热成像型森林火灾报警系统设计及其图像处理方法研究.pdf

热成像型森林火灾报警系统设计及其图像处理方法研究
何鹏李春林
（齐齐哈尔大学通信工程系齐齐哈尔161006）

【摘要】本文介绍了一种新型的森林火灾监测系统，着重对其图像处理方法进行了研究。
该系统采用红外成像技术、数字图像处理技术、无线通信技术、计算机控制技术对现场数据
进行快速处理，具有很好的实时性，对森林火灾的预防与及时扑救起到了很重要作用。
【关键字】林火监测红外成像数字图像处理远程监控
1概述

我国目前的林火监测以了望台为主，巡航飞机和卫星测报为辅。了望台通过用肉眼观察
烟雾来发现林火，一般小火时烟雾不易发现，发现时往往已酿成火灾，此时烟雾弥漫很难发
现火灾发生的位置和发展方向。通过观察烟雾测定的数据误差较大，尤其在夜间观测困难。
基于上述不足，了望台探测的精度受到了很大的限制。因此，自行开发本国的林火监测系统
就显得非常必要。本系统综合采用了红外成像技术、嵌入式图像处理技术、无线通信技术、
计算机技术、控制技术对森林火灾进行全天候的监测，能快速的将现场采集到的图像数据经
处理后发送至监控中心，及时的做出决策，可以达到防火和快速灭火的目的。
2系统组成及基本原理

2.1系统框图
在本系统中，我们自制红外摄像头，采用美国TI公司的TMS320C6201作为数字信号处
理器(DSP)对红外图像进行分析处理。在单片机的控制下实现对结果的显示并且将处理后的
图像数据以手机短消息的形式无线发送给监控中心。通过对短消息内容的解码还原原始图
像，很容易做出决策。监控中心计算机装有所有林区的GIS，根据短消息发送来的林区编号，
即可调出该林区的地形图并通知负责该林区的消防人员赶赴现场。整个过程实时性很强，具
有很好的应用价值。系统结构框图如下：

大红短消
高速SRAMDRAM
气外息收
A/D
传摄单发模
输像块
头片

机LED
辐采样控制
双口TMS320C显示
射和信号预
RAM6201DSP模块
源处理

图1系统结构图
2.2红外探火原理：
自然界中的一切物体的温度都高于绝对零度，都会有红外辐射，这是由于物体内部分子
热运动的结果。其辐射能量正比与自身温度的四次方，辐射出的波长与其温度成反比。红外
成像技术就是根据探测到的物体的辐射能的大小，经系统处理转变为目标物体的热图像，以
灰度级或伪彩色显示出来，即得到被测目标的温度分布从而判断物体所处的状态。林区背景
温度一般在－40－60摄氏度，而森林可燃物产生的火焰的温度为600－1200摄氏度，两者
温度相差较大。在热图像中很容易将可燃物的燃烧情况从地形背景中分离出来。根据热图像
的温度分布，我们不仅可以判断火的性质还能探测出火的位置、火场面积、从而估计火势。
2.3DSP工作原理
本系统要求实时处理图像数据，因此本系统采用TMS320C62001。数据处理部分包括一
片DSP，一片双口RAM和两片外部存储器SRAM、DRAM.。模拟信号进入A/D转换器候，
由控制器提供采样控制并将转换后的数字信号存入双口RAM，它为DSP提供数据。DRAM
和SRAM为DSP在进行数据处理的过程中提供存储空间，经处理后的数据可通过接口与主
机交换数据。由于单片机体积小、重量轻很容易应用于现场且具有较好的实时控制功能，故
本系统采用单片机作为主机，TMS320C6201为辅助机作为数字信号处理的核心，完成数字
图像的处理，在单片机的控制下完成数据的显示机图像数据的无线传输。
2.4图像处理：
图像处理是对图像进行运算、加工，使之满足特殊的要求和达到特殊的视觉效果。从红
外摄像头接收到的现场视频信号，其经过数字化之后，表现为具有一定灰度级的黑白热图像，
热图像中每一个点的灰度值都与被测物体上该点的温度相对应。为了增强图像的视觉效果且
有利于人们获得图像中的有用信息，我们对其进行颜色控制。
2.4.1伪彩色编码：
伪彩色编码就是把黑白热图像的各个灰度值按照一定的函数关系映射成相应的彩色，但
对应的温度级别保持不变。因此需要存储灰度－温度转换表。本系统将热图像用16级伪彩
色显示，每级灰度代表某一温度范围。伪彩色相对于黑白热图像来说，对比度增强，更加容
易分析、判断物体的当前状态。
2.4.2图像滤波：
在未经处理的原始图像中都存在一定程度的噪声干扰。噪声恶化了图像的质量，使图像
模糊甚至淹没特性。这里我们采用中值滤波来消除图像噪声，这在热图像中表现伪一些斑点。
二维中值滤波与一维信号的滤波相似，但更能抑制噪声。这种滤波方法没有改变邻域的值域，
处理后的图像不影响温度测量且不用计算，只进行简单的排序取中值即可，因此速度很快。
这里采用十字形滤波窗口。设Fo(x,y)和Fp(x,y)分别为处理前后的图像函数，则滤波函数为：
Fp(x,y)=MID{Fo(x,y),Fo(x,y-1),Fo(x