能实现，所有涉及的技术都是有很好的理论支持和有很多资料可以查询，只要多付出点努力是可以做出来的。
3.可能遇到的问题：
（1）开发环境配置以及引用库函数引起冲突。
（2）缺少系统硬件驱动获不兼容问题。
（3）火焰识别的低识别和误识别问题。
（4）视频传输的稳定性问题。
4．解决方案：
查询相关文档书籍，借助互联网查阅相关资料，如若还不行，小组内分开测试，直到通过为止，如果确实找不出问题，换用其它方法继续开发。
五、主要特色与创新点
本系统作为基于图像识别的智能防火报警系统，其基本设计方案是针对传统的传感火灾探测器的不足改进而来，而在整体设计时，我们除了防火报警的功能外，还增加了很多特色的功能，这使得整个系统功能不是那么单一，而是更加完善，更加人性化，更加方便用户使用。
总的来说，本系统的特色之处有以下几点：
1.火灾识别不再基于传感器而是基于图像识别
与传统的传感火灾探测器相比本体统通过视频图像检测火焰，采集火情信息。
系统自动分析、识别视频图像内的火焰，产生告警信息，在数秒内完成火灾探测及报警，大大缩短了火灾告警时间。
图像探测的优点在于图像信息的丰富和直观，大大增加了判别的可靠性。
同时，通过对控制区域的实时监测，可在火灾发生的最初阶段做出迅速的反应，并进行实时分析和处理，有利于实现火灾的早期预报和控制。
而且利用图像识别火焰来判断火灾，在空间范围上将不会有很大的限制，通过视频监控，人们还可以及时了解现场状况，对于指挥消防灭火也有很大的帮助。
2.多种自动报警机制实时报警
系统以LED蜂鸣器作为本地报警器，如有火灾发生，LED蜂鸣器会自动打开发出蜂鸣声，提醒用户进行确认，如果你原理监控区，你也不用着急，因为我们有GSM14
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短信远程报警，通过短信你一样可以了解到监控信息。
在客户端会显示识别出的火灾图像以提醒用户。
3.网络视频监控与智能火灾监控完美结合
监控端可以自动识别火灾图像，自动报警，做到智能火灾监控，用户也可通过客户端随时查看实时监控视频，监控除火灾外的其他情况。
智能火灾监控是由监控端系统自动完成，而网络视频监控则是将监控视频传到本地，用户可以通过浏览器登录实时查看监控信息，对监控目标实行人为监控。
4.B/S结构使系统的使用更加方便
本系统采用B/S结构，客户端就是浏览器，可以实现跨平台使用。
监控者通过浏览器可以登录到监控模块，查看监控信息，也可对监控模块进行自定义设置，其监控界面美观，友好，操作简单，容易使用。
六、研究工作计划安排（在研究工作期限内，按月阐明研究工作具体内容）
时间（月）
安排
十二、审批情况．项目所在学院意见1院所能提供的支持条件等签署具体意见）
2012.12-2013.12013.2-2013.3
2013.4-2013.7
对本《申报书》中各项内容的真实性、经费预算的合理性及本（
根据系统设计需求广泛查询资料，了教务处（代章）
解相关技术
确定开发流程，搭建开发环境开始系统各模块的开发工作：
年
月日
2013.8-2013.102013.11-2013.12
代码测试，修正编写文档，清空所有测试数据，系统
BUG，系统完善与集成开发结束
七、预期成果（成果提供的形式：
论文、设计、产品研制、软件开发、专利、研究或调研报告、课件等。
如系理论成果，必须写明在理论上解决哪些问题及其科学意义；若系应用性成果或基础性资料，必须写明其应用前景及到达的技术指标）
本设计为实现一个完整的基于图像识别的智能防火报警系统，将实现以下功能：
1.智能火灾监控
此功能是本系统最主要的功能，其“智能”二字就明确的给出了要求，即系统对火灾要14
/10
有自动识别的功能，而不仅仅是采集监控视频，最重要的是要能够对采集到的图像进行各种分析处理，从而判断出有没有火灾发生。
而且其识别率也不能太低，否则就不能叫智能了。
总之，此功能就是要实现自动采集监控图像，自动对采集到的图像进行分析处理，自动识别出火灾信息。
2.自动报警
当应用程序识别到火灾信息时，能够自动发短信给用户报警，并且打开蜂鸣器报警，当然报警的短信内容和号码用户可以自己设置。
3.网络视频监控
具体功能就是监控模块可以将采集到的监控视频和得到的火灾图像通过网络视频服务器传送到控制中心，用户可以在监控中心的屏幕上实时了解到监控区域的信息。
4.交互功能
本系统采用B/S结构，用户的交互是通过浏览器进行的。
首先用户在浏览器地址栏里输入系统服务器的地址，然后进入登陆页面，需要填写用户名和密码才能登陆。
当然系统会提供一个默认的超级用户，第一次使用超级用户登陆后，超级用户可以再添加其他用户，添加完成后，其他用户即可登陆。
八、实现本项目预期目标已具备的条件（包括与本项目有关的前期研究工作基础，已具备的研究条件）
1.嵌入式系统的成熟和火焰图像算法研究的发展都为本系统的设计提供给了最基本也是最好的支持。
2.Linux、Opencv等其他各种开源软件在嵌入式系统中广泛应用，资料丰富齐全，使得系统的开发和在解决设计中的问题时更容易。
3.学院提供“魔法师”创意实训套件，为本设计提供了硬件平台。
九、资助经费使用计划
经费使用计划金额14
/11
200打印费600资料购置费
700
材料购置费
十、项目申请者承诺：
我承诺对本人所填写的各项内容的真实性负责，如获准立项，我承诺以本表为有约束力的协议，遵守《云南师范大学大学生科研训练基金管理办法》的有关规定，按计划认真开展研究工作，取得预期研究成果。
:
申请者（签章）
12日2012年10月
十一、指导教师情况指导工作年名签院学位职称名姓学龄的分工
14
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导教师科研项目情况1．指
．指导教师能否提供实验场地，如何解决实验场地的问题2
．指导教师意见及具体的指导计划3
日学院公章：
负责人签名：
年月14
/13
．专家审核意见2（是否同意由“大学生科研训练基金”提供资助，对资助额度签署具体意见）
日组长签名：
年月3．学校意见
14
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升级会员 