[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Rauchdetektion anhand eines Videobildes. In
Wohnund Industriegebäuden, Lagerhallen, Museen, Kirchen und dergleichen erfolgt die
Rauchdetektion mit an der Decke des jeweiligen Raums montierten Rauchmeldern, welche
beispielsweise auf dem Prinzip der Lichtstreuung oder Lichtabschwächung durch Rauch
beruhen. In Eisenbahn- oder Strassentunnels hingegen werden praktisch keine Rauchmelder
eingesetzt, weil hier wegen der durch die fahrenden Autos und Züge verursachte Luftbewegung
und Luftschichtung nicht gewährleistet ist, dass der bei einem Brand entstehende Rauch
in nützlicher Frist bis zu an der Decke montierten Rauchmeldern gelangen würde. Daher
werden heute für die Brandüberwachung in Tunnels sogenannte lineare Wärmemeldesysteme
wie beispielsweise das System FibroLaser der Siemens Building Technologies AG, Cerberus
Division verwendet.
[0002] In jüngster Zeit bestehen Bestrebungen, die für die Verkehrsüberwachung in Tunnels
ohnehin vorhandenen Videosysteme zur Rauchdetektion zu verwenden. Da die Videobilder
für einen Betrachter sehr oft uninteressant sind und ausserdem durch Rauch nur sehr
kleine Veränderungen im Videobild verursacht werden, kommt eine Überwachung durch
das Personal an den Bildschirmen nicht in Frage. Wenn überhaupt, kann die Überwachung
nur durch eine automatische Auswertung der Videobilder erfolgen. Bei einem bekannten
Verfahren zur automatischen Untersuchung von Videobildern auf das Auftreten von Rauch
werden die Intensitätswerte der einzelnen Pixel aufeinanderfolgender Bilder miteinander
verglichen. Wenn Intensitätswerte gemessen werden, die für ein helleres, durch die
Anwesenheit von Rauch verursachtes Bild repräsentativ sind, wird auf das Vorhandensein
von Rauch geschlossen und Alarm ausgelöst.
[0003] Bei diesem Verfahren besteht unter anderem das Problem, dass Rauch vor einem hellen
Hintergrund nicht erkannt und selbst Feuer, welches nur wenig Rauch erzeugt, nicht
detektiert wird. Ausserdem können Helligkeitsänderungen, wie sie beispielsweise durch
sich durch das Blickfeld der Kamera bewegende Personen verursacht werden, einen Fehlalarm
auslösen. Dieses Problem hat man dadurch zu lösen versucht, dass man zusätzlich zum
eigentlichen Überwachungsbereich noch einen äusseren Bereich untersucht und bei Änderungen
in diesem äusseren Bereich die Beobachtung des Überwachungsbereichs unterbricht. Dieses
Verfahren hat den Nachteil, dass ein Feuer unter Umständen erst nach einer bestimmten
Verzögerung detektiert wird, und dass Rauchquellen in dem zusätzlich zum Überwachungsbereich
vorgesehenen äusseren Bereich nicht erkannt werden.
[0004] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Video-Rauchdetektionssystem mit mindestens
einer Einrichtung zur Aufnahme von Videobildern und mit einer Signalverarbeitungsstufe,
in welcher eine Bestimmung der Helligkeit der einzelnen Pixel oder von Gruppen von
Pixeln der Videobilder erfolgt.
[0005] Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Video-Rauchdetektionssystem
anzugeben, welches eine rasche und sichere Detektion von Rauch ermöglicht und insbesondere
für den Einsatz in Strassen- und Eisenbahntunnels geeignet ist. Die Rauchdetektion
soll in einem möglichst frühen Stadium der Brandentstehung erfolgen und Fehlalarme
sollen praktisch ausgeschlossen sein.
[0006] Das erfindungsgemässe Video-Rauchdetektionssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung der Helligkeit der Pixel durch einen Prozess erfolgt, bei welchem ein
für die Helligkeit repräsentativer Wert gewonnen wird, und dass eine Untersuchung
des zeitlichen Verlaufs des genannten Wertes auf eine für das Auftreten von Rauch
charakteristische Veränderung erfolgt.
[0007] Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Video-Rauchdetektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Helligkeit der Pixel durch einen
Kantenextraktionsprozess erfolgt, bei welchem jedem Pixel ein Kantenwert zugeordnet
wird.
[0008] Das erfindungsgemässe Rauchdetektionssystem basiert auf der Erkenntnis, dass das
Auftreten von Rauch dazu führt, dass der Kontrast reduziert wird. Bei der Bestimmung
der Helligkeit durch einen Kantenextraktionsprozess werden die Kanten verschmiert
oder sie verschwinden.
Dabei hat dieser Prozess den Vorteil, dass der Kantenwert gegen globale Beleuchtungsänderungen
unempfindlich ist.
[0009] Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Video-Rauchdetektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Pixel ein Vergleich des Kantenwerts mit
einem Mittelwert erfolgt, und dass aus diesem Vergleich ein nachfolgend so genanntes
Zählerbild gewonnen wird, welches das zeitliche Verhalten des Kantenwerts relativ
zum Mittelwert angibt.
[0010] Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Video-Rauchdetektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zählerbild, welches angibt, wie oft die Helligkeit
des betreffenden Pixels über eine bestimmte Zeit im Mittel oberhalb des genannten
Mittelwerts gelegen hat, bei jedem Vergleich des Kantenwerts mit dem Mittelwert aktualisiert
wird.
[0011] Eine vierte bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich
des Zählerbildes mit einem Schwellwert und bei Überschreiten dieses Schwellwerts eine
Aufsummierung eines Initialisierungswertes zu einem aktuellen Wert erfolgt.
[0012] Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekenntzeichnet, dass das hochpassgefilterte
Bild mit dem tiefpassgefiterten Bild verglichen wird. Dies hat unter Anderem den Vorteil,
dass für die Vorverarbeitung ein gängiges Wavelet-Verfahren verwendet werden kann.
[0013] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Video-Rauchdetektionssystems
wird aus dem aktuellen Wert und dem Initialisierungswert ein Quotient gebildet, dieser
wird mit einem Rauchschwellenwert verglichen, und bei Überschreiten des letzteren
erfolgt eine Alarmauslösung.
[0014] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Video-Rauchdetektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Untersuchung der aufgenommenen Videobilder auf
Bewegungen erfolgt, und dass festgestellte Bewegungen unterdrückt werden.
[0015] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen
näher erläutert; es zeigt:
- Fig. 1
- ein Blockschema eines erfindungsgemässen Video-Rauchdetektionssystems,
- Fig. 2, 3
- je ein Flussdiagramm zur Funktionserläuterung; und
- Fig. 4
- ein weiteres Flussdiagramm zur Erläuterung eines optionalen Details des erfindungsgemässen
Video-Rauchdetektionssystems.
[0016] Das erfindungsgemässe Video-Rauchdetektionssystem besteht gemäss Fig. 1 im wesentlichen
aus einer Anzahl von Videokameras 1 und einem gemeinsamen Prozessor 2, in welchem
die Verarbeitung und Auswertung der Signale der Videokameras 1 erfolgt. Die Videokameras
1 sind beispielsweise in einem Strassentunnel montiert und dienen zur Verkehrsüberwachung,
beispielsweise zur Überwachung der Einhaltung der Verkehrsregeln und zur Detektion
von Staubildungen, Unfällen und dergleichen. Die Kameras sind mit einer bemannten
Einsatzzentrale verbunden, in welcher das Verkehrsgeschehen im Tunnel über Monitore
beobachtet wird. Die Prozessoren 2 sind dezentral angeordnet, wobei einer bestimmten
Anzahl von beispielsweise 8 bis 10 Kameras jeweils ein gemeinsamer Prozessor 2 zugeordnet
ist.
[0017] Im Prozessor 2 werden die Videobilder in Pixel zerlegt, den einzelnen Pixeln und/oder
Gruppen von diesen werden Helligkeitswerte zugeordnet und anhand eines Vergleichs
der Helligkeitswerte der Pixel mit einem Referenzwert erfolgt die Entscheidung über
das Vorhandensein von Rauch. Bei der Zuordnung der Helligkeitswerte zu den einzelnen
Pixeln oder Pixelgruppen ist es wesentlich, dass diese Zuordnung von globalen Helligkeitsänderungen,
also Änderungen der Beleuchtung des ganzen Bildes, unabhängig ist. Diese Unabhängigkeit
von der Beleuchtung lässt sich dadurch erreichen, dass man den Pixeln Kantenwerte
zuordnet, welche ja eine Ableitung darstellen. Die Erkennung von Rauch basiert auf
der Annahme, dass die Kanten durch Rauch abgeschwächt werden oder verschwinden.
[0018] Die Signalverarbeitung und -auswertung im Prozessor 2 kann in zwei in Fig. 1 mit
Pixelhelligkeit 3 und Rauchdetektion 4 bezeichnete Funktionsblöcke unterteilt werden.
Entsprechend dieser Aufteilung zeigt das Flussdiagramm von Fig. 2 die Gewinnung der
für die Helligkeit der Pixel repräsentativen Werte (Pixel-Helligkeit 3) und dasjenige
von Fig. 3 deren weitere Untersuchung auf das Vorhandensein von Rauch (Rauchdetektion
4). Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm von für bestimmte Anwendungen (Rauchdetektion in
Innenräumen, wie beispielsweise in Gängen, Foyers und dergleichen) erforderliche zusätzliche
Schritte des Verfahrens gemäss Fig. 2.
[0019] Die von jeder Kamera 1 aufgenommenen Videobilder werden in Pixel zerlegt und digitalisiert,
wodurch für jedes Pixel mit den Koordinaten i und j dessen Intensitätswert I
i,j bestimmt wird, der beispielsweise zwischen 0 und 255 liegen kann. Aus den Intensitätswerten
I
i,j wird für eine bestimmte Gruppe von Pixeln von beispielsweise 3 mal 3 oder 5 mal 5
der Mittelwert M
i,j oder der Median gebildet, oder ein durch eine Tiefpassfilterung gewonnener Wert.
Der Median hat den Vorteil, dass seine Berechnung in 8-Bit erfolgen kann.
[0020] Parallel zur Berechnung des Mittelwerts oder Medians wird aus der Intensität I
i,j ein Kantenwert gewonnen, was durch eine Ableitung oder durch eine Frequenzanalyse
(Hochpassfilterung, beispielsweise Wavelet-Transformation) erfolgt. Die Kantenwerte
K
i,j der einzelnen Pixel können beispielsweise durch Anwendung eines Roberts- oder eines
Sobeloperators ermittelt werden. Man kann aber selbstverständlich für die Kantenberechnung
auch einen komplizierteren Operator verwenden und auf grössere Gebiete wie z.B. 5x5
oder 7x7 Pixel anwenden.
[0021] Dann wird untersucht, ob der Kantenwert K
i,j oberhalb des Mittelwerts oder des Medians liegt. Wenn JA, wird zu einem Wert Z
i,j eine Zahl δ
ob dazu gezählt und der alte Wert Z
i,j wird durch den neuen ersetzt, wenn NEIN, wird von einem Wert Z
i,j eine Zahl δ
un abgezogen und der alte Wert Z
i,j wird durch den neuen ersetzt. Der Wert Z
i,j ist eine Zahl, die angibt, wie oft der Kantenwert und damit die Helligkeit des betreffenden
Pixels über eine bestimmte Zeit im Mittel oberhalb einer bestimmten Schwelle (Mittelwert
oder Median M
i,j) gelegen hat. Diese Zahl Z
i,j wird nachfolgend als Zählerbild bezeichnet. Der Wertebereich von Z
i,j beträgt z.B. 0 bis 255, der Anfangswert von Z
i,j bei der Initialisierung des Systems beträgt 0. Die Zahlen δ
un und δ
ob können gleich oder unterschiedlich sein; beispielsweise können beide gleich eins
sein.
[0022] Das Zählerbild Z
i,j hat einen besonderen Vorteil hinsichtlich der Auswirkung von Bewegungen auf die Kantenwerte.
Wenn sich ein Objekt durch das Bild bewegt, dann bewegt sich auch mindestens eine
Kante durch dieses, und das hat zur Folge, dass das Pixel am jeweiligen Ort der Kante
einen höheren Kantenwert hat, wodurch das Zählerbild Z
i,j um δ steigt. Sobald die Kante das betreffende Pixel verlassen hat, wird das Zählerbild
Z
i,j um δ
un reduziert, so dass sich also in Summe der Durchgang von Kanten durch das Videobild
im Zählerbild Z
i,j der einzelnen Pixel nicht auswirkt.
[0023] Das schliesslich erhaltene Zählerbild Z
i,j stellt also vorzugsweise einen für die Helligkeit des betreffenden Pixels repräsentativen
Wert dar. Bei der Untersuchung des Zählerbildes Z
i,j werden drei Zeitskalen verwendet: Die Frequenz der aufgenommenen Videobilder, beispielsweise
1/25 Sekunde, alle 10 Sekunden nach 255 Bildern und etwa jede halbe Stunde.
[0024] Gemäss Fig. 3 wird das Zählerbild Z
i,j mit einer Schwelle S
Z verglichen. Wenn das Zählerbild Z
i,j unterhalb der Schwelle S
Z liegt, geschieht nichts, wenn es oberhalb der Schwelle S
Z liegt, dann erfolgt eine Summierung, das heisst ein Wert Σ
x wird um 1 erhöht und durch diesen neuen Wert ersetzt. Der Initialisierungswert Σ
x0 wird so gewonnen, dass man bei der Initialisierung mit Σ = 0 beginnt und aufsummiert,
wobei sich nach einer gewissen stabilen Phase von einigen Sekunden ein stabiler Wert
einstellt, der dann als Initialisierungswert Σ
x0 genommen wird. Unter normalen Verhältnissen sollte Σ
x gleich Σ
x0 sein.
[0025] Wenn Σ
x deutlich grösser ist als Σ
x0, dann sind neue Kanten aufgetreten, was dadurch verursacht sein kann, dass sich ein
stehendes Objekt im Bildbereich der Videokamera befindet. Ein solches Objekt kann
in einem Tunnel beispielsweise ein stehendes Auto oder in einem Gang ein in diesem
abgestellter Gegenstand sein; in beiden Fällen wird durch das Objekt ein bestimmter
Bildbereich abgedeckt, was in Fig. 3 mit Abdeckung bezeichnet ist. Im Fall von Abdeckung
wird der Initialisierungswert Σ
x0 neu definiert. Anschliessend wird der Quotient Σ
x/Σ
x0 gebildet und mit einem Rauchschwellwert S
R verglichen. Wenn der genannte Quotient unterhalb des Rauchschwellwerts liegt und
somit Kanten abgeschwächt oder verschwunden sind, wird Alarm ausgelöst.
[0026] Der Vergleich des Quotienten Σ
x/Σ
x0 mit dem Rauchschwellwert S
R ist für eine genaue und fehlalarmsichere Rauchdetektion absolut ausreichend, solange
sich scharfe Kanten im Vordergrund translatorisch bewegen, was in Tunnels in der Regel
immer der Fall ist. Für die Rauchdetektion in Strassen- oder Bahntunnels wird man
also ein System mit der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Funktionalität einsetzen.
[0027] Die Verhältnisse liegen anders, wenn es um die Rauchdetektion in Innenräumen geht,
in denen sich Menschen aufhalten. Man hat festgestellt, dass Menschen, die an einem
Ort stehen und sich miteinander unterhalten, eine Art von oszillierender oder am Ort
hin- und hergehender Bewegung ausführen, die im Unterschied zu einer translatorischen
Bewegung nicht mehr aus dem Zählerbild Z
i,j herausfällt. Problematisch sind auch Bewegungen von Texturen oder Mustern. Diese
Bewegungen führen dazu, dass neue Kanten entstehen, was die Abschwächung oder die
Reduktion von Kanten durch Rauch kompensieren könnte, so dass unter Umständen Rauch
nicht mehr sicher detektiert würde. Allgemein gilt, dass Bewegung in der Regel zu
neuen Kanten führt und eventuell auch Kanten abdeckt, und dass Rauch nicht zu neuen
Kanten führt, sondern Kanten abschwächt. Eine Ausnahme von dieser Regel ist Rauch
in grosser Entfernung, der eventuell zu einer neuen Kante führen kann. Da sich die
von der Kamera am weitesten entfernten Bereiche im obersten Teil des Videobildes befinden,
kann man diesen Effekt durch Ausblenden dieses obersten Bildteils ausschalten oder
man kann die Annahme treffen, dass sich eine durch Rauch gebildete Kante nur sehr
langsam bewegen wird.
[0028] Zur Verhinderung des störenden Einflusses von Bewegungen, wird bei Bedarf das in
Fig. 4 dargestellte Unterprogramm verwendet, welches zur Eliminierung von Bewegungen
dient und von den Kanten K
i,j (Fig. 2) ausgeht. Man könnte grundsätzlich auch von der Intensität I
i,j ausgehen, was aber mit dem Nachteil des Vorhandenseins störender Gleichstromanteile
verbunden wäre. Man bildet die Differenz ΔK
i,j aufeinanderfolgender Bilder und vergleicht diese mit einem Bewegungsschwellwert S
B. Wenn ΔK
i,j unterhalb dieses Schwellwerts liegt, sind keine Bewegungen vorhanden. Bei ΔK
i,j > S
B werden die Pixel, welche diese Bedingung erfüllen, zu Untergebieten zusammengefasst,
aus denen die Bewegung ausgeblendet wird. Letzteres erfolgt dadurch, dass das Zählerbild
Z
i,j nicht aktualisiert und für die genannten Untergebiete das letzte Zählerbild vor der
Bewegung verwendet wird.
[0029] Das Signalrauschen wird durch ein morphologisches Filter (Erodieren) beseitigt. Das
bedeutet folgendes: Das Differenzbild, welches die Anzahl der geänderten Pixel in
den Untergebieten liefert, ist ein binäres Bild. Man fährt mit einem Muster über dieses
binäre Bild und gibt den Pixeln, die sich mit dem Muster decken, den Wert "1". Das
Ende der Bewegung wird dadurch angezeigt, dass die Untergebiete nacheinander aus dem
Bild verschwinden und die Kanten abnehmen.
[0030] Die Alarmauslösung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einer bemannten
Alarmoder Überwachungszentrale, an welche die betreffende Kamera angeschlossen ist,
ein entsprechender Alarm angezeigt wird, welcher das Bedienungspersonal veranlasst,
das von der betreffenden Kamera gelieferte Bild von Auge näher zu analysieren. Die
genannte Zentrale kann beispielsweise eine Polizei- oder Feuerwehrzentrale in einem
städtischen oder regionalen Stützpunkt oder auch die Kommandozentrale eines Strassentunnels
sein.
1. Video-Rauchdetektionssystem mit mindestens einer Einrichtung (1) zur Aufnahme von
Videobildern und mit einer Signalverarbeitungsstufe (2), in welcher eine Bestimmung
der Helligkeit der einzelnen Pixel oder von Gruppen von Pixeln der Videobilder erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Helligkeit der Pixel durch einen Prozess erfolgt, bei welchem
ein für die Helligkeit repräsentativer Wert gewonnen wird, und dass eine Untersuchung
des zeitlichen Verlaufs des genannten Wertes auf eine für das Auftreten von Rauch
charakteristische Veränderung erfolgt.
2. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Helligkeit der Pixel durch einen Kantenextraktionsprozess erfolgt,
bei welchem jedem Pixel ein Kantenwert (Ki,j) zugeordnet wird.
3. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Helligkeit der Pixel durch eine Frequenzanalyse, vorzugsweise
eine Wavelet-Analyse, erfolgt, bei welcher jedem Pixel ein mittels Hochpassfilterung
bestimmter Kantenwert (Ki,j) zugeordnet wird.
4. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Pixel ein Vergleich des Kantenwerts (Ki,j) mit einem Mittelwert (Mi,j) erfolgt und dass aus diesem Vergleich ein nachfolgend so genanntes Zählerbild (Zi,j) gewonnen wird, welches das zeitliche Verhalten des Kantenwerts (Ki,j) relativ zum Mittelwert (Mi,j) angibt.
5. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zählerbild (Zi,j), welches angibt, wie oft die Helligkeit des betreffenden Pixels über eine bestimmte
Zeit im Mittel oberhalb des genannten Mittelwerts (Mi,j) gelegen hat, bei jedem Vergleich des Kantenwerts (Ki,j) mit dem Mittelwert (Mi,j) aktualisiert wird.
6. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich des Zählerbildes (Zi,j) mit einem Schwellwert (SZ) erfolgt und die Anzahl (Σx) Ueberschreitungen gezählt werden.
7. Video-Rauchdetektionssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Untersuchung der aufgenommenen Videobilder auf das Auftreten neuer Kanten erfolgt,
wobei mittels einer Korrelationsrechnung zeitlich beabstandeter Zählerbilder (Zi,j) auf das Vorhandensein neuer Kanten geschlossen wird, und dass beim Vorhandensein
neuer Kanten eine Neudefinition des Initialisierungswerts (Σx0) erfolgt.
8. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem aktuellen Wert (Σx) und dem Initialisierungswert (Σx0) ein Quotient gebildet und dieser mit einem Rauchschwellwert (SR) verglichen wird, und dass bei Überschreiten des letzteren eine Alarmauslösung erfolgt.
9. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Untersuchung der aufgenommenen Videobilder auf Bewegungen erfolgt, und dass
festgestellte Bewegungen unterdrückt werden.
10. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Kantenwerte (Ki,j) der Pixel aufeinanderfolgender Bilder mit einem Schwellwert (SB) verglichen und bei Überschreitung dieses Schwellwerts (SB) auf eine Bewegung in den Bildern geschlossen wird, und dass die betreffenden Pixel
zu Untergebieten zusammengefasst werden, in denen die Bewegung ausgeblendet wird.
11. Video-Rauchdetektionssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausblenden der Bewegung in den Untergebieten dadurch erfolgt, dass für diese
das Zählerbild (Zi,j) nicht aktualisiert wird.