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감시 카메라를 이용한 딥러닝 기반의 화재 경보 시스템

Convolutional Neural Network Based Fire Detection Systems in Surveillance Camera

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주제분류학제간연구

초록

센서 기반의 기존의 화재 검출기는 먼지나 습도에 의하여 오작동을 하여 유지 관리에 많은 비용이 들며, 경험적 파라미터에 크게 의존하기 때문에 조직적인 설계가 이루어질 수 없다. 또한, 프레임 차분을 통한 화재 검출 방식은 카메라의 통신 상태가 좋지 못한 곳에서는 그 성능이 떨어질 수밖에 없다. 이 논문에서는 CNN기반의 새로운 화재 감지 시스템을 보인다. 작은 화재까지도 검출하기 위하여 최소의 수용장 영역 (receptive filed)을 선택하였다. 또한, 매 프레임에서 화재를 검출하는 방식을 취하기 때문에 통신 환경 상태와 무관한 일정한 성능을 보인다. 정확한 검증을 위하여 교차 검증을 하여, 96.2%의 f1—score, 0.98의 최소 AUC를 얻었다.

Abstract

Fires can cause significant human and property losses in unexpected locations. To detect fires, sensors based fire detection systems are being popular. However, the sensors should be carefully maintained because the sensor based detectors can malfunction due to humidity and dust, resulting in high cost. Recently, using surveillance cameras installed many places, vision technologies are being used to detect fires. However, the methods are highly dependent on empirical parameters, which cannot be designed systematically. As another approaches, frame differences are utilized to detect flames. However, these methods may have low performances in the environment of the low communication speed of the camera. This paper proposes new fire detection systems based on convolutional neural network. Considering limited number of dataset and the deformation of the camera images, datasets are augmented using rotations, vertical/horizontal flips, brightness deformation, image enlargement and reduction, etc. The proposed neural network uses the minimal size of the kernel, i.e. 3x3 because receptive fields should be minimal to detect small fires. Performances of the designed neural network are carefully evaluated using cross validation methods, such as confusion matrix based recall/precision/accuracy/f1-score, receiver operating characteristic (ROC), and area under the curve (AUC). In the image test, it is verified that the proposed neural network detects fires well in the normal environment including exceptional cases, i.e. irregular fire shapes, flaming sunsets, and small fires occupying 2% of the hole image. The achieved performances are f1-score=0.962 and AUC=0.98.

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