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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR THE NIGHTTIME R4ECGNITION OF FIRES AND DIFFERENTIATION FROM ARTIFICIAL LIGHT SOURCES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/060407
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device for the nighttime recognition of fires and differentiation from artificial light sources, comprising at least one CCD image sensor and an image analyser. The image generating means is in the form of at least one monochromatic silicon CCD sensor (21) and is sensitive in the range of ca. 400 to 1100nm.

Inventors:
GRAESER GUENTER (DE)
JOCK ANDREAS (DE)
KRANE UWE (DE)
SCHIFFEL REINHARD (DE)
VOGEL HOLGER (DE)
LIEBICH JOACHIM (DE)
Application Number:
PCT/DE2009/001544
Publication Date:
June 03, 2010
Filing Date:
November 01, 2009
Export Citation:
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Assignee:
IQ WIRELESS ENTWICKLUNGSGES FU (DE)
GRAESER GUENTER (DE)
JOCK ANDREAS (DE)
KRANE UWE (DE)
SCHIFFEL REINHARD (DE)
VOGEL HOLGER (DE)
LIEBICH JOACHIM (DE)
International Classes:
G08B17/12
Foreign References:
EP0984413A22000-03-08
DE102005018626A12006-11-02
FR2696939A11994-04-22
EP1628260A12006-02-22
US7154400B22006-12-26
US6937743B22005-08-30
US5237308A1993-08-17
DE60105006T22005-09-08
EP0984413A22000-03-08
DE102005018626A12006-11-02
Other References:
See also references of EP 2353152A1
Attorney, Agent or Firm:
SCHOLZ & PARTNER (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung, mit mindestens einem bildgebenden Mittel, umfassend mindestens einen CCD- Bildsensor und einer Bildauswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das bildgebende Mittel als mindestens ein monochromer Silizium-CCD Sensor (21) ausgebildet und im Bereich von ca. 400 bis llOOnm sensitiv ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sperrfilter (14) vorgesehen sind, die für die Fernerkennung von verdeckten, sehr schwachen Wald- und Flurbränden die hierfür untypischen Wellenlängenbereiche ausblendet.

3. Vorrichtung nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamera (1) ein

Analog- zu-Digital-Wandler (22), sowie ein digitaler Signalprozessor (24) und ein Bilddatenspeicher (26) zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kamera (1) eine digitale Schnittstelle (27) zugeordnet ist, wobei die digitale Schnittstelle (27) nach IEEE802.3J (100 Base-FX) zur Übermittlung der Bilddaten mit einer Bildauswerteeinheit (2) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (1) über eine digitale Schnittstelle (25) Kommandos zur Steuerung einer mit ihr verbundenen Schwenk-Neige -Einrichtung (3) sowie Dateninformationen zur Festlegung von Systemparametern empfängt .

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Kamera (1) mit der Schwenk-Neige- Einrichtung (3) auf einem Feuerwachturm (5) oder einem anderen geeigneten BeobachtungsStandort montiert ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildauswerteeinheit (2) durch eine Datenleitung (7) mit einem Operatorarbeitsplatz

(8) innerhalb eines festen Gebäudes (9) verbunden ist.

8. Verfahren zur nächtlichen Fernerkennung von Bränden, vorzugsweise zur Früherkennung von schwachen, verdeckten Wald- und Flurbränden, auf große Entfernung, bestehend aus den Schritten:

• das mittels einer digitalen Kamera ein Bild erstellt und clusterweise darauf untersucht wird, ob die Verteilung der Helligkeitswerte der Pixel einer Wahrscheinlichkeitsverteilung entspricht, wobei ein Cluster 32 x 32 Pixel enthält; • wenn die Helligkeitswerte der Pixel nicht einer Wahrscheinlichkeitsverteilung entsprechen, wird der Cluster unter Verwendung eines aus ihm gewonnenen durchschnittlichen Helligkeitswertes zuzüglich einer gewissen Sicherheitsreserve binarisiert ;

• die entstandenen Gruppen aus weißen Pixeln werden durch geeignete morphologische Verfahren zusammengeführt und zu kleine Gruppen aus weißen Pixeln werden eliminiert.

9. Verfahren zur nächtlichen Früherkennung von schwachen, verdeckten Wald- und Flurbränden auf große Entfernung mittels einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bestehend aus den folgenden Schritten:

• Senden von mittels einer Kamera aufgenommen Bildinformationen eines zu überwachenden Gebietes an eine Bildverarbeitungseinheit;

• Erfassen und untersuchen der Bildinformationen auf bekannte künstliche Lichtquellen mit geometrische Formen und Ausschließen derartige Gruppen von Pixeln von der weiteren Bildauswertung ;

• Anwenden eines Algorithmus, welcher in Einzelbildern die durchschnittliche Helligkeit der Bildpixel clusterweise bestimmt und aus den in der Bildfolge entsprechenden Clustern ein Helligkeits-Zeit-Signal bildet;

• Abgleichen eines jeden Clusters auf das Auftreten von Frequenzen in einem Frequenzbereich von ca. 0.1 bis 0.2 Hertz;

• Binarisierung mittels der aus der vorgenannten Berechnung ermittelten Schwellwerte.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnete, dass ein Algorithmus zur Unterdrückung von unvermeidlichem Photonen- und thermischem Rauschen durch clusterweise Analyse von Einzelbildern hinsichtlich Helligkeitswerte der Pixel dieses Clusters einer Wahrscheinlichkeitsverteilung angewendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnete, dass ein Algorithmus zur weiteren Reduktion verbleibenden Bildrauschens mittels clusterbezogener verschiedener morphologischer Operationen angewendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnete, dass Objektgröße, Objektentfernung und Objektgeschwindigkeit innerhalb einer Bildfolge unter Verwendung eines angelernten Horizontes und eines bekannten Geländemodells bestimmt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnete, dass eine künstliche Lichtquelle zum Zweck der Korrektur zur Ermittlung der Objektgeschwindigkeit bezogen auf die identifizierte ortsfeste künstliche Lichtquelle ausgewählt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnete, dass Flammenlicht bzw. flammenbeleuchteten Rauchwolken von künstlichen Lichtquellen anhand der Helligkeitsverteilung in der Randregi- on der betrachteten Lichtquelle bestimmt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnete, dass eine Gesamtwahrscheinlichkeit aus den berechneten Wahrscheinlichkeiten der vorgenannten Ansprüche gebildet und bei Überschreitung eines Schwellwertes ein Alarm ausgelöst wird.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur nächtlichen

Erkennung von Bränden und Unterscheidung von künstlichen Lichtquellen

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit mindestens einem bildgebenden Mittel, umfassend mindestens einen CCD-Bildsensor und eine Bildauswerteinheit . Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein

Verfahren zur nächtlichen Fernerkennung von Bränden, vorzugsweise zur Früherkennung von verdeckten, schwachen Wald- und Flurbränden auf große Entfernung.

Aus EP 1.628.260 ist ein Verfahren bekannt, mit dem am Tage Rauchwolken anhand von Texturmerkmalen erkannt werden können. Dieses Verfahren ist nachts jedoch nicht anwendbar, da aufgrund der zur Verfügung stehenden geringen Lichtmenge keine Texturen im Bild erkennbar sind. Vom Menschen verursachte Lichtquellen wie z.B. Straßen- und Fahrzeugbeleuchtungen führen bei der notwendigen langen Belichtungszeit zur Übersteuerung des CCD-Bildsensors, so dass auch in diesem Bereich keine Texturmerkmale zur Rauch- oder Feuererkennung herangezogen werden können. Eine Horizontbestimmung in Bildern, welche im Bereich der empfindlichen Wellenlänge von Silizium-CCDs (ca. 400nm, llOOnm) aufgenommen sind, ist bei Dunkelheit ebenfalls nicht möglich, so dass auch die in o. a. Vorrichtung beschriebene Berechnung der tatsächlichen Ausdehnung von Objekten im Bild problematisch ist.

Die in der US 7,154,400 beschriebene Vorrichtung zur Erkennung von Bränden in den Innenräumen von Schiffen, detektiert Brände anhand der Zunahme der di- rekten oder an Schiffswänden reflektierten Strahlung im nahen Infrarotbereich. Die Bereiche, die von den Flammen beleuchtet werden, erscheinen für den Beobachter hell . Sie ist damit vorrangig für die Erkennung von Flammen auf kurze Entfernungen geeignet, bei denen der Brandherd ausreichend nahe Infrarotstrahlung erzeugt.

Bei großer Entfernung zum Brandherd - an dieser Stelle seien beispielsweise 8 bis 15km angenommen - und ohne direkte Sicht auf die Flammen ist die Zunahme der Strahlung infolge eines durch ca. 25m hohe Bäume verdeckten Waldbrandes von ca. Im 2 Fläche so gering, dass sie vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen wird. Von einer im nahen Infrarotbereich empfindlichen Kamera kann man zwar sagen, dass sie die Strahlung aufnimmt und in Helligkeitswerte umsetzt, jedoch wird diese lo- kal sehr begrenzte Zunahme der Helligkeit durch andere Störquellen, wie z.B. beleuchtete Fahrzeuge, Blinklichter und Straßenbeleuchtungen, verdeckt. Da das Photonenrauschen der beobachteten Lichtquellen und der Dunkelstrom des Bildaufnehmers der Kamera das Bild eben- falls überlagern, ist die beschriebene Vorrichtung für den beabsichtigten Zweck nicht anwendbar.

Die in US 6,937,743 beschriebene geschützte Kombination von Methoden zur automatischen Feuererkennung in Tunneln und an Verkehrswegen nutzt zum einen verschiedene, mit einer Farbkamera aufgenommene Eigenschaften eines Bildes, um auf das Vorhandensein von Rauch oder Flammen zu schließen, als da sind: Farbsättigung, Farbtemperatur, Schärfereduktion und Verschwin- den gerader Bildsegmente. Zum anderen werden Referenzbilder zur Bestimmung von verdächtigen Gebieten genutzt .

Bei Verwendung einer Farbkamera zur Erkennung weit entfernter verdeckter Brandquellen, muss die Brandquelle zum einen stärker emittieren als bei Verwendung einer monochromen Kamera, da die Quanteneffizienz, d.h. die Anzahl an durchschnittlich pro Photon generierten Ladungen, infolge der Verwendung optischer Filter geringer ausfällt und da Infrarotsperrfilter aufgebracht sind, die gerade den Wellenlängenbereich ausblenden, der bei einem Feuer am stärksten emittiert. Zum anderen muss die Brandquelle bei gleicher Anzahl lichtempfindlicher Elemente in der Kamera eine größere Fläche beleuchten um erkannt zu werden, da in einer Farbkamera nur ein Bruchteil der lichtempfindlichen Elemente im interessierenden Wellenlängenbereich sensitiv ist.

Das Verschwinden oder Verdecken gerader Bildelemente kann in einer naturnahen Umgebung ebenfalls nicht zur Detektion von Rauch in der Nacht herangezogen werden, da diese meistens nicht vorhanden oder ausreichend beleuchtet sind.

Die Verwendung von Referenzbildern in naturnahen Umgebungen ist wegen der unvermeidlichen Änderun- gen der Beleuchtung infolge natürlicher und künstlicher Quellen, beispielsweise Sonne, Mond, Fahrzeuge, Wolken, Wasseroberflächen usw. , und der unvermeidlichen Bewegung einer Vielzahl von Bildobjekten, beispielsweise Bäume durch Wind, Fahrzeuge, Personen, Tiere usw. , problematisch .

Die Verwendung von Referenzbildern und Bilddifferenzen wurde darüber hinaus bereits in der US 5,237,308 beschrieben und führt bei einer frei positionierbaren Kamera, welche auf einem erhöhten Standort montiert ist, schon deshalb zu einer Vielzahl von Fehl- alarmen, weil es nahezu unmöglich ist, BauwerksSchwankungen infolge von z.B. thermischer Ausdehnung und ver- änderlichen Windlasten exakt auszugleichen.

Die in DE 601 05 006 T2 beschriebene Erfindung beschreibt in einer Vorrichtung zur Erkennung von Feuern in einer Entfernung von bis zu 300 Fuß (ca. 93m) und nutzt dafür die charakteristische Frequenzkomponen- te der Koronaregion offener Flammen, welche um 5Hz liegt .

Allen vorgenannten Erfindungen ist gemeinsam, dass sie ungeeignet sind für die Detektion sehr schwacher, weit entfernter, verdeckter Feuer in der Dunkel - heit.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der verdeckte, auch sehr schwache Brände auf große Entfernung detektiert und Quellen von Fehlalarmen weitgehend aus- geschlossen werden können.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit einer solchen vorteilhaften Vorrichtung zur Fernerkennung von verdeckten Bränden, vorzugsweise zur Früherkennung von Wald- und Flurbrän- den auf relativ große Entfernungen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 bzw. 14 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteil- hafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens ein bildgebendes Mittel auf. Das bildgebende Mittel ist als Kamera ausgebildet und umfasst mindestens einen CCD-Bildsensor der mit einer Bildauswerteeinheit verbunden ist, wobei das bildgebende Mittel besonders vorteilhaft als mindestens ein monochromer Silizium-CCD Sensor ausgebildet und im Bereich von ca. 400 bis llOOnm sensitiv und der monochrome Silizium-CCD Sensor einer Kamera zugeordnet ist. Der Kamera ist erfindungsgemäß für die Nachterkennung von Lichtwellenlängen ein optisches Sperrfilter zugeordnet. Hierdurch lassen sich mit einer Kamera zwei unterschiedliche HeI- ligkeitssituationen überwachen, was den Aufwand und damit die Kosten für die Fernüberwachung erheblich reduziert .

Ferner wird durch diese Maßnahmen sichergestellt, dass der CCD-Sensor die anhand der von den Flammen ausgehenden direkten oder indirekten Strahlung im beschriebenen Wellenlängenbereich entweder auf direktem Wege oder auf dem durch Streuung an der vom Feuer erzeugten Rauchwolke erfasst. Auftretende Waldbrände können dadurch auch auf sehr große Entfernungen von künstlichen Lichtquellen unterschieden werden.

Die Strahlung wird erfindungsgemäß im CCD- Bildsensor zunächst punktweise in eine elektrische Ladung, dann in eine elektrische Spannung und letztendlich in einen Zahlenwert umgewandelt, d.h. digitali- siert. Dabei ist es ferner gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der CCD-Sensor in der Lage ist, mehrere derart digitalisierte Abbilder der Strahlungsquellen pro Sekunde aufzunehmen und an abgesetzte Recheneinheiten als Bildsequenzen zu senden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, den monochrome Silizium-CCD Sensor einer Kamera zuzuordnen, wobei für den Tagbetrieb ein Bandpass um 650nm einschwenkbar ist, sowie dass der Kamera zum Wechseln der optischen Filter eine Filterwechseleinheit zugeordnet ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das optische Sperrfilter die für die Fernerkennung von verdeckten, sehr schwachen Wald- und Flurbränden die hierfür untypischen Wellenlängenbereiche ausblenden. Dadurch ist es möglich, dass bestimmte künstliche Lichtquellen wie beispielsweise Leuchtstoffröhren und LED- Beleuchtungen, Straßen- und Hausbeleuchtungen die gewünschte Detektion von Rauch und Flammen nicht beeinflussen; Fehlalarme können dadurch vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der er- findungsgemäßen Vorrichtung kann für den Tagbetrieb ein Bandpass um 650nm eingeschwenkt werden. Hierdurch kann die Raucherkennung, insbesondere am Tag, sehr genau bestimmt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kamera zum Wechseln der optischen Filter eine Wechseleinheit zugeordnet. Die Entscheidung, ob das Filter verwendet werden soll oder nicht, erfolgt dabei vollautomatisch oder nach Entscheidung eines Operators. Hierdurch ist es möglich, dass immer das richtige Filter für die

Früherkennung von Bränden Verwendung findet und ein

Fehlalarm vermieden wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Kamera ein Analog-zu-Digital-Wandler , sowie ein digitaler Sig- nalprozessor und ein Bilddatenspeicher zugeordnet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kamera eine digitale Schnittstelle zugeordnet ist. Hierdurch lassen sich sämtlichen Information mit dem bildgebenden Mittel und Steuerbefehle übermitteln.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die digitale Schnittstelle nach IEEE802.3J (100 Base-FX) zur Übermittlung der Bilddaten mit einer Bildauswerteeinheit verbunden werden.

In einer weiteren besonders vorteilhaften

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die digitale Schnittstelle als ein optisches Glasfaserkabel ausgebildet, mit dem sich große Datenmengen gleichzeitig übertragen lassen. Die Schnittstelle kann im Einzelfall auch elektrisch nach IEEE802.3u (100 Base T) ausgeführt sein, um hinreichenden Blitz- und Überspannungsschutz zu gewährleisten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die die Kamera über die digitale Schnittstelle auch Kommandos zur Steuerung einer mit ihr verbundenen Schwenk-Neige-Einrichtung sowie Dateninformationen zur Festlegung von Systemparametern empfangen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kamera mit der Schwenk-Neige-Einrichtung auf einem Feuerwachturm oder einem anderen geeigneten Beobachtungsstandort montiert . In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Bildauswerteeinheit durch eine Datenverbindung mit einem Operatorarbeitsplatz innerhalb eines festen Gebäudes verbunden. Die Datenverbindung kann hierbei als physische Datenfernverbindung oder als Funkstrecke ausgebildet sein, die die Bildinformationen an einen zentralen Operatorenin- formationsSammelpunkt zur weiteren Entscheidung und Bewertung überträgt .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 den Systemaufbau einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Detektion sehr schwacher, weit entfernter, verdeckter Feuer bei Dunkelheit, mittels einer Kamera mit einem Ana- log-zu-Digital-Wandler , einer Filterwechseleinheit und einem digita- len Signalprozessor;

Fig. 2 die schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung einer Kamera mit, Filterwechseleinheit und Schwenk-Neigekopf ;

Fig. 3 und 4 zeigen den Sub-Hertz -Bereich ohne eine Frequenz;

Fig. 5 und 6 zeigen den Sub-Hertz-Bereich mit einem Anstieg der Frequenzen in den Abschnitten, in denen Rauch zu er- kennen ist;

Fig. 7 die schematisch dargestelltes Geländemodell bei Nachtsicht auf ein Waldgebiet, mit Straßenbeleuchtung und Rauchwolken, wie es mit einer NIR-empfindlichen Kamera wahrgenommen wird;

Fig. 8 die gleiche Geländemodell wie in

Figur 7, nach Einbeziehung eines Horizonts in das Geländemodell, mit markierten Rauchwolken zur Bildlagekorrektur und markierten gefunde- nen Punktlichtquellen.

Wie die Figur 1 zeigt, besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion, schwacher, insbesondere sehr schwacher und weit entfernter, verdeckter Feuer 6 bei Dunkelheit aus einer Kamera 1, die über eine Schwenk-Neige-Einrichtung 3 auf einem Feuerwachturm 5 installiert ist. Sie ist über eine als Glasfaser 4 ausgebildete digitale Schnittstelle 27 mit einer Bildauswertungseinheit 2 verbunden.

Die Bildauswertungseinheit 2 ist über eine beliebige Datenleitung 7 mit einem Operatorarbeitsplatz 8 verbunden. Der Operatorarbeitsplatz ist in einem Gebäude 9 eingerichtet. Das Gebäude 9 ist vorzugsweise eine zentrale Sammelstelle für eine Vielzahl von dezentral aufgestellten Kameras 1 zur Detektion sehr schwa- eher und weit entfernter, verdeckter Feuer 6, insbesondere bei Dunkelheit mittels einer Homogenisierungs- schicht 12.

Für den Tagbetrieb kann ein Bandpass 13 im Bereich um 650nm eingeschwenkt werden. Mit einem sol- chen Bandpass 13 kann eine Raucherkennung nach bekannten Verfahren erfolgen, wie es beispielsweise aus der EP 1628260 bekannt ist. Für die Nachterkennung kann ein optisches Sperrfilter 14 den Bereich ausblenden, der nicht interessiert. Dadurch wird die gewünschte Detektion von Rauch und Flammen durch künstliche Lichtquellen, bei- spielsweise Straßen- und Fahrzeugbeleuchtungen, Leuchtstoffröhren und LED-Beleuchtungen, wenig beeinflusst und damit die Gefahr von Fehlalarmen verringert.

Wie die Figur 2 zeigt, weist die Kameral eine Vielzahl von Objektiven 20 und einen monochromen SiIi- zium-2CCD-Chip 21 auf. Die Kamera 1 ist ferner mit einer Wechseleinheit 23 versehen, mit der die optischen Filter 13 und 14 gewechselt werden können. Die Kamera 1 enthält des Weiteren einen Analog- zu-Digital -Wandler 22 und einen digitalen Signalprozessor 24 und einen aus- reichend großen Bilddatenspeicher 26.

Die Kamera 1 weist eine digitale Schnittstelle 27 nach IEEE802.3J (100 Base-FX) auf. Mit dieser digitalen Schnittstelle 27 erfolgt die Übermittlung der Bilddaten an die Bildauswertungseinheit 2, wobei die digitale Schnittstelle erfindungsgemäß ein optisches Glasfaserkabel 4 ist. Ein solches optisches Glasfaserkabel 4 gewährleistet einen hinreichenden Blitz- und Überspannungsschutz .

Im Einzelfall kann sie auch elektrisch als nach IEEE802.3U (100 Base T) ausgeführt sein. Über eine digitale Steuerschnittstelle 25 kann die Kamera 1 zusätzlich auch Kommandos zur Steuerung der mit ihr verbundenen Schwenk-Neige-Einrichtung 3 und zur Festlegung von Systemparametern empfangen.

Entsteht in einem Waldgebiet 10 ein derartiges Feuer 6, so erzeugt es eine Lichtstrahlung 11 auf der ebenfalls entstehenden Rauchwolke 17. Ein kleiner Teil der Lichtstrahlung 11 gelangt durch einen optischen Filter 14 auf den CCD-Chip 21 in die Kamera 1. Die Kamera 1 nimmt dabei selbstständig über eine einstellbare Zeit ca. vier Bilder pro Sekunde auf und bildet daraus in Echtzeit nicht dargstellte additiven Clusterbilder . Diese additiven Clusterbilder werden zunächst in dem Bilddatenspeicher 26 abgelegt. Daneben werden ausgewählte Bilder zum Zweck der späteren Bildanalyse durch die nachgeschaltete Bildauswertung 2 in dem Bilddatenspeicher 26 abgelegt.

Nach Ablauf der Beobachtungszeit analysiert die Kamera 1 das Verhalten aller einander entsprechenden Bildcluster im Frequenzraum und markiert solche Cluster, welche einen gewissen Schwellwert überschreiten und somit verdächtig sind. Die Kamera 1 sendet nur das Ergebnis dieser Analyse der Helligkeitsmodulation sowie einige im größeren zeitlichen Abstand aufgenommene und zwischenzeitlich im Bilddatenspeicher 26 abgelegte Bilder an die nachgeschaltete Bildauswertung 2. Die Figuren 3 und 4 zeigen anhand von Diagrammen den Sub-Hertz-Bereich ohne eine detektierte Frequenz. Die Figuren 5 und 6 zeigen anhand von Diagrammen den SubHertz-Bereich mit einem Anstieg der Frequenzen in den Abschnitten, in denen Rauch zu erkennen ist.

Unter nächtlichen Bedingungen, wie sie in der Figur 7 dargestellt sind, treten in den Bildern Effekte von Photonenrauschen und thermischem Rauschen deutlich hervor. Dadurch ist eine Binarisierung der Bilder nicht ohne weiteres möglich, da kein Schwellwert gefunden werden kann, der helle Objekte, d.h. beleuchtete Rauchwolken 29 und Flammen oder sonstige Punktlichtquellen 28, beispielsweise Straßenbeleuchtungen, beleuchtete Fenster usw., von einem dunklen Hintergrund trennt.

Bei der Betrachtung werden viele Bildpunkte oberhalb des Horizontes 30 erkennbar, die Helligkeitswerte aufweisen, wie sie Bildpunkte innerhalb der zu detektierenden Rauchwolke 29 haben. Eine Binarisierung mit einem einheitlichen Schwellwert, würde eine Vielzahl heller Punkte im Bild hervorrufen und damit den Rechenaufwand erheblich erhöhen. Zur Rauschunterdrückung unter Beachtung der nahen Umgebungsbedingungen erfolgt die Binarisierung daher in folgenden Schritten:

• das Bild wird clusterweise darauf untersucht, ob die Verteilung der Helligkeitswerte der Pixel einer Wahrscheinlichkeitsverteilung entspricht. Ein Cluster enthält dabei zum Beispiel 32 x 32 Pixel, ist dies der Fall, so wird der betreffende Cluster nicht weiter betrachtet;

• wenn die Helligkeitswerte der Pixel einer Wahrscheinlichkeitsverteilung nicht entsprechen, so wird der Cluster unter Verwendung eines aus ihm gewonnenen durchschnittlichen Helligkeitswertes, zuzüglich einer gewissen Sicherheitsreserve zur Vermeidung von „Salz- und Pfeffer-Abbildungen" binarisiert ;

• die entstandenen Gruppen aus weißen Pixeln werden durch geeignete morphologische Verfahren zusammengeführt. Gleichzeitig werden zu kleine Gruppen aus weißen Pixeln eliminiert.

Zur Eliminierung bekannter Störquellen und

Suche eines Fixpunktes wird das so gewonnene Binärbild auf bekannte geometrische Formen, beispielsweise Kreise (Straßenbeleuchtung) und Rechtecke (Häuser, Fenster) untersucht, wie es in der Figur 8 dargestellt ist.

Derartige Gruppen von Pixeln werden als

Punktlichtmarkierungen 31 von der weiteren Bearbeitung ausgeschlossen. Gleichzeitig wird eine Bestimmung der Abweichung der ausgeschlossenen Pixelgruppe von der Idealform durchgeführt. Die Pixelgruppen mit der ge- ringsten Abweichung von der Idealform erhalten Rauchwolkenmarkierungen 32 und dienen der im Weiteren beschriebenen Bildlagekorrektur.

Zur Bestimmung der Entfernung vom Horizont und Objektgröße wird bei der Installation für jede feste Blickrichtung der Kamera 1 ein Geländemodell mit eingestelltem Horizont verwendet. Damit ist es möglich, aus der Brennweite der Kamera 1 für jeden Pixel unterhalb des Horizontes dessen Ausdehnung in Metern zu bestimmen. Dies gilt dem Grunde nach auch für alle Pixel die sich nur geringfügig oberhalb des Horizontes befinden. Damit werden für jede Pixelgruppe deren Ausdehnung bestimmt und solche Pixelgruppen ausgeschlossen, die eine Ausdehnung oder ein Ausdehnungsverhältnis von Länge zu Breite haben, die für Flammen bzw. beleuchtete Rauchwolken untypisch sind.

Für jede der verbliebenen Pixelgruppen wird zur Bildlagekorrektur und Detektion von Bewegungen anhand weiterer Bilder, welche von der Kamera 1 an die nachgeschaltete Bildverarbeitungseinheit 2 geschickt werden, eine Berechnung der Veränderung der Ausdehnung und der Bewegung vorgenommen.

Anhand dieser beschriebenen Pixelgruppen mit der geringsten Abweichung von einer geometrischen Idealform, nämlich Kreis und Rechteck, können scheinbare Bewegungen des Bildinhaltes, welche in Wahrheit durch eine Bewegung der Kameraplattform, beispielsweise infolge von Wind, verursacht wurden, rechnerisch ausgeglichen werden.

Damit ist es für jede verbliebene Pixelgruppe möglich, deren Veränderung ihrer Ausdehnung in m 2 und deren Bewegung in m/s zu bestimmen. Pixelgruppen, welche nicht ein Mindestmaß an Bewegung und Veränderung ihrer Ausdehnung aufweisen, werden von der weiteren Be- arbeitung ausgeschlossen. Ebenso werden solche Pixel - gruppen ausgeschlossen, die untypisch schnell sind, beispielsweise Fahrzeuge.

Pixelgruppen, die im Graustufenbild im Rand- bereich der Pixelgruppe innerhalb weniger Pixel auf den Helligkeitswert der Umgebung abfallen, werden im Allgemeinen nicht durch Flammen oder beleuchteten Rauch hervorgerufen. Es ist bei solchen Pixelgruppen somit wahrscheinlich, dass sie künstlichen Ursprungs sind und können ausgeschlossen werden.

Aus den oben beschriebenen Einzelwahrscheinlichkeiten wird für jede Pixelgruppe eine Gesamtwahrscheinlichkeit bestimmt. Diese Gesamtwahrscheinlichkeit trifft eine Aussage darüber, ob es sich um eine offene Flamme oder beleuchteten Rauch handelt. Bei Überschreitung eines Schwellwertes erfolgt eine automatische Alarmierung, z.B. über Telefon- oder Funkverbindungen. Mit diesen Maßnahmen können Rauchquellen und ausgewählte Punkt- lichtquelle identifiziert und Schäden durch Brände ver- ringert werden.

Bezugszeichen

1 Kamera

2 Bildauswertungseinheit

3 Schwenk-Neige-Einrichtung

4 digitale Glasfaser-Schnittstelle

5 Feuerwachturm

6 verdecktes offenes Feuer

7 Datenleitung

8 Operatorarbeitsplatz

9 Gebäude

10 Waldgebiet

11 Anstrahlung

12 Homogenisierungsschicht

13 Bandpass im Bereich um 650nm

14 Sperrfilter/optischen Filter 17 Rauchwolke

20 Objektiv

21 Silizium-CCD

22 Analog- zu-Digital-Wandler

23 Filterwechseleinheit

24 digitaler Signalprozessor

25 digitale Steuerschnittstelle

26 Bilddatenspeicher

27 digitale Schnittstelle

28 Punktlichtquelle/Straßenbeleuchtung

29 Rauchwolke/Flamme

30 einbezogener Horizont

31 Punktlichtquellenmarkierung

32 Rauchwolkenmarkierung