eng
Выпуск #1/2020
В. В. Старцев, В. К. Попов
Мультиспектральная система обнаружения возгорания «ОКБ «Астрон» – технологии и экономика
Мультиспектральная система обнаружения возгорания «ОКБ «Астрон» – технологии и экономика
Просмотры: 2711
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.106.114
Датчики систем пожарной охраны для бюджетного потребителя имеют высокую долю ложных срабатываний. Представлен проект многоспектральной системы обнаружения возгорания, в которой полезный сигнал выделяется на фоне ложных помех путем комбинации сигналов с сенсоров, анализирующих изображения в нескольких
спектральных (видимом, среднем ИК-, тепловом ИК-) диапазонах. Приведены результаты тестовых испытаний.
Датчики систем пожарной охраны для бюджетного потребителя имеют высокую долю ложных срабатываний. Представлен проект многоспектральной системы обнаружения возгорания, в которой полезный сигнал выделяется на фоне ложных помех путем комбинации сигналов с сенсоров, анализирующих изображения в нескольких
спектральных (видимом, среднем ИК-, тепловом ИК-) диапазонах. Приведены результаты тестовых испытаний.
Теги: fire fire protection multispectral detection systems open fire smoldering thermal imaging detector возгорание многоспектральные системы обнаружения открытый огонь пожарная охрана тепловизионный детектор тление
Мультиспектральная система обнаружения возгорания «ОКБ «Астрон» – технологии и экономика
В. В. Старцев, В. К. Попов,
АО «ОКБ «Астрон», г. Лыткарино, Моск. обл., Россия
Статья поступила: 14.01.2020
Статья принята: 28.01.2020
Введение
Обнаружение пожара на ранней стадии его возникновения является ключевой задачей современных систем пожарной охраны. В зависимости от состава горючих материалов и условий окружающей среды пожар на начальном этапе может характеризоваться различными факторами: локальным повышением температуры (тление), наличием дыма, пламени с дымом или только открытого пламени.
Развитие систем видеодетекции пожаров обусловлено в том числе и экономическими факторами: снижением стоимости детекторов, развитием систем беспроводной связи, появлением энергоэффективных систем связи для автономных удаленных систем, возможностью автоматического обнаружения дыма и пламени, как основного фактора, едиными пожарно-охранными системами для контроля протяженных объектов и охраняемого пространства.
Сдерживающим фактором развития автоматических систем детекции огня на протяженных объектах является высокая доля ложных срабатываний. Это обусловлено прежде всего тем, что высокоэффективные тепловизионные детекторы «смотрящего типа» на диапазон 3–5мкм до сих пор являются достаточно дорогими, а применение других детекторов приводит к увеличению ложных срабатываний.
Еще одним недостатком автоматических систем является относительно небольшая дальность обнаружения огня.
Постановка задачи
Увеличение дальности действия с одновременным снижением вероятности ложной тревоги может быть обеспечено путем комбинации сенсоров, анализирующих получаемые изображения в нескольких спектральных диапазонах (видимом, среднем ИК, тепловом ИК). Многоспектральность также обеспечивает отделение полезного сигнала от ложного из-за ламп, солнца, бликов, отражений излучения и пр.
Перспективным направлением развития средств раннего обнаружения пожаров является круглосуточный дистанционный видеомониторинг в нескольких спектральных диапазонах. Преимуществами такого мониторинга является возможность обнаружения пожара на открытых протяженных объектах и пространствах, отсутствие необходимости нахождения датчиков и оборудования в непосредственной близости от потенциального очага возгорания или в контакте с ним, обнаружение пожара в начальной стадии с точным определением координат и места очага возгорания [1, 2].
Решение задачи – система автоматического обнаружения «ОКБ «Астрон»
В АО «ОКБ «Астрон» разработана мультиспектральная система (комплекс) раннего обнаружения возгорания. Основной задачей этого аппаратно-программного комплекса является дистанционное автоматическое обнаружение и мониторинг пожаров встроенной аналитикой, основанной на анализе многоспектрального изображения от сенсоров видимого диапазона (0,5–0,8 мкм) и тепловизионного диапазона (3–5 мкм).
Комплекс имеет возможность круглосуточного контроля обстановки и автоматического обнаружения возгорания в радиусе до 5 км с круговым обзором 360°.
Встроенная аналитика использует для интеллектуального анализа цветовые, температурные и временные характеристики в последовательности кадров двух спектральных диапазонов и интегрирует полученные температурные данные для обнаружения пожара в реальном времени. После получения подтверждения о пожаре связь и передача данных осуществляется по оптоволоконным каналам связи или через каналы мобильной связи, а также транкинговой связи от комплекса к комплексу в пределах прямой видимости.
Разработанный автоматический аппаратно-программный комплекс является автономной оптоэлектронной системой многоспектрального наблюдения с одновременной регистрацией оптического изображения, тепловизионного изображения и такого ключевого фактора пожара, как превышение температуры над фоновой. Комплекс предназначен для раннего обнаружения пожара на протяженных объектах, промышленных предприятиях, объектах транспортной инфраструктуры, в лесном и сельском хозяйстве и т. п.
Многоспектральный комплекс состоит из цветной цифровой видеокамеры, матричных микроболометрических неохлаждаемых тепловизионных фотоприемников на диапазон излучения 3–5 мкм, с полями зрения, соответствующими полю зрения видеокамеры, блоков питания, управления и обработки, помещенных в общий корпус (рис. 1). Изображение в видимом (0,5–0,8 мкм) и тепловизионном (3–5 мкм) совмещаются для целей анализа в обоих диапазонах по технологии «fusion». Суть ее заключается в полном совмещении тепловизионного и телевизионного изображений в одном кадре. В зависимости от погодных условий оператор имеет возможность наблюдать сцену в разных спектральных диапазонах: в видимом 0,35–0,78 мкм, или в тепловизионном 3–5 мкм, или смесь обеих картинок.
Программное обеспечение (ПО) обработки данных совместно использует данные видео, тепловизионного канала и пространственно-временные изменения объектов для классификации областей пожара по вторичным признакам (дыму, нагретому воздуху) и по наличию первичных признаков (открытого огня) в последовательности кадров в реальном времени.
Как показывают расчеты, с расстояния уже 1 000 м очаг пожара размером 2 × 2 м не будет обнаруживаться видеокамерой разрешением 2 МПкс в видимом диапазоне (0,5–0,8 мкм) с углом поля зрения объектива около 30 градусов. Такого размера очаг пожара с температурой 1 500 К будет обнаруживаться видеокамерой на расстоянии не более 150 м.
Видеокамеры оптимально использовать для детекции вторичных признаков пожара (например, дыма). Для увеличения дальности обнаружения открытого огня необходимо использовать фотоприемными матрицы с максимальной чувствительностью в спектральном диапазоне 700–1500 К, чему соответствует спектральный диапазон 3–5 мкм.
Структура мультиспектрального тепловизионного комплекса
Комплекс состоит из 12 двухспектральных камер (0,5–0,8 мкм, 3–5 мкм) с полями зрения, совпадающими в обоих диапазонах, установленных в одном общем корпусе с углами между оптическими осями 30 градусов. Каждая двухспектральная камера имеет совмещение тепловизионного и видеоизображения с интеллектуальным анализом теплового поля.
Анализ в спектральном диапазоне 3–5 мкм производится по модели «появление горячего объекта», превышающего температуру фона, без движения, минимальная площадь объекта 4 м2. Анализ в спектральном диапазоне 0,5–0,8 мкм производится по появлению движения объектов под углами 35–135° к горизонту, отсутствию горизонтальных перемещений, возможно увеличение площади от 100 м2 и более, увеличение высоты объекта выше 5 м. В процессе настройки и тестирования интеллектуальный анализ должен иметь возможность обучения с применением нейросетевых технологий.
Применение интеллектуальной видеоаналитики с трехмерным построением перспективы и калибровкой на дистанции до горизонта, возможностью классификации объектов по параметрам площади, скорости перемещения, направления перемещения исключает возможность применения сканирующих круговых обзорных систем. Для надежной работы алгоритмов автоматического распознавания моделей угрозы и анализа контрастно-фоновой обстановки необходимо фиксированное положение без движения подстилающей поверхности. Данное требование обеспечивается только фиксированным положением оптико-электронных систем и их предварительной калибровкой по месту установки на анализ наблюдаемой сцены.
Для осуществления кругового обзора 360° без возможности кругового сканирования необходимо применение минимального количества стационарных тепловизионных камер на диапазон 3–5 мкм. При угле обзора каждой камеры 30° необходимо использование 12 камер [3,4].
Особенности выбора ФПУ
Фотоприемное устройство (ФПУ) среднего ИК‑диапазона (3–5 мкм), на наш взгляд, наиболее функционально для обнаружения очагов пожаров, поскольку этот диапазон имеет минимальное атмосферное ослабление и максимальную чувствительность в спектральном диапазоне, соответствующем открытому пламени. Излучение очага пожара в этом диапазоне максимально, при этом легкий дым почти прозрачен для излучения в этом диапазоне. Энергетические показатели излучения в спектральном диапазоне 3–5 мкм на несколько порядков выше значений во втором тепловизионном спектральном диапазоне 7–14 мкм. Именно по этой причине диапазон 3–5 мкм используется для детектирования очагов возгорания и открытого огня. Диапазону излучения с длиной волны 3–5мкм соответствуют охлаждаемые тепловзионные фотоприемники на антимониде индия (InSb), а также структурах кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe). Во втором диапазоне излучения 7–14 мкм используются неохлаждаемые болометрические приемники. Стоимость ФПУ на основе болометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb, при этом типичные значения NETD (температурная чувствительность, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур, – Noise Equivalent Temperature Difference), для болометрических матриц составляет 50–100 мК (для ФПУ на основе HgCdTe типичны значения порядка 10–20 мК). Важнейшим преимуществом болометрических инфракрасных детекторов является возможность работы без охлаждения (при температурах около 300 К), в то время как большинство фотонных детекторов действуют при криогенных температурах (обычно не менее 77К).
Спектральный диапазон 7–14 мкм соответствует максимуму в диапазоне температур 30–150 °C. В этом температурном диапазоне возможно обнаружение только нагретых продуктов горения, теплого дыма. Однако в большинстве реальных атмосферных ситуаций и условий горения обнаружение возгорания по сопровождающему его дыму более результативно в видимом диапазоне видеокамерами высокого разрешения. Очень редко возникновение огня происходит без продуктов горения, видимых в диапазоне 0,3–0,8 мкм, соответствующему видимому диапазону. Использование болометрических ФПУ для диапазона 7–14 мкм не обосновано по ранее указанным причинам с учетом максимума спектральной чувствительности: низкой эффективности детекции открытого огня с температурой выше 500 °C, детекции объектов с температурой до 150 °C, в том числе нагретых автомобилей, людей, приводящей к ложным срабатываниям. Возможность детекции теплого дыма и продуктов горения микроболометрическими матрицами диапазона 7–14 мкм на практике идентична возможностям их автоматического обнаружения в видимом диапазоне по нагретым частицам более 1 мкм, образующимся в результате горения и видимым в диапазоне 0,3–0,8 мкм. При этом цена микроболометрических матриц с оптикой на диапазон 7–14 мкм значительно превосходит стоимость камер видимого диапазона [5,6].
Применение охлаждаемых систем, работающих в диапазоне 3–5 мкм, приводит к значительному удорожанию всего комплекса. Единственным неохлаждаемым матричным детектором на диапазон 3–5 мкм является разработанный в «ОКБ «Астрон» детектор Астрон‑64017Д.
Особенности программного обеспечения
Нами установлено, что для уверенной работы комплекса достаточна общая частота анализа сцены до 5 раз в секунду. Снижение скорости совокупного анализа необходимо для полноценного анализа. Ахитектура комплекса с учетом этого параметра позволяет использовать недорогие и надежные стандартные сетевые устройства, не требующие специального ПО. Это оптимально для малой пропускной способности проводной или беспроводной сети при нахождении комплекса в удаленных местах и работы в автономном режиме.
Высокая достоверность обнаружения пожара и низкая вероятность ложной тревоги, а также точность определения координат возгорания достигается как аппаратной частью (в большей степени характеристиками детекторов и ИК‑матриц), так и интеллектуальным алгоритмическим обеспечением. Анализируемое изображение в обоих спектрах характеризуется большим количеством шумов и возмущений. Видимый диапазон подвержен воздействию объектов со схожими параметрами для анализа: тумана, световых бликов, движущихся теней от облаков, солнечной засветки и др. Тепловизионный диапазон характеризуется большим уровнем собственных шумов, собственными флуктуациями температурных полей.
Обнаружение дыма в видимом диапазоне производится на основе анализа динамических и статических свойств видеоизображений. В основе работы детектора лежит алгоритм, включающий следующие основные шаги: предобработка кадров; построение фонового кадра и поиск движущихся областей; обнаружение областей-кандидатов; классификация движущихся областей-кандидатов, выбор и анализ вероятностей классификации события как пожара. Указанные алгоритмы работы интеллектуальной аналитики могут работать только после 3D‑калибровки анализируемой сцены по дальности, размерам, площадям и движению. Трехмерная калибровка анализируемой сцены позволяет определять размеры объектов и дальности в зависимости от расположения объектов относительно горизонта и перспективы, соответствующей фокусному расстоянию объективов. Трехмерную калибровку сцены, а также использование многих алгоритмов видеоанализа невозможно проводить при сканирующих системах, наличии движущейся подстилающей поверхности.
Именно по этой причине обнаружение возгорания оптико-электронными системами с борта беспилотных летательных аппаратов достаточно затруднено и выполняется только с помощью человека. Применение сканирующих систем приводит к удешевлению систем мониторинга для кругового обзора, но не может решать задачи автоматического обнаружения очагов возгорания. При наблюдении днем в хорошую погоду в большей степени используется телевизионное изображение видимого спектра, в ночных условиях и при плохих погодных условиях в изображение больше подмешивается тепловизионного спектра. Преимуществом технологии является более естественная для человеческого глаза картинка поля зрения, меньшая утомляемость оператора, лучшие показатели по обнаружению и распознаванию угрозы безопасности.
Движение рассматривается как первичный признак при обнаружении дыма, и на первом этапе алгоритма для извлечения из текущего кадра медленно движущихся областей применяется метод вычитания фона. Объединение движущихся частей в связные области-кандидаты выполняется с использованием операций математической морфологии и контурного анализа математическими алгоритмами. Отличительной особенностью алгоритма является также то, что классификация областей осуществляется на основе анализа направления их векторов движения, определяемых блочным методом вычисления оптического потока, направленных под углом от 45° до 135° к нижней горизонтальной оси кадра (согласно основному направлению распространения дыма), в то время как наземные объекты (автомобили, люди) двигаются в горизонтальной плоскости с учетом перспективы. Дальнейшие алгоритмы связаны с вычислениями контраста Вебера. Такой подход позволяет достаточно эффективно отличать дым от реальных объектов со схожим поведением. На заключительном этапе блок классификации выдает сигнал тревоги в случае обнаружения дыма. Предлагаемый алгоритм реализован программно с использованием Visual C++ и библиотеки алгоритмов компьютерного зрения и обработки изображений OpenCV [6].
Результаты тестовых испытаний
Для подтверждения возможности детектирования открытого огня были проведены тестовые испытания тепловизионного детектора коротковолнового диапазона (3–5 мкм). Испытания проводились с целью подтверждения возможности детектирования открытого огня размером 2 × 2 м на дистанциях 5 000 м и более.
Открытый огонь имел температуру более 1 500 К и уверенно детектировался на дистанции до 5 000 м. Тестовые испытания показали необходимость обязательного применения интеллектуального видеоанализа.
Выводы
Для обнаружения очагов возгорания и начальных стадий пожаров необходимо использовать детекцию открытого огня, а также дыма и продуктов горения. Для детекции открытого огня с температурой горения или тления более 500 °C используется спектральный диапазон электромагнитного излучения 3–5 мкм. Обнаружение открытого огня площадью 2 × 2 м в проекции в этом диапазоне производится автоматически на дистанции до 5 км фотоприемными матрицами Астрон‑64017Д с максимумом спектральной чувствительности 3–5 мкм. Применение болометрических матриц на спектральный диапазон 7–14 мкм с спектральной чувствительность на температуры до 150 °C нецелесообразно по причине плохой чувствительности к высоким температурам, а применение их для детекции горячего дыма и продуктов горения менее эффективно в сравнении с камерами видимого диапазона, в том числе по параметрам цена-эффективность.
Общая стоимость комплекса для кругового обзора не превышает 7 млн рублей. Данный бюджет возможен только с использованием болометрических матриц на диапазон 3–5мкм, использование охлаждаемых систем для работы в этом диапазоне в комплексе привело бы к значительному увеличению стоимости, примерно в 10 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пономаренко В. П., Филачев А. М. «Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления». – М.: Физматкнига, 2016.
A. Rogalski. Infrared Detectors. − CRC-Press Taylor Francis Group, 2-nd ed., London New York, 2011, 876p.
Филачев А. М. , Таубкин И. И. , Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. − М.: ÍФизматкнига, 2012, 368 с.
Старцев В. В., Попов В. К. , Аношин К. Е.. Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов на базе ИК- и видеосистем. – Фотоника. 2017; 63( 3): 82–96. DOI: 10.22184 / 1993–7296.2017.63.3.82.96.
Кульчицкий Н. А. , Наумов А. В. , Старцев В. В. Неохлаждаемые микроболометры инфракрасного диапазона-современное состояние и тенденции развития. – Нано- и микросистемная техника. 2018; 20(10): 613–624.
http://www.astrohn.com.
Об авторах
Старцев Вадим Валерьевич, к. т.н,
АО «ОКБ «Астрон», https://astrohn.ru,
г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID ID: 0000-0002-2800-544X
Попов Владимир Константинович,
popov@astrohn.ru, АО «ОКБ «Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино,
Моск. обл., Россия.
ORCID ID: 0000-0002-2267-1994
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств АО «ОКБ «Астрон».
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутсвии конфликта интересов.
В. В. Старцев, В. К. Попов,
АО «ОКБ «Астрон», г. Лыткарино, Моск. обл., Россия
Статья поступила: 14.01.2020
Статья принята: 28.01.2020
Введение
Обнаружение пожара на ранней стадии его возникновения является ключевой задачей современных систем пожарной охраны. В зависимости от состава горючих материалов и условий окружающей среды пожар на начальном этапе может характеризоваться различными факторами: локальным повышением температуры (тление), наличием дыма, пламени с дымом или только открытого пламени.
Развитие систем видеодетекции пожаров обусловлено в том числе и экономическими факторами: снижением стоимости детекторов, развитием систем беспроводной связи, появлением энергоэффективных систем связи для автономных удаленных систем, возможностью автоматического обнаружения дыма и пламени, как основного фактора, едиными пожарно-охранными системами для контроля протяженных объектов и охраняемого пространства.
Сдерживающим фактором развития автоматических систем детекции огня на протяженных объектах является высокая доля ложных срабатываний. Это обусловлено прежде всего тем, что высокоэффективные тепловизионные детекторы «смотрящего типа» на диапазон 3–5мкм до сих пор являются достаточно дорогими, а применение других детекторов приводит к увеличению ложных срабатываний.
Еще одним недостатком автоматических систем является относительно небольшая дальность обнаружения огня.
Постановка задачи
Увеличение дальности действия с одновременным снижением вероятности ложной тревоги может быть обеспечено путем комбинации сенсоров, анализирующих получаемые изображения в нескольких спектральных диапазонах (видимом, среднем ИК, тепловом ИК). Многоспектральность также обеспечивает отделение полезного сигнала от ложного из-за ламп, солнца, бликов, отражений излучения и пр.
Перспективным направлением развития средств раннего обнаружения пожаров является круглосуточный дистанционный видеомониторинг в нескольких спектральных диапазонах. Преимуществами такого мониторинга является возможность обнаружения пожара на открытых протяженных объектах и пространствах, отсутствие необходимости нахождения датчиков и оборудования в непосредственной близости от потенциального очага возгорания или в контакте с ним, обнаружение пожара в начальной стадии с точным определением координат и места очага возгорания [1, 2].
Решение задачи – система автоматического обнаружения «ОКБ «Астрон»
В АО «ОКБ «Астрон» разработана мультиспектральная система (комплекс) раннего обнаружения возгорания. Основной задачей этого аппаратно-программного комплекса является дистанционное автоматическое обнаружение и мониторинг пожаров встроенной аналитикой, основанной на анализе многоспектрального изображения от сенсоров видимого диапазона (0,5–0,8 мкм) и тепловизионного диапазона (3–5 мкм).
Комплекс имеет возможность круглосуточного контроля обстановки и автоматического обнаружения возгорания в радиусе до 5 км с круговым обзором 360°.
Встроенная аналитика использует для интеллектуального анализа цветовые, температурные и временные характеристики в последовательности кадров двух спектральных диапазонов и интегрирует полученные температурные данные для обнаружения пожара в реальном времени. После получения подтверждения о пожаре связь и передача данных осуществляется по оптоволоконным каналам связи или через каналы мобильной связи, а также транкинговой связи от комплекса к комплексу в пределах прямой видимости.
Разработанный автоматический аппаратно-программный комплекс является автономной оптоэлектронной системой многоспектрального наблюдения с одновременной регистрацией оптического изображения, тепловизионного изображения и такого ключевого фактора пожара, как превышение температуры над фоновой. Комплекс предназначен для раннего обнаружения пожара на протяженных объектах, промышленных предприятиях, объектах транспортной инфраструктуры, в лесном и сельском хозяйстве и т. п.
Многоспектральный комплекс состоит из цветной цифровой видеокамеры, матричных микроболометрических неохлаждаемых тепловизионных фотоприемников на диапазон излучения 3–5 мкм, с полями зрения, соответствующими полю зрения видеокамеры, блоков питания, управления и обработки, помещенных в общий корпус (рис. 1). Изображение в видимом (0,5–0,8 мкм) и тепловизионном (3–5 мкм) совмещаются для целей анализа в обоих диапазонах по технологии «fusion». Суть ее заключается в полном совмещении тепловизионного и телевизионного изображений в одном кадре. В зависимости от погодных условий оператор имеет возможность наблюдать сцену в разных спектральных диапазонах: в видимом 0,35–0,78 мкм, или в тепловизионном 3–5 мкм, или смесь обеих картинок.
Программное обеспечение (ПО) обработки данных совместно использует данные видео, тепловизионного канала и пространственно-временные изменения объектов для классификации областей пожара по вторичным признакам (дыму, нагретому воздуху) и по наличию первичных признаков (открытого огня) в последовательности кадров в реальном времени.
Как показывают расчеты, с расстояния уже 1 000 м очаг пожара размером 2 × 2 м не будет обнаруживаться видеокамерой разрешением 2 МПкс в видимом диапазоне (0,5–0,8 мкм) с углом поля зрения объектива около 30 градусов. Такого размера очаг пожара с температурой 1 500 К будет обнаруживаться видеокамерой на расстоянии не более 150 м.
Видеокамеры оптимально использовать для детекции вторичных признаков пожара (например, дыма). Для увеличения дальности обнаружения открытого огня необходимо использовать фотоприемными матрицы с максимальной чувствительностью в спектральном диапазоне 700–1500 К, чему соответствует спектральный диапазон 3–5 мкм.
Структура мультиспектрального тепловизионного комплекса
Комплекс состоит из 12 двухспектральных камер (0,5–0,8 мкм, 3–5 мкм) с полями зрения, совпадающими в обоих диапазонах, установленных в одном общем корпусе с углами между оптическими осями 30 градусов. Каждая двухспектральная камера имеет совмещение тепловизионного и видеоизображения с интеллектуальным анализом теплового поля.
Анализ в спектральном диапазоне 3–5 мкм производится по модели «появление горячего объекта», превышающего температуру фона, без движения, минимальная площадь объекта 4 м2. Анализ в спектральном диапазоне 0,5–0,8 мкм производится по появлению движения объектов под углами 35–135° к горизонту, отсутствию горизонтальных перемещений, возможно увеличение площади от 100 м2 и более, увеличение высоты объекта выше 5 м. В процессе настройки и тестирования интеллектуальный анализ должен иметь возможность обучения с применением нейросетевых технологий.
Применение интеллектуальной видеоаналитики с трехмерным построением перспективы и калибровкой на дистанции до горизонта, возможностью классификации объектов по параметрам площади, скорости перемещения, направления перемещения исключает возможность применения сканирующих круговых обзорных систем. Для надежной работы алгоритмов автоматического распознавания моделей угрозы и анализа контрастно-фоновой обстановки необходимо фиксированное положение без движения подстилающей поверхности. Данное требование обеспечивается только фиксированным положением оптико-электронных систем и их предварительной калибровкой по месту установки на анализ наблюдаемой сцены.
Для осуществления кругового обзора 360° без возможности кругового сканирования необходимо применение минимального количества стационарных тепловизионных камер на диапазон 3–5 мкм. При угле обзора каждой камеры 30° необходимо использование 12 камер [3,4].
Особенности выбора ФПУ
Фотоприемное устройство (ФПУ) среднего ИК‑диапазона (3–5 мкм), на наш взгляд, наиболее функционально для обнаружения очагов пожаров, поскольку этот диапазон имеет минимальное атмосферное ослабление и максимальную чувствительность в спектральном диапазоне, соответствующем открытому пламени. Излучение очага пожара в этом диапазоне максимально, при этом легкий дым почти прозрачен для излучения в этом диапазоне. Энергетические показатели излучения в спектральном диапазоне 3–5 мкм на несколько порядков выше значений во втором тепловизионном спектральном диапазоне 7–14 мкм. Именно по этой причине диапазон 3–5 мкм используется для детектирования очагов возгорания и открытого огня. Диапазону излучения с длиной волны 3–5мкм соответствуют охлаждаемые тепловзионные фотоприемники на антимониде индия (InSb), а также структурах кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe). Во втором диапазоне излучения 7–14 мкм используются неохлаждаемые болометрические приемники. Стоимость ФПУ на основе болометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb, при этом типичные значения NETD (температурная чувствительность, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур, – Noise Equivalent Temperature Difference), для болометрических матриц составляет 50–100 мК (для ФПУ на основе HgCdTe типичны значения порядка 10–20 мК). Важнейшим преимуществом болометрических инфракрасных детекторов является возможность работы без охлаждения (при температурах около 300 К), в то время как большинство фотонных детекторов действуют при криогенных температурах (обычно не менее 77К).
Спектральный диапазон 7–14 мкм соответствует максимуму в диапазоне температур 30–150 °C. В этом температурном диапазоне возможно обнаружение только нагретых продуктов горения, теплого дыма. Однако в большинстве реальных атмосферных ситуаций и условий горения обнаружение возгорания по сопровождающему его дыму более результативно в видимом диапазоне видеокамерами высокого разрешения. Очень редко возникновение огня происходит без продуктов горения, видимых в диапазоне 0,3–0,8 мкм, соответствующему видимому диапазону. Использование болометрических ФПУ для диапазона 7–14 мкм не обосновано по ранее указанным причинам с учетом максимума спектральной чувствительности: низкой эффективности детекции открытого огня с температурой выше 500 °C, детекции объектов с температурой до 150 °C, в том числе нагретых автомобилей, людей, приводящей к ложным срабатываниям. Возможность детекции теплого дыма и продуктов горения микроболометрическими матрицами диапазона 7–14 мкм на практике идентична возможностям их автоматического обнаружения в видимом диапазоне по нагретым частицам более 1 мкм, образующимся в результате горения и видимым в диапазоне 0,3–0,8 мкм. При этом цена микроболометрических матриц с оптикой на диапазон 7–14 мкм значительно превосходит стоимость камер видимого диапазона [5,6].
Применение охлаждаемых систем, работающих в диапазоне 3–5 мкм, приводит к значительному удорожанию всего комплекса. Единственным неохлаждаемым матричным детектором на диапазон 3–5 мкм является разработанный в «ОКБ «Астрон» детектор Астрон‑64017Д.
Особенности программного обеспечения
Нами установлено, что для уверенной работы комплекса достаточна общая частота анализа сцены до 5 раз в секунду. Снижение скорости совокупного анализа необходимо для полноценного анализа. Ахитектура комплекса с учетом этого параметра позволяет использовать недорогие и надежные стандартные сетевые устройства, не требующие специального ПО. Это оптимально для малой пропускной способности проводной или беспроводной сети при нахождении комплекса в удаленных местах и работы в автономном режиме.
Высокая достоверность обнаружения пожара и низкая вероятность ложной тревоги, а также точность определения координат возгорания достигается как аппаратной частью (в большей степени характеристиками детекторов и ИК‑матриц), так и интеллектуальным алгоритмическим обеспечением. Анализируемое изображение в обоих спектрах характеризуется большим количеством шумов и возмущений. Видимый диапазон подвержен воздействию объектов со схожими параметрами для анализа: тумана, световых бликов, движущихся теней от облаков, солнечной засветки и др. Тепловизионный диапазон характеризуется большим уровнем собственных шумов, собственными флуктуациями температурных полей.
Обнаружение дыма в видимом диапазоне производится на основе анализа динамических и статических свойств видеоизображений. В основе работы детектора лежит алгоритм, включающий следующие основные шаги: предобработка кадров; построение фонового кадра и поиск движущихся областей; обнаружение областей-кандидатов; классификация движущихся областей-кандидатов, выбор и анализ вероятностей классификации события как пожара. Указанные алгоритмы работы интеллектуальной аналитики могут работать только после 3D‑калибровки анализируемой сцены по дальности, размерам, площадям и движению. Трехмерная калибровка анализируемой сцены позволяет определять размеры объектов и дальности в зависимости от расположения объектов относительно горизонта и перспективы, соответствующей фокусному расстоянию объективов. Трехмерную калибровку сцены, а также использование многих алгоритмов видеоанализа невозможно проводить при сканирующих системах, наличии движущейся подстилающей поверхности.
Именно по этой причине обнаружение возгорания оптико-электронными системами с борта беспилотных летательных аппаратов достаточно затруднено и выполняется только с помощью человека. Применение сканирующих систем приводит к удешевлению систем мониторинга для кругового обзора, но не может решать задачи автоматического обнаружения очагов возгорания. При наблюдении днем в хорошую погоду в большей степени используется телевизионное изображение видимого спектра, в ночных условиях и при плохих погодных условиях в изображение больше подмешивается тепловизионного спектра. Преимуществом технологии является более естественная для человеческого глаза картинка поля зрения, меньшая утомляемость оператора, лучшие показатели по обнаружению и распознаванию угрозы безопасности.
Движение рассматривается как первичный признак при обнаружении дыма, и на первом этапе алгоритма для извлечения из текущего кадра медленно движущихся областей применяется метод вычитания фона. Объединение движущихся частей в связные области-кандидаты выполняется с использованием операций математической морфологии и контурного анализа математическими алгоритмами. Отличительной особенностью алгоритма является также то, что классификация областей осуществляется на основе анализа направления их векторов движения, определяемых блочным методом вычисления оптического потока, направленных под углом от 45° до 135° к нижней горизонтальной оси кадра (согласно основному направлению распространения дыма), в то время как наземные объекты (автомобили, люди) двигаются в горизонтальной плоскости с учетом перспективы. Дальнейшие алгоритмы связаны с вычислениями контраста Вебера. Такой подход позволяет достаточно эффективно отличать дым от реальных объектов со схожим поведением. На заключительном этапе блок классификации выдает сигнал тревоги в случае обнаружения дыма. Предлагаемый алгоритм реализован программно с использованием Visual C++ и библиотеки алгоритмов компьютерного зрения и обработки изображений OpenCV [6].
Результаты тестовых испытаний
Для подтверждения возможности детектирования открытого огня были проведены тестовые испытания тепловизионного детектора коротковолнового диапазона (3–5 мкм). Испытания проводились с целью подтверждения возможности детектирования открытого огня размером 2 × 2 м на дистанциях 5 000 м и более.
Открытый огонь имел температуру более 1 500 К и уверенно детектировался на дистанции до 5 000 м. Тестовые испытания показали необходимость обязательного применения интеллектуального видеоанализа.
Выводы
Для обнаружения очагов возгорания и начальных стадий пожаров необходимо использовать детекцию открытого огня, а также дыма и продуктов горения. Для детекции открытого огня с температурой горения или тления более 500 °C используется спектральный диапазон электромагнитного излучения 3–5 мкм. Обнаружение открытого огня площадью 2 × 2 м в проекции в этом диапазоне производится автоматически на дистанции до 5 км фотоприемными матрицами Астрон‑64017Д с максимумом спектральной чувствительности 3–5 мкм. Применение болометрических матриц на спектральный диапазон 7–14 мкм с спектральной чувствительность на температуры до 150 °C нецелесообразно по причине плохой чувствительности к высоким температурам, а применение их для детекции горячего дыма и продуктов горения менее эффективно в сравнении с камерами видимого диапазона, в том числе по параметрам цена-эффективность.
Общая стоимость комплекса для кругового обзора не превышает 7 млн рублей. Данный бюджет возможен только с использованием болометрических матриц на диапазон 3–5мкм, использование охлаждаемых систем для работы в этом диапазоне в комплексе привело бы к значительному увеличению стоимости, примерно в 10 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пономаренко В. П., Филачев А. М. «Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления». – М.: Физматкнига, 2016.
A. Rogalski. Infrared Detectors. − CRC-Press Taylor Francis Group, 2-nd ed., London New York, 2011, 876p.
Филачев А. М. , Таубкин И. И. , Тришенков М. А. Твердотельная фотоэлектроника. Фоторезисторы и фотоприемные устройства. − М.: ÍФизматкнига, 2012, 368 с.
Старцев В. В., Попов В. К. , Аношин К. Е.. Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов на базе ИК- и видеосистем. – Фотоника. 2017; 63( 3): 82–96. DOI: 10.22184 / 1993–7296.2017.63.3.82.96.
Кульчицкий Н. А. , Наумов А. В. , Старцев В. В. Неохлаждаемые микроболометры инфракрасного диапазона-современное состояние и тенденции развития. – Нано- и микросистемная техника. 2018; 20(10): 613–624.
http://www.astrohn.com.
Об авторах
Старцев Вадим Валерьевич, к. т.н,
АО «ОКБ «Астрон», https://astrohn.ru,
г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID ID: 0000-0002-2800-544X
Попов Владимир Константинович,
popov@astrohn.ru, АО «ОКБ «Астрон»,
https://astrohn.ru, г. Лыткарино,
Моск. обл., Россия.
ORCID ID: 0000-0002-2267-1994
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств АО «ОКБ «Астрон».
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутсвии конфликта интересов.
Отзывы читателей
