火灾探测和管理是非常重要的,防止社会、生态和经济损失。然而,实现实时火灾探测精度较高的物联网环境中是一项非常具有挑战性的任务,由于有限的存储、传输和计算资源。为了克服这些挑战,早期火灾探测和自动反应是非常重要的。因此,我们开发一种新型的框架基于一个轻量级的卷积神经网络(CNN),需要更少的培训时间,适用于资源受限的设备上。的内部架构提出的模型是基于块的启发VGG16架构明显减少了参数的数量,输入大小,推理时间,相对早期火灾探测的精度高。在提出的模型中,小型制服卷积过滤器是使用专门捕捉细节的顺序输入火灾图像越来越多的渠道帮助有效的特征提取。该模型评估基准福贾等两个数据集的数据集和新创建的小型火灾探测与极具挑战性真实图像数据集包含一个高级的多样性。实验结果对数据集进行的更好的性能相比,该模型的准确性,假阳性率,模型大小,和运行时间,这表明其鲁棒性和可行的安装在真实的场景中。
野火,非常灾难性的灾难,导致森林的破坏,人类的资产,收益降低土壤肥力,土地资源,是全球变暖的主要原因。火灾是一个毁灭性的自然灾害,对生物和生态环境带来的不利影响。住的地方通常是建筑包围,耕地和森林火灾事件的发生可以威胁到人类的生命和财产。纵观全球,野火,建筑火灾,车辆火灾对全球变暖产生巨大影响,生态系统,和经济,导致生物的损失。根据2018年世界火灾统计报告,在1993 - 2016,-450万- 2.5结构(建筑)火灾发生和来自57个国家的近62000名消防死亡报告( 与建筑和车辆火灾,火灾是最危险的自然灾害影响的生命周期。有许多森林大火的原因如气温升高,气候变化,从云,闪电火花掉落岩石,或擦干树在夏天( 解决有限的计算资源的挑战真实世界的物联网设备,我们引入一个轻量级深模型,在实时恢复功能。该模型达到更好的准确性与数量有限的学习参数,即。,2。01和0.94million reduced parameters when compared to famous lightweight NASNetMobile and MobileNetV1 networks. 剩下的工作是结构如下:在部分
在最近的文献中,一些研究人员展示他们的贡献在火灾探测领域包括cfa和视觉传感器系统。在cfa,不同的环境传感器,如烟雾、温度、和光敏用于火灾探测( 应用火灾探测系统分为两大类包括TFD和DL-based方法。TFD-based方法函数使用数字图像处理和模式识别技术。例如,刘等人使用三种不同的方法如时间、空间、光谱分析检测火灾区域在一个图像 TFD相比,DL模型实现更好的性能而言,增加了准确性和减少了假警报。例如,Frizzi等人提出了一个自定义CNN-based架构烟雾和火灾探测
拟议的框架包括数据预处理和我们的模型定义、数据准备数据预处理技术用于训练和测试。此外,数据增强技术,如缩放、旋转,水平翻转,和对比度增强 对原始数据预处理是指所有的转换之前美联储拟议中的端到端LW-CNN架构。例如,培训CNN对原始数据将减少分类性能的架构。此外,我们增加了输入数据通过数据进行扩展,以产生新的图像不同方向,位置,和规模,如图
在方程( 对比度增强的不同阶段,(a)代表低对比度介质(b)和(c)高对比度。 cnn广泛应用在复杂的视觉识别等任务行动和活动识别(
网络训练参数。
层(类型) #过滤器 内核大小 步 #参数(百万)
卷积1 32 (3) 1 0.000896
激活(ReLu) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
批正常化 - - - - - -
- - - - - - 0.000128
Maxpooling - - - - - - (2,2) 1 - - - - - -
卷积2 64年 (3) 1 0.018496
激活(ReLu) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
批正常化 - - - - - -
- - - - - - 0.000256
Maxpooling - - - - - - (2,2) 1 - - - - - -
卷积3 128年 (3) 1 0.073856
激活(ReLu) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
批正常化 - - - - - -
- - - - - - 0.000512
Maxpooling - - - - - - (2,2) 1 - - - - - -
辍学(0.2) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
平 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
辍学(0.2) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
密度(128) - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3.21
密度(64) - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.008256
Softmax (2) - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.000130
总参数
3.31
本节提供了一个详细的讨论,评价指标,数据集,和视觉效果。首先,我们解释了实验装置和性能指标,接下来,我们提供的数据集的解释,最后给出评估结果。
实验上执行NVIDIA GTX 2060图形处理单元(GPU)和16字节(GB)板载内存使用Keras DL框架TensorFlow后端。该模型的性能评价等几个评价矩阵精度,精度,还记得,F1-measure,假阴性率(FNR),假阳性率(玻璃钢)(也称为假警报率) 输入不同的CNN模型的大小和网络训练参数。 在本节中,我们简要解释这项工作中所使用的数据集,如福贾的视频数据集( 我们选择福贾的数据集评估和比较的性能提出用SOTA LW-CNN架构方法。福贾的数据集是一个广泛使用的公开可用的基准数据集组成的31个室内和室外环境的视频,14个视频包含火灾场景,其余相关非火灾场景。总共14036张图片得到了从这些视频,然后均匀分布如火、不燃、两类,每个类由7018年的图像。我们70%的图像用于训练,验证为20%,剩下的10%是用于测试。福贾样本图像的数据集在图所示 福贾的样本图像的数据集,(a)代表火和(b)代表非火灾图像。 (一)培训和验证准确性,(b)培训和确认损失。 该模型的分类报告测试数据表 提出模型的分类报告福贾的数据集。 该模型的混淆矩阵测试数据使用福贾的数据集如图 混淆矩阵提出了模型的福贾的数据集,在预测图的规范化在0和1之间。 该模型的性能与ANetFire [ 提出了模型的比较与其他SOTA模型福贾的数据集。 最好的性能以粗体显示。 提供的数据集福贾et al。 新创建的数据集上的实验执行,包括森林火灾和不燃类总数2000的图片,和每个类由1000张图片。火灾图像从不同来源收集,即。,re一个l-world self-recorded videos, Facebook, news channel, and YouTube videos. The source- and country-wise percentages of collected data are given in Figure 收集数据的总体分布。(a)的比例无论是收集数据和(b)代表收集数据的来源。 每个视频的长度和提取帧。 此外,数据集分为三个亚组,即。,training, validation, and testing, and the training set consists of 70% of the total dataset, where 20% is used for validation and the remaining 10% is considered for testing. Some sample images of the proposed dataset are given in Figure 提出了数据集的样本图像:火(a)和(b)非火灾图像的数据集。 森林火灾分类报告,使用不同的CNN模型使用该数据集不燃。 最好的性能以粗体显示。 表现不同的火灾探测DL-based模型使用该数据集。 最好的表现就是以粗体显示。 培训和确认损失和该模型的准确性,它可以观察到,在(a),精度30时代融合后,同样的,在(b), 27个时代后的损失成为常数,表明该模型达到学习的限制。 每个模型的混合矩阵。(a) AlexNet、(b) ResNet50 NASNetMobile (c), (d) MobileNetV1, (e) VGG16,提出LW-CNN模型(f)。 该模型提供了良好的分类结果相比其他模型和准确归类为火和非火灾图像。有些样品在两个类别,即。森林大火,不燃,反之亦然。是可以理解保持视图的视觉相似性在这两个类别。 该模型的准确性和损失图显示在图 在图 图 该模型的分类报告提出的数据集在桌子上 该模型的比较与其他baseline-CNN模型使用玻璃钢,FNR和表中给出了精度 从表 评估模型的效率,重要的是要检查它的性能和在不同的设备上部署势实时如GPU, CPU和恢复。GPU和CPU的规范培训细节部分中给出 的时间复杂度不同的pretrained CNN模型使用GPU, CPU,零售物价指数。 最好的性能以粗体显示。 在我们的实验中,使用GPU AlexNet模型的FPS, CPU,零售物价指数是95.22,4.88,和0.90,分别。原文的FPS VGG16模型是78.06,2.96和0.60分别ResNet50模型有101.31,6.35,和1.07帧/秒。NASNetMobile模型给出了110.57、12.76和3.24帧/秒,分别虽然MobileNetV1模型过程130.88,15.47,和9.05,分别。该模型的时间复杂度是更好的比其他基线模型,该模型是适用于实时实现恢复。除此之外,我们可以使用英特尔Movidius神经计算的FPS坚持增加我们建议的工作。神经计算棒是一个小的,基于usb的低功率协处理器,用于部署不同的CNN模型恢复。nc是由Myriad2视觉处理单元(VPU)和支持c++或Python API ( 该模型的可视化结果早期火灾探测的实时场景(一)代表不燃和(b)代表火灾图像。
体系结构 输入的大小 批量大小 学习速率 参数(百万)
AlexNet 227×227 32 1 60
VGG16 224×224 32 1 138.35
Resnt50 224×224 32 1 25.63
MobileNetV1 224×224 32 1 4.25
NASNetMobile 224×224 32 1 5.32
该模型 128×128 32 1 3.31
类 精度 回忆 F1-score
火 0.97 0.98 0.97
不燃 0.96 0.97 0.96
技术 玻璃钢 FNR 精度(%)
ANetFire [ 9.07 2.13 94.39
GNetFire [ 0.054 1。5 94.43
CNNFire [ 8.87 2.12 94.50
ICA_K [ 4.83 4.53 95.32
STN-CNN [ 3.68 2.46 96.23
维生素b / 32 [ 2.15 1.02 94.03
该模型
视频 长度(秒) 帧 视频 长度(秒) 帧
1 29日 7 17 220年 7
2 20. 24 18 27 14
3 21 24 19 75年 16
4 126年 102年 20. 187年 46
5 31日 11 21 108年 31日
6 41 23 22 15 11
7 46 19 23 1389年 130年
8 101年 47 24 1204年 58
9 15 8 25 244年 38
10 13 6 26 72年 19
11 14 14 27 176年 5
12 20. 5 28 81年 35
13 142年 18 29日 132年 8
14 287年 114年 30. 111年 29日
15 95年 15 31日 238年 26
16 303年 90年
方法 森林大火 不燃
精度 回忆 F1-score 精度 回忆 F1-score
AlexNet 0.83 0.93 0.86 0.91 0.79 0.85
ResNet50 0.82 0.96 0.87 0.95 0.77 0.86
NASNetMobile 0.90 0.95 0.92 0.94 0.88 0.91
MobileNetV1 0.87
0.93 0.98 0.86 0.92
VGG16
0.93 0.93 0.92
0.93
该模型 0.91 0.98
0.91
技术 玻璃钢 FNR 精度(%)
AlexNet 6 21 85.50
ResNet50 3 23 86.67
NASNetMobile 4 12 91.50
MobileNetV1
14 92.40
VGG16 7
93.17
该模型
7
方法 帧/秒
GPU CPU 零售物价指数
AlexNet 95.22 4.88 0.90
VGG16 78.06 2.96 0.60
ResNet50 101.31 6.35 1.07
NASNetMobile 110.57 12.76 3.24
MobileNetV1 130.88 15.47 9.05
该模型
在早期火灾现场使用智能监测系统分类,CNN起着至关重要的作用,防止社会、生态和经济损失。然而,当前文献集中提高火灾探测的准确性不考虑计算成本和泛化能力在实际场景。因此,我们提出了一个LW-CNN架构,可以部署在RCD利用嵌入式RCD对火灾探测的能力。灵感来自于小尺寸均匀VGG16卷积过滤器,我们设计了一个卷积LW-CNN建筑有三层,两层致密,softmax层体积小制服卷积滤波顺序与越来越多的渠道是用来从输入图像中提取细节。该模型评估基准等两个数据集”福贾的“数据集和火新创建的数据集实验评估。该模型更高的精度达到1.33% SOTA基线CNN模型提出数据集而且提高了SOTA准确性高达1.83%福贾的数据集。FNR和玻璃钢LW-CNN模型提出的数据集是1.2和7,福贾的数据集是0和0.92,分别。该模型揭示了好结果的准确性,假警报率和运行时间的数据集。另外,我们达到了200.35,21.02和16.02帧/ GPU, CPU、和RCD,分别表示该模型的鲁棒性和可行的安装智能监测系统 该系统包括几层卷积,这减少了计算复杂度和恢复非常适合。然而,这个系统可以overfit同时增加数据集类的数量,可以在一个不确定的环境中失败有雾,阴霾,雪,等。此外,FNR和玻璃钢拟议的模型仍然很高我们新创建的数据集由于巨大的多样性在我们的数据集和高层的视觉相似性火和非火灾图像。 在未来,我们的目标是使用修剪和量化技术使该模型更高效的使用更少的学习参数和模型尺寸与在线学习更有效地部署在RCD非平稳环境的能力。我们也旨在减少FNR和进一步扩展该数据集通过添加新的图像有雾,雪,阴霾,等和添加新类,清楚地识别火灾下的对象,如车辆火灾,建筑火灾、森林大火,火电杆。
数据及相关材料(代码和实现)可以找到
作者宣称没有利益冲突。
这项工作是由韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府资助(MSIT)(没有。2019 r1a2b5b01070067)。