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조기 화재 경보 시스템을 위한 비디오 기반 연기 감지 방법
A Smoke Detection Method based on Video for Early Fire-Alarming System 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part B. Part B, v.18B no.4, 2011년, pp.213 - 220  

퉁트룽 (울산대학교 컴퓨터정보통신공학부) ,  김종면 (울산대학교 컴퓨터정보통신공학부)

초록
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본 논문은 조기 화재 경보 시스템에서 예측하지 못한 위험요소들의 이벤트에 즉각 응답하는 비디오 기반의 효과적인 4단계 연기 감지 방법을 제안한다. 첫 번째 단계에서는 근사 미디언(approximate median) 방법을 사용하여 비디오의 현재 프레임에서 움직이는 영역들을 분리한다. 두 번째 단계에서는 연기의 칼라 기반 분리 기법을 사용하여 이러한 움직이는 영역들로부터 후보 연기 영역을 선택한다. 세 번째 단계에서는 특징추출 알고리즘을 사용하여 연기의 움직임이나 지역 불규칙성과 같은 후보 연기 영역들의 특징을 분석하여 연기의 다섯 가지 특징 파라미터를 추출한다. 네 번째 단계에서는 추출된 다섯 가지 특징 파라미터를 K-nearest neighbor (KNN) 알고리즘의 입력으로 사용하여 후보 연기 영역이 연기인지 아닌지를 구분한다. 모의실험 결과, 제안하는 4 단계 연기 감지 방법은 기존의 연기 감지 알고리즘들과 비교하여 연기감지의 정확도에서 우수한 성능을 보였고, 또한 오픈된 넓은 공간에서도 높은 신뢰성과 낮은 오류 경보율을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes an effective, four-stage smoke detection method based on video that provides emergency response in the event of unexpected hazards in early fire-alarming systems. In the first phase, an approximate median method is used to segment moving regions in the present frame of video. In ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • Depending on the location of the matched search block, we can calculate the number of the matched search blocks within four different sections based on the center of the coordinate as shown in (Figure 5): MSPAS (the number of MSBs in the above section), MSPUS (the number of MSBs in the under section), MSPLS (the number of MSBs in the left section), and MSPRS (the number of MSBs in the right section). We then calculate two parameters to be used as an input for the KNN algorithm: RAU (the rate of MSPAS versus MSPUS) and RLS (the rate of min(MSPLS, MSPRS) versus max(MSPLS, MSPRS)), which are defined as follows:
  • With many simulations in several video clips, we select optimal parameters for the proposed method as follows: the threshold T equals to 5, and the number of nearest neighbours equals to 9. For this study, we extract 5000 training samples from several different kinds of video clips, such as smoke (called positive video), non-smoke (called negative video), indoor smoke, and outdoor smoke. In addition, we evaluate the performance of the proposed algorithm with six different video clips as shown in (Figure 7).
  • An efficient target-tracking based early fire smoke detection in video was proposed in [7]. In this algorithm, three effective static and dynamic smoke visual features were used in addition to combination of temporal and spatial characteristics of smoke. However, the authors only assessed the brightness consistency of smoke.
  • In this paper, an effective, four-stage smoke detection approach with video was proposed for early fire-alarming systems. The proposed approach employs an approximate median method to segment moving regions in each video frame in the first stage, a segmentation method to select candidate smoke regions from these moving regions in the second stage, a feature extraction method to extract feature parameters of smoke in the third stage, and the K-nearest neighbor (KNN) method to identify whether the candidate smoke regions are smoke or non-smoke in the final stage of the proposed approach. Experimental results showed that the proposed approach outperforms other two state-of-the-art smoke detection algorithms in terms of smoke detection accuracy.

이론/모형

  • The proposed approach employs an approximate median method to segment moving regions in each video frame in the first stage, a segmentation method to select candidate smoke regions from these moving regions in the second stage, a feature extraction method to extract feature parameters of smoke in the third stage, and the K-nearest neighbor (KNN) method to identify whether the candidate smoke regions are smoke or non-smoke in the final stage of the proposed approach. Experimental results showed that the proposed approach outperforms other two state-of-the-art smoke detection algorithms in terms of smoke detection accuracy. It can also detect both indoor and outdoor smoke with high reliability and low false alarm rate.
  • Many different methods have been proposed in the background subtraction in which each method has different strengths and weaknesses in terms of performance and computation time [10]. In this study, an approximate median method is used to detect moving regions because it provides high efficiency with low computational time. A detailed description of this method is given in [11].
  • 3, we can extract a feature vector of each frame that consists of five parameters, such as Xi ={MA, VA, RS, RAU, RLR}. This feature vector is used as an input for the K-nearest neighbor (KNN) algorithm to distinguish between smoke and non-smoke. The KNN algorithm is a supervised learning technique that has been widely used in many applications in the field of data mining, image processing, computer vision, and pattern classification [13],[14].
  • These algorithms have limited application and insufficient robustness. To eliminate these shortcomings and to enhance the performance of smoke detection, an effective smoke detection method that utilizes a combination of static and dynamic features of color smoke in addition to a K-nearest neighbor (KNN) algorithm.
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참고문헌 (14)

  1. W. Jones, "An algorithm for fast and reliable fire detection," in 8th Fire Suppression and Detection Research Application Symposium, January, 2004. 

  2. Z. Liu, J. Makar, and A. K. Kim, "Development of Fire Detection System in the Intelligent Building," in Proceedings of Automatic Fire Detection, pp.561-573, 2001. 

  3. F. Yuan, "A fast accumulative motion orientation model based on integral image for video smoke detection," Pattern Recognition, pp.925-932, 2008. 

  4. T. H. Chen, Y. H. Yin, S. F. Huang, and Y. T. Ye, "The smoke detection for early fire-alarming system video based on video processing," in IEEE International Conference on Digital Object Identifier, pp.427-430, December, 2006. 

  5. J. Yang, F. Chen, and W. Zhang, "Visual-based smoke detection using support vector machine," in IEEE International Conference on Natural Computation, Vol. 4, pp. 301-305, 2008. 

  6. J. Gubbi, S. Marusic, and M. Palaniswami, "Smoke detection in video using wavelets and support vector machines," Fire Safety Journal, pp.1110-1115, 2009. 

  7. Z. Wei, X. Wang, W. An, and J. Che, "Target-tracking based early fire smoke detection in video," in International Conference on Image and Graphics, 2009. 

  8. B. Toreyin, Y. Dedeoglu, and A. E. Cetin, "Wavelet based real-time smoke detection in video," in Proceedings of the European Signal Processing Conference, 2005. 

  9. B. Toreyin, Y. Dedeoglu, and A. E. Cetin, "Contour based smoke detection in video using wavelets," in Proceedings of the European Signal Processing Conference, 2006. 

  10. M. Piccardi, "Background subtraction techniques: a review," in IEEE International Conference on System Man and Cybernetics, Vol.4, pp.3099-3104, March, 2004. 

  11. N. J. B. McFarlane, and C. P. Schofield, "Segmentation and tracking of piglets in images," Machine Vision and Application, Springer, Vol.8, No.3, pp.187-193, 1995. 

  12. Y. Nie, and K. K. Ma, "Adaptive rood pattern search for fast block-matching motion estimation," IEEE Transactions on Image Processing, pp.1442-1449, 2003. 

  13. R. O. Duda, P. E. Hart, and D. G. Stork, "Pattern classification," John Wiley & Sons, 2001. 

  14. G. Shakhnarovich, T. Darrell, and P. Indyk, "Nearest-neighbor methods in learning and vision: Theory and practice," The MIT Press, March, 2006. 

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