丁斗恒，陈彦锟，吴俊涛

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

传统视频分析技术目前已在社会安全等领域广泛应用，但在火焰特征变化规律方面的应用较少。应用传统视频分析技术分析火焰特征变化规律，所得结果更具说服力，可以为火灾案件的侦破提出更加有力的证据[1]。针对目前存在的对视频图像中火焰特征的定量分析较少的问题，本文将视频分析与火灾探测技术相结合，提出视频图像中火焰特征变化规律的分析方法，定量分析火焰各项参数特征及其变化规律[2]。视频图像包含的信息量大，包括客观的起火源、火势大小、起火点等，还能采集烟雾火焰的纹理、颜色、物体形状等信息。因此，视频分析技术在火灾调查领域有巨大发展空间[3]。本文针对监控无遮挡情形，分别对油盘火焰和ABS塑料火焰的颜色、面积增长、质心变化及闪烁频率等特征进行提取、对比和分析，总结不同火焰在视频中的特征变化规律，以实现对不同火焰的识别。

1 试验原理及内容

1.1 试验原理

基于视频分析的火焰特征识别主要依靠火焰图像检测技术、火焰特征提取技术实现。火焰图像检测技术指通过视频检测软件对火焰视频进行检测，再通过机器学习的方式进行识别[4]。火焰特征提取技术是指抽取能反映图像特性的特征，不同的特征用途不同，用于检测和识别时的性能也不同，适用背景也不同，抽取火焰图像的有效特征是完成基于火焰图像的目标检测和识别任务的关键。

火焰图像经过预处理后，将图像中不同灰度或特征的目标区域分离出来，即将火焰部分分离出来，为进一步提取火焰的相关特征奠定了基础。火焰图像的特征提取是进行火焰识别的必要前提，是判断火灾性质和火灾原因的重要基础。

1.2 试验流程

依据普通实体火灾与放火火灾的发生发展特点，设计普通ABS塑料实体火引燃及油盘火引燃等常见火灾形式，每种实体火形式中，根据火源与监控摄像头的关系，利用彩色CCD监控摄像头收集火灾视频，如图1所示。

1.亮度调节装置；2.壁面亮度检测仪；3.彩色CCD摄像头； 4.综合燃烧实验台；5.火源放置位置；6.热电偶图1 彩色CCD摄像头收集火灾视频

具体试验步骤为：(1)在综合燃烧实验台中央布置半径为5 cm、高为5 cm的油盘，引燃模拟室内火灾。在综合燃烧实验台正前方放置一台彩色监控摄像头，监控摄像机的镜头中心高为160 cm。火源(油盘/ABS塑料)距监控摄像机镜头中心的垂直距离为60 cm。(2)监控摄像头与PC端监控服务器通过无线网络相连接，监控视频通过无线网络自动保存至PC服务器。PC端收集到监控视频后，对火灾视频进行拆帧，得到火灾初起、发生和发展的视频图像，对视频进行灰度化、图像增强、图像分割等预处理。完成预处理后，对火焰图像进行特征提取、识别。视频分析结果用于辅助火灾调查人员判定起火部位、起火点，找到起火原因。(3)对比分析所得到的火焰特征数据，分析并寻找规律，得出相关结论。

1.3 火焰特征提取

火焰图像经过预处理之后，将火焰部分分离出来，为进一步提取火焰的相关特征奠定基础。本文采用多特征融合的方法，针对火灾视频中亮点区域较小、背景区域较大的特点，利用预处理的火焰图像，对其进行相关特征提取，以提高火焰种类的识别速度与精度[5]。

火灾发生早期，就图像特征而言，通常有形状不规则、火焰面积大、位置基本稳定、边缘持续抖动等特征。提取火焰图像特征时，主要提取区别性较大的特征，主要为火焰的动静态几何特征、颜色特征及帧与帧之间图像的稳定性[6]。为提高不同火焰的区分度，提高火焰识别的准确率，选择火焰面积增长特性、火焰质心运动特性、火焰形体变化特性、火焰频闪特征及火焰帧间图像相关性等对油盘火及ABS塑料燃烧火焰进行特征提取，并设计分类器进行区分识别。

1.3.1 火焰的HSV颜色特征

颜色是火焰对于人眼视觉系统最直接显著的特征，是进行火焰识别分析的一项重要依据，本文选用视觉感知领域中常用到的HSV模型对火焰颜色进行感知，HSV模型更加类似于人类对颜色的感知方式，如图2所示。

图2 HSV颜色模型

为更加直观地观察两种火焰的HSV颜色特征和各个分量特征，将两种不同火焰的H、S、V分量数据制成表格，如表1所示，并加以对比分析，发现：ABS塑料火焰的H、S值要高于油盘火焰的相应值，但两者数值较为接近；油盘火的V分量大于ABS塑料火焰。造成两种火焰H、S、V值不同的原因在于，油盘火焰和ABS塑料火焰的可燃物不同，其火焰产生机理不同，导致不同种类火焰的HSV出现差别。

表1 火焰的HSV分量

1.3.2 火焰面积增长特性

根据监控摄像头收集到的监控视频来看，火灾初期的发生、发展和蔓延过程，火势发展都是从小到大的蔓延过程。然而，不同种类可燃物燃烧，由于其化学组成不同，在相同环境条件下，其热释放速率不同，燃料表面气化蒸发速率不同，导致材料成分差别较大的可燃物其火焰形貌也不同。因此，火焰图像的面积变化这一特征可以作为火焰识别区分的判据。

油盘火焰和ABS塑料火焰的面积变化规律完全遵循截然不同的规律，油盘火焰面积迅速增高到最高值，然后以“增高-降低”振动方式逐渐减小，最终稳定在0.04左右；ABS塑料火焰面积由0逐渐增大，主要呈现4个阶段：在0～0.000 3阶段缓慢增长，0.000 3～0.000 2阶段短暂下降，0.000 2～0.001 0阶段迅速增长和0.001 0～0.000 8阶段逐渐下降。

1.3.3 火焰质心运动特征

火灾发生过程中，火焰随着可燃物蒸气流动的变化不断发生移动，整体来说火焰是连续移动的，如图3、图4所示。通过质心的变化，可以判定火焰前景图像的移动情况。

图3 油盘火焰质心运动范围

图4 ABS塑料火焰质心运动范围

1.3.4 火焰闪烁频率特征

不同可燃物发生燃烧，火焰都会出现闪烁现象。根据空气动力学原理，火焰闪烁与燃料热流和周围空气的剪切力直接相关。每种可燃物燃烧的火焰发生闪烁，看似没有规律，其实频谱特征有其特有的规律。因此，火焰的闪烁频率特征对于分析识别火焰，判定起火物种类，判断起火原因具有重要作用。

利用Matlab2018a环境，编写相关火焰闪烁频率变化代码，计算并记录两种火焰视频图像中火焰的变化频率，如图5、图6所示。由图可知：油盘火焰的闪烁频率为0.290 3，ABS塑料火焰的闪烁频率为0.112 9。两种火焰闪烁频率产生差别的原因在于：不同可燃物，其物理化学性质不同，发生剧烈的氧化还原反应速率和产物不同，加之空气流场的影响，导致其频率特征大不相同。

图5 油盘火焰闪烁频谱

图6 ABS塑料火焰闪烁频谱

2 结论与分析

通过提取火焰视频图像，应用相关算法，分析了不同火焰的特征，得到结论为：(1)ABS塑料火焰的H、S值要高于油盘火焰的相应值，但两者数值较为接近；油盘火的V分量大于ABS塑料火焰的V分量。(2)油盘火焰和ABS塑料火焰的面积变化规律不同，油盘火焰面积迅速增高到最高值，然后以“增高-降低”振动方式逐渐减小，最终稳定在0.04左右；ABS塑料火焰面积由0逐渐增大，主要呈现4个阶段：在0～0.000 3阶段缓慢增长，0.000 3～0.000 2阶段短暂下降，0.000 2～0.001 0阶段迅速增长和0.001 0～0.000 8阶段逐渐下降。(3)油盘火焰闪烁频率为0.290 3，ABS塑料火焰闪烁频率为0.112 9。(4)油盘火焰质心运动范围较大，ABS塑料火焰质心运动范围较小。

本文根据机器视觉原理对实际火灾现场中监控视频进行了分析研究，得到了不同火焰的HSV颜色、面积增长、质心变化及闪烁频率等相关特征，并进行了对比分析，揭示了在外界环境条件相同情形下，不同可燃物燃烧的火灾动力学过程不同，其在视频中表现出的特征变化规律亦不相同，对不同类型火焰进行区分，预计能较好地辅助调查人员判定起火原因。

实际火灾现场中，视频的清晰程度、外界光线强度、监控的运行状态及监控摄像头的不同类型等都对火焰的特征识别和定位有着较为显著的影响[7]，如何解决上述问题，依旧是火灾调查人员的重大关切。不同可燃物燃烧具有不同的视频特征，建立常见可燃物视频特征库，利用人工智能算法实现火焰的智能识别，是火灾调查人员下一步研究方向。