تشخیص حریق با استفاده از تصویر: تشخیص و پیاده سازی

چکیده

در این مقاله به بررسی تکنیک‌های تشخیص حریق با استفاده از تصویر و الگوریتم‌های پیشرفته بینایی ماشین پرداخته می‌شود. هدف اصلی این تحقیق، ارزیابی مزایا و معایب سیستم‌های تشخیص حریق مبتنی بر تصویر با کمک هوش مصنوعی است. نتایج این تحقیق نشان می‌دهند که استفاده از پردازش تصویر جهت تشخیص حریق به‌طور قابل توجهی دقت و سرعت تشخیص حریق را بهبود می‌بخشد و به‌ویژه در محیط‌های بزرگ و پیچیده، عملکرد بهتری نسبت به روش‌های سنتی دارد. این سیستم قادر به ارائه هشدارهای به‌موقع و کاهش هزینه‌های نصب و نگهداری است، که می‌تواند به‌طور چشمگیری امنیت را افزایش دهد و خسارات مالی را کاهش دهد.

اهمیت تشخیص حریق بر مبنای تصویر

معرفی مشکل تشخیص حریق یکی از مسائل حیاتی در امنیت و حفاظت از ساختمان‌ها و محیط‌های مختلف است. روش‌های سنتی مانند دتکتورهای دود و حرارت در بسیاری از سیستم‌های حفاظتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما این روش‌ها به‌تنهایی نمی‌توانند به‌طور کامل و دقیق وضعیت حریق را تشخیص دهند. به‌ویژه در محیط‌های پیچیده و بزرگ، دتکتورهای سنتی ممکن است به‌دلیل محدودیت‌های فنی یا مکانیکی نتوانند به‌طور مؤثر عمل کنند.

مزایای استفاده از تکنیک‌های تشخیص حریق بر مبنای تصویر تشخیص حریق با استفاده از تصاویر و ویدئوها به‌ویژه در این عصر فناوری‌های پیشرفته اهمیت بیشتری یافته است. این تکنیک‌ها می‌توانند مزایای زیادی نسبت به روش‌های سنتی ارائه دهند:

• دقت بالا: سیستم‌های تشخیص تصویر می‌توانند ویژگی‌های بصری حریق را شبیه‌سازی کنند و به‌طور دقیق‌تر و سریع‌تر از دتکتورهای سنتی عمل کنند.
• پوشش وسیع: با استفاده از دوربین‌های نظارتی، می‌توان مناطق وسیع‌تر را تحت نظر داشت و به‌طور همزمان چندین نقطه را پایش کرد.
• کاهش هزینه‌ها: با استفاده از دوربین‌های موجود و تکنولوژی‌های نرم‌افزاری، هزینه‌های اضافی مربوط به نصب و نگهداری دتکتورهای متعدد کاهش می‌یابد.
• پیش‌بینی و پیشگیری: توانایی تحلیل تصاویر و پیش‌بینی وقوع حریق به‌موقع می‌تواند کمک زیادی به پیشگیری از وقوع حوادث جدی و خسارات مالی نماید.

هدف از تشیخص حریق به کمک تصویر

هدف پیاده‌سازی پروژه هدف اصلی پیاده‌سازی پروژه تشخیص حریق با استفاده از تصویر، ارتقاء سیستم‌های امنیتی موجود و بهبود دقت و کارایی آن‌ها است. در این پروژه، از الگوریتم‌های پیشرفته بینایی ماشین، برای شناسایی و تشخیص سریع حریق در تصاویر و ویدئوها استفاده می‌شود. این تحقیق به دنبال ارائه راه‌حل‌هایی برای مشکلات فعلی در تشخیص حریق و افزایش قابلیت‌های سیستم‌های موجود است.

حل مشکلات با پیاده‌سازی این پروژه، چندین مشکل کلیدی حل می‌شود:

• تشخیص سریع و دقیق: استفاده از مدل‌های تشخیص تصویر می‌تواند زمان تشخیص حریق را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد و از اشتباهات ناشی از سیگنال‌های نادرست دتکتورهای سنتی جلوگیری کند.
• پایش مداوم و وسیع: این سیستم‌ها به‌طور مداوم و در زمان واقعی تصویر را تحلیل می‌کنند و به اپراتورها این امکان را می‌دهند که وضعیت حریق را به‌طور مداوم پایش کنند.
• افزایش ایمنی: با توانایی تشخیص زودهنگام حریق، می‌توان اقدامات لازم را به‌سرعت انجام داد و از خسارات احتمالی جلوگیری کرد.
• کاهش نیاز به نیروی انسانی: این سیستم‌ها می‌توانند به‌طور خودکار و بدون نیاز به نظارت دائمی نیروی انسانی، وضعیت حریق را بررسی کنند.

روش‌های تشخیص حریق مبتنی بر تصویر

روش‌های مبتنی بر تصویر برای تشخیص حریق، به‌ویژه با استفاده از دوربین‌های نظارتی و الگوریتم‌های پردازش تصویر، توانایی‌های بیشتری نسبت به دتکتورهای سنتی دارند. این روش‌ها با استفاده از تحلیل ویژگی‌های بصری حریق، مانند رنگ و شکل شعله، قادر به شناسایی و پایش حریق به‌طور دقیق‌تر و سریع‌تر هستند. مزایای این تکنیک‌ها شامل دقت بالا، پوشش وسیع و کاهش هزینه‌های اضافی می‌باشد.

الگوریتم‌های بینایی ماشین و یادگیری عمیق در تشخیص حریق

در سال‌های اخیر، الگوریتم‌های بینایی ماشین و یادگیری عمیق به‌طور گسترده‌ای در زمینه تشخیص حریق مورد استفاده قرار گرفته‌اند. الگوریتم‌های مختلف مانند شبکه‌های عصبی کانولوشنی (CNN) و شبکه‌های عصبی بازگشتی (RNN) توانایی‌های چشمگیری در شناسایی و تحلیل ویژگی‌های حریق دارند. این الگوریتم‌ها با توانایی یادگیری از داده‌های بزرگ، می‌توانند دقت تشخیص را به‌طور قابل توجهی افزایش دهند.

معماری مدل استفاده شده

مدل استفاده شده در این پروژه یکی از پیشرفته‌ترین الگوریتم‌های تشخیص اشیاء در تصاویر است که به‌ویژه برای کاربردهای زمان واقعی طراحی شده است. این مدل به‌طور همزمان تمامی اشیاء موجود در یک تصویر را شناسایی کرده و جعبه‌های محدود (bounding boxes) را به همراه برچسب‌های دسته‌بندی مربوطه پیش‌بینی می‌کند. این مدل بر اساس شبکه‌های عصبی کانولوشنی (CNN) ساخته شده است و با تقسیم تصویر به شبکه‌های کوچکتر و پیش‌بینی جعبه‌های محدود و برچسب‌های کلاس برای هر بخش، قادر به شناسایی اشیاء به‌صورت سریع و دقیق است.

آموزش مدل

برای آموزش مدل تشخیص حریق، از یک مدل پیش‌آموزش‌دیده استفاده کردیم که بر روی مجموعه داده‌های بزرگ عمومی آموزش دیده است. این مدل به‌طور اولیه برای شناسایی اشیاء عمومی آموزش داده شده است و نیاز به تنظیمات خاص برای شناسایی حریق دارد. برای تطبیق مدل با نیازهای خاص پروژه، مراحل زیر انجام شده است:

• جمع‌آوری و تهیه داده‌های آموزشی: مجموعه داده‌های آموزشی شامل تصاویر حریق با برچسب‌های صحیح جمع‌آوری شد. این تصاویر شامل انواع مختلف حریق در شرایط نوری و محیطی متفاوت بود.
• پردازش داده‌ها: تصاویر آموزشی به فرمت مناسب برای مدل تبدیل شدند. این شامل برش تصاویر، تغییر اندازه، و افزودن برچسب‌های مناسب به جعبه‌های محدود است.
• آموزش مدل: با استفاده از داده‌های آموزشی پردازش‌شده، مدل بر روی این داده‌ها آموزش داده شد. آموزش مدل شامل تنظیم هایپرپارامترها و ارزیابی مدل بر روی داده‌های اعتبارسنجی برای جلوگیری از بیش‌برازش (overfitting) بود.

پیش‌پردازش داده‌ها

پیش‌پردازش داده‌ها نقش کلیدی در موفقیت مدل‌های یادگیری ماشین دارد. در این پروژه، مراحل پیش‌پردازش زیر برای آماده‌سازی تصاویر برای ورود به مدل انجام شد:

• تغییر اندازه تصاویر: تمامی تصاویر به ابعاد مورد نیاز مدل تغییر اندازه داده شدند تا مدل بتواند آن‌ها را به‌درستی پردازش کند.
• نرمال‌سازی: مقادیر پیکسل‌های تصویر به بازه [0, 1] نرمال‌سازی شدند تا مدل بتواند به‌طور مؤثر‌تری روی داده‌ها آموزش ببیند.
• افزایش داده‌ها: تکنیک‌های افزایش داده‌ها مانند چرخش، برش، و تغییرات نوری برای بهبود قابلیت تعمیم مدل و افزایش تنوع داده‌های آموزشی به‌کار گرفته شد.

ارزیابی عملکرد

در این بخش، نتایج آزمایشات سیستم تشخیص حریق با استفاده از مدل مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. ارزیابی عملکرد سیستم شامل تحلیل دقت، صحت، و قابلیت اطمینان مدل است که از طریق آزمایش‌های مختلف بر روی مجموعه داده‌های تست انجام شده است.

• دقت (Accuracy): دقت مدل به معنای درصد فریم‌های ویدئو است که در آن‌ها حریق به‌درستی شناسایی شده است. دقت مدل با مقایسه نتایج شناسایی شده با برچسب‌های واقعی داده‌ها محاسبه می‌شود. دقت کلی مدل ما 95% بوده است، که نشان‌دهنده عملکرد خوب آن در شناسایی حریق است.
• صحت (Precision): صحت مدل به معنای درصد نمونه‌های شناسایی شده به‌عنوان حریق است که واقعاً حریق بوده‌اند. صحت مدل به‌طور متوسط 92% گزارش شده است، که نشان‌دهنده توانایی مدل در کاهش شناسایی‌های نادرست است.
• قابلیت اطمینان (Reliability): قابلیت اطمینان مدل به معنای ثبات عملکرد آن در شرایط مختلف است. مدل YOLO توانست به‌طور پیوسته و با دقت بالا در شرایط نوری مختلف و با وجود پیچیدگی‌های محیط، حریق را شناسایی کند. این نشان‌دهنده قابلیت اطمینان بالای مدل در شرایط واقعی است.

مزایا و محدودیت‌ها

مزایا

• دقت بالا در تشخیص حریق: استفاده از مدل تشخیص حریق، که به‌طور خاص برای تشخیص سریع و دقیق اشیاء طراحی شده، باعث شده است تا سیستم ما بتواند حریق‌ها را با دقت بالا و در زمان کوتاه شناسایی کند. این امر به‌ویژه در شرایطی که سرعت تشخیص حیاتی است، یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.
• پوشش وسیع: با استفاده از دوربین‌های نظارتی متعدد و توانایی مدل در پردازش هم‌زمان تصاویر از چندین منبع، سیستم ما قادر است تا مناطق وسیعی را تحت پوشش قرار دهد. این ویژگی به‌طور خاص در محیط‌های بزرگ و پیچیده بسیار مفید است.
• کاهش هشدارهای نادرست: دقت بالای مدل در شناسایی حریق باعث کاهش چشمگیر هشدارهای نادرست می‌شود که یکی از مشکلات عمده در سیستم‌های تشخیص حریق سنتی است.

محدودیت‌ها

• وابستگی به کیفیت تصاویر: عملکرد مدل تشخیص حریق به‌شدت به کیفیت و وضوح تصاویر ورودی وابسته است. در شرایط نوری ضعیف یا تصاویر با رزولوشن پایین، دقت تشخیص ممکن است کاهش یابد.
• نیاز به منابع محاسباتی بالا: اجرای مدل پیش بینی شده به‌ویژه در زمان واقعی (real-time) نیازمند منابع محاسباتی بالاست. این موضوع می‌تواند به چالش‌هایی در پیاده‌سازی در سیستم‌های با منابع محدود منجر شود.

مقایسه با دتکتورهای دود و حرارت

• دقت تشخیص: سیستم‌های سنتی تشخیص حریق بر اساس دود و حرارت عمدتاً به شرایط محیطی حساس هستند و ممکن است در برخی شرایط به‌درستی عمل نکنند. در مقابل، شیوه تشخیص حریق به کمک پردازش تصویر با تحلیل بصری تصاویر می‌تواند به‌طور دقیق‌تر و در زمان کوتاه‌تری حریق را شناسایی کند.
• سرعت پاسخ‌دهی: مدل استفاده شده به‌ویژه در تشخیص سریع حریق‌ها عملکرد بهتری نسبت به دتکتورهای سنتی دارد، که این امر به کاهش زمان پاسخ‌دهی و اقدام سریع‌تر منجر می‌شود.

لینک گیت هاب پروژه پیاده سازی شده:
https://github.com/alibinabaji/fire-detection