[논문]화재 조기 인식을 위한 화염 및 연기 검출 알고리즘 개발

박장식; 김대경; 최수영; 이영성

화재 조기 인식을 위한 화염 및 연기 검출 알고리즘 개발
Development of Flame and Smoke Detection for Early Fire Recognition 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.22 no.4, 2008년, pp.27 - 32

박장식 (동의과학대학 디지털정보전자과) , 김대경 (동의과학대학 디지털정보전자과) , 최수영 ((주)에이치엠씨 부설연구소) , 이영성 (한국전력 강원지사)

초록
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본 논문에서는 화재의 조기 감지를 위하여 카메라 입력영상으로부터 화염과 연기를 검출하는 알고리즘을 제안한다. 화염과 연기는 특정 색분포를 가지며 지속적으로 형태가 변화하며 움직인다. 제안하는 화염검출 알고리즘은 화염의 색분포와 영상 프레임간의 변화를 측정하여 후보영역을 설정하고 화염의 움직임벡터를 계산하여 화염을 확정한다. 연기에 의하여 영상의 고주파수 성분이 감소하기 때문에 경계값의 변화는 연기의 중요한 특징이다. 연기검출은 색분포, 영상 프레임간의 변화 그리고 경계를 이용하여 후보영역을 설정하고 움직임 벡터를 계산하여 결정한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안하는 알고리즘으로 화염과 연기를 검출할 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a flame and smoke detection algorithm is proposed to recognize a fire. Flame and smoke have specific color distribution and continuously change shapes of them. In the proposed flame detection algorithm, specific regions are candidated as flame by color distributions and variations of frames of video. Some of candidated regions are decided as flame by the magnitude of motion vector. To determine smoke in the field of view of camera, edge is important because high frequency component is decreased by it. Candidated region of smoke is assigned by color distributions, inter-frame differences and the value of edge. The candidated region is settled as smoke region with magnitude of motion vector. As results of simulations, it is shown that the proposed algorithm is useful for flame and smoke detection.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

화재가 발생한 동영상에 대하여 제안하는 알고리즘으로 화염과 연기를 각각 검출할 수 있음 확인하였다. 멀티미디어용 DSP를 이용하여 제안하는 알고리즘을 구현하고 실시간으로 화염과 연기를 검출하는 실험을 하고자 한다.
피해를 최소화하기 위해서는 초기에 화재를 감지하여 대응하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 조기 화재 검출을 위하여 CCTV 카메라의 영상신호를 처리하여 발화 초기에 화재를 인식하여 경보를 발생하기 위한 화염 및 연기 검출 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 화염과 연기의 영상 특징을 분석하고 화염과 연기를 검출하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 화염 검출알고리즘은 화염 색분포와 배경과 입력 영상의 차를 이용하여 후보 영역을 검출하고 후보 영역의 움직임 벡터를 측정하여 화염을 확정한다.
본 논문에서는 화재 감지를 위하여 입력 영상신호의 색분포와 움직임 특성을 이용하여 화염과 연기를 검출 하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 카메라 입력 영상신호의 색분포를 분석하여 화염과 연기의 색영역을 설정하고 배경(background)과 입력영상의 차를 이용하여 화염과 연기 후보영역을 결정한다.

제안 방법

색분포와 밝기값의 변화를 측정하여 화염 후보영역을 설정하고 화염을 확정하기 위하여 움직임 벡터를 측정한다.⁷⁾ 움직임 벡터 검출을 위하여 다음의 식(5)을 정의한다.
본 논문에서는 화재 감지를 위하여 입력 영상신호의 색분포와 움직임 특성을 이용하여 화염과 연기를 검출 하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 카메라 입력 영상신호의 색분포를 분석하여 화염과 연기의 색영역을 설정하고 배경(background)과 입력영상의 차를 이용하여 화염과 연기 후보영역을 결정한다. 후보 영역 중에서 화염 혹은 연기와 유사한 색을 가진 물체가 움직이는 것에 의한 오검출을 줄이기 위하여 움직임 벡터(motion vector)를 계산하여 최종적으로 화염을 확정한다.
본 논문에서는 화염과 연기의 영상 특징을 분석하고 화염과 연기를 검출하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 화염 검출알고리즘은 화염 색분포와 배경과 입력 영상의 차를 이용하여 후보 영역을 검출하고 후보 영역의 움직임 벡터를 측정하여 화염을 확정한다. 연기 검출은 연기의 색분포, 배경과 입력 영상의 차 그리고 경계값을 측정하여 후보 영역을 검출하고 움직임 벡터 계산을 통하여 연기임을 결정한다.
제안하는 화염과 연기 검출 알고리즘을 검증하기 위하여 촬영된 화염과 연기 동영상⁸⁾에 대하여 각각 화염과 연기를 검출하는 시뮬레이션을 하였다. Figure 7은 화염을 검출하는 시뮬레이션 결과로써 (a)는 색분포로 검출한 후보영역이며 (b)는 추정된 배경이다.
화염 색분포와 입력 영상의 색을 비교하여 화염 후보영역을 설정한다. 화염의 화소 특징은 RGB 색좌표계에서 일반적으로 빨간색 계통이 초록색보다 크고 화염은 주변 환경에 비하여 밝은 분포를 갖는다.
제안하는 알고리즘은 카메라 입력 영상신호의 색분포를 분석하여 화염과 연기의 색영역을 설정하고 배경(background)과 입력영상의 차를 이용하여 화염과 연기 후보영역을 결정한다. 후보 영역 중에서 화염 혹은 연기와 유사한 색을 가진 물체가 움직이는 것에 의한 오검출을 줄이기 위하여 움직임 벡터(motion vector)를 계산하여 최종적으로 화염을 확정한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안하는 알고리즘으로 화염과 연기를 검출할 수 있음을 확인한다.

이론/모형

이에 비하여 Sobel은 계산량이 다소 많지만 입력 영상에 대하여 Sobel의 경계검출이 다른 알고리즘에 비하여 경계가 잘 나타난다. 따라서 본 논문에서는 Sobel 알고리즘을 이용하여 경계를 검출한다.
밝기 변화를 이용한 화염 후보를 검출하기 위하여 배경을 추정하여야 한다. 본 논문에서는 적응적 배경추정 기법(adaptive background estimation)⁶⁾ 을 활용한다.

성능/효과

후보 영역 중에서 화염 혹은 연기와 유사한 색을 가진 물체가 움직이는 것에 의한 오검출을 줄이기 위하여 움직임 벡터(motion vector)를 계산하여 최종적으로 화염을 확정한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안하는 알고리즘으로 화염과 연기를 검출할 수 있음을 확인한다.
화재가 발생한 동영상에 대하여 제안하는 알고리즘으로 화염과 연기를 각각 검출할 수 있음 확인하였다. 멀티미디어용 DSP를 이용하여 제안하는 알고리즘을 구현하고 실시간으로 화염과 연기를 검출하는 실험을 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화염이란 무엇인가?	화염은 화재가 발생하였을 때 초기부터 나타나는 현상으로 화재의 중요한 특징이며 화염 검출은 화재를 감지하는데 중요한 역할을 한다. 화염은 인공조명과 다른 고유한 색분포를 가지며 지속적으로 변화한다.
	나무 혹은 종이에 의한 화재의 특징은 무엇인가?	나무 혹은 종이에 의한 화재는 대체로 흰 연기가 발생하기 때문에 밝기가 밝으며 연기는 채도가 낮기 때문에 색차값이 작은 특징이 있다. 이러한 연기의 물리적인 특징을 반영하여 입력된 색영상에 대하여 연기영역를 판별하는 것은 영상의 화소의 밝기(Intensity)가 식 (8)과 같이 임의의 설정값(예, 최대 밝기가 255 인 경우 120으로 설정) 보다 높고
	화염의 영상 특성을 반영한 화염 검출 알고리즘의 내용은 무엇인가?	① 색분석에 의한 화염 후보 영역 검출 ② 배경 영상과 입력 영상의 차를 이용한 밝기 변화 검출 ③ 움직임 벡터 측정

참고문헌 (8)

S. Noda and K. Ueda, "Fire Detection In Tunnels Using an Image Processing Method", Proceedings of Vechicle Navigation & Information Systems Conference, pp.57-62(1994)
E. D. Breejen, M. Breuers, F. Cremer, R. Kemp, M.Roos, K. Schutte, J. S. de Vries, "Autonomous Forest Fire Detections", International Conference on Forest Fire Research 14th Conference on Fire and Forest Meteorology VOL. II, pp.2003-2012(1998, Nov.)
H. Yamagish, J. Yamaguchi, "Fire Flame Detection Algorithm Using a Color Camera", International Symposium on Micromechatronics and Human Science(1999)
K. Beall, W. Grosshadler and H. Luck, "Smoldering Fire Detection by Image-processing", 12th International Conference on Automatic Fire Detection(2001, March)
박장식, 김현태, 박수창, 손경식, "조명과 환경 변화 에 강건한 화염 검출 시스템", 한국화재소방학회 논문지, 제22권 제1호, pp.68-75(2008)

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R. T. Collins, A. J. Lipton, T. Kanade, "A System for Video Surveillance and Monitoring", Proc. of American Nuclear Society 8th, International Topical Meeting on Robotics and Remote Systems, Pittsburgh, PA(April, 1999)
A. Bruhn, J. Weickert and C. Schnorr, "Lucas/ Kanade Meets Horn/Schunk: Combinig Local and Global Optic Flow Methods", International Journal of Computer Vision, 61(3), pp.211-231(2005)

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B. U. Toreyin, Y. Dedeoglu, and A. E. Cetin, "Wavelet Based Real-time Smoke. Detection in Video," EUSIPCO '05(2005)

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