基于图像处理的多特征融合火焰检测系统

资 源 简 介

该项目旨在利用MATLAB平台开发一套高效的火焰检测算法，用于实时监控环境中的火情状况。系统综合利用了火焰的静态颜色特征和动态行为规律。在检测流程中，程序首先对输入的图像或视频帧进行预处理，通过RGB颜色空间与YCbCr空间模型的非线性组合建立火焰颜色判别准则，快速剔除大部分背景干扰。针对复杂背景下的误判问题，系统引入了运动检测机制和面积变化规律分析，通过背景差分法提取运动目标，并计算疑似区域的面积波动率和闪烁频率，有效区分火焰与橙色灯光或其他静止的红色物体。此外，该程序还包含了形态学处理环节，利用膨胀与

详 情 说 明

基于数字图像处理的多特征融合火焰检测系统

项目介绍

本项目是一款基于 MATLAB 平台开发的实时火焰监测系统。该系统旨在通过数字图像处理技术，提升在复杂环境下识别火情的准确度。系统不依赖单一特征，而是通过融合火焰的颜色静态特征、背景建模驱动的运动特征以及时域上的面积波动规律，实现了对火源的精确锁定。其应用场景涵盖森林防火预警、工厂车间监控以及智能家居安防等领域，具备良好的算法鲁棒性和实时响应能力。

功能特性

1. 多空间颜色提取：结合 RGB 与 YCbCr 颜色模型，精准提取火焰特有的红色分量与亮度特征。
2. 动态运动分析：采用背景差分法与加权平均背景更新策略，过滤环境中的静止干扰物。
3. 形态学精准修复：通过腐蚀、膨胀及孔洞填充操作，消除噪声干扰并补全火焰轮廓。
4. 时域闪烁检测：引入滑动窗口机制分析疑似区域的面积波动率，有效区分火焰与静态红色灯光。
5. 可视化监控界面：实时标注火源位置（质心）、外接矩形框及覆盖面积。

运行环境与系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱要求：Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）。
• 硬件要求：标准摄像头或包含火焰素材的 MP4 视频文件。
• 性能考量：算法采用矩阵化运算，支持在主流 PC 硬件上实现实时帧率处理。

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系统核心逻辑实现说明

程序通过一个主循环处理视频序列，每个阶段的逻辑严格遵循多特征融合原则：

1. 颜色空间联合判别 系统首先对采集到的每一帧图像进行颜色过滤。程序通过两个维度的逻辑交集生成火焰颜色掩膜：

• RGB 准则：检测满足 R > G > B 且 R 分量大于 150 的像素，捕获火焰的高亮红色核心。
• YCbCr 准则：在亮度分量（Y）与色度分量（Cb, Cr）中，根据 Y > Cb 且 Cr > Cb 的逻辑进一步筛选，利用火焰在亮度空间的高饱和度特性剔除部分类火色背景。

2. 运动目标提取（背景差分） 为了排除场景中静止的红色物体（如消防栓、红色标牌），系统维护了一个动态更新的背景模型：

• 背景更新：采用 alpha = 0.05 的加权平均法，使背景模型能随环境光线缓慢演变。
• 差分提取：计算当前帧与背景模型的灰度差绝对值，当差异超过阈值时记为运动像素。只有同时满足“颜色准则”和“运动准则”的区域才会被标记为疑似火源。

3. 形态学精细化处理 针对提取出来的二值掩膜，程序执行以下操作提升检测精度：

• 腐蚀（Erosion）：利用 2 像素半径的磁盘形算子去除孤立的微小噪点。
• 膨胀（Dilation）：利用 5 像素半径的算子连接断裂的火焰碎片。
• 填补（Filling）：对闭合区域内部的空洞进行自动填充，确保火焰连通域的完整性。

4. 连通域统计与地理特性分析 通过 regionprops 函数对处理后的二值图像进行扫描，提取疑似区域的几何属性：

• 面积筛选：过滤掉面积小于 100 像素的微小干扰区域。
• 坐标锁定：计算并记录火焰区域的矩形包围框（Bounding Box）和几何中心（Centroid）。

5. 面积波动率与闪烁分析 这是降低误报率的关键环节。系统维护一个长度为 20 帧的滑动窗口，记录总火焰面积的历史变化：

• 波动计算：计算历史面积的标准差与均值之比（变异系数）。
• 警报逻辑：系统判定“火情发生”的充要条件是——检测到符合颜色的运动物体，且其面积波动率大于 0.1。这一逻辑能有效识别火焰跳动、闪烁的动态本质，从而排除稳定的橙色光源。

算法关键参数详述

• RGB 阈值：设定为 150，兼顾了弱火捕捉与过曝修正。
• 学习率 alpha：0.05 的学习率确保背景模型既能适应环环境光变化，又不会过快吸收缓慢移动的火苗。
• 标准差系数：波动率阈值 0.1 是区分火焰跳动与物体平移干扰的重要分界线。

使用方法

1. 将待检测的视频文件命名为 fire_video.mp4 并放置在程序根目录下，或在代码中修改视频路径。
2. 在 MATLAB 命令行窗口运行程序。
3. 系统将自动弹出监控窗口：

* 绿色状态栏：表示环境安全，未发现异常。 * 红色状态栏 [!!! 发现疑似火情 !!!]：表示系统已锁定火源，并实时输出当前的面积覆盖数据与波动系数。

1. 控制台会同步记录带时间戳的检测日志。项目终止请直接关闭图形窗口。